农业废弃物共发酵的产气潜力研究

2018-11-08张大磊李瑞栋赵昱皓

山东化工 2018年20期

张大磊，李瑞栋，赵昱皓,赵峰

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033)

厌氧消化在处理废物的同时还能以沼气的形式产生能量，因此已经用来处理许多不同类型的有机废物[1-2]。最近，越来越多的研究者关注到厌氧共消化，它可以同时处理两种或多种废物，如农业残留物[3-4]、有机生活垃圾和其他特殊有机废物[5-6]。目前已经证实，共消化可以提高废物消化率、缓冲能力以及提供更好的营养平衡。因此，共消化可以得到比单消化更高的甲烷产量并且具有更稳定的消化性能[7]。

近年来，沼气发酵技术发展迅速，已经成为提高农村蔬菜垃圾和农作物秸秆资源化利用的有效途径[8-10]。单一原料发酵已得到深入细致的研究，并形成了较成熟的技术体系而应用于实际生产生活中。但蔬菜垃圾含水量高，易于酸化，而农作物秸秆碳氮比高、纤维素含量高，产气周期长[11-12]。因而把蔬菜垃圾和秸秆混合发酵，不仅可以弥补单一原料的发酵缺陷，还能解决秸秆进料所需调配水的问题，在提高产气效果的同时，达到节水的目的。

因此，本研究首先分析了三种典型农业废弃物(蘑菇土、秸秆、蔬菜垃圾)的发酵潜力，在此基础上，研究了不同物料的混合发酵情况，研究了蘑菇土、玉米秸秆与蔬菜垃圾的三者混合发酵实验，并与蘑菇土与玉米秸秆两者混合发酵实验进行了对比，以期为农业废弃物厌氧共发酵的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

蘑菇土，采自临沂，由山东十方环保能源股份有限公司提供，主要为棉籽壳，呈坚硬柱状。玉米秸秆，采自青岛即墨，为2017年的秋玉米，呈黄色。白菜，采自青岛平度，为2018年大棚白菜，取外表皮的白菜叶为实验对象。将白菜叶与白菜帮机械搅碎后，分装后并于-20℃冷冻保存备用。本实验中的农业废弃物的物料特性如表1所示。

表1 农业废弃物的物料特性

1.2 实验部分

1.2.1 产气潜力测试

本实验在250 mL的厌氧瓶中进行，实际反应体积为150 mL。将物料(蘑菇土、秸秆、白菜)粉碎，按TS(物料浓度)为2% (其中白菜为1%)的比例加入瓶中，并加入质量比为3%的接种物(实验室厌氧消化罐内的活性污泥和污水处理厂的厌氧消化污泥等量混合)，加入IWA的培养液至150 mL(培养液配方如表2所示)。连续通N215min之后，塞紧塞子，并压好铝盖，确保系统的密封。将装有物料的厌氧瓶放入35℃的水浴摇床中，以110 rpm的转速振荡，发酵时间为46d。每天测定沼气产量与沼气组分，并计算累积产甲烷量。测定前，停止震荡30 min。分别设置实验组和对照组(只加接种物)，每个样品做两个平行。

表2 甲烷潜力实验的培养基[13]

1.2.2 不同混合比例实验

根据的物料不同特性，配制的混合物料如表3所示，其余步骤与1.2.1中步骤相同。

表3 物料混合特性表

1.3 分析方法

总固体浓度(TS)、挥发性固体(VS)、pH值、氨氮等按照《水和废水的监测分析方法(第四版)》所述的标准方法测定[14]；样品中元素分析是将物料在105℃下烘12 h至恒重，在干燥器内冷却后，研磨，利用元素分析仪(PE 2400,Perkin Elmer,美国)分析样品中的C、H、N、S的含量，每个样品做8～10个平行；潜力测试中沼气产量利用排水法测量；半连续式实验中沼气产量采用湿式气体流量计测量；沼气组分利用气相色谱测量，进样器、检测器与柱室温度分别为80、100与50℃。

2 结果与讨论

2.1 物料特性分析

从表1中可以看出，蘑菇土具有较高的VS含量(86.58%TS)，是一种潜在的沼气发酵原料。但C/N(19.87±1.51)略低于沼气最佳C/N比范围(20～30)[15]，因此，产气稳定性、产气效果、降解效率等，需进一步结合发酵潜力测试等来确定。虽然白菜中的VS含量较高(>70%TS)，但由于白菜的含水量很高(>95%)，从而会导致物料中整体的VS含量低下，其可能的结果是白菜的降解效率较高但产气时间较短。同时，由于白菜的高含水量，与其他物料混合后，可降低工程的用水量。

秸秆的TS、VS含量均很高，但由于其纤维素(43.9%)与木质素含量较高(6.4%)，C/N比例不合适等原因，导致其降解效率低下，产气周期较长。

2.2 不同物料的产气潜力实验

图1 秸秆、蘑菇土与白菜的累积产气图

图2 秸秆、蘑菇土与白菜产生的生物气中的甲烷含量变化

从图1可以看出，经过46天的发酵后，秸秆、蘑菇土与白菜的累计产气量(扣除对照后)分别为1472.5、821.5与1444 mL，沼气产量分别是490.8、273.8和962.7 mL/g-干重和392.7、219.1和38.5 mL/g-湿重。显示了秸秆和白菜比蘑菇土具有更好的产气效果。从图2看出，秸秆、蘑菇土与白菜产生的生物气中甲烷含量分别在35%、35%和45%左右。在开始发酵的20天之内，白菜的甲烷含量逐渐上升，这是与白菜的甲烷产量逐渐上升是一致的(图2)。另外，从图3中可以看出，秸秆、蘑菇土与白菜的累计产甲烷量(扣除对照后)分别为455.6、245.8 和540.8 mL，甲烷产量分别是151.9、81.9和180.2 mL/g-干重和121.5、65.5和14.4 mL/g-湿重。与产气效果一样，秸秆和白菜比蘑菇土具有更好的单位产甲烷效果，原因可能是秸秆和白菜中的木质素含量比蘑菇土的要低，玉米秸秆木质素含量6.4%，而菌糠的木质素含量一般都在10%以上[10]。在农业残余物的厌氧消化过程中，木质素含量越高，累计甲烷产量越低[16]。

图3 秸秆、蘑菇土与白菜的累积产甲烷量

2.3 不同物料的共发酵实验

图4 不同物料共发酵的累积产沼气图

图5 不同物料共发酵的甲烷浓度图

从图4中可以看出，经过46天发酵后，A、B、C、D和E组产气量(扣除对照后)分别为1686、1837、1701、1308和1407.5mL，沼气产量分别是481.7、520.4、521.8、479.1和480.4 mL/g-干重和99.9， 126.4，143.8，392.8和393 mL/g-鲜重。从图5可知，A、B、C、D和E各组甲烷含量均在35%左右，且较稳定。但是从图6中可以得出，经过46天发酵后，A、B、C、D和E组产甲烷量(扣除对照后)分别为560、580.6、553.4、416.6和424.1 mL，甲烷产量分别是160、164.5、180.6、169.8、152.6和144.7 mL/g-干重和33.2、39.9、46.8、125.1和118.5 mL/g-湿重。对于蘑菇土与秸秆混合的D、E组，产甲烷量均低于蘑菇土、秸秆与白菜三者混合的A、B和C组。因此可见，白菜的加入提高了系统的产气潜力。

图6 不同物料共发酵的累积产甲烷图

这与其他的相关研究结果是一致的。Bouallagui[17]等人研究了果蔬垃圾分别与鱼市废物、屠宰场废水以及活性污泥等的厌氧共发酵，结果显示共发酵相对果蔬垃圾单独发酵具有较高的产气量与产甲烷量。Callaghan[18]等利用果蔬垃圾分别与牛粪和鸡粪进行了厌氧共发酵，Gomez[19]等人进行了果蔬垃圾与初沉池污泥的厌氧共发酵实验，均得到了与Bouallagui相似的结论。

同时，他们也指出，果蔬垃圾不同于其他的固体废弃物，水解酸化不是其限速步骤，而甲烷化是果蔬垃圾的限速步骤，也是影响这类废物能否实现产甲烷的关键。因此，后续实验，可以采用活性较高的接种物，比如污水处理厂的消化污泥，降低固含量，从而提高系统中甲烷菌密度，顺利实现系统的甲烷化。