水热预处理对提高牛粪厌氧产甲烷性能的研究

收稿日期:２０１８￣１０￣２２修回日期:２０１８￣１１￣２３项目来源:国家“十三五”重点研发计划项目(２０１６ＹＦＤ０５０１４０２)作者简介:宋晓聪(１９９２－)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ研究方向为固体废物资源化ꎬＥ￣ｍａｉｌ:２６３４１４５２７７＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:袁海荣ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕａｎｈａｉｒｏｎｇ７５＠１６３.ｃｏｍ水热预处理对提高牛粪厌氧产甲烷性能的研究宋晓聪１ꎬＡｋｉｂｅｒＣｈｕｆｏＷａｃｈｅｍｏ１ꎬ２ꎬ李秀金１ꎬ左晓宇１ꎬ袁海荣１(１.北京化工大学环境科学与工程系ꎬ北京１０００２９ꎻ２.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｒｂａＭｉｎｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＡｒｂａＭｉｎｃｈＰＯＢｏｘ２１ꎬＥｔｈｉｏｐｉａ)摘要:为了研究水热预处理对牛粪厌氧产甲烷性能的影响ꎬ文章采用不同的温度(５０℃ꎬ７０℃ꎬ９０℃ꎬ１００℃ꎬ１５０℃和２００℃)分别对牛粪进行预处理(５ｍｉｎ~３ｄ)ꎬ再进行中温批式厌氧消化实验ꎮ结果表明:最优的预处理条件是７０℃预处理３ｄꎬ牛粪的甲烷产量最高ꎬ达到１７６.３６ｍＬ思[９]等人在高温高压下对污泥进行热水解ꎬ发现在１２０℃条件下ꎬ热水解主要促进了污泥中蛋白质、多糖和脂质的降解ꎬ明显加快了有机物降解的速率ꎻ肖领平[１０]用２００℃的水对红柳处理３ｈꎬ通过扫描电镜和原子力显微镜观察到红柳纤维致密的结构遭到显著破坏ꎬ同时促进了半纤维素的降解和部分木质素的溶解ꎮ王在钊[１１]发现污泥水热后ꎬ厌氧消化效率提高ꎬ累积产气量增大ꎬ并且随着预处理时间的增长ꎬ污泥累积产气量及产气效率降低ꎬ而随着水热温度的升高ꎬ呈先升高后降低的趋势ꎮＰａｓｓｏｓ[１２]在１００℃ꎬ６％的ＮａＯＨ浓度下预处理牛粪３０ｍｉｎꎬ单位ＶＳ甲烷产率提高了１５.９％ꎮＷａｎｇ[１３]在１８０℃下预处理稻草产甲烷总量提高９.５％ꎮ由于针对不同的原料ꎬ水热预处理的温度和时间有很大不同ꎬ目前还没有一致性结论ꎬ并且关于水热预处理对牛粪厌氧产甲烷性能影响的方面研究还比较少ꎮ所以ꎬ本文以牛粪为原料ꎬ对牛粪进行水热预处理和厌氧消化ꎬ通过分析水热预处理前后牛粪ＶＳꎬ还原糖浓度和挥发性脂肪酸(ＶＦＡｓ)的变化ꎬ以及厌氧消化期间的甲烷产量来考察水热预处理对牛粪厌氧产甲烷性能的影响ꎮ以期为禽畜固体废物燃气化利用提供技术支持ꎮ１材料与方法１.１实验材料牛粪是取自顺义小店村牛场ꎬ除杂后保存在４℃冰箱备用ꎮ接种物取自北京顺义区东华山村沼气站ꎬ需要沉降一周以上ꎬ然后去除上层清液密封备用ꎮ牛粪和接种物的基本性质如表１所示ꎮ表１牛粪和接种物的基本性质(％)基本参数牛粪接种物ＴＳ１７.４６１０.３９ＶＳ１３.３３５.６０ＴＣ３９.２１２９.８３ＴＮ２.３２３.１４Ｃ/Ｎ１６.９６９.５ｐＨ值７.２９７.５３纤维素１５.３４—半纤维素２０.１６—木质素６.５９—１.２实验装置本实验的预处理装置是ＷＺＣ型高压反应釜ꎬ厌氧消化实验采用批式厌氧消化装置ꎬ它是由５００ｍＬ的蓝盖瓶和玻璃水槽组成ꎬ并且由玻璃泡和乳胶管连接ꎮ蓝盖瓶作为厌氧消化反应器ꎬ有效体积为０处理３ｄꎬＶＳ水解率为１１.６０％ꎬ１００℃及以上的最好条件是２００℃预处理１０ｍｉｎꎬＶＳ水解率是１６表２预处理后ＶＦＡｓꎬｐＨ值和还原糖变化预处理条件ＶＦＡｓ(ｍｇ了抑制作用ꎬ许多研究都得出了类似的结论[８ꎬ１３ꎬ２９－３１]２.３厌氧消化性能分析２.３.１ＶＳ去除率ＶＳ去除率表示有机物的降解程度[９]ꎮ不同温度时间预处理的牛粪在厌氧消化后的ＶＳ去除率保持在３５.７９％~４３.２６％之间(见图６)ꎬ整体变化差累积甲烷产量/�mL10�20�30消化天数/�d30002500200015001000500050℃,1�d70℃,1�d90℃,2�h50℃,3�d70℃,3�d90℃,4�h未处理图４５０℃~７０℃牛粪累积甲烷产量累积甲烷产量/�mL10�20�30消化天数/�d100℃,5�min未处理150℃,5�min200℃,5�min100℃,30�min150℃,10�min200℃,10�min300025002000150010005000图５１００℃~２００℃牛粪累积甲烷产量异不大ꎮ来说牛粪的ＶＳ去除率基本都在３５.７９％~４３.２６％之间波动ꎬ其中７０℃预处理３ｄ和１５０℃预处理１０ｍｉｎ的ＶＳ去除率较高分别为３９.６４％和４３.２６％ꎬ分别比未预处理提高了６.３４％和１６