APP下载

工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响

2017-07-12宋香育张克强孔德望梁军锋杜连柱

农业工程学报 2017年11期
关键词:产甲烷猪粪产气

宋香育,张克强,房 芳,孔德望,3,梁军锋,杜连柱※

(1. 农业部环境保护科研监测所,天津 300191;2. 天津环科源环保科技有限公司,天津 300191;3. 沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳 110866)

工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响

宋香育1,张克强1,房 芳2,孔德望1,3,梁军锋1,杜连柱1※

(1. 农业部环境保护科研监测所,天津 300191;2. 天津环科源环保科技有限公司,天津 300191;3. 沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳 110866)

为避免挥发性脂肪酸积累、提高产气效率,研究猪粪单独发酵、猪粪秸秆混合发酵、猪粪秸秆混合原料分层接种和猪粪秸秆混合原料渗滤液回流等工艺措施下,中温(37 ℃)厌氧干发酵(总固体含量为20%)的产酸及产气性能。结果表明:猪粪秸秆混合原料分层接种厌氧发酵启动快,产气效果最佳,累积挥发性固体含量VS产甲烷量可达139.2 mL/g;混合发酵渗滤液回流可有效降低总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)质量浓度(维持在0.66 mg/g),累积VS产甲烷量比分层接种低16.7%;猪粪秸秆混合发酵与猪粪单独发酵的反应器中TVFAs质量浓度分别达到19.08和19.83 mg/g,前15 d日产甲烷量为0.1 mL/(g·d),基本不产气。通过不同工艺措施对比,获得产气量最高和启动期最快的发酵方式,提高猪粪厌氧干发酵产气效率,为猪粪等高固体含量有机废弃物的资源化处理利用提供参考。

粪;秸秆;发酵;挥发性脂肪酸;渗滤液回流;分层接种

0 引 言

中国生猪养殖业产值占畜牧业总产值的比例达47%[1],由于无害化和资源化处理率低,猪粪大量排放成为主要的农业污染源之一,导致空气、水和土壤污染严重[2]。猪粪中富含有机成分,通过厌氧发酵能高效地转变为沼气[3-5],与传统的湿式发酵相比,厌氧干发酵技术不仅具有节约用水、管理方便、冬季耗能低等优点,而且发酵残余物含水率低、方便处理利用、基本达到零排放,在水资源紧缺、环境保护挑战日益严峻的情况下,该技术符合废弃物资源化利用、节约用水和保护环境的要求[6-9]。

在厌氧干发酵过程中,传质效率低会引起挥发性脂肪酸的大量积累[10],从而导致厌氧消化反应不能正常进行甚至停止[11-12]。由于猪粪主要由蛋白质、糖类和脂肪[13]等易降解的组分组成,因此以猪粪为底物的厌氧干发酵更易发生挥发性脂肪酸积累。目前关于厌氧干发酵挥发性脂肪酸积累、快速启动发酵的研究主要采用渗滤液回流的方式[14-16]。杜静等[17]的研究表明,沼液回流比不加沼液回流的总固体产气量高29.17%;Veeken等[18]研究发现,将渗滤液回流率从每立方米废弃物回流1 m3增加到100 m3,可使甲烷产量提高200%。不同接种方式对产气量也有明显影响[19]。袁巧霞等[20]研究了渗滤液回流条件下多层床反应器层间厚度对猪粪厌氧干发酵性能的影响,发现将床层厚度从250 mm降为150 mm,渗滤液中pH值和化学需氧量在发酵过程中的变动明显变小,同时累积产气量增加了26.8%。

尽管国内外对避免厌氧干发酵酸抑制、提高产气效率进行了相关研究,但多集中于沼气回流,缺乏深入研究。本研究以猪粪为主要原料,通过中温批式试验对比了猪粪、猪粪秸秆混合原料、猪粪秸秆混合原料渗滤液回流以及猪粪秸秆混合原料分层接种等4种方式对厌氧干发酵过程挥发性脂肪酸积累和产气效果影响,并通过修正的Gompertz动力学模型模拟产气过程,确定最佳工艺措施,为猪粪等农业固体废弃物的厌氧干发酵提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 底物与接种物

猪粪和秸秆均取自天津市西青区益利来养殖有限公司,猪粪为养殖场日产鲜猪粪,取回后储存于(4±1)℃的冰箱,秸秆风干后粉碎至0.5~1.0 mm,并存放于干燥阴凉处。

接种物取自实验室正常运行的中温混合厌氧反应器(continuous stirred tank reactor,CSTR)。活性污泥取出后10 000 r/min离心20 min,上清液与沉淀物(接种物)储存在(4±1)℃的冰箱内。试验开始前,取出接种物并置于室温下活化微生物3 d。上清液用于调节发酵体系的总固体含量(TS)到20%。底物与接种物的理化指标见表1。

表1 底物和接种物的化学组分Table 1 Characteristics of substrates and inoculum sludge used in experiment

1.2 试验设计

试验方案设计见表2。4种发酵方式的总进料量均为600 g(TS为20%),接种率为30%(W接种物/W发酵体系=0.3,以TS计),每种发酵方式3个平行。P-C为对照组,以猪粪为发酵底物。P-M、P-MR和P-ML的底物均为猪粪与秸秆混合物(VS比为1:2)。在P-MR中,渗滤液收集于反应器底部,每3 d回流1次。在P-ML中,接种物与底物分别调节TS到20%,采用接种物位于底物下层的方式分3层进料。进料结束后将各反应器充入氮气创造厌氧环境,置于(37±1)℃的恒温培养室内开始发酵。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

发酵过程中产生的沼气收集于5 L集气袋中,根据产气情况,每1~3 d用湿式气体流量计测量沼气产量,并取样分析气体成分。每3 d从发酵罐侧面取样口采集固态发酵样品,测量pH值、挥发性脂肪酸(VFAs)和氨氮等指标。取样时,采用柔性材料覆盖取样器与取样口间的空隙,然后快速取出2~3 g样品,尽量避免空气进入反应器;在分层接种发酵的反应器(P-ML)中,为避免取样破坏分层结构,只取反应器底部的少量渗滤液,用于测定pH值,其余渗滤液仍留存于发酵罐中。

1.3 试验装置

试验使用有机玻璃材质的立式反应器(见图1),有效容积为1 L,距反应器底部5 cm处设置可拆除的多孔渗滤板,用于渗滤液的收集。其中,P-C和P-M的反应器中不放置多孔渗滤板。

1.4 分析方法

总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、有机碳含量(TOC)、氨氮采用标准方法测定[21];pH值:将所取发酵样品用蒸馏水稀释10倍测量pH值;VFAs:用5%的硫酸溶液将测量pH值后的样品调节至pH值<3.0, 10 000 r/min离心10 min,上清液经0.45 µm硝酸纤维素膜过滤后用丙酮稀释5倍,气相色谱仪(Thermo-trace-1300,FID)检测VFAs质量浓度(乙酸、丙酸、丁酸和戊酸),进样口、检测器温度均为200 ℃,载气流量8.00 mL/min,M12毛细管柱(30 m×0.53 mm×1 µm,Thermo)。

图1 发酵装置结构简图Fig.1 Structural diagram of digestion equipment

沼气中甲烷和二氧化碳体积分数采用气相色谱仪(Thermo-trace-1300,TCD)测定,PP-Q色谱柱(2 m×φ2 mm),氦气为载气(75 kPa恒压),炉温40 ℃,进样口和检测器温度均为200 ℃。

1.5 动力学模型

采用修正的Gompertz模型模拟试验过程中的累积VS产甲烷量,该模型可计算厌氧干发酵的迟滞期(λ)并预测最大产甲烷量[22-25]。模型方程见式(1)

式中P为累积VS产甲烷量,mL/g;Pmax为最大产气潜力,mL/g;Rmax为最大产甲烷率,mL/(g·d);λ为迟滞期,d;t为时间,d。

2 结果与讨论

2.1 厌氧干发酵过程挥发性脂肪酸(VFAs)变化情况

在厌氧发酵过程中,大部分的挥发性脂肪酸被产乙酸菌氧化为乙酸,再被产甲烷菌分解产生甲烷,因此厌氧发酵过程中含量最高的挥发性脂肪酸为乙酸[26];从图2可以看出,厌氧发酵过程中乙酸占总挥发性脂肪酸(TVFAs)的60%以上。由于30%的接种率为发酵体系提供了充足的产甲烷菌,因此前9 d的TVFAs和乙酸的质量浓度较低,没有发生积累现象。随着发酵的进行,水解细菌的生长速度超过产甲烷菌[27],P-C和P-M中TVFAs和乙酸的质量浓度不断增加,其中,P-C在第15 天达到产酸高峰;发酵进行22 d后,此2组发酵的TVFAs和乙酸的质量浓度均快速下降。

图2 总挥发性脂肪酸、乙酸和丙酸质量浓度变化Fig.2 Variations of concentrations of TVFAs, acetic acid and propionic acid during SS-AD

由猪粪单独发酵(P-C)的TVFAs变化可以看出,乙酸和丙酸的质量分数均高于其他发酵组。TVFAs和乙酸质量分数峰值分别为19.8和14.4 mg/g,并分别在高质量分数范围内(乙酸:12.1~14.4 mg/g;TVFAs:15.2~19.8 mg/g)维持13 d(从第12天到第25天)后逐渐降低;丙酸是最难被降解的一种脂肪酸[27],其质量分数并未随TVFAs质量分数的降低而降低,而是在4.3~6.8 mg/g范围内维持了32 d(从第12 天到第44 天),相对于其他发酵处理,猪粪单独发酵的丙酸在高质量分数范围内持续的时间最长。

在猪粪秸秆混合发酵(P-M)中,前12 d的TVFAs质量分数与猪粪单独发酵(P-C)相似。由于在第10天后挥发性脂肪酸浓度迅速升高,且产甲烷量迅速下降,基本不产气,因此,在第15 天时将150 mL离心后的沼液(pH值为8.11)加入P-M的发酵体系中,观察挥发性脂肪酸的变化情况,发现第16天的TVFAs和乙酸质量分数分别由第12天时的19.1和16.1 mg/g陡降至5.4和4.8 mg/g,但在第19天,TVFAs和乙酸质量分数分别回升到14.1和11.7 mg/g,至第22 天后开始下降。丙酸的质量分数并未发生明显变化,在3.3~4.5 mg/g的浓度范围内持续了24 d,并在第35天后开始下降。

渗滤液回流厌氧发酵中(P-MR),乙酸和丙酸的质量分数分别低于0.7和0.2 mg/g,TVFAs质量分数低于1.0 mg/g,整个厌氧干发酵过程中没有明显的挥发性脂肪酸积累,渗滤液回流可以有效增加传质速率[17],促进挥发性脂肪酸向甲烷转化。

表3是发酵过程中产生的TVFAs、乙酸和丙酸的总量的差异显著性分析。可以看出,对照组、猪粪和秸秆混合发酵组和渗滤液回流处理在56 d的发酵过程中产生的TVFAs、乙酸和丙酸的总量都具有显著性差异,因此,处理方式的不同对挥发性脂肪酸的积累有显著的影响。

表3 发酵过程中累积产生的总挥发性脂肪酸、乙酸和丙酸的差异显著性分析Table 3 Significant analysis of differences of cumulative TVFA, acetic acid and propionic acid during fermentation

2.2 厌氧干发酵过程pH变化

图3为试验过程中各个处理的pH值变化情况。猪粪单独发酵(P-C)和猪粪秸秆混合发酵(P-M)的试验过程中,在第12 天,pH值达到最低值,此时P-C和P-M中TVFAs质量分数达到高峰(见图2)。随后P-C处理的pH值在低水平下维持了13 d,随后开始上升,此时TVFAs和乙酸浓度也在高水平下维持了13 d(见图2)。在P-M 处理中,由于在第15 天向发酵体系加入了pH值为8.1的接种物上清液,pH值在16 d时升高了0.8;随后在第16 天到第22 天的时间段内pH值维持稳定,此时TVFAs和乙酸浓度的变化也表现出相同的趋势。这2个处理中,随着乙酸浓度在发酵进行22 d后快速下降,pH值也随之升高,随后维持稳定。

图3 试验过程中pH值变化情况Fig.3 Variation of pH value during SS-AD

渗滤液回流厌氧发酵(P-MR)的pH值一直稳定在8.4~8.8的范围内。猪粪秸秆混合原料分层接种发酵(P-ML)处理的pH值变化(8.4~8.7)与渗滤液回流发酵的pH值处于同一水平,整个发酵过程没有大幅度变化,由此可以推测该发酵过程未发生VFAs积累,运行稳定。

从以上分析可以看出,不同工艺处理的pH值变化均与乙酸的变化相对,因此pH值的变化情况可以有效反应发酵体系中乙酸的积累和利用情况。

2.3 厌氧干发酵产甲烷性能

图4为沼气中甲烷体积分数、日VS产甲烷量和累积VS产甲烷变化曲线。由图4可知,猪粪单独发酵(P-C)的累积VS产甲烷量最低(112.0 mL/(g·d))。在猪粪单独干发酵过程中,由于传质效率低,挥发性脂肪酸不能从高质量浓度区域转移至低质量浓度区域,导致VFAs积累从而使产甲烷菌活性受到严重抑制。在发酵的第4天,猪粪单独发酵的甲烷体积分数达到53.9%,在第10天下降到13.6%,之后在20%左右维持了12 d,在此期间VFAs质量浓度处于高峰期(图2),推测VFAs的积累可能对发酵过程产生了明显的抑制。在第22天后,TVFAs和乙酸质量浓度均呈下降趋势,此时甲烷体积分数和日VS 产甲烷量均开始升高,第35天后,丙酸的质量浓度开始明显下降,第41天后,甲烷体积分数升高到50%以上。可以看出,高质量分数的乙酸和丙酸(分别达到14.4和6.8 mg/g)对产甲烷菌活性的抑制是可逆的,当VFAs质量浓度降低后,产甲烷菌活性逐渐恢复,产甲烷过程得以顺利进行,但与乙酸相比,丙酸抑制作用更持久,需要更长的恢复时间。

图4 甲烷体积分数、日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量的变化曲线Fig.4 Percentage of CH4, daily methane yield and cumulative methane yield during SS-AD experiment

秸秆富含纤维素和木质素等难降解物质[28],虽然在厌氧发酵中水解效率低,但从理论上和已报道的研究结果看,添加秸秆对厌氧干发酵有促进作用[29]。在猪粪秸秆混合发酵(P-M)中,在第4天至第22天的日VS产甲烷量均低于2.0 mL/g,日产甲烷量与P-C处理没有显著性差异(见表4),TVFAs和乙酸质量浓度均处于很高的水平,因此添加秸秆并未对缓解酸化起到积极作用。甲烷体积分数和日VS产甲烷量在第15天开始升高,并分别在第28天以后增加到50%和5.0 mL/(g·d)以上(图4)。从第38天的日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量的差异性分析可以看出,在加入离心后的沼液后,P-M处理的产甲烷量迅速升高,与P-C处理的日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量有显著性差异(见表4)。但整个发酵过程累积VS产甲烷量为119.3 mL/g,仅比猪粪单独发酵高6.5%,因此,猪粪中添加秸秆进行混合干发酵并不能有效避免VFAs积累,但添加沼液可以有效解决VFAs积累。

表4 甲烷体积分数、日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量的差异显著性分析Table 4 Significant analysis of differences of percentage of CH4, daily methane yield and cumulative methane yield

在渗滤液回流发酵(P-MR)中,累积VS产甲烷量在第27 天已达到总产气量的89.6%(106.8 mL/g),在前22 d,日VS产甲烷量维持在3.2 mL/(g·d)左右,甲烷体积分数最高可达61%。在第27天后,日VS产甲烷量低于1.1 mL/(g·d)。由此可以看出,渗滤液回流可以有效提高产甲烷效率,缩短产气周期。

猪粪秸秆混合原料分层接种发酵(P-ML)的平均日VS产甲烷量可达5.1 mL/(g·d),累积VS产甲烷量在第27天达到了总产气量的90.6%,56 d累积VS产甲烷量(139.2 mL/g)比渗滤液回流发酵高16.7%,甲烷体积分数最高为60%。在分层接种厌氧发酵中,由于接种物(种子体)外层依次由分解彻底的废物、产甲烷区、缓冲区、产乙酸区和酸化区所包围[17],因此产甲烷作用可在远离VFAs积累的区域顺利进行,随着发酵的不断深入,种子体不断扩大,试验结束后可以观察到发酵体系已近混合均匀,没有层状结构,因此分层接种可以在较短的时间内达到最大产气量。

2.4 产气动力学模型

试验采用修正的Gompertz模型模拟累积VS产甲烷量,表5为不同发酵方式的模型参数,其中猪粪单独发酵(P-C)不适合用该模型模拟,因此未被列入。从表5可以看出,分层接种发酵(P-ML)产气效果最佳,预测最大日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量分别可达6.1和136.7 mL/g。分层接种发酵(P-ML)的迟滞期(λ=−0.3)最短,混合发酵(P-M)的迟滞期最长(λ=14.5),其次是渗滤液回流发酵(P-MR),表明分层接种可以促进厌氧干发酵的快速启动。在分层接种发酵(P-ML)中,达到90%最大累积VS产甲烷量需要的时间(T90)为26.6 d,相对于其他发酵处理用时最短。由此可见,分层接种可以提高发酵产气量,快速启动并缩短发酵周期;渗滤液回流也能促使发酵快速启动,但产气量略低于分层接种;直接的猪粪秸秆混合发酵在前15 d不能正常运行。

表5 修正的Gompertz模型模拟结果Table 5 Kinetics results from modif i ed Gompertz model

2.5 氨氮质量浓度变化情况

总氨氮是厌氧发酵要关注的重要指标之一,氨氮质量浓度过高会抑制微生物的产甲烷活性。从图5可知,秸秆猪粪混合发酵(P-M和P-MR)的氨氮质量浓度低于猪粪单独发酵(P-C),添加秸秆能够有效降低氨氮质量浓度。在渗滤液回流(P-MR)的发酵过程中,渗滤液回流提高了传质效率,促进厌氧消化反应,加快蛋白质和尿素的水解和氨的释放,从而使其氨氮质量浓度高于P-M发酵,但由于回流每3 d进行1次,导致氨氮质量浓度表现出大幅波动。

图5 厌氧干发酵过程中氨氮质量浓度变化Fig.5 Variation of ammonia nitrogen in solid-state anaerobic digestion

在湿式厌氧发酵中,氨氮质量浓度高于4 200 g/mL时产甲烷菌失去活性,猪粪厌氧发酵产甲烷菌的最适氨氮质量浓度为2 600 g/mL[30-31],陈闯等[6]的研究结果表明,当氨氮质量浓度从2 250 g/mL升高到3 800 g/mL时,产气速率降低74.1%。目前,对猪粪厌氧干发酵过程中的氨抑制相关研究尚未深入。本试验中,对比各厌氧发酵产气性能与氨氮质量浓度变化曲线可知,厌氧干发酵产气量与氨氮的质量浓度不存在线性关系,影响产气性能的主要原因可能是挥发性脂肪酸的积累而非高质量浓度的氨氮的抑制作用。

3 结 论

在总固体含量TS为20%的中温厌氧干发酵试验中,猪粪秸秆混合发酵(VS猪粪/VS秸秆为1:2)及分层接种、渗滤液回流等工艺措施在调控挥发性脂肪酸积累及提高VS产甲烷量等方面均具有明显的作用,其中:

1)猪粪秸秆混合原料分层接种(接种物铺于底物下层且各铺设3层)的厌氧发酵方式,能够快速启动厌氧干发酵,没有迟滞期,达到总产气量的90%的发酵时间为26.6 d,时间最短,且实际累积VS产甲烷量最高(139.2 mL/g,56 d);

2)猪粪秸秆与接种物均匀混合并将渗滤液回流(发酵罐底部的渗滤液每3 d回流1次)的发酵方式,能够明显降低挥发性脂肪酸的质量浓度,乙酸和总挥发性脂肪酸TVFAs的质量浓度均低于0.7 mg/g,达到总产气量的90%的发酵时间为29.5 d,发酵时间长于分层接种的发酵方式,且该处理56 d的累积VS产甲烷量比分层接种厌氧发酵低16.7%;

3)猪粪秸秆与接种物混合均匀发酵,从第9天到第15天,乙酸和TVFAs的质量浓度最高分别可达到16.1和19.1 mg/g,处于严重抑制的状态,且基本不产气,加入沼液有助于缓解酸化,TVFAs质量分数从19.1 mg/g迅速降低至5.4 mg/g,日VS产甲烷量也逐渐从0 mL/(g·d)升高到5.0 mL/(g·d)以上。该组处理的56 d累积VS产甲烷量与渗滤液回流处理一致,为119.3 mL/g。秸秆与猪粪混合,明显降低了发酵过程中的氨氮含量;

4)纯猪粪单独发酵的TVFAs、乙酸、丙酸和氨氮的质量浓度最高,其中,丙酸的降解速度最慢,其质量浓度在4.3~6.8 mg/g范围内维持了32 d。该组发酵的日VS产甲烷量在第10天到第22天基本不产气,56 d的累积产气量最低,为112.0 mL/g。

[1] 秦志伟. 2015年我国规模化猪场生猪出栏占比44% [EB/OL].(2016-01-20)[2016-10-21].http://www.feedtrade.co m.cn/livestock/pigs/2016-01-20/2177693.html.

[2] Windisch W. Pollutants in animal manure: Factors of emission and strategies for reduction[R]. Germany: Workshop 4 on Sustainable Animal Production, 2001: 23-25.

[3] Yin D X, Liu W, Zhai N N, et al. Anaerobic digestion of pig and dairy manure under photo-dark fermentation condition[J]. Bioresource Technology, 2014, 166: 373-380.

[4] Li Y Y, Li Y, Zhang D F, et al. Solid state anaerobic co-digestion of tomato residues with dairy manure and corn stover for biogas production[J]. Bioresource Technology, 2016, 217: 50-55.

[5] Hansen K H, Angelidaki I, Ahring B K. Anaerobic digestion of swine manure: Inhibition of ammonia[J]. Water Resource, 1998, 32: 5-12.

[6] 陈闯,邓良伟,信欣,等. 上推流厌氧反应器连续干发酵猪粪产沼气试验研究[J]. 环境科学,2012,33(3):1033-1040. Chen Chuang, Deng Liangwei, Xin Xin, et al. Continuous dry fermentation of pig manure using up plug-flow type anaerobic reactor[J]. Environmental Science, 2012, 33(3): 1033-1040. (in Chinese with English abstract)

[7] Pandey A. Solid-state fermentation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2003, 13: 81-84.

[8] Ge X M, Xu F Q, Li Y B. Solid-state anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: Recent progress and perspectives[J]. Bioresource Technology, 2016, 205: 239-249.

[9] Kalyuzhnyi S, Veeken A, Hamelers B. Two-particle model of anaerobic solid state fermentation[J]. Water Science Technology, 2000, 41: 43-50.

[10] 马旭光,李传友,袁旭峰,等. 高含固率秸秆和牛粪混合物料发酵产甲烷工艺[J]. 农业工程学报,2014,30(14):227-235. Ma Xuguang, Li Chuanyou, Yuan Xufeng, et al. Fermentation technology for methane production using high solid content materials with straw and dairy manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 227-235. (in Chinese with English abstract)

[11] Vavilin V A, Shchelkanov M Y, Rytov S V. Effect of mass transfer on concentration wave propagation during anaerobic digestion of solid waste[J]. Water Research, 2002, 36: 2405-2409.

[12] Huang W W, Huang W L, Yuan T, et al. Volatile fatty acids (VFAs) production from swine manure through short-term dry anaerobic digestion and its separation from nitrogen and phosphorus resources in the digestate[J]. Water Reseach, 2016, 90: 344-353.

[13] Astals S, Nolla-Ardèvol V, Mata-Alvarez J. Anaerobic co-digestion of pig manure and crude glycerol at mesophilic conditions: Biogas and digestate[J]. Bioresource Technology, 2012, 110: 63-70.

[14] Alvarez J M, Mace S, Llabres P. Anaerobic digestion of organic solid wastes: An overview of research achievements and perspectives[J]. Bioresource Technology, 2000, 74: 3-16.

[15] Jiang Y, Yin A Q, Cai C, et al. Effects of recycle times of leachate to straw dry-anaerobic fermentation[J]. Shandong Chemical Industry, 2016, 45 (16): 217-220.

[16] 黑昆仑,常志州,陈广银,等. 秸秆高固厌氧发酵回流液剖面渗滤特性[J]. 农业工程学报,2017,33(7):220-226. Hei Kunlun, Chang Zhizhou, Chen Guangyin, et al. Characteristic of leachate distribution at profile in straw anaerobic digestion with high solid content[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 220-226. (in Chinese with English abstract)

[17] 杜静,朱德文,钱玉婷,等. 导气措施与渗滤液回流方式对干发酵产沼气影响中试[J]. 农业机械学报,2013,44(2):143-148. Du Jing, Zhu Dewen, Qian Yuting, et al. Effect of gas guide measurement and leachate-recircculation on gas production from dry fermentation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 143-148. (in Chinese with English abstract)

[18] Veeken A H M, Hamelers B V W. Effect of substrate-seed mixing and leachate recirculation on solid state digestion of biowaste[J]. Water Science Technology, 2000, 41: 255-262.

[19] Martin D J, Potts L G A, Heslop V A. Reaction mechanisms in solid-state anaerobic digestion. I. The reaction front hypothesis[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2003, 81: 171-179.

[20] 袁巧霞,程长菊,华朝辉,等. 渗滤液回流条件下多层床厌氧干发酵产气特性[J]. 农业机械学报,2014,45(2):182-187. Yuan Qiaoxia, Cheng Changju, Hua Chaohui, et al. Characteristic of biogas production in multi-layer anaerobic dry fermentation reactor under leachate recirculation conditions[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 182-187. (in Chinese with English abstract)

[21] 国家保护总局.水和废水监测分析方法[M]. 第4版. 北京:中国环境科学出版社,2002:211-281.

[22] Vavilina V A, Lokshinaa L Y, Jokelab J P Y. Modeling solid waste decomposition[J]. Bioresource Technology, 2004, 94: 69-81.

[23] Zhang W Q, Lang Q Q, Wu S B. Anaerobic digestion characteristics of pig manures depending on various growth stages and initial substrate concentrations in a scaled pig farm in Southern China[J]. Bioresource Technology, 2014, 156: 63-69.

[24] Zhang W Q, Wei Q Y, Wu S B. Batch anaerobic co-digestion of pig manure with dewatered sewage sludge under mesophilic conditions[J]. Applied Energy, 2014, 128: 175-183.

[25] Zhang S, Guo H G, Du L Z. Influence of Na OH and thermal pretreatment on dewatered activated sludge solubilisation and subsequent anaerobic digestion: Focused on high-solid state[J]. Bioresource Technology, 2015, 185: 171-177.

[26] Wang Y Y, Zhang W L, Wang J B. Effects of volatile fatty acid concentrations on methane yield and methanogenic bacteria[J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33: 848-853.

[27] Li D W, Zhou T, Chen L. Using porphyritic andesite as a new additive for improving hydrolysis and acidogenesis of solid organic wastes[J]. Bioresource Technology, 2009, 100: 5594-5599.

[28] Jin W Y, Xu X C, Gao Y. Anaerobic fermentation of biogas liquid pretreated maize straw by rumen microorganisms in vitro[J]. Bioresource Technology, 2014, 153: 8-14.

[29] Martin D J. Mass transfer limitations in solid-state digestion[J]. Biothchnol Lett, 1999, 21: 809-814.

[30] Procházka J, Dolejš P, Máca J, et al. Stability and inhibition of anaerobic processes caused by insufficiency or excess of ammonia nitrogen[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2012, 93: 439-447.

[31] Chen Y, Cheng J J, Creamer K S. Inhibition of anaerobic digestion process: A review[J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 4044-4064.

Influences of different technological strategies on performance of anaerobic co-digestion of pig manure with straw in solid-state

Song Xiangyu1, Zhang Keqiang1, Fang Fang2, Kong Dewang1,3, Liang Junfeng1, Du Lianzhu1※
(1. Agro-environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 2. Tianjin Huankeyuan Environmental Science and Technology Ltd, Tianjin 300191, China; 3. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Solid-state anaerobic digestion has advantages of water conversation, convenient management and low energy consumption in winter. After the digestion, substrate contains low water and can be easily treated, thereby achieving zero emission. Under the condition of increasingly scarce water resource in the world, this technology conforms to the demand of resource utilization and water conversation. However, the process of solid-state anaerobic digestion was very complex and the solid-state anaerobic digestion of pig manure could easily lead to serious accumulation of volatile fatty acids (VFAs), which was the main inhibiting factor in solid-state anaerobic digestion of pig manure. Due to the low water content, the reaction of solid-state anaerobic digestion could not proceed normally, or even be ceased. Several measures could be used to minimize the accumulation of VFAs. Leachate recycling was one way to accelerate mass transfer rate, and proper recirculation rate could optimize the digestion process and improve the quantity and quality of biogas. Stratified inoculation was an alternative method for solid-state anaerobic digestion, in which inoculum was separated with substrate layer by layer. The reaction hypothesis suggests that stratified inoculation could be used to decrease accumulation of VFAs, however, only a few studies had investigated its effect to decrease VFAs accumulation. This study was mesophilic batch fermentation under the same temperature (37 ℃) and water content (80%) condition. To investigate the most efficient treatment of starting the fermentation and the variations of methane production and VFAs, co-digestions of pig manure with maize straw, leachate recycling and stratified inoculation were carried out with the solid-state anaerobic digestion of pig manure as control. Ammonia nitrogen content and soluble chemistry oxygen demand were analyzed. The performances of VFAs production and methane production in the treatments of co-digestion with dried maize straw, leachate recycling, and stratified inoculation in solid-state anaerobic digestion of pig manure were compared. The results were as follows: The performances in stratified inoculation reactors were the best, characterized by no lag time, the highest methane yield of 9.4 mL/(g·d) and the highest cumulative methane yield of 139.2 mL/g; leachate recycling could retain TVFAs at a low level of around 0.66 mg/g, and its cumulative methane yield was 16.7% lower than the stratified inoculation treatment; the concentration of TVFAs in the co-digestion and mono pig manure digestion reactors reached 19.08 and 19.83 mg/g, respectively, and methane yield was less than 0.1 mL/(g·d) in the first 15 days in both reactors. The most efficient treatment with the highest methane production and the quickest initiating can be obtained by contrasting different treatments, which thereby provides the reference for environmental disposal and utilization of the wastes with high solid and high organic matter content.

manures; straw; fermentation; VFAs; leachate recycling; layered seeding

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.030

X705

A

1002-6819(2017)-11-0233-07

宋香育,张克强,房 芳,孔德望,梁军锋,杜连柱. 工艺措施对猪粪秸秆混合厌氧干发酵产气性能的影响[J]. 农业工程学报,2017,33(11):233-239.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.030 http://www.tcsae.org

Song Xiangyu, Zhang Keqiang, Fang Fang, Kong Dewang, Liang Junfeng, Du Lianzhu. Influences of different technological strategies on performance of anaerobic co-digestion of pig manure with straw in solid-state[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 233-239. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.030 http://www.tcsae.org

2016-11-03

2017-05-14

天津市自然科学基金面上项目(16JCYBJC29600),天津市农业科技成果转化项目(201601290)。

宋香育,女,山西太原人,研究方向为农业废弃物资源化处理与利用。天津 农业部环境保护科研监测所,300191。Email:sarahsung@163.com※通信作者:杜连柱,男,辽宁铁岭人,副研究员,博士,研究方向为农业废弃物资源化处理与利用。天津 农业部环境保护科研监测所,300191。Email:dulianzhu99@163.com

猜你喜欢

产甲烷猪粪产气
不同贮存方式对猪粪水理化特性的影响
猪粪配施化肥对侵蚀林地土壤团聚体及其有机碳分布的影响
湿垃圾与病死猪混合厌氧消化产气性能研究
纳米半导体材料促进厌氧产甲烷过程的研究进展
泥炭发酵产甲烷过程中古菌群落结构演替
垃圾渗滤液厌氧系统重启前后污泥产甲烷活性研究
猪粪变有机肥一年卖了3个亿
零价铁对城市污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化产甲烷的影响
Meso-mechanical model of concrete under a penetration load
猪粪中添加腐殖酸添加剂可降低粪便中的臭气