姚　義　葉　超　呂育財　李　寧　王　棟　龔大春　李　潔　吳佩強

(1. 三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌　443002； 3. 車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室，河南 南陽　473000)

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利用沼氣發(fā)酵技術(shù)處理秸稈爆破液廢水

姚義1葉超1呂育財1李寧2王棟3龔大春1李潔1吳佩強1

(1. 三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002； 3. 車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室，河南 南陽473000)

摘要：為探索秸稈爆破液廢水的沼氣發(fā)酵潛力，采取分三階段逐步提高進料濃度的方式，利用實驗室前期“馴化”得到的高效固定床厭氧反應(yīng)體系對其沼氣發(fā)酵特性進行了研究．試驗共計進行36 d，累積產(chǎn)氣量達166 L，發(fā)酵過程平均日產(chǎn)氣量為4 598 mL，甲烷含量在36%～72%之間，平均甲烷含量為51%，各階段的容積產(chǎn)氣效率依次為0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)，表明該廢水具有一定的沼氣發(fā)酵潛力．相對而言，原廢水以稀釋2倍的方式進料時沼氣發(fā)酵性狀比較理想，該階段平均日產(chǎn)氣量為4 506 mL，平均甲烷含量為58%，C/N和VS/TS平均值分別為25、0.51．

關(guān)鍵詞：秸稈；蒸汽爆破；廢水；沼氣發(fā)酵；固定床反應(yīng)器

沼氣發(fā)酵技術(shù)在國內(nèi)外已有較長的發(fā)展歷史，隨著研究的深入，該技術(shù)被不斷地完善并衍生出各種各樣的處理工藝．目前，沼氣發(fā)酵技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)作物秸稈、高濃度有機廢水、餐廚垃圾、人畜糞便、污水處理廠剩余污泥等廢物的資源轉(zhuǎn)化處理，帶來了巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益[1-2]．在石化資源日益緊缺、環(huán)境問題不斷惡化的趨勢下，借助沼氣發(fā)酵等技術(shù)以秸稈為主要原料進行生物質(zhì)能源的開發(fā)和轉(zhuǎn)化(如秸稈沼氣、燃料乙醇)已成為人們關(guān)注和研究的熱點[3]．通常，為了提高秸稈的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率，人們會對秸稈進行物理、化學(xué)或生物預(yù)處理，如粉碎法、蒸汽爆破法、酸堿浸泡法、復(fù)合菌劑酸化前處理等[4-5]．

在多種預(yù)處理方法中，蒸汽爆破法因其成本低、能耗少、無污染而備受青睞，并已成為以木質(zhì)纖維素為原料轉(zhuǎn)化燃料乙醇的關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)之一[5]．秸稈主要成分是植物細胞壁，而植物細胞壁是由木質(zhì)素和被木質(zhì)素包裹的纖維素、半纖維素組成．在蒸汽爆破過程中，秸稈木質(zhì)纖維素在高溫、高壓蒸汽作用下，纖維素聚合度下降，木質(zhì)素軟化，半纖維素部分降解產(chǎn)生一些可溶性糖的碳水化合物，其中以木糖和葡萄糖居多，使后續(xù)水提清洗工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢水具有可生物降解處理的可能[6]．但處理過程中同時也會生成如小分子酸、醛和酚類等成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一系列降解產(chǎn)物，對酶和微生物產(chǎn)生某種抑制作用甚至是致死毒性，影響后續(xù)酶解、發(fā)酵和廢水處理和回用等工藝步驟[7]．

對于類似廢水，徐勇[8]等采用陰離子交換樹脂對玉米秸稈蒸汽爆破預(yù)處理液的脫毒方法進行過研究，朱均均[9]等研究了脫毒后的玉米秸稈稀酸蒸汽爆破處理液的乙醇發(fā)酵性能，張琴[10]等則對汽爆棉稈的水提物進行了分析和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的探索，而利用蒸汽爆破液廢水進行沼氣發(fā)酵的研究國內(nèi)外目前還鮮有報道．

因此，本研究從廢物資源化利用的角度出發(fā)，嘗試利用實驗室前期“馴化”得到的高效固定床厭氧反應(yīng)體系對秸稈爆破處理液進行沼氣發(fā)酵處理，通過監(jiān)測試驗過程中日產(chǎn)氣量、甲烷含量以及發(fā)酵液pH、COD、TN、TS、VS等理化指標(biāo)的變化，探究其沼氣發(fā)酵潛力，以期為秸稈爆破液等貧營養(yǎng)源廢水的處理和資源轉(zhuǎn)化利用研究提供依據(jù)．此外，筆者在借鑒前人提出的沼氣發(fā)酵理論和相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行了分析和解讀，供同行參照和探討．

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗用反應(yīng)器前期處理的是高濃度酵母廢水，體系內(nèi)的微生物菌群主要包括接種牛糞中的菌種、WDC2[11-12]、安琪產(chǎn)甲烷菌群以及背景菌種．待處理廢水為秸稈蒸汽爆破處理液，該廢水的部分理化性質(zhì)見表1，試驗稀釋用水為普通自來水．

表1　待處理廢水的理化性質(zhì)

1.2試驗裝置

固定床厭氧反應(yīng)器用有機玻璃自行設(shè)計加工制作而成，有效容積為12 L，使用恒流蠕動泵從反應(yīng)器底部以上流方式進料，處理過的廢水由頂部出水管排出，沼氣則經(jīng)導(dǎo)氣管排入集氣袋中，該反應(yīng)器及其附屬裝置示意圖如圖1所示．反應(yīng)器內(nèi)置填料系比表面積為1 100 m2/g的活性炭纖維[13]，該材料具有質(zhì)輕、疏松多孔，吸水性強，耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，是一種良好的微生物載體，圖2為其實物照片．

圖1　反應(yīng)器及附屬裝置示意圖

圖2　活性炭纖維實物圖

1.3試驗方法

試驗在7、8月份進行，室溫基本保持在30℃以上，屬中溫發(fā)酵．由于反應(yīng)器前期處理的是高濃度酵母廢水，在開始本試驗前，通過停止進料讓反應(yīng)器維持運行一個月，使反應(yīng)器內(nèi)的微生物在維持一定生長代謝水平的同時逐步消耗掉前期試驗殘留的可生物降解有機物，消除原先發(fā)酵液對本試驗的影響．為了使反應(yīng)體系較好地適應(yīng)待處理廢水性質(zhì)的變化，采用分階段逐步提高進水濃度的方法，各階段進出料情況見表2．每次進料會向廢水中添加適量貓糧(磨成粉末后加入)，以調(diào)節(jié)進水C/N至25～30的范圍內(nèi)．試驗過程中，每天按時進料，監(jiān)測日產(chǎn)氣量、甲烷含量和出水pH．發(fā)酵罐初始水樣、原廢水水樣及每隔一個水力停留時間(HRT)的出水水樣于-20℃冷凍保存，用于后期相關(guān)理化指標(biāo)測定．

表2　各階段進出料情況

1.4理化指標(biāo)測定方法

產(chǎn)氣量采用排水法．pH采用便攜式數(shù)顯pH計檢測．TS、VS測定采用重量法[14]．甲烷含量測定采用氣相色譜法[3，15]．COD測定采用快速消解-分光光度法[16]．TN測定采用閉管消解-萘乙二胺分光光度法[17]．

2結(jié)果與討論

2.1產(chǎn)氣量和甲烷含量

沼氣發(fā)酵過程的日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化如圖3所示．

A.甲烷含量的變化；B.pH的變化；C.累積產(chǎn)氣量的變化；D.日產(chǎn)氣量的變化圖3　發(fā)酵過程中產(chǎn)氣數(shù)據(jù)和pH的變化

試驗結(jié)果顯示：第一階段甲烷含量雖然有所波動但總體上還是呈上升的趨勢，平均甲烷含量為52%，日產(chǎn)氣量則表現(xiàn)為先波動上升后下降的趨勢，最高日產(chǎn)氣量為5 550 mL，最低日產(chǎn)氣量為2 750 mL，平均日產(chǎn)量為4 109 mL；試驗進入第二階段，甲烷含量呈穩(wěn)中有降的趨勢，平均甲烷含量為58%，日產(chǎn)氣量呈先上升再下降的趨勢但隨后的變化趨于平穩(wěn)直到第三階段中期，平穩(wěn)變化期間平均日產(chǎn)氣量為4 364 mL；在第三階段，雖然日產(chǎn)氣量在平均水平上比一、二階段高，但甲烷含量卻明顯下降，基本在43%左右波動變化．整個試驗過程中，最高日產(chǎn)氣量和甲烷含量分別為7 150 mL、72%，最低日產(chǎn)氣量和甲烷含量分別為2 750 mL、36%，各階段容積產(chǎn)氣效率依次為0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)．試驗共計進行36 d，累積產(chǎn)氣量達166 L，累積產(chǎn)氣量變化曲線幾乎呈線性上升的趨勢，這表明日產(chǎn)氣量總體上變化不大，進料濃度的遞增并未引起發(fā)酵體系日產(chǎn)氣量的顯著變化．

產(chǎn)氣量和甲烷含量是評價沼氣發(fā)酵潛力的重要指標(biāo)．試驗過程中，在對原廢水進行稀釋進料的前兩個試驗階段，發(fā)酵體系的產(chǎn)氣狀況相對比較穩(wěn)定，但當(dāng)以原廢水進料時，體系發(fā)酵狀況卻呈明顯惡化的趨勢，這一方面說明該秸稈蒸汽爆破處理液具有一定的沼氣發(fā)酵潛力，另一方面表明該廢水中可能存在一些抑制微生物代謝的有毒物質(zhì)而影響其沼氣發(fā)酵．對于后者，徐勇[8]等曾報道由于蒸汽爆破處理過程中高溫、高壓和酸催化的影響，秸稈原料中的聚糖、木質(zhì)素及其他有機成分會產(chǎn)生不同程度的分解和降解作用，并生成如小分子酸、醛和酚類等成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一系列降解產(chǎn)物，對酶和微生物產(chǎn)生某種抑制作用甚至是致死毒性，嚴重影響后續(xù)酶解、發(fā)酵和廢水處理等工藝步驟．

2.2發(fā)酵體系pH

pH值對于沼氣發(fā)酵非常重要，一定程度上能夠反映發(fā)酵液中有機酸含量的變化，同時也是衡量甲烷化厭氧消化是否正常的標(biāo)志之一[13]．通常，pH值過高或過低都會抑制微生物的生長及酶的活性，進而影響沼氣發(fā)酵過程．實踐證明，沼氣發(fā)酵適宜的pH范圍為6.0～8.0[13，18]．pH值監(jiān)測結(jié)果及其變化如圖3(B)所示，由圖可知：整個實驗過程pH始終維持在7.3～8.0之間的較正常范圍；試驗進行的前4 d，pH值有一個上升的過程(從7.4上升到8.0)，之后pH下降到7.8并保持不變直到第二階段的中期；進入第二階段后期后，pH下降到7.7并保持不變直到進入第三階段前期(發(fā)酵第27 d)；從試驗第27 d起，pH相比前兩個階段有明顯下降并呈現(xiàn)波動變化的趨勢，基本處于7.4的水平，和試驗開始的時候差不多．總體而言，待處理廢水在本試驗中表現(xiàn)出的沼氣發(fā)酵潛力受體系pH的影響不會太大，很大程度上應(yīng)該還是由其本身性質(zhì)所決定的．

從圖3中可看出，在試驗第三階段，日產(chǎn)氣量在平均水平上比前兩階段高、而甲烷含量和pH卻表現(xiàn)出下降的趨勢．對于這三者變化，原因可能是由于長期進低濃度的廢水導(dǎo)致發(fā)酵液中的營養(yǎng)組分發(fā)生了變化，高生物量的發(fā)酵體系因得不到充足的底物供應(yīng)而導(dǎo)致微觀層面微生物種群結(jié)構(gòu)的變化．甲烷化細菌較處于沼氣發(fā)酵生物化學(xué)反應(yīng)的最后環(huán)節(jié)，其生長繁殖受底物供應(yīng)影響最大，而水解酸化類細菌由于處在底物降解鏈的上游，其營養(yǎng)供應(yīng)相對充足．這一變化最終使得水解酸化類細菌處于優(yōu)勢地位、產(chǎn)甲烷類細菌處于劣勢，繼而導(dǎo)致產(chǎn)氣中非甲烷氣體成分含量上升、甲烷含量下降；pH的下降則是由于水解酸化類細菌代謝產(chǎn)生的有機酸(丙酸、丁酸等大分子有機酸)含量升高造成的；至于日產(chǎn)氣量后期呈不斷下降的趨勢，可能是廢液中有毒物質(zhì)在系統(tǒng)中的累積對微生物代謝產(chǎn)生了抑制作用．

2.3發(fā)酵體系TS、VS

發(fā)酵體系TS、VS的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示．由圖可知，發(fā)酵體系TS、VS升降變化基本同步．由于試驗開始前，反應(yīng)器處理的是高濃度酵母廢水，故最開始監(jiān)測到的TS、VS很高，分別為32 407 mg/L、15 830 mg/L，VS/TS為0.49．以第一階段進料濃度運行一個HRT后，TS、VS顯著下降；第二階段的取樣檢測結(jié)果顯示，TS、VS、VS/TS波動很小，平均值分別為14 137 mg/L、7 264 mg/L、0.51；在第三階段，雖然進料廢水為未經(jīng)稀釋的原廢水，但出水TS、VS卻相比前階段有了明顯下降，最后檢測到的TS、VS(發(fā)酵第36 d)分別為8 720 mg/L、5 310 mg/L．發(fā)酵體系前后TS、VS的變化原因是由于長期的低濃度進料使發(fā)酵液被逐步置換，吸附在內(nèi)置填料上的有機物也被不斷洗脫掉，所以出現(xiàn)前期進料濃度低但出水TS、VS卻比后期要高的現(xiàn)象．

圖4　發(fā)酵過程中發(fā)酵液TS、VS及VS/TS比值的變化

TS即總固體，包括樣品中懸浮物、膠體物和溶解性物質(zhì)，其中既有有機物也有無機物[18]．VS可反映有機成分的含量，多為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和醇類等．根據(jù)布萊恩于1979年提出的關(guān)于厭氧甲烷發(fā)酵的三階段理論[20-21]，水解酸化發(fā)酵和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段對VS的貢獻較大，因此較高的VS/TS比值可反映發(fā)酵體系中底物初步降解較好，水解酸化類菌較活躍．一般而言，產(chǎn)氣量增加的前期，VS/TS相對較高、pH較低，這是因為VFA的積累造成pH值降低，但卻為產(chǎn)甲烷類菌的生長提供了充足的底物，隨著VFA不斷被產(chǎn)乙酸類菌和產(chǎn)甲烷類菌分解利用，pH值又開始升高[22]．

試驗VS/TS變化曲線顯示，整個沼氣發(fā)酵過程VS/TS基本上呈逐步上升的趨勢，由最初的0.49到最終的0.61．結(jié)合產(chǎn)氣和pH數(shù)據(jù)以及前述理論綜合分析，反應(yīng)體系VS/TS雖然一直上升，但對應(yīng)階段的甲烷含量和pH不升反降，此現(xiàn)象可佐證上述2.2中關(guān)于長期低濃度進料導(dǎo)致發(fā)酵體系微觀層面微生物種群結(jié)構(gòu)變化的推論．

2.4COD、TN、C/N變化

發(fā)酵液COD、TN變化趨勢如圖5所示．通常，COD和VS、TS都可以從一定程度上反映有機物含量，不同的是COD表征的有機物含量更全面一些，而TS則不僅包含有機物還包含無機物．因此，COD和VS、TS三者之間的關(guān)系可總結(jié)為TS包含COD、COD包含VS，表現(xiàn)在監(jiān)測數(shù)據(jù)上的數(shù)量關(guān)系則為TS>COD>VS，三者的變化趨勢總體上應(yīng)是相似的．本試驗測得的COD和VS、TS數(shù)據(jù)，在數(shù)量關(guān)系上滿足TS>COD>VS且均表現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)波動再下降的趨勢，對此恰好可以印證上述觀點．

圖5　試驗過程COD、TN和C/N隨時間的變化

C/N是沼氣發(fā)酵的主要影響因素之一，多數(shù)文獻報道適宜的C/N為20～30[23]．本試驗用TS/TN的比值近似代替C/N，得到發(fā)酵過程中C/N變化曲線如圖5所示．監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，發(fā)酵開始時C/N為21、試驗第36 d測得C/N為47，C/N整體呈逐步上升的趨勢．前兩個運行階段C/N維持在20～30的適宜范圍，在此期間產(chǎn)氣量和甲烷含量波動不大、相對比較穩(wěn)定．試驗進行到第三階段，反應(yīng)體系C/N顯著上升，產(chǎn)氣量和甲烷含量相應(yīng)地表現(xiàn)出了明顯波動．由此可見，沼氣發(fā)酵對C/N的變化確實很敏感．

2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)的主成分分析

利用SPSS19.0軟件對所獲得的各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了主成分分析．分析結(jié)果顯示：本試驗沼氣發(fā)酵體系pH與甲烷含量(Mec)具有高度的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達0.976，這表明在一定的變化范圍內(nèi)pH值越高甲烷含量越高，亦即保持發(fā)酵過程處于偏堿性的環(huán)境將有利于沼氣發(fā)酵及甲烷生成；總產(chǎn)氣量與C/N(TTN)具有較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.875，而甲烷含量與C/N(TTN)成負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.637，這說明提高沼氣發(fā)酵C/N有助于增加產(chǎn)氣量，但卻可能導(dǎo)致所生成沼氣中甲烷含量的降低；一些反映發(fā)酵體系有機物含量及其變化的因子，如VS、TS、COD和VTS(VS/TS)與總產(chǎn)氣量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.116、-0.249、-0.204和0.397，與甲烷含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.164、0.367、0.679和-0.596，相關(guān)性均不高，原因可能是該廢水中存在的微生物難降解有機物較多而導(dǎo)致它們之間的相關(guān)性不顯著．

TG：總產(chǎn)氣量；DG：日產(chǎn)氣量；Mec：甲烷含量；TTN：C/N；VTS：VS/TS圖6　監(jiān)測數(shù)據(jù)主成分分析圖

3結(jié)論

本試驗采取分三階段逐步提高進料濃度的方式，利用固定床厭氧反應(yīng)器對秸稈蒸汽爆破廢水進行了沼氣發(fā)酵研究，結(jié)果表明：

1)該廢液具有一定的沼氣發(fā)酵潛力．試驗最高日產(chǎn)氣量和最低日產(chǎn)氣量分別為7 150 mL、2 750 mL，平均日產(chǎn)氣量為4 598 mL，甲烷含量在36%～72%之間，平均甲烷含量為51%；試驗共計進行36 d，累積產(chǎn)氣量達166 L，各階段的容積產(chǎn)氣效率依次為0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)．

2)試驗第一、二階段，沼氣發(fā)酵性狀較穩(wěn)定且第二階段日產(chǎn)氣量和甲烷含量在平均水平上均比第一階段高，分別為4 109 mL、52%和4 506 mL、58%；第三階段相比前兩階段，雖然日產(chǎn)氣量在平均水平上有所上升，平均為5 210 mL，但甲烷含量卻明顯下降且波動較大，平均值僅為43%，各項理化指標(biāo)均呈現(xiàn)不良的變化趨勢，如甲烷含量和pH顯著下降、C/N和VS/TS比值上升．由此可見，原廢水以稀釋2倍的方式進料時沼氣發(fā)酵狀況比較理想．

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[責(zé)任編輯王康平]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.013

收稿日期：2016-01-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No.31370506)；湖北省自然科學(xué)基金項目(No.2014CFB666)；車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室開放基金(No.KFKT2013020)；三峽大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項目(2015CX141)

通信作者：姚義(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為有機廢物資源化利用及微生物生態(tài)學(xué)．E-mail：hubeideyaoyi@foxmail.com

中圖分類號：U473.2+3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)03-0053-05

Treatment of Straw Blasting Wastewater by Using Biogas Fermentation Technology

Yao Yi1Ye Chao1Lü Yucai1Li Ning1Wang Dong3Gong Dachun1Li Jie1Wu Peiqiang1

(1. College of Biotechnology & Pharmaceutical Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China；2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China； 3. State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology, Nanyang 473000，China)

AbstractTo explore the biogas fermentation potential of straw blasting wastewater, biogas fermentation characteristics of the wastewater is studied in the high efficient anaerobic fixed bed reaction system, which is early domesticated，by the way of increasing the feed concentration gradually in three stages. The experiment is conducted 36 d in total. The cumulative gas production amounts to 166 L; and the average daily gas production is 4 598 mL during the fermentation process, in which methane content is between 36% and 72%; and the average methane content is 51%. The volumetric efficiency of gas production of every stage is 0.35 L/(L·d), 0.37 L/(L·d), 0.43 L/(L·d) successively. These results show that the wastewater has some potential of biogas fermentation. Comparatively speaking, characters of the methane fermentation are better when the wastewater is fed by the way of diluting 2 times. In this phase, the average daily gas production is 4 506 mL; the average methane content is 58%; the average C/N and VS/TS is 25,0.51 respectively.

Keywordsstraw;steam explosion;wastewater;biogas fermentation;fixed bed reactor