法国梧桐落叶厌氧消化产沼气潜力及动力学研究

收稿日期:２０１８￣０９￣２９修回日期:２０１８￣１２￣２５项目来源:河北省高层次人才资助项目(Ｅ２０１５１００００６)ꎻ河北省财政预算项目(１８３０１)ꎻ河北省科学院人才资助项目(２０１７Ｇ１２)作者简介:吴健(１９９３－)ꎬ男ꎬ河北衡水人ꎬ本科ꎬ主要从事废弃物沼气资源化利用研究等工作ꎬＥ￣ｍａｉｌ:１２５８２４７５１０＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:程辉彩ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｈｕｉｃａｉｃｈｅｎｇ＠１６３.ｃｏｍ法国梧桐落叶厌氧消化产沼气潜力及动力学研究吴健ꎬ梁文华ꎬ方楠ꎬ崔冠慧ꎬ程辉彩ꎬ张丽萍(河北省科学院生物研究所ꎬ石家庄０５００８１)摘要:文章以法国梧桐落叶为原料ꎬ在３５℃±２℃的中温条件下进行批式厌氧消化试验ꎬ发酵原料ＶＳ(挥发性固体)浓度设为２％ꎬ运行时间为５０ｄꎮ结果表明ꎬ发酵过程中ｐＨ值先下降后上升ꎬ最后稳定在７.２５左右ꎬＶＦＡ呈先上升后下降的趋势ꎬ最终低于５００ｍｇ有积极作用ꎬ丰富的钾使得发酵后的沼液可以作为良好的钾肥ꎮ目前对落叶厌氧条件下进行厌氧消化的研究仍较少ꎬ本文以法国梧桐落叶为原料ꎬ在中温条件测量记录整个周期内的产气状况及各种理化参数的变化并进行分析ꎬ文章还对该厌氧消化过程进行动力学分析ꎬ为法国梧桐落叶乃至其他落叶厌氧消化资源化和无污染利用提供参考与思路ꎮ１材料和方法１.１材料１.１.１发酵原料与接种物实验以法国梧桐落叶为发酵原料ꎬ落叶取自河北省科学院内ꎮ接种物是实验室以取自河北省石家庄市桥西区污水处理厂ꎮ污泥在接种前首先在３５℃±２℃条件下用少量青霉素菌渣进行驯化１个月ꎬ待污泥中原始有机物基本消耗殆尽ꎬ甲烷含量大于６０％ꎬ没有气体产生时进行接种ꎮ表１法国梧桐落叶与接种污泥的理化性质(％)项目ｐＨ值ＴＳＶＳＣＮＨＳ落叶污泥—７.３５９８.２３５.０２８６.３３.６０４５.５９２４.８７１.４２３.７０５.１９３.９５０.６７１.２２１.１.２试验装置使用实验室自制沼气发酵装置ꎬ罐体总体积３Ｌꎬ分别设进料口、出料口和搅拌装置等ꎬ有效发酵体积２.５Ｌꎮ１.２方法１.２.１原料预处理原料法国梧桐落叶经粉碎机粉碎ꎬ并经过２ｍｍ筛子后混匀ꎬ放置于干燥阴凉处存用ꎮ１.２.２实验设计实验采用批式沼气发酵工艺ꎬ共设置３个污泥对照组和５个法国梧桐落叶实验组ꎬ对照组加入种子污泥１Ｌꎬ加水定容至２.５Ｌꎻ每个实验组加入种子污泥１Ｌꎬ法国梧桐落叶粉碎后按ＶＳ＝２％添加５７.９４ｇꎬ并加水定容到２.５Ｌꎬ每隔１ｄ测理化指标ꎮ本实验在３５℃±２℃恒温室内进行厌氧消化ꎬ发酵时间为５０ｄꎮ１.２.３测定项目及方法(１)发酵料液氧化还原电位及ｐＨ值:分别采用氧化还原电位仪及玻璃电极法(ＭＥＴＴＬＥＲＴＯＬＥ￣ＤＯꎬＦＥ２０￣Ｋꎬ±０.０１)测定ꎮ(２)ＶＦＡｓ(挥发性脂肪酸)和ＴＩＣ(总无机碳):采用Ｎｏｒｄｍａｎｎ联合滴定法测定[８－９]ꎮ(３)氨氮含量和ＳＣＯＤ(可溶性化学需氧量):采用化学需氧量快速测定仪５Ｂ￣３Ｃ(Ｖ８)测定ꎮ(４)发酵实验前后原料和发酵料液的ＴＳ和ＶＳ:ＴＳ和ＶＳ的测定采用烘箱￣马弗炉称重法[１０]ꎮ(５)产气量及甲烷含量:分别采用湿式气体流量计及Ｂｉｏｇａｓ５０００沼气分析仪测定ꎮ２结果与讨论２.１法国梧桐落叶发酵过程各参数变化２.１.１氧化还原电位变化氧化还原电位的变化会导致微生物群落的改变ꎬ进而影响发酵类型ꎬ不同厌氧消化系统和厌氧微生物对氧化还原电位的要求范围不同ꎬ一定范围内厌氧系统中氧化还原电位越低ꎬ还原性越强ꎬ对厌氧消化越有利[１１]ꎮ发酵体系氧化还原电位变化曲线如图１所示ꎬ从中可以看出发酵初期ꎬ由于发酵体系中仍存在部分空气ꎬ发酵料液含部分溶氧ꎬ随着氧化产物的生成ꎬ氧化还原电位呈现上升的波动趋势ꎬ最高为－２９７.０ｍＶꎮ随着氧气的消耗殆尽以及产酸菌的作用ꎬ挥发性脂肪酸大量积累ꎬ而脂肪酸表现为还原性ꎬ氧化还原电位之后逐渐下降ꎬ最低值－３８８.８ｍＶꎬ最终随着有机酸的生成与消耗的稳定ꎬ氧化还原电位逐渐回升稳定在－３５５ｍＶ左右ꎮ010�20�30�40�50时间/�d-260-280-300-320-340-360-380-400氧化还原电位/�mV图１发酵体系氧化还原电位变化曲线２.１.２ＶＦＡｓꎬＴＩＣ和ｐＨ值变化发酵体系中挥发酸与总无机碳的变化曲线如图２所示ꎬ从中可以看出挥发性脂肪酸含量随着产酸菌的作用而积累升高ꎬ达到最高值２６４７.４ｍｇ下降ꎬ而后伴随着上升最终维持基本稳定ꎬ最高值３０６０ｍｇ产气ꎬ结合表３可以看出发酵过程共有两个产气高峰ꎬ其中第１高峰峰值更高ꎬ间隔更短ꎬ这是由于发酵初期系统中好氧菌的作用下产生大量气体ꎬ主要成分为二氧化碳ꎻ氧气耗尽后好氧菌大量死亡或进入休眠期ꎬ产气量迅速下降ꎮ第２高峰为１２~２４ｄ左右ꎬ产气占总产气量的３７.０５％ꎮ整个发酵过程产沼气主要集中在前３６ｄꎬ占总产气量的８７