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          奶牛糞壓榨液黑膜沼氣池厭氧消化過程中氨和硫化氫抑制原位解除工藝研究
          時間 : 2019-04-09 瀏覽量 : 72

          隨著集約化養殖業在我國的快速發展,每年畜  禽糞污排放量已經超過40億t,然而70%以上的畜  禽糞污未被有效處理就被排放到環境中。大量的畜禽糞污排放已經引起了嚴重的環境問題如地下水污染、臭氣病原菌及過量的土地占用等。因此,有


          必要尋找一種合適的管理及利用途徑以降低畜禽糞污引起的環境污染。  近年來畜禽糞污先進行固液分離(采用螺桿壓榨機壓榨等方式),將得到的固體殘渣和液體壓榨液分別進行處理在集約化養殖場受到越來越多的


          重視2-3)。固體殘渣可進行無輔料添加的好氧堆  肥,而針對液體部分可進行厭氧消化以回收能量。  這種處理方式對集約化養殖廠非常重要,因為養殖  廠周圍可以消納備禽糞污的土地有限固體殘渣直  接進行好氧堆肥以生產有機肥同其他處理方式  (例如不進行固液分離直接添加輔料堆肥)相比顯  著降低了待處理廢物量;而壓榨液由于固體的大量  去除將加速其厭氧消化過程處理效率。我們前期的  工作驗證了奶牛糞固液分離后獲得的固體殘渣無輔料添加進行好氧堆肥的可行性,且發現固體殘渣堆肥在有或無輔料添加時,對堆肥過程中微生物群落成分的影響不大。但前期工作對奶牛糞壓榨液的厭氧消化性能尚未做評價。

          利用廢棄生物質進行厭氧消化產黑膜沼氣池沼氣是一種有效處理有機廢棄物的方式78,已廣泛應用于處理如農業、城市和工業來源廢物。但畜禽廢物厭氧消化處理過程中常面臨運行效率低和運行穩定性差的問題其中氨(NH12)和硫化氫(H2S)抑制是造成畜  禽廢物厭氧消化過程運行效率低甚至崩潰的主要原  因90。畜禽廢物經過固液分離后,可溶性氨(主  要為NH4)和硫(主要為SO2)轉移到液體部分,可  能會造成厭氧消化過程抑制的加劇,而且過程產生  的NH3和H2S也是黑膜沼氣池沼氣臭味的主要來源。因此,有  必要在奶牛糞液體厭氧消化過程中降低NH3和


          H12S的抑制,從而建立高效、穩定的厭氧消化工藝。

          本研究以奶牛糞壓榨液為原料,利用自主研發  的厭氧消化耦合NH3和/或H2S抑制原位解除系  統,通過監測不同運行條件下厭氧消化過程產氣效  果及pH值,NH4,SO3、有機酸( volatile fatty acids,  VFAs),可溶性有機碳( soluble total organic carbon,  TOC)等理化指標的變化情況,探討實現奶牛糞壓榨  液高效處理的可行性,以期為奶牛糞污的資源化利  用提供理論依據和技術支撐。

          1材料與方法

          1.1實驗材料

          1.1.1原料和接種污泥

          奶牛糞取自成都雙流一奶牛養殖廠。采用油壓過濾將固體和液體部分進行分離,將固體部分水分含量壓濾至約72%(模擬商業螺桿壓榨機壓榨效率),所得壓榨液用于厭氧消化原料,其理化性質如表1所示。壓榨液pH值為7.8,NH4濃度為901.2mg·L,C/N比較低,約為19.0。原料中加入微量元素N2,Co2和Fe2分別為0.05,0.05,0.65mg·g揮發性固體(VTS)以促進厭氧消化過程。

          實驗接種污泥來自用大學校園食堂餐廚垃圾長期馴化的高溫厭氧消化體系,總固體(TS)和揮發性固體VTS為污泥質量的3.1%和2.6%。


          1.1.2厭氧消化裝置  高溫厭氧消化耦合NH3和H2S抑制原位解除系統由實驗室自主研發,示意圖如圖1所示。高溫  厭氧消化反應器為完全攪拌式反應器,總體積為10L(其中工作體積為8L),反應器攪拌速度設置為85mm,溫度設定為53℃。每日加入奶牛糞壓榨液原料,添加量根據ⅥTS確定,實驗過程有機物負荷逐漸從2.0g·Ld-增加至12.0g·Ld-,每一負荷下反應器運行1~2周以獲得穩定數據。補料的同時取出部分發酵液體維持反應器工作體積為8L。為保證反應器內厭氧環境補料時充氮氣10min。產生的黑膜沼氣池沼氣通入水槽(工作體積4.5L)吸收NH3、H2S和CO2后,部分氣體通過空氣循環泵通入


          反應器液相中,使用電磁流量計記錄最終黑膜沼氣池沼氣產量。同時,按黑膜沼氣池沼氣產生量的3%通入空氣以減輕體系H2S抑制(或降低黑膜沼氣池沼氣中H2S含量)。高溫厭氧消化系統共運行95天,定期從厭氧反應器中采集發酵液,測定pH值,NH4,SO2-,TOC和VFAs濃度等理化指標。

          1.2分析方法

          樣品在干燥箱105℃下烘干至恒重測定水分和總固體(TS),然后利用馬弗爐將樣品在600℃下灼燒2h測定揮發性固體(VTS)。C,N,H,O元素使用采用元素分析儀( Vario EL cube, Elementar,德國)測定。蛋白質含量通過測定總N含量乘以6.25計算得出。揮發性有機酸( Volatile fatty acids,


          VFAs)使用高效液相色譜(HPLC, Shimadzu)測定,  分離柱為 Shimpack SCR:101H。TOC使用 TOC ana  ler( TOC-V CSH, Shima)測定。pH使用pH計  HM35G, TOADKK)測定。NH和SoO2濃度濃度使用離子色譜( Dionex ICS-1500和ICS100)測定,甲烷含量由氣相色譜測定(CC323)。黑膜沼氣池沼氣中H2S和NH3采用氣體精密檢測管( Komyo Kitagawa,Tokyo, Japan)檢測。

          2結果和討論

          2.1奶牛糞壓榨液厭氧消化的產氣情況

          在厭氧消化過程中,奶牛糞壓榨液中的有機物在微生物的作用下降解轉化為黑膜沼氣池沼氣。因此,黑膜沼氣池沼氣的產量可以直接反映系統的運行狀態。圖2顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中黑膜沼氣池沼氣生產效率、甲烷含量及黑膜沼氣池沼氣中H2S含量的變化情況。反應器共運行了95天,前37天厭氧消化系統未進行黑膜沼氣池沼氣內循環或微通氣,有機物負荷從2逐漸增加至6g·L-d可以看出,當有機物負荷為2g·Ld-開始進料,  反應器產氣效果穩定,黑膜沼氣池沼氣生產率約為400  mL·Ld-,其中黑膜沼氣池沼氣中甲烷含量約59.5%,H2S含量為600pm;提高有機物負荷至4g·Ld-1  時,黑膜沼氣池沼氣生產率增加至約為637.2mL·Ld-(甲  烷含量約62.7%),但黑膜沼氣池沼氣中H2S含量增加到1200  ppm;繼續提高有機物負荷至6g·L-d-,黑膜沼氣池沼氣生  產率同有機物負荷4g·Ld相比并沒有明顯增  加,與此同時黑膜沼氣池沼氣中H2S含量增加到約2000m  為降低黑膜沼氣池沼氣中H2S含量從而提高黑膜沼氣池沼氣質量1  從第38天開始,反應器進行黑膜沼氣池沼氣內循環或微通氣,


          通氣量為黑膜沼氣池沼氣產生速度的3%。從圖1可以系  黑膜沼氣池沼氣內循環或微通氣并未影響黑膜沼氣池沼氣產量,但  H12S含量迅速降低至50ppm以下,同時由于  循環過程中有部分CO2溶解于水槽中,黑膜沼氣池沼氣中甲  含量從62.3%增加至64.2%,這和我們之前的  結果一致(2)。提高有機物負荷至8g·Ld  gLd2時,反應器產氣狀況穩定;然而繼續提  有機物負荷為12g·Ld時,可以看出,反應器  氣量迅速下降,反應了其運行不穩定,這從后線5  器內消化液的理化性質分析結果也可以表明1  部分)。因此,可以推斷,在此條件下奶牛糞壓  厭氧消化最大有機物負荷為10g·Ld-1,此時  氣生產率約為920.5mL,Ld-(甲烷含量當63.7%),同時黑膜沼氣池沼氣中H13S含量維持在50m下。從此結果也可以看出,單獨奶牛糞壓榨液厭消化產氣效率較低,將來的研究可以通過補加餐垃圾等進行共發酵以促進產氣,進而提高經濟效益2.2奶牛糞壓榨液厭氧消化反應器內的理化性變化

          圖3顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中發液理化性質(包括pH值,VFAs,TOC,NH和的變化情況。可以看出,在前37天厭氧消化系統  進行黑膜沼氣池沼氣內循環或微通氣,奶牛糞開始以較低有  物負荷(2gLd-)補料時,體系中有機酸尤  乙酸濃度和T0C濃度呈增加趨勢,這可能時由  榨液原料對種子污泥的沖擊導致,種子污泥尚  應新的原料。在此階段,體系pH略有波動,M  度約為376mg·L。隨著厭氧消化過程的進  有機物負荷增加至4-6g·L-d-1,可以看出


          酸濃度降低并維持穩定至1200mg·L-,這表明種  子污泥已適應壓榨液原料,有機酸降解而無積累。  反應器內適宜的p值范圍是厭氧消化順利進行的重要環境條件,在此期間反應器的pH值總體保持穩定,pH值變化范圍在7.8~8.2之間,處于適宜微生物生長的范圍。從圖3也可以看出,隨著有機物負荷的增加,反應器內NH4濃度有所增加,同時TOC的濃度逐漸增加,這說明TOC轉化效率在有機物負荷提高過程中有所下降。

          從第38天(有機物負荷為6g·Ld-)開始反應器進行黑膜沼氣池沼氣內循環或微通氣后,反應器運行14天除TOC略微增加然后保持穩定外,其他各項理化


          性質如pH值和VFAs均保持穩定,NH4濃度略有  降低。有機物負荷增加至8-10g·Ld-1,反應器  保持穩定;然后繼續增加有機物負荷至12g·L-1d-后,反應器內TOC迅速增加至8000mg·L-,乙酸和丙酸濃度也迅速增加,4天內分別增加至4000mg·L和3000mg·L-1。高濃度的有機酸尤其是丙酸對厭氧消化過程微生物有較強的抑制作用,Pullammanappallil1等研究認為丙酸濃度在3000mg·L左右即會產生抑制。同時,pH值也由于酸的積累迅速下降。理化性質的不穩定和產氣情況均表明,有機物負荷12g·Ld時,反應器運行不穩定


          3結論

          綜上可知,采用高溫厭氧消化耦合黑膜沼氣池沼氣內循環


          和微通氧可以實現奶牛糞壓榨液的高負荷處理,最大穩定處理有機物負荷達10g·Ld-,在此條件  下的黑膜沼氣池沼氣生產率和CH4含量分別為920.5mL,L1


          d和63.7%。通過耦合黑膜沼氣池沼氣內循環和供給微量空氣(黑膜沼氣池沼氣產量的3%),反應器中NH濃度維持在1000mg·L以內,黑膜沼氣池沼氣中H2S的含量降低至50Ppm以下,黑膜沼氣池沼氣質量明顯改善。


          摘自《中國沼氣》第三期 常譽尹 馬詩淳 孫照勇 湯岳琴 木田建次


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