污泥驯化对苎麻废弃物厌氧消化产沼气的影响

蒋 勇， 郭清吉， 蒋小钰， 褚衍生

(四川发展中恒能环境科技有限公司， 成都 610094)

我国苎麻常年种植面积1×105～2×105hm2，占世界的90% 以上，苎麻废弃物是指苎麻经过纤维分离之后留下的麻叶和麻骨等，纤维只占苎麻全株生物量的5%，剩下95%则是麻叶和麻骨，如何处理大量的麻叶和麻骨，是苎麻生产工艺中急需解决的问题[1-4]。目前这类废弃物的处理方式主要是饲料化与食用菌基质化，较少探索其厌氧消化产沼气的潜力，而厌氧消化可使大量的废弃麻叶和麻骨减量化，减轻后续处理的负担，同时获取绿色能源沼气，为后续处理工艺提供能量。所以，苎麻废弃物的产沼气潜力和特性是十分值得研究的[5-10]。

本文根据预实验中苎麻废弃物的产气情况，对污泥进行驯化，通过对整个厌氧消化过程中各项参数的追踪，分析苎麻废弃物的产气特性，为下一步研究和利用到实际生产中做准备。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 苎麻废弃物

苎麻废弃物取自湖南省岳阳市洞麻厂，主要是纤维提取后剩余的麻叶和麻骨。主要性质见表1。

表1 苎麻废弃物的主要性质 (%)

1.1.2 污泥

试验所用污泥取自本公司猪粪厌氧消化反应器中的厌氧污泥，其主要性质见表2。

表2 接种污泥的主要性质 (%)

1.2 实验装置

实验装置由2000 mL消化瓶(有效体积1500 mL)和1000 mL的排水集气装置组成(见图1)。反应瓶放入水浴中，并保证水浴液面高于反应瓶内液面。水浴用加热棒控温在35℃±1℃。

图1 厌氧消化反应装置图

1.3 试验方法

驯化实验按照污泥∶苎麻废弃物TS=4∶1进料，发酵罐TS=7.5%～8%，分实验组和对照组，每组3个平行。发酵过程持续12 d，每12小时摇动1次反应瓶，保证有机质被充分利用。

表3 驯化实验各实验组组成 (g)

驯化后实验按照接种物∶苎麻废弃物TS=2∶1进料，发酵罐TS=7.5%～8%，接种物采用驯化实验后的厌氧消化液，TS约7.5%。分实验组和对照组，每组3个平行。发酵过程持续29 d，每12 h摇动1次反应瓶，保证有机质被充分利用。

表4 正式实验各实验组组成 (g)

1.4 参数测定及方法

pH值、总固体(TS)、可挥发性固体(VS)、污泥体积指数(SVI)等常规参数使用标准方法进行测定[11]。CH4和CO2百分比利用气相色谱法进行测定，色谱柱使用PEG-20M毛线管柱，以氮气为载气，流速30 mL·min-1。柱箱、进样器和检测器的温度分别是180℃，180℃和200℃。产气量采用排水集气法测定。纤维素、半纤维素、木质素、灰分根据文献方法[12]测定。

图2 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化日产气量曲线

图3 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化累计产气量曲线

图4 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化CH4百分比曲线

图5 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化CO2百分比曲线

2 结果与讨论

2.1 污泥驯化前苎麻废弃物产气特性分析

厌氧消化过程中日产气量变化规律如图2 图5所示，3组平行实验均出现2个产气高峰，第1个高峰出现在发酵第2天，日产气量约500 mL左右，第2个高峰出现在发酵1周左右，日产气量大于1300 mL。CO2百分比(见图5)的高峰与第1个产气高峰时间一致，说明发酵第2天底物出现强烈的水解并产生大量CO2，随后CO2百分比下降，CH4百分比(见图4)升高，从第2天的25%左右，到第10天CH4百分比超过60%，说明这段时间水解产物逐渐被产甲烷菌利用，并且在第7～8天达到日产气(见图2)最大值。随后日产气量逐渐下降，累计产气量(见图3)的增加也随之变得缓慢。在第12天累计产气量达到7000 mL左右。

在整个反应过程中1#，2#，3#3组平行实验的CO2百分比变化相对一致，仅在发酵初期产生较多CO2，而CH4百分比也逐步稳定上升，同时，此过程中pH值都稳定在7.1～7.5，这说明苎麻废弃物作为原料进行厌氧消化的过程并不易发生酸化。第9天之后CH4百分比稳定于60%，且产气正常，表明污泥驯化成功，并初步显示苎麻废弃物的厌氧消化可行性，为后续的厌氧消化实验提供了接种物。

图6 污泥驯化后苎麻废弃物日产气量曲线

图7 污泥驯化后苎麻废弃物累计产气量曲线

图8 污泥驯化后苎麻废弃物CH4百分比曲线

图9 污泥驯化后苎麻废弃物CO2百分比曲线

2.2 污泥驯化后苎麻废弃物产气特性分析

经过2.1的污泥驯化，采用其厌氧消化液作为接种物，苎麻废弃物厌氧消化过程中日产气量变化规律如图6所示，3组平行实验均出现两个产气高峰，第1个高峰在发酵第1天，日产气量约1000 mL左右，第2个高峰出现在发酵一周左右，日产气量大于1100 mL。CO2百分比(见图9)的高峰与第1个产气高峰时间一致，说明发酵第1天底物出现强烈的水解并产生大量CO2，随后CO2百分比下降，CH4百分比(见图8)升高，从第1天的10%左右，到第5天达到55%，说明这段时间水解产物逐渐被产甲烷菌利用，并且在第7～12天达到日产气(见图6)最大值。随后日产气量逐渐下降，累计产气量(见图7)的增加也随之变得缓慢。在第19天累计产气量达到14000 mL左右，后续产气增加非常缓慢。在第27天，日产气量接近0。因此，可计算出苎麻废弃物原料产甲烷潜力为44 mL·g-1鲜料，即194 mL·g-1TS。

在整个反应过程中1#，2#，3#这3组平行的CO2百分比变化相对一致，仅在发酵初期产生较多CO2，到第10天降至20%左右，而CH4百分比也逐步稳定上升至60%，可见采用驯化后的污泥进一步确认了苎麻废弃物的厌氧消化可行性。

2.3 污泥驯化对苎麻废弃物厌氧消化的影响

相比于普通接种污泥，采用驯化后的污泥:1)可使第1个产气高峰提前，表明驯化后的污泥更易水解底物，为后续反应加速；2)可延长第2个产气高峰时间，从驯化前的第7～8天，延长到驯化后的第7～12天，提升产气速率；3)采用驯化后的污泥，CH4百分比从第1天的小于10%，在5天内，迅速上升至55%，而采用普通接种污泥，需要9天才能使CH4百分比上升至55%，可见污泥驯化提升了厌氧消化过程的甲烷化速率；4)采用驯化后的污泥，累计产气量的快速增长期可延长至第19天，而采用普通接种污泥，第12天开始累计产气量增加得非常缓慢；5)采用驯化后的污泥，CO2百分比在第3天可下降至30%左右，而采用普通接种污泥，推后至第6天，表明驯化后的污泥使系统生化反应快速进行；6)采用驯化后的污泥，CO2百分比第10天下降至20%，而采用普通接种污泥，CO2百分比提前至第6天下降至20%，由于CO2,产生量也代表着微生物自身活性，可见驯化后的污泥使厌氧消化系统整体生物活性更加持久[13-15]。

图10 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化日产甲烷量曲线

图11 污泥驯化前苎麻废弃物厌氧消化累计产甲烷量曲线

图12 污泥驯化后苎麻废弃物厌氧消化日产甲烷量曲线

图13 污泥驯化后苎麻废弃物厌氧消化累计产甲烷量曲线

从图10～图13可知，污泥驯化对苎麻废弃物厌氧消化产甲烷量产生了较大影响。对比图10和图12可知，污泥驯化使得日产甲烷高峰期延长，从驯化前的第7～8天，延长至驯化后的第7～12天，与日产气量变化一致，但污泥驯化后的日产甲烷量，从第1天开始迅速上升，无缓滞期，而驯化前的日产甲烷量则在第1～4天，存在一个显著的缓滞期。累积产甲烷量方面，从图11和图13可知，污泥驯化使得累积产甲烷量的快速增加期延长，从未驯化的12天，延长至驯化后的19天，与累积产气量变化一致，但污泥驯化后的累积产甲烷量，从第1天开始迅速上升，无缓滞期，而驯化前的累积产甲烷量则在第1～4天，存在一个显著的缓滞期，与日产甲烷量变化一致。因此，采用驯化后的污泥，可显著延长苎麻废弃物厌氧消化产甲烷量的高峰期，缩减或消除缓滞期，提高了原料产甲烷速率，有利于快速获取甲烷能源。

3 结论

苎麻废弃物厌氧消化产沼气出现两个高峰，甲烷百分比在一周左右可快速上升至55%以上，原料产甲烷潜力为44 mL·g-1鲜料，即194 mL·g-1TS。直接采用普通接种物，苎麻废弃物表现出厌氧消化可行性，采用驯化后的污泥，可使甲烷百分比快速上升，明显缩减或消除产甲烷缓滞期，延长产气高峰期，提升原料产甲烷速率。所以下一步计划在厌氧消化过程中进行微生物群落的对比分析，以解析污泥驯化有利于苎麻废弃物厌氧消化的机理，通过调控微生物活性，进一步增加其产甲烷量和处理效率。