楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學(xué) 資源與環(huán)境研究中心， 北京 100029)

項(xiàng)目來源： 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(zd2016002)； 十二五支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD21B03，2014BAC24B01-02)

豬糞沼液預(yù)處理對麥秸厭氧消化性能的影響

楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學(xué) 資源與環(huán)境研究中心， 北京 100029)

文章研究了沼液預(yù)處理麥秸對厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響，以麥秸為原料，豬糞沼液做預(yù)處理劑，預(yù)處理含水率分別為30%，50%，70%和90%。結(jié)果表明：在中溫預(yù)處理3 d的條件下，含水率為70%時(shí)產(chǎn)氣性能最佳。單位VS產(chǎn)甲烷量為243.90 mL·g-1，較未預(yù)處理麥秸提高了38.89%；VS去除率為61.84%，較未預(yù)處理組提高了24.01%。由此可見，沼液可以作為一種很好的預(yù)處理劑用于厭氧消化工程實(shí)踐。

麥秸； 沼液； 預(yù)處理； 厭氧消化

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每到收獲季節(jié)，大部分秸稈都被丟棄在田間或被焚燒，環(huán)保部2015年衛(wèi)星秸稈焚燒火點(diǎn)的監(jiān)測報(bào)告[1]顯示：2015年共監(jiān)測到4454處秸稈焚燒火點(diǎn)，產(chǎn)生了大量的污染性氣體，危害環(huán)境并容易引發(fā)火災(zāi)，因此，急需一種更為環(huán)保有效的秸稈利用方式。

秸稈是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難降解的物質(zhì)和碳水化合物組成，半纖維素、木質(zhì)素和纖維素相互纏繞，形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，成為秸稈厭氧消化過程的一大阻礙[2]。因此，對秸稈進(jìn)行預(yù)處理是必需的。預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法，目前化學(xué)預(yù)處理是最有效的處理方式[3]。最新研究表明沼液預(yù)處理可以達(dá)到與NaOH和氨水等化學(xué)預(yù)處理等同的效果[4]，沼液預(yù)處理已經(jīng)被研究者關(guān)注，主要集中在沼液預(yù)處理的可行性初步研究中。李建[5]等人研究發(fā)現(xiàn)沼液預(yù)處理后的玉米秸稈結(jié)構(gòu)被破壞，可以加快纖維素的水解；楚莉莉[6]等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)沼液預(yù)處理后的秸稈產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量顯著增大，產(chǎn)氣高峰提前，并有較好的緩沖能力；魏域芳[4,7]等人研究發(fā)現(xiàn)沼液預(yù)處理玉米秸稈5天后與牛糞混合厭氧消化產(chǎn)氣，單位VS產(chǎn)甲烷量為217.48 mL·g-1，較未預(yù)處理組提高了25.40%；胡赟[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，在中溫條件(35℃)下用沼液預(yù)處理玉米秸稈3 d時(shí)的產(chǎn)氣效果最佳(有機(jī)負(fù)荷率75 g·L-1)，甲烷產(chǎn)量較未預(yù)處理組增加了66.3%。

預(yù)處理含水率等預(yù)處理參數(shù)對預(yù)處理有顯著影響[9-11]，在沼液預(yù)處理的相關(guān)研究中，尚未發(fā)現(xiàn)預(yù)處理參數(shù)方面的詳細(xì)報(bào)道。因此，筆者提出用豬糞沼液對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，以麥秸為原料，旨在選出適合厭氧消化的沼液預(yù)處理參數(shù)，為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用麥秸取自北京郊區(qū)農(nóng)田，取回后先將秸稈切至3～4 cm，自然風(fēng)干后用帶篩網(wǎng)20目粉碎機(jī)(YSW-180，北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司)粉碎，放在通風(fēng)干燥處備用；實(shí)驗(yàn)所用沼液為豬糞產(chǎn)沼氣發(fā)酵液，放置陰涼干燥處備用；實(shí)驗(yàn)所用污泥取自北京小紅門污水處理廠。原料與接種物的性質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料理化性質(zhì) (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置由1 L藍(lán)蓋瓶，1 L集氣瓶，燒杯和橡膠管等，連接方式如圖1所示。

1.恒溫水箱； 2.1 L藍(lán)蓋瓶(工作體積0.8 L)； 3.平臺； 4.集氣瓶(有刻度)； 5.燒杯； 6.三通玻璃管和止水夾圖1 厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將麥秸自然風(fēng)干后粉碎至20～30目，加入至250 mL容量瓶中，加入不同量的豬糞沼液調(diào)節(jié)含水率為30%，50%，70%和90%，用橡膠塞及封口膜密封后放置在35℃的恒溫水箱中預(yù)處理3 d[8]，測其pH值和失重，分析性質(zhì)變化，然后進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)進(jìn)料負(fù)荷為65 gTS·L-1，污泥接種量為15 g·L-1MLSS，接種后加自來水定容至0.8 L，密封后置于恒溫水箱中進(jìn)行厭氧消化，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣量、測定氣體成分，卸料時(shí)測定氨氮，堿度，TS，VS和pH值。并與未預(yù)處理組進(jìn)行對比，每組設(shè)置3個(gè)平行，取平均值。

1.4 分析方法

日產(chǎn)氣量采用排水法測定；氣體成分用氣相色譜(SP2100(A)，北京中科慧杰分析科技有限公司)進(jìn)行測定，進(jìn)樣器溫度150℃，TCD檢測器溫度150℃，柱箱溫度為140℃，載氣為高純氬氣，0.3～0.4 MPa；TS與VS采用重量法測定；pH值采用玻璃電極法測定；氨氮濃度采用凱氏定氮儀(蒸餾滴定法)測定；堿度采用滴定法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理階段性質(zhì)變化

預(yù)處理階段pH值變化如圖2所示，整體呈下降趨勢，其中含水率為30%和90%的下降趨勢不明顯，含水率為30%的pH值由7.57降至7.21；含水率為90%的pH值由8.2降至7.89；含水率為50%的在第2天降至最低值6.57；含水率為70%的由8.35逐漸降低至6.81。

預(yù)處理階段失重變化如圖3所示，含水率為30%和50%的變化較小，含水率為30%的減少了0.097 g，含水率為50%的減少0.223 g，含水率為70%的減少0.535 g，含水率為90%的減少1.73 g，損耗較大。

圖2 不同含水率下pH值變化圖

圖3 不同含水率下失重變化圖

2.2 日甲烷產(chǎn)量

厭氧消化過程中的日產(chǎn)甲烷量如圖4所示。從圖中可以看出：在整個(gè)厭氧消化過程中，會出現(xiàn)2～3個(gè)產(chǎn)甲烷高峰。第1個(gè)峰值在前4 d出現(xiàn)，40 d后甲烷產(chǎn)量逐漸接近于0。麥秸經(jīng)過預(yù)處理后產(chǎn)甲烷高峰出現(xiàn)時(shí)間提前，且峰值隨含水率的增加而增加。但含水率為90%時(shí)日甲烷量呈下降趨勢；含水率為70%的日產(chǎn)甲烷峰值最先出現(xiàn)，且峰值最高，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在第5 天，較其他組提前了2～10 d，峰值為632.23 mL，較未預(yù)處理組的峰值提高了25.59%；第3個(gè)峰值出現(xiàn)在11 d，峰值為687.01 mL，較未預(yù)處理組的提高了34.32%。相比魏域芳[4]等人用沼液預(yù)處理玉米秸稈5 d時(shí)的第3個(gè)日產(chǎn)甲烷高峰提前了9～19 d。

圖4 日產(chǎn)甲烷量

2.3 累積產(chǎn)甲烷量

不同含水率下豬糞沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量如圖5所示。從圖中可以看出：不同含水率下累積產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，在前22±1 d內(nèi)累計(jì)甲烷量顯著上升，后期增加緩慢，40 d后甲烷產(chǎn)量接近0。含水率為70%的累積產(chǎn)甲烷量最高，為11353.74 mL，比含水率為30%，50%，90%和未預(yù)處理組分別提高了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。比魏域芳[4]等人經(jīng)沼液預(yù)處理玉米秸稈后與牛糞混合發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量(相比對照組提高了25.40%)增加了13.49%。

圖5 累積甲烷產(chǎn)量

與袁海榮[12]等人氨預(yù)處理玉米秸稈含水率為70%的產(chǎn)氣效果最好的研究結(jié)果一致。

2.4 厭氧消化時(shí)間

T80是累計(jì)產(chǎn)甲烷量達(dá)到甲烷總量80%時(shí)所需的時(shí)間，是評價(jià)秸稈厭氧消化性能的一個(gè)重要指標(biāo)。從表2可以看出，經(jīng)過預(yù)處理的麥秸甲烷產(chǎn)量明顯提高，T80為17～23 d，與未處理組相比，T80縮短了8～14 d (25.80%～45.16%)。含水率為70%的累積產(chǎn)甲烷量最高，相比未處理組提高了45.16%，消化時(shí)間的提前能縮短厭氧消化周期，有效節(jié)約成本，并帶來較高的工作效率，增加經(jīng)濟(jì)效益。

表2 消化時(shí)間(T80) (d)

2.5 單位VS甲烷產(chǎn)量

不同含水率下豬糞沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化單位VS產(chǎn)氣量如圖6所示。從圖中可以看出：與未處理組相比，用豬糞沼液預(yù)處理后的麥秸單位VS甲烷產(chǎn)量明顯提高，增加了19.26%～38.89%。其中含水率為70%的單位VS甲烷產(chǎn)量最高，為243.90 mL·g-1，相對于含水率為30%，50%，90%和未預(yù)處理組分別增加了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。

圖6 單位VS產(chǎn)甲烷量

2.6 TS和VS去除率

厭氧消化過程中的TS和VS去除率如圖7所示。從圖中可以看出預(yù)處理組的TS和VS去除率均有顯著性提高，且去除率隨含水率的增加而增加，預(yù)處理組的TS和VS去除率為50.90%～59.73%和58.90%～67.68%，較未預(yù)處理組提高19.06%～39.73%和18.11%～35.73%。高于馮磊[13]等人用NaOH固態(tài)預(yù)處理秸稈時(shí)的TS和VS去除率(41.7%和52.4%)，進(jìn)一步證實(shí)了沼液預(yù)處理的可行性。

圖7 TS和VS去除率

2.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(氨氮、堿度)

適度的氨氮對微生物的生長有刺激作用，氨氮與堿度如圖8所示。從圖中可以看出：經(jīng)過50 d的厭氧消化各組氨氮值在294.00～1397.20 mg·L-1之間，堿度在3167～7652 mg·L-1之間，預(yù)處理組的氨氮和堿度均顯著提高。氨氮和堿度均為甲烷菌活性范圍內(nèi)[14-15]。由此可知本厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力較強(qiáng)，有利于厭氧過程的穩(wěn)定進(jìn)行。

圖8 氨氮和堿度

3 結(jié)論

通過對沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化性的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理含水率可以影響麥秸厭氧消化的產(chǎn)氣性能。在35℃條件下，預(yù)處理時(shí)間為3 d，含水率為70%時(shí)麥秸厭氧消化性能最好，總甲烷產(chǎn)量為11353.74 mL，單位VS產(chǎn)甲烷量為243.90 mL·g-1，均較未預(yù)處理組提高了38.89%。VS去除率為61.84%，較未預(yù)處理組提高了24.01%。

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PretreatingWheatStalkwithPigManureBiogasSlurryforItsAnaerobicDigestion/

YANGChun,LIUYan-ru,GUORui-jie,LISi-yuan,YANGPeng,LANYan-yan,YUANHai-rong/

(BeijingUniversityofChemicalTechnology,CenterforResourcesandEnvironmentalResearch,Beijing100029,China)

The article studied the effect of wheat straw pretreatment with pig manure biogas slurry on the performance of wheat straw anaerobic digestion. The different amount of biogas slurry were added to wheat straw to make the pretreatment moisture content at 30%, 50%, 70% and 90%, respectively. The result showed that, with the moisture content of 70%, at the mesophilic condition and pretreated for 3days, the pretreated wheat straw obtained the best biogas production, reaching the VS methane production rate of 243.90 mL·g-1, increasing 38.89% comparing with non-pretreated wheat stalk; the VS removal rate was 61.84%, increasing 24.01% comparing with non-pretreated wheat straw. It demonstrated that pretreating wheat straw with pig manure biogas slurry was a good way for improving its anaerobic digestion.

wheat straw; biogas; pretreatment; anaerobic digestion

2016-07-24

2016-09-22

楊 春(1995-)，女，黑龍江省齊齊哈爾人，本科，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)污染控制，E-mail：1528486626@qq.com

袁海榮，E-mail：yuanhairong75@163.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)04-0010-04