沼液全量回流的秸秆半连续厌氧发酵产气研究

王晓英， 陈广银， 周守标,， 李敬宜， 赵 昕

(1.安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000；2.安徽师范大学 环境科学与工程学院，安徽 芜湖 241003；3.安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽 芜湖 241003)

截止2013年底，我国已建有各种规模型沼气工程约9万处，其中大型沼气工程5246处、中型沼气工程9767处、小型沼气工程7.6万处[1]。随着大规模沼气工程建设的发展，沼液作为沼气工程的副产品，其处置利用问题就显得越来越重要。虽然厌氧消化后的沼液含有氮磷钾等营养元素，可以用于农田的滴灌和漫灌[2]，但由于农作物季节性耕作制度、农田分布范围广、运输过程易发生泄漏污染土地等限制因素，每天从沼气工程中排出大量的沼液还田困难重重[3]。解决沼液处置难题应从沼液源头减量，可以采用高效低廉的沼液回流处理技术。

在沼液回流过程中，过高的沼液回流比会产生难降解物质的累积、传质效果降低[4]、沼液粘度增加[5]、乙酸和乳酸累积产生酸抑制[6]、腐殖酸类物质积累[7]、厌氧反应氨氮浓度提升[8]、化学需氧量COD(chemical oxygen demand)去除率降低[9]，上述情况均对厌氧产气过程产生了抑制。但减少回流比仅能解决少部分沼液处置。由此可见，最佳的沼液回流比是沼气工程稳定运行的基础。邓玉营等[7]对秸秆厌氧发酵沼液回流的研究表明，腐殖酸类物质累积是导致产甲烷作用受到抑制、造成挥发性脂肪酸VFA(volatile fatty acid)积累的主要原因，因此降低腐殖酸类物质积累，可以提高秸秆产甲烷的效率。张应鹏[10]等对沼液全量回流的研究表明，氨氮含量下降及盐浓度增加会对厌氧发酵过程产生抑制，但未对腐殖酸类物质积累的抑制机理和缓解抑制措施进行研究。为优化沼液回流工艺，本研究以水稻秸秆为原料，采用CSTR(continuous stirred tank reactor)装置进行半连续发酵试验，分析沼液全量回流对秸秆厌氧发酵过程的影响。针对沼液回流过程中可能抑制产气的影响因子氮素和腐殖酸进行研究，找出缓解其抑制产气的方法。为突破沼液回流工艺的瓶颈、实现沼液“零”排放、保证秸秆沼气工程长效运行提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

水稻秸秆取自芜湖市近郊农田，自然晾晒后，机械粉碎至1mm左右，于干燥阴凉处备用。秸秆总固体(total solid,TS)为91.87%，挥发性固体(volatile solid,VS)为83.07%。接种物为猪粪水与芜湖市某城市污水处理厂二沉池污泥经驯化后的混合物，猪粪取自芜湖市近郊养殖户。接种物TS为2.8%，VS为48.22%。

1.2 实验装置

半连续发酵试验装置采用有机玻璃制作的完全混合搅拌反应器(CSTR)，内径20cm，高40cm，总容积为12.5L，有效容积为10L。反应器内部设有垂直搅拌器，搅拌轴上方高频电机连接定时器开关，上部设有进料口，下部有出料口。

1.3 实验方法

半连续发酵试验采用3套规格相同的CSTR做平行实验，在厌氧发酵系统中秸秆初始TS为5%，接种比30%，水力停留时间HRT(hydraulic retention time)为18d。在中温条件(37±1)℃下水浴加热，采用间歇式搅拌，发酵罐每隔3h以40r/min的速度搅拌15min。

半连续厌氧发酵试验共分三个阶段：第一阶段为启动阶段，时间为0～28天；第二阶段为沼液回流半连续发酵阶段，时间为29～132天，每天进出料一次，每日出料550mL，过0.85mm孔径筛网后所得的全部沼液加入29g稻秸(干重)，混匀后投入发酵罐内进行发酵，若过筛所得沼液体积不足550mL，用清水补足后进料；第三阶段为缓解措施验证阶段，时间为133～165天，为减缓因氮素缺失及腐殖酸累积产生的抑制，分别以尿素和氯化钙为外添加源，每日测定产气量，每隔5天测量一次沼液中总氮、总磷、COD、pH值及挥发性脂肪酸、腐殖酸含量。

1.4 测定指标及方法

TS采用105℃烘24h，差重法测定；VS采用550℃马弗炉灼烧4h，差重法测定；产气量采用排水法测定；pH值使用便携式测定仪(上海三信，SX751)；COD采用快速消解分光光度法测定(HJ/T 399—2007)；总氮测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法(HJ 636—2012)；总磷采用钼酸铵分光光度法[11]；挥发性脂肪酸总量VFA用比色法测定[12]；腐殖酸按照NYT 1971—2010水溶肥料腐殖酸含量的标准进行测定。

2 结果与分析

2.1 沼液回流对秸秆厌氧发酵产气过程的影响

图1 日产气量随时间变化Fig.1 Changes of daily biogas yield over time

2.1.1 沼液回流对秸秆产气的影响 沼液回流对秸秆产气的影响如图1所示。0～28天为启动阶段，由于接种物活性低，导致启动阶段前期酸化，用4mol/L NaOH溶液调pH至7左右，产气量逐渐恢复，在第18天时，日产气量达到最大11000mL左右，后呈下降趋势。28～132天进行半连续进料阶段，随着每日稻秸的进料，日产气量逐渐恢复，在第31天时日产气量达到峰值8600mL。45～100天日产气量处于稳定阶段，产气量在6500mL上下波动，100天以后日产气量逐渐下降，到第132天半连续发酵试验结束时，日产气量为3400mL，降至峰值的一半以下。以上结果说明：短时间内沼液回流对厌氧发酵产气过程有促进作用，沼液长时间回流会对发酵系统产气产生明显抑制作用。

2.1.2 沼液回流对pH值、发酵液COD及VFA浓度的影响 沼液回流对pH值的影响如图2所示。从图2可以看出，从28到132天，发酵液的pH值从7.36增加到7.72，这可能是由于沼液回流时回流了浓度较高沼液的原因。沼液回流对发酵液COD、VFA浓度的影响如图3所示。从图3可以看出，沼液回流后，在28～100天期间，发酵液COD从2200mg/L增加到10662mg/L；发酵液VFA的浓度随着实验的进行一直维持在1700mg/L左右，这是由于在此期间，产酸菌产VFA的速率与产甲烷菌利用VFA的速率相当，所以出现了VFA浓度稳定的现象。在100～132天期间，COD下降。对比产气变化可以发现，回流后期产气受抑制，说明沼液长期回流时，厌氧微生物生长繁殖受到不利影响；而VFA浓度有一个小幅度的上升，出现VFA累积现象，这与傅国志[13]在论文中提到的高回流比条件下会产生挥发性脂肪酸累积抑制产气的结果一致。

图2 实验过程中发酵液pH的变化Fig.2 Changes of pH during the experiments

图3 实验过程中发酵液COD及VFA浓度的变化Fig.3 Changes of COD and VFA concentration during the experiments

2.1.3 沼液回流对发酵液中总磷及总氮浓度的影响 沼液回流对发酵液中总磷及总氮浓度的影响如图4所示。由图4可以看出，在沼液回流期间厌氧发酵系统中的总氮和总磷呈缓慢下降趋势。在28～132天期间，沼液中总氮的浓度从263mg/L下降到93mg/L；沼液中总磷的浓度从208mg/L下降到20mg/L。这与张应鹏[10]等的研究结论相一致。这可能是由于秸秆本身氮磷含量并不高，是富含碳素的原料，而厌氧发酵体系中微生物的生长繁殖需要大量的氮磷元素的供给，因此出现了体系内氮磷含量呈下降的趋势。

2.1.4 沼液回流对发酵液中腐殖酸浓度的影响 沼液回流对发酵液中腐殖酸浓度的影响如图5所示。由图5可知，在实验28～132天期间，腐殖酸浓度(以质量分数计)总体上呈上升趋势，从0.0094%上升至0.234%。在100～132天期间，腐殖酸浓度升高的阶段正好与产气量下降阶段相吻合，说明腐殖酸浓度对厌氧发酵的产气效率有一定的抑制作用。这与郝晓地[14]及任冰倩[15]的研究结论相一致：腐殖酸本身含有的含氧官能团会对水解、发酵细菌分泌的胞外水解酶产生吸附、络合作用，导致水解酶与其它有机物接触并使其水解的机会大为减少，从而抑制厌氧消化过程产甲烷。

图4 总磷及总氮浓度随时间的变化Fig.4 Changes of total phosphorus and total nitrogen concentration over time

图5 腐殖酸质量分数随时间的变化Fig.5 Changes of humic acid content over time

2.2 补氮补钙处理对沼液全量回流产气性能的影响

2.2.1 补氮补钙处理对日产气量的影响 补氮补钙处理对日产气量的影响如图6所示。由图6可知，在133～165天，未进行处理的对照组产气量仍在下降，165天时，日产气量稳定在3000mL；进行补氮及补氮补钙处理的试验组经过处理后日产气量迅速恢复，补氮补钙组比补氮组日产气量恢复的更高，在165天时，补氮组日产气量为7500mL，补氮补钙组日产气量8650mL。补氮补钙处理后，日产气量有两个明显的峰值，这是由于试验过程中，间歇补充尿素和氯化钙的原因，在补充尿素和氯化钙后，日产气量会有小幅度的增加。

2.2.2 补氮补钙处理对pH的影响 补氮补钙处理对pH的影响如图7所示。从图7可以看出，对照组与处理组pH最开始为8.00左右，165天时，补氮处理后的pH值维持在8.24，补氮补钙处理后的pH为8.16，对照组pH为8.86。pH变化对厌氧消化过程中微生物的影响非常显著，与厌氧发酵体系内的微生物生命活动、物质代谢有着密不可分的联系，是影响氢化酶活性、代谢途径、产氢细菌活性和发酵产氢的重要因素。当pH值为6.8～7.2时，产甲烷菌活性最高，当pH值超出最适范围产甲烷菌活性随之下降[16]。对照组的pH超出了产甲烷菌的最适范围，经过补氮、补氮补钙处理后的试验组pH有所下降，结合产气情况说明补氮、补氮补钙确实能在一定程度上缓解厌氧发酵产气抑制情况。

图6 日产气量随时间变化Fig.6 Changes of daily biogas yield over time

图7 沼液中pH随时间的变化Fig.7 Changes of pH during the experiments

2.2.3 补氮补钙处理对发酵液中COD的影响 补氮补钙处理对发酵液中COD的影响如图8所示。从图8可以发现，在133～165天期间，对照组的COD从8850mg/L减少到6064mg/L，补氮处理组COD从8900mg/L上升到11000mg/L，补氮补钙处理组COD从8855mg/L上升到12394mg/L。对照组COD降低，这是因为沼液长期全量回流使得厌氧发酵系统中的微生物活性降低，对水稻秸秆的水解作用减弱，使得COD减少，这也说明了对照组产气抑制仍在继续。而补氮、补氮补氯化钙则促进了厌氧发酵系统的水解酸化作用，从而使COD增多，增加了厌氧消化微生物可以利用的底物，使得产气得以恢复。

2.2.4 补氮补钙处理对发酵液中挥发性脂肪酸的影响 补氮补钙处理对发酵液中挥发性脂肪酸的影响如图9所示。由图9可以发现，在133～165天期间，对照组的挥发性脂肪酸浓度从2106mg/L增加到2980mg/L，补氮处理组挥发性脂肪酸浓度从2026mg/L增加到2600mg/L，补氮补钙处理组从2151mg/L增加到2543mg/L。Siegert等[17]研究表明，甲烷菌比水解菌对VFA质量浓度变化更敏感，总VFA质量浓度超过6000mg/L会抑制产气并降低甲烷含量。结合产气量可以发现，与对照组相比，补氮补钙处理后的厌氧发酵系统内挥发性脂肪酸含量增加缓慢，产甲烷能力仍然维持在一个较高的程度。

图8 沼液中COD随时间的变化Fig.8 Changes of COD during the experiments

图9 沼液中VFA浓度随时间的变化Fig.9 Changes of VFA concentration over time

3 结 论

(1)沼液全量回流对秸秆厌氧发酵过程产气形成一定的抑制，在沼液回流100天后产气抑制明显，在第132天试验结束时日产气量维持在3400mL；对pH、COD、VFA浓度影响较小；对总氮、总磷浓度、腐殖酸浓度影响较大，在28～132天期间，氮素浓度从263mg/L下降到93mg/L，腐殖酸质量分数从0.0094%上升至0.234%。

(2)经过补氮补钙处理，在133～165天期间，补充尿素后日产气量由3400mL上升到7500mL；补充尿素和氯化钙以后日产气量由3400mL迅速上升到8650mL，在试验结束时，与对照组相比产气量分别提高了1.5倍和1.8倍。说明补充尿素、氯化钙能缓解氮素缺乏、腐殖酸累积产生的抑制作用，对恢复日产气量有很强的促进作用。