常譽(yù)尹， 馬詩(shī)淳， 孫照勇， 湯岳琴， 木田建次

(1.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065； 2.農(nóng)業(yè)部可再生能源開(kāi)發(fā)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041 )

隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)在我國(guó)的快速發(fā)展，每年畜禽糞污排放量已經(jīng)超過(guò)40億t，然而70%以上的畜禽糞污未被有效處理就被排放到環(huán)境中。大量的畜禽糞污排放已經(jīng)引起了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題如地下水污染、臭氣、病原菌及過(guò)量的土地占用等[1]。因此，有必要尋找一種合適的管理及利用途徑以降低畜禽糞污引起的環(huán)境污染。

近年來(lái)，畜禽糞污先進(jìn)行固液分離(采用螺桿壓榨機(jī)壓榨等方式)，將得到的固體殘?jiān)鸵后w壓榨液分別進(jìn)行處理在集約化養(yǎng)殖場(chǎng)受到越來(lái)越多的重視[2-3]。固體殘?jiān)蛇M(jìn)行無(wú)輔料添加的好氧堆肥，而針對(duì)液體部分可進(jìn)行厭氧消化以回收能量。這種處理方式對(duì)集約化養(yǎng)殖廠非常重要，因?yàn)轲B(yǎng)殖廠周圍可以消納畜禽糞污的土地有限，固體殘?jiān)苯舆M(jìn)行好氧堆肥以生產(chǎn)有機(jī)肥，同其他處理方式(例如不進(jìn)行固液分離直接添加輔料堆肥)相比顯著降低了待處理廢物量；而壓榨液由于固體的大量去除將加速其厭氧消化過(guò)程處理效率。我們前期的工作驗(yàn)證了奶牛糞固液分離后獲得的固體殘?jiān)鼰o(wú)輔料添加進(jìn)行好氧堆肥的可行性[4-6]，且發(fā)現(xiàn)固體殘?jiān)逊试谟谢驘o(wú)輔料添加時(shí)，對(duì)堆肥過(guò)程中微生物群落成分的影響不大[6]。但前期工作對(duì)奶牛糞壓榨液的厭氧消化性能尚未做評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料和接種污泥

實(shí)驗(yàn)接種污泥來(lái)自用大學(xué)校園食堂餐廚垃圾長(zhǎng)期馴化的高溫厭氧消化體系，總固體(TS) 和揮發(fā)性固體VTS為污泥質(zhì)量的3.1%和2.6%。

表1 奶牛糞固液分離后固體殘?jiān)蛪赫ヒ旱幕纠砘再|(zhì)

注：DM: 干重。

1.1.2 厭氧消化裝置

1.2 分析方法

樣品在干燥箱105 ℃下烘干至恒重測(cè)定水分和總固體(TS)，然后利用馬弗爐將樣品在600 ℃下灼燒2 h測(cè)定揮發(fā)性固體(VTS)。C，N，H，O 元素使用采用元素分析儀(Vario EL cube，Elementar，德國(guó))測(cè)定。蛋白質(zhì)含量通過(guò)測(cè)定總N含量乘以6.25計(jì)算得出。揮發(fā)性有機(jī)酸(Volatile fatty acids，

圖1 高溫厭氧消化系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 奶牛糞壓榨液厭氧消化的產(chǎn)氣情況

在厭氧消化過(guò)程中，奶牛糞壓榨液中的有機(jī)物在微生物的作用下降解轉(zhuǎn)化為沼氣。因此，沼氣的產(chǎn)量可以直接反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過(guò)程中沼氣生產(chǎn)效率、甲烷含量及沼氣中H2S含量的變化情況。反應(yīng)器共運(yùn)行了95天，前37天厭氧消化系統(tǒng)未進(jìn)行沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣，有機(jī)物負(fù)荷從2逐漸增加至6 g·L-1d-1。可以看出，當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷為2 g·L-1d-1開(kāi)始進(jìn)料，反應(yīng)器產(chǎn)氣效果穩(wěn)定，沼氣生產(chǎn)率約為400 mL·L-1d-1，其中沼氣中甲烷含量約59.5%，H2S含量為600 ppm；提高有機(jī)物負(fù)荷至4 g·L-1d-1時(shí)，沼氣生產(chǎn)率增加至約為637.2 mL·L-1d-1(甲烷含量約62.7%)，但沼氣中H2S含量增加到1200 ppm；繼續(xù)提高有機(jī)物負(fù)荷至6 g·L-1d-1，沼氣生產(chǎn)率同有機(jī)物負(fù)荷4 g·L-1d-1相比并沒(méi)有明顯增加，與此同時(shí)沼氣中H2S含量增加到約2000 ppm。

為降低沼氣中H2S含量從而提高沼氣質(zhì)量[11]，從第38天開(kāi)始，反應(yīng)器進(jìn)行沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣，通氣量為沼氣產(chǎn)生速度的3%。從圖1可以看出，沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣并未影響沼氣產(chǎn)量，但沼氣中H2S含量迅速降低至50 ppm以下，同時(shí)由于沼氣內(nèi)循環(huán)過(guò)程中有部分CO2溶解于水槽中，沼氣中甲烷含量從62.3%增加至64.2%，這和我們之前的研究結(jié)果一致[12]。提高有機(jī)物負(fù)荷至8 g·L-1d-1和10 g·L-1d-1時(shí)，反應(yīng)器產(chǎn)氣狀況穩(wěn)定；然而繼續(xù)提高有機(jī)物負(fù)荷為12 g·L-1d-1時(shí)，可以看出，反應(yīng)器產(chǎn)氣量迅速下降，反應(yīng)了其運(yùn)行不穩(wěn)定，這從后續(xù)反應(yīng)器內(nèi)消化液的理化性質(zhì)分析結(jié)果也可以表明(2.2部分)。因此，可以推斷，在此條件下奶牛糞壓榨液厭氧消化最大有機(jī)物負(fù)荷為10 g·L-1d-1，此時(shí)沼氣生產(chǎn)率約為920.5 mL·L-1d-1(甲烷含量約63.7%)，同時(shí)沼氣中H2S含量維持在50 ppm以下。從此結(jié)果也可以看出，單獨(dú)奶牛糞壓榨液厭氧消化產(chǎn)氣效率較低，將來(lái)的研究可以通過(guò)補(bǔ)加餐廚垃圾等進(jìn)行共發(fā)酵以促進(jìn)產(chǎn)氣，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 奶牛糞壓榨液厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的理化性質(zhì)變化

圖2 奶牛糞壓榨液厭氧消化過(guò)程中沼氣生產(chǎn)效率、甲烷含量及沼氣中硫化氫含量的變化情況

圖3 高溫厭氧消化過(guò)程中消化液的理化性質(zhì)的變化情況

3 結(jié)論