屠 翰

(杭州市人民政府農(nóng)村能源辦公室，浙江 杭州 310020)

筍殼浸泡水解厭氧產(chǎn)氣試驗(yàn)

屠 翰

(杭州市人民政府農(nóng)村能源辦公室，浙江 杭州 310020)

本文利用厭氧沼液對(duì)筍殼進(jìn)行浸泡水解，并對(duì)浸出液進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)，探究筍殼浸泡水解特性與厭氧產(chǎn)沼可行性。結(jié)果表明，筍殼適合作為厭氧產(chǎn)氣的原料，每千克新鮮筍殼可浸出約0.14 kg COD，可產(chǎn)沼氣約0.06 m3。

筍殼； 水解； 沼氣

竹筍是長江流域山林地區(qū)常見的經(jīng)濟(jì)作物，2016年浙江省鮮竹筍的產(chǎn)量達(dá)到164.6萬t，為山林地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收做出了重要的貢獻(xiàn)。在竹筍鮮食、加工過程中會(huì)產(chǎn)生筍殼廢棄物，筍殼極易腐爛產(chǎn)生腐液并散發(fā)惡臭，如未經(jīng)處理隨意丟棄，不但造成大量的生物質(zhì)資源浪費(fèi)，更易對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，同時(shí)隨著畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和農(nóng)村生活方式的轉(zhuǎn)變，沼氣池原料不足的問題也日益突出。楊生[1]利用多種農(nóng)林廢棄物作沼氣發(fā)酵原料，取得較好的實(shí)踐成果。本文探究筍殼浸泡水解特性與厭氧產(chǎn)沼可行性，為其作為沼氣池原料提供具體參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用從新鮮竹筍上剝出的筍殼作為試驗(yàn)原料，試驗(yàn)樣本的質(zhì)量為1.85 kg，含水率為84%，堆積密度為0.22×103kg·m-3。浸泡用初始沼液取自實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的沼氣池，試驗(yàn)前沼液的化學(xué)需氧量(COD)濃度為788 mg·L-1，NH3-N濃度為485 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)裝置

筍殼浸泡容器選用25 L的圓柱形桶，在圓桶中部設(shè)有取樣口。沼氣池的有效容積為80 L，內(nèi)掛設(shè)彈性填料，并在前后端設(shè)有進(jìn)出水間。

1.3 試驗(yàn)方法

將筍殼置于浸泡容器內(nèi)，用已測(cè)定濃度的沼液進(jìn)行浸泡，每天進(jìn)行一次人工攪拌。浸泡一段時(shí)間后，根據(jù)浸出液濃度，量取一定體積的筍殼浸出液加入沼氣池前端進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)，并將等量末端沼液回流至浸泡容器內(nèi)。前期浸泡階段每2 d檢測(cè)浸出液COD、NH3-N指標(biāo)，后期產(chǎn)氣階段每次在回流前檢測(cè)浸出液、沼氣池沼液的COD、NH3-N指標(biāo)。每天記錄浸出液和沼氣池沼液pH值、沼氣池產(chǎn)氣量。

1.4 研究指標(biāo)

筍殼浸泡試驗(yàn)選取筍殼浸出比例(即每千克筍殼轉(zhuǎn)化為溶液中COD的質(zhì)量百分比)、COD濃度變化作為主要的研究指標(biāo)。浸出液產(chǎn)氣試驗(yàn)選取原料產(chǎn)氣率(L·g-1COD)與COD去除率作為主要的研究指標(biāo)。

1.5 分析方式

試驗(yàn)采用濕式氣體流量計(jì)(LMF-1，長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)記錄產(chǎn)生的沼氣量；采用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定COD濃度；采用納氏試劑比色法測(cè)定NH3-N濃度；采用精密pH試紙測(cè)試pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 筍殼浸泡水解

試驗(yàn)從2016年4月13日開始至2016年6月3日結(jié)束，總計(jì)52 d，浸泡容器內(nèi)的溶液總量控制在17.5 L左右。

2.1.1 筍殼浸泡性狀

在浸泡前期，筍殼浸出液顏色發(fā)白，呈現(xiàn)黏糊狀，伴隨有強(qiáng)烈的臭味，在浸泡5 d后開始出現(xiàn)一定程度的解體現(xiàn)象。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，浸出液逐步分為3層：頂部是漂浮層，含從筍殼上剝落下來的大片薄膜狀物質(zhì)；中部是液面層，試驗(yàn)采用的浸出液取自該層，在前幾次取料時(shí)，由于液面層較為渾濁，需經(jīng)過一層過濾得到浸出液清液；底部是沉淀層，較大粒徑固體物質(zhì)沉淀于此。在浸泡結(jié)束后取出全部浸出液，筍殼大部分固體物質(zhì)被降解，僅剩余少量薄膜狀漂浮物和黑灰色沉淀。

2.1.2 筍殼浸出液pH的變化

由圖1可知，筍殼浸出液的pH在浸泡的前7 d呈較快下降趨勢(shì)，在第7天達(dá)到最低值2.0，第8天開始pH逐步回升，在第19天逐步上升至6.8左右，并最終穩(wěn)定維持在7.0直至試驗(yàn)結(jié)束，此間沼氣池沼液pH值亦穩(wěn)定在7.0左右。筍殼浸出液pH在前期呈快速下降趨勢(shì)，表明筍殼的水解特性較好，筍殼中的大量有機(jī)物在浸泡前期得到快速水解酸化，并產(chǎn)生一定的酸積累。浸出液pH從第8天開始回升，一方面是由于沼氣池沼液回流置換了部分酸性的浸出液，另一方面也反映出筍殼水解酸化過程放緩，溶液內(nèi)部菌群的進(jìn)一步作用使pH逐步回升。筍殼浸出液前期較低的pH值或?qū)φ託獬貐捬醢l(fā)酵產(chǎn)生不利影響，應(yīng)引起充分關(guān)注。

圖1 筍殼浸出液pH值的變化情況

2.1.3 筍殼浸出液NH3-N的變化

由圖2可知，筍殼浸出液NH3-N濃度基本維持穩(wěn)定，說明筍殼在浸泡過程中NH3-N的浸出效果不佳，不會(huì)對(duì)沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氨抑制，與此同時(shí)也無法為厭氧發(fā)酵提供足夠的氮素，當(dāng)筍殼作為沼氣池的主要原料時(shí)，需要額外補(bǔ)充氮源。

圖2 筍殼浸出液NH3-N的變化情況

2.1.4 筍殼浸出液COD的變化

如圖3～4所示，回流階段從第8天開始每次1 L，從第14天起每次2 L，從第25天起每次3 L，從第36天起每次6 L。筍殼浸出液COD在前期浸泡階段上升較快，在第7天超過9 000 mg·L-1，在第8天取液回流1 L后，仍呈現(xiàn)穩(wěn)定上漲，在第10天達(dá)到本次浸泡的峰值10 330 mg·L-1，并維持10 000 mg·L-1以上的高濃度至第14天，在此時(shí)間段內(nèi)COD浸出曲線也呈現(xiàn)出很高的斜率，浸出比例超過10%。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，在每次回流后，浸出液COD逐步下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為1 230 mg·L-1，COD浸出比例曲線以逐漸放緩的斜率上升，最終達(dá)到14.1%。在整個(gè)過程中，回流量的變更對(duì)COD浸出比例影響相對(duì)較小，其曲線的斜率變化并不顯著，但因?yàn)镃OD的置換，對(duì)浸出液COD的影響較大，特別是在第36天加大回流量至6 L時(shí)，浸出液COD下降明顯。

圖3 筍殼浸出液COD的變化情況

圖4 筍殼COD浸出比例及沼液回流量

筍殼浸出液在前期浸泡階段的COD濃度很高，相當(dāng)部分的COD浸出發(fā)生在此階段，這應(yīng)與筍殼的材質(zhì)特性密切相關(guān)：筍殼具有較高的含水率，其本身的生物活性就較強(qiáng)；筍殼片狀結(jié)構(gòu)在浸泡后浸泡液能通過片層間隙，更充分地與筍殼材料相接觸，而筍殼表面的薄膜狀物體在浸泡中的剝離，更加快了內(nèi)部植物組織和浸泡液間的相互作用。與此相對(duì)，由于筍殼的高含水率使其本身可水解的干物質(zhì)含量偏少，因此在后續(xù)的回流過程中，其COD浸出比例未出現(xiàn)進(jìn)一步提升。

2.2 筍殼浸出液產(chǎn)氣

筍殼浸泡水解后第8天開始取適量浸出液加入沼氣池中進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)，具體試驗(yàn)時(shí)間從2016年4月20日開始至2016年6月3日止，前后總計(jì)45 d。試驗(yàn)期間，沼氣池進(jìn)、出料量即為圖4沼液回流量。

2.2.1 沼氣池厭氧產(chǎn)氣性能

如圖5所示，累計(jì)消耗COD曲線和累計(jì)產(chǎn)氣量曲線均呈現(xiàn)先緩慢上升，后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。試驗(yàn)前期，隨著筍殼浸出液的不斷注入，COD不斷進(jìn)入沼氣池，沼氣池消耗的COD逐漸增加，由此產(chǎn)生的沼氣也隨之穩(wěn)定增長；在試驗(yàn)后期，筍殼浸出的COD逐漸減少，導(dǎo)致進(jìn)入沼氣池的COD增加緩慢，可供厭氧發(fā)酵的COD不足，導(dǎo)致累計(jì)消耗COD和累計(jì)產(chǎn)氣量維持相對(duì)穩(wěn)定，無明顯增幅。

圖5 累計(jì)產(chǎn)氣量與累計(jì)消耗COD之間的關(guān)系

由圖6可知，在整個(gè)厭氧發(fā)酵期間，筍殼浸出液的原料產(chǎn)氣率在0.4～0.6 L·g-1COD的較高水平，說明筍殼浸出液具有較好的可生化性。

圖6 原料產(chǎn)氣率

2.2.2 沼氣池COD去除性能

由圖7可知，沼氣池內(nèi)COD去除率從80%以上逐步降至30%～40%，究其原因，筍殼浸出液作為沼氣池發(fā)酵原料，沼氣池沼液回流供筍殼浸泡水解，整個(gè)過程無外部碳源加入，通過沼氣池厭氧發(fā)酵作用，BOD被不斷去除而難降解的COD部分始終保有，導(dǎo)致沼氣池中B/C不斷降低，去除率最終下降到較低水平。由圖8可知，沼氣池沼液的COD濃度維持相對(duì)穩(wěn)定，表明筍殼浸出液作為沼氣池原料，并未對(duì)沼氣池內(nèi)部厭氧發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生明顯抑制現(xiàn)象。

圖7 沼氣池內(nèi)COD去除率

圖8 沼氣池進(jìn)出水COD濃度變化情況

3 小結(jié)

3.1 材質(zhì)特性

筍殼水解特性較好，浸出液COD在前期快速上升，10 d后達(dá)到峰值10 330 mg·L-1，之后逐步下降，全過程中有25 d保持在5 000 mg·L-1以上，能為沼氣池的厭氧發(fā)酵提供優(yōu)質(zhì)的碳源。整個(gè)試驗(yàn)筍殼COD浸出比例達(dá)到14.1%，約占總質(zhì)量的1/7轉(zhuǎn)化成浸出液COD，考慮到筍殼84%的高含水率，說明試驗(yàn)中筍殼COD浸出較為徹底，這從浸泡完成后的終產(chǎn)物上也可得到印證。

沼氣池在整個(gè)試驗(yàn)過程中正常運(yùn)行，產(chǎn)沼氣量穩(wěn)定維持在0.4～0.6 L·g-1COD的較高水平，證明筍殼浸出液可生化性能較理想。

從試驗(yàn)累計(jì)數(shù)據(jù)分析，每千克新鮮筍殼可浸出約0.14 kg COD，可產(chǎn)沼氣約0.06 m3。

3.2 工程建議

為方便進(jìn)出料，筍殼不宜直接投入沼氣池，可設(shè)置多隔間的水解酸化池，利用前期水解間隙進(jìn)行序批式浸泡，保證穩(wěn)定進(jìn)料。

筍殼前期浸泡的時(shí)間宜為10 d左右，此時(shí)浸泡液的COD濃度高，浸出效果好，可用于沼氣池的厭氧發(fā)酵?？紤]回流量的變更對(duì)COD浸出比例影響相對(duì)較小，建議采用較短的置換周期，通過10 d左右迅速將COD置換出來，同時(shí)保證COD浸出成效和COD濃度滿足厭氧發(fā)酵需求，將整個(gè)浸泡停留時(shí)間控制在20 d左右。

筍殼水解時(shí)NH3-N浸出效果不理想，在實(shí)際工程中，若以筍殼浸出液作為主要原料，應(yīng)注意調(diào)節(jié)C/N比，同時(shí)也要注意浸出液pH值的控制，通過保證一定的厭氧發(fā)酵停留期，或者人為進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，避免沼氣池酸化，確保工程正常運(yùn)行。

[1] 楊生. 福建貢川鎮(zhèn)多種農(nóng)林廢棄物作沼氣發(fā)酵原料的試點(diǎn)與推廣[J]. 中國沼氣，2009，27(3)：54-55.

2017-10-08

屠 翰(1985—)，浙江杭州人，工程師，本科，從事農(nóng)村可再生能源的開發(fā)利用、技術(shù)研究和新產(chǎn)品推廣工作，E-mail：tuhan1985@163.com。

文獻(xiàn)著錄格式：屠翰. 筍殼浸泡水解厭氧產(chǎn)氣試驗(yàn)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(12)：2093-2095，2098.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171202

S216.2

A

0528-9017(2017)12-2093-03

張瑞麟)