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我國是世界秸稈產量第一大國。沼氣池厭氧發酵技術是將農業廢棄物轉化為沼氣的有效手段之是秸稈資源化的重要途徑。然而,在生產沼氣的同時也會均衡地產生大量的副產品一沼氣池沼液沼渣,同時秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素的含量直接影響到秸稈沼氣池厭氧發酵產氣的效果,不同種類秸稈沼氣池厭氧發酵產沼氣的效果差別較大。沼氣池沼液回流技術可以從源頭上減少沼氣池沼液排放,預防農田消納時潛在的環境風險,對大中型沼氣工程沼氣池沼液的減排和節約淡水資源具有重要的理論和現實意義。沼氣池沼液回流可以減少氨氮損失,實現單秸稈發酵,同時減少功能微生物損失4,實現菌群水解和產甲烷過程的平衡。

但過高的回流比會導致氨氮積累6,粘度增加(,導致發酵產氣量下降。有關沼氣池沼液回流能夠提高發酵效率、反應器運行穩定性和增加原料利用率的研究大多是建立在批次發酵的基礎上,或者將用于回流的沼氣池沼液進行稀釋,而對于在低含固率發酵條件下,沼氣池沼液過篩后全部回流對單秸稈特別是木質化程度較高的秸稈發酵效果的影響較少有相關報道8。實驗以棉花秸稈為原料,在固定進水負荷4gTS·Ld及HRT(15d)下,通過沼氣池沼液回流再利用,研究回流對產甲烷效率及微生物群的影響。

1材料與方法

1.1棉花秸稈及污泥特性

實驗啟動的活性污泥取自筆者實驗室在中溫條件50 L CSTR發酵罐長期培養的種泥,活性污泥的TS和VS分別為6%,4.1%,pH值為7.2,在有效體積為6L的發酵罐內接種污泥3.2L。棉花秸稈粉碎成秸稈粉,過40目篩備用,其理化性質見表1。

1.2實驗裝置與操作

沼氣池厭氧發酵裝置為2個相同的CSTR反應器  圖1),總體積7.2L有效體積為61。每天投  次,每次10min,攪拌速度為200r·mi  350尼龍紗網過濾后用于進料稀釋,回流到  罐中重新利用,而未回流組使用清水代替

1.3實驗監測方法

總固體(T),揮發固體(VS)采用干重法出料的pH值采用 SANXIN牌SXTS610型筆式由計測量;沼氣采用SY-TS120L氧氣袋收集;甲烷體積分數采用便攜式沼氣分析儀( Geotech Bi5000型,英國);纖維素含量用 ANKOM220纖維析儀測量;SCOD采用標準重鉻酸鉀氧化法;氨采用水楊酸TSL次氯酸鹽光度法測定0;出料揮發性脂肪酸VFAs采用島津LC-TS20A高效液相色儀測定,色譜柱為BO- TSLRAD HPX- TSL87HLExclusion Column;微生物群結構分析采用16NA基因克隆文庫法"。

2結果與討論

2.1回流對甲烷產率的影響

甲烷產率是衡量厭氧消化系統運行效率的重要指標。在固定進水負荷4gTS·Ld-條件下,從第31天開始回流,從圖2可知,回流初始階段不會對產氣有影響,但隨著回流時間延長,甲烷產率會下降,當運行到153天時,兩組甲烷產率開始出現差

沼氣池沼液回流開始對沼氣池厭氧發酵產生抑制作用,回流組的甲烷產率由332.4mL·Ld降低到255mL·Ld-,下降了23.1%。有文獻表明2),回使沼氣池沼液中未降解掉的有機物及攜帶的產甲烷菌群新進入發酵罐中,能夠在一定程度上提高沼氣含量筆者研究顯示前152天回流并未增加產氣,可能為在相對較低的有機負荷4gS·Ld下,初期  系粘度及揮發性脂肪酸含量相對較低,對產甲烷系無明顯抑制作用,厭氧過程完全且有機物利用為充分,使得回流液中可降解物質較少,對體系了  增加不明顯。徐霄通過滲濾液回流技術對發種  干式厭氧消化反應進行研究,利用合適的回流比,∥高纖維素和半纖維素的降解率,從而提高了厭  酵產氣量。王星研究了消化液回流比對餐  圾厭氧消化的影響發現在低負荷條件下,停園  比可以使系統的產氣量明顯提高,但在高負荷條

下,較高的消化液回流比會造成揮發性有機酸積累,從而對厭氧消化反應有抑制作用。回流比及負荷高低是影響回流效果的兩個重要因素,而本實驗在固定回流比及有機負荷的條件下,以棉花秸稈為原料進行單發酵,沼氣池沼液未經調節直接回流,結果顯示到第9個HRT時,回流開始會對沼氣發酵產生抑制作用,與長期沼氣池沼液回流造成的粘度增加以及難降解物質積累有關,因此回流時間長短是一項重要的工藝參數。整個實驗過程中,每天進料量為24gTs,回流組單位TS產甲烷量為7.3mL·Ld-1,未回流組單位TS產甲烷量為829mL·L-d-1,回流使產甲烷量降低了6.8%。實驗中觀測到回流并未影響甲烷含量,回流組和未回流組均維持在52%~55%。

2.2回流對pH值和氨氮濃度的影響

水解產酸菌的最佳pH值在7附近,產甲烷菌生長的最適pH值介于6.8~7.56(見圖3)。隨著實驗的進行,未回流組的pH值呈下降的趨勢并維持在6.8,而回流組為7以上,均處于適宜的H值條件下。未回流組氨態氮平均濃度在71mg·L左右,而回流組為108mg·L,氨氮是厭氧緩沖體系的致堿物質,也正是氨氮的回流增加了回流組體系的緩沖能力使回流組pH值較高。一般情況下,NH濃度在50~200mg·L是有益的。由于原料使用的是棉花秸稈,氮元素含量比較低,所以氨氮的濃度遠沒有達到抑制沼氣池厭氧發酵的程度。

2.3回流對粘度的影響

回流開始后,回流組沼氣池沼液粘度由54mPa·s增至139mPa·s,而未回流組粘度處于57~79mPa·s之

間(見圖4)。粘度反映了液體流動時的內摩擦程度,是發酵液流變性的重要指標,能夠影響厭氧反應器的整體混合行為、物質傳質和熱傳遞過程,即微生物與有機物之間的傳質過程,從而影響沼氣池厭氧發酵的水解和產甲烷效率。實驗以棉花秸稈為原料,其具有較難降解的纖維素、木質素、半纖維素等成分,隨著沼氣池沼液的回流,難以充分降解的大分子物質不斷積累,沼氣池沼液中懸浮顆粒及膠體物質增長明顯,因而使粘度增加,在一定程度上抑制了產氣。

2.4回流對揮發性脂肪酸含量的影響

VFAs的質量濃度反映出體系中酸化和產甲烷之間的平衡,回流會導致VFAs的積累2)。乙酸質量濃度超過1.5g·L就會抑制纖維素酶的活性,從而抑制水解反應3。當乙酸質量濃度降到0.3g·L-時,嗜乙酸型甲烷菌有更高的親和性,乙酸發酵產甲烷成為主要途徑18。由圖5~圖7可知,回流組乙酸由0.1g·L增長到1.6g·L-,而未回流組維持在0.1~0.3g·L之間,說明未回流組以乙酸發酵產甲烷為主,而回流組乙酸積累到一定程度已經開始抑制纖維素的水解。丙酸氧化生成乙酸、氫和二氧化碳是吸能反應,熱力學上不能自發進行,丙酸的積累是厭氧消化甲烷產出率低的主要原因2,當丙酸濃度達到15g·L時,會抑制50%的產甲烷活性21。在實驗中,丙酸在回流的初始階段濃度為0.2g·L,回流一段時間后增至0.5g·L,而未回流組在0.2g·L左右波動,回流組雖有丙酸積累但并未到抑制產甲烷的程度,可能與較合理的進水負荷有關。乳酸在短時間乙酸化過程中,會釋放較高濃度的二氧化碳和氫氣,這會降低嗜氫產甲烷菌的代謝效率降低甲烷產率2)。實驗未回流組乳酸的濃度一直維持在0.3g·L左右,而回流組有明顯的上升,濃度大約在1.3g·L,是回流組甲烷產率較低的原因之一。

2.5回流對產甲烷體系細菌的影響

細菌16 S rDNA基因克隆文庫分析取樣點為190天,即回流組產氣受抑制階段。通過限制酶切技術對16sDNA基因克隆文庫歸類后測序。如圖8所示, Ruminofilibacter xylanolyticum能夠利用木聚糖,曾在以玉米、小麥秸稈為原料的沼氣發酵罐中檢測出來23); Acetivibrio cellulolyticus為厭氧的纖維素分解菌,主要發酵產物是乙酸、氫氣和二氧化碳2Thermoanaerobacter能夠利用包括木糖、纖維二糖、淀粉、葡萄糖和麥芽糖在內的多種碳水化合物,并且能夠還原硫代硫酸鹽產生硫化氫21; Prevotella ruminacola在利用多糖、多肽及蛋白質代謝中中起著重要的作用,均在未回流組中發現,反映了其纖維素降解菌群的種類多樣性,有利于其水解產酸,繼而獲  得較高的產甲烷率。回流使反應器有毒物質積累  可能影響了纖維素降解菌群落多樣性。

2.6回流對產甲烷體系古菌的影響

對原始污泥及反應器內顆粒污泥進行取樣,基于16SDNA基因序列構建的系統樹如圖9中所示。其中B和C為回流尚未影響產氣時的取樣點,D和E為回流明顯抑制產氣時的取樣點。如表2所示 原始污泥中古菌種類豐富,經過以單一棉花秸稈為原料的馴化階段后,嗜乙酸產甲烷菌 Methanosaeta占有絕對的優勢,而嗜氫產甲烷菌 Methanomicrobiales和 Methanobacterium豐度比較低。5個樣品克隆子序列分析結果見表2。

Methanosaeta獨有的絲狀纖維形成特定網格結  構將其他細菌聯結到一起,在顆粒污泥形成過程中  起到骨架、細胞聯合和支配作用2,研究表明在活  性較好的顆粒污泥中 Methanosaeta是主導的產甲烷菌。實驗以單一棉花秸稈為原料,回流組中Methanosaeta的比例不斷增加,有利于污泥的顆粒化過程及難降解物質積累下系統的穩定。在回流尚未抑制產氣階段,通過分析兩組在第70天的顆粒污泥中古菌比例,發現主要產甲烷菌 Methanosaeta的比例相近,此時兩組產甲烷率差異不大;未回流組中仍檢測出 Uncultured euryarchaeota,而回流組未能檢出,可能因為回流沼氣池沼液中積累的有毒物質抑制了該種微生物的生長,其分類地位和代謝功能還需進一步研究。回流組中嗜氫產甲烷菌為 Methanobacteriaum,可利用H2/C02及甲酸生成甲烷;到了回流抑制產氣階段,回流組中 Methanosaeta比例增加,與回流組乙酸濃度較高有關,在穩定沼氣池厭氧發酵系統中起到重要作用

3結論

(1)在進水有機負荷為4g·Ld的條件下,沼氣池沼液回流并沒有增加產氣,回流到第9個HRT時,回流組產氣受到抑制。以棉花秸稈為原料,回流組單位Ts產甲烷量為73mL·Ld,未回流組單位TS產甲烷量為82.9mL·Ld-,回流使產甲烷量降低了6.8%

(2)回流對pH值影響顯著,回流組的pH值要高于未回流組,這主要由于回流組的氨態氮濃度高  于未回流組,氨態氮作為致堿物質增強了回流組的  沖能力;沼氣池沼液粘度的增加,降低了沼氣池厭氧發酵效率;回流組的VFAs要高于未回流組,其中乙酸和乳酸的積累是回流組甲烷產率較低的原因之

(3)未回流組纖維素分解菌種類更加豐富,是其能夠有效水解纖維素,進而產甲烷率高的原因;經過長期單秸稈發酵,污泥中 Methanosaeta的比例不斷增加,隨著回流組乙酸濃度的增加, Methanosaeta

例也在增長,對穩定沼氣池沼液回流條件下的沼氣池厭氧發酵體系起到重要作用。

摘自《中國沼氣》2018第一期