吳 健， 梁文華， 方 楠， 崔冠慧， 程輝彩， 張麗萍

(河北省科學院生物研究所， 石家莊 050081)

隨著城市化的發(fā)展，隨之而來急劇增加的園林綠化廢棄物成為城市發(fā)展面臨的嚴重生態(tài)學問題之一[1-3]。截至目前，相比國外發(fā)達國家的處理方式，國內(nèi)僅限少數(shù)一線特大城市如北京和上海等地開展了園林綠化廢棄物生態(tài)循環(huán)利用的試點推廣工作[3-4]。而大部分地區(qū)仍以填埋和焚燒的傳統(tǒng)處理方式為主，造成環(huán)境危害和不必要的資源浪費。因此，尋求園林綠化廢棄物的優(yōu)質(zhì)處理及資源化再利用，對于節(jié)約自然資源、防止環(huán)境污染和實現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟良性循環(huán)具有重要意義[5]。

行道樹落葉是重要的園林綠化廢棄物之一，每年我國各城鎮(zhèn)均有大量的行道樹落葉產(chǎn)生，以這些樹葉作為原料進行厭氧消化是良好的資源化利用方式，利用得當能夠極大緩解園林綠化廢棄物帶來的壓力。以法國梧桐為例，該物種對土壤條件要求不嚴，適應能力強，易成活且生長迅速，在我國各地亦有廣泛種植[6]，是主要的行道樹落葉來源之一。法國梧桐樹葉中含有豐富的各種微量元素如Co，Cu，F(xiàn)e，Mg，Cr，Ni，Pb等，其中Cr，Ni，Pb含量較高，落葉灰分含鉀9.31 %[7]，豐富的微量元素對厭氧消化有積極作用，豐富的鉀使得發(fā)酵后的沼液可以作為良好的鉀肥。目前對落葉厭氧條件下進行厭氧消化的研究仍較少，本文以法國梧桐落葉為原料，在中溫條件測量記錄整個周期內(nèi)的產(chǎn)氣狀況及各種理化參數(shù)的變化并進行分析，文章還對該厭氧消化過程進行動力學分析，為法國梧桐落葉乃至其他落葉厭氧消化資源化和無污染利用提供參考與思路。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 發(fā)酵原料與接種物

實驗以法國梧桐落葉為發(fā)酵原料，落葉取自河北省科學院內(nèi)。

接種物是實驗室以取自河北省石家莊市橋西區(qū)污水處理廠。污泥在接種前首先在35℃±2℃條件下用少量青霉素菌渣進行馴化 1個月， 待污泥中原始有機物基本消耗殆盡，甲烷含量大于60%，沒有氣體產(chǎn)生時進行接種。

表1 法國梧桐落葉與接種污泥的理化性質(zhì) (%)

1.1.2 試驗裝置

使用實驗室自制沼氣發(fā)酵裝置，罐體總體積3 L,分別設進料口、出料口和攪拌裝置等，有效發(fā)酵體積2.5 L。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

原料法國梧桐落葉經(jīng)粉碎機粉碎，并經(jīng)過2 mm篩子后混勻，放置于干燥陰涼處存用。

1.2.2 實驗設計

實驗采用批式沼氣發(fā)酵工藝，共設置3個污泥對照組和5個法國梧桐落葉實驗組，對照組加入種子污泥1 L，加水定容至2.5 L；每個實驗組加入種子污泥1 L，法國梧桐落葉粉碎后按VS=2%添加57.94 g，并加水定容到2.5 L，每隔1 d測理化指標。本實驗在35℃±2℃恒溫室內(nèi)進行厭氧消化，發(fā)酵時間為50 d。

1.2.3 測定項目及方法

(1)發(fā)酵料液氧化還原電位及pH值：分別采用氧化還原電位儀及玻璃電極法(METTLER TOLEDO，F(xiàn)E20-K，±0.01)測定。

(2)VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)和TIC(總無機碳)：采用Nordmann 聯(lián)合滴定法測定[8-9]。

(3)氨氮含量和SCOD(可溶性化學需氧量)：采用化學需氧量快速測定儀5B-3C(V8)測定。

(4)發(fā)酵實驗前后原料和發(fā)酵料液的TS和VS：TS和VS的測定采用烘箱-馬弗爐稱重法[10]。

(5)產(chǎn)氣量及甲烷含量：分別采用濕式氣體流量計及Biogas 5000沼氣分析儀測定。

2 結果與討論

2.1 法國梧桐落葉發(fā)酵過程各參數(shù)變化

2.1.1 氧化還原電位變化

氧化還原電位的變化會導致微生物群落的改變，進而影響發(fā)酵類型，不同厭氧消化系統(tǒng)和厭氧微生物對氧化還原電位的要求范圍不同，一定范圍內(nèi)厭氧系統(tǒng)中氧化還原電位越低，還原性越強，對厭氧消化越有利[11]。發(fā)酵體系氧化還原電位變化曲線如圖1所示，從中可以看出發(fā)酵初期，由于發(fā)酵體系中仍存在部分空氣，發(fā)酵料液含部分溶氧，隨著氧化產(chǎn)物的生成，氧化還原電位呈現(xiàn)上升的波動趨勢，最高為-297.0 mV。隨著氧氣的消耗殆盡以及產(chǎn)酸菌的作用，揮發(fā)性脂肪酸大量積累，而脂肪酸表現(xiàn)為還原性,氧化還原電位之后逐漸下降，最低值-388.8 mV,最終隨著有機酸的生成與消耗的穩(wěn)定，氧化還原電位逐漸回升穩(wěn)定在-355 mV左右。

圖1 發(fā)酵體系氧化還原電位變化曲線

2.1.2 VFAs，TIC和pH值變化

發(fā)酵體系中揮發(fā)酸與總無機碳的變化曲線如圖2所示，從中可以看出揮發(fā)性脂肪酸含量隨著產(chǎn)酸菌的作用而積累升高，達到最高值2647.4 mg·L-1后，伴隨著產(chǎn)甲烷菌對有機酸的消耗而逐漸降低，降至250～300 mg·L-1。

碳氫緩沖平衡是穩(wěn)定厭氧產(chǎn)氣過程的保障，從圖中可以看出體系中總無機碳含量由于產(chǎn)酸過程先下降，而后伴隨著上升最終維持基本穩(wěn)定，最高值3060 mg·L-1，最低值1010 mg·L-1。

在厭氧消化過程中，發(fā)酵體系的pH值須維持在一定范圍內(nèi)，否則會對厭氧消化過程產(chǎn)生抑制作用[12]。由圖3可知，與脂肪酸的變化相對應，發(fā)酵體系初始pH值為7.32，由于發(fā)酵前期產(chǎn)甲烷菌的活性較低，在產(chǎn)酸菌的作用下，脂肪酸積累使pH值降低至6.20左右，隨著產(chǎn)甲烷菌的生長增殖以及對環(huán)境的適應，對脂肪酸的利用增加，累積的脂肪酸被逐漸消耗，發(fā)酵體系的pH值回升至7.35左右，并最終達到平衡穩(wěn)定在7.25左右。在整個厭氧消化過程中，發(fā)酵液的pH值均在正常范圍之內(nèi)，說明該發(fā)酵體系具有良好的緩沖能力，能夠維持正常發(fā)酵。

圖2 發(fā)酵體系VFAs與TIC變化曲線

圖3 發(fā)酵體系pH值隨時間的變化

2.1.3 氨氮變化

氨氮濃度過高會抑制厭氧微生物的活性,嚴重時會導致整個發(fā)酵過程的終止[13]。如圖4所示發(fā)酵體系中氨氮含量先快速升高，這是由于發(fā)酵初期氨基酸及蛋白質(zhì)等水解造成的，而后由于厭氧微生物的生長繁殖大量利用氨氮，氨氮含量逐漸降低趨于穩(wěn)定。體系中氨氮最高值達700.4 mg·L-1，沒有出現(xiàn)氨氮抑制。

2.1.4 TS，VS和SCOD變化

從表2可以看出，發(fā)酵前體系的TS和VS含量分別為2.85%和2.24%，發(fā)酵后體系中的TS和VS含量則分別為2.04%和1.49%，經(jīng)厭氧消化后體系中的TS和VS含量均有下降，根據(jù)計算可以得出發(fā)酵料液中的TS和VS降解率分別為28.36%和33.41%，說明原發(fā)酵體系中仍有大量的有機物質(zhì)未降解利用。

圖4 發(fā)酵體系氨氮含量變化

表2 法桐落葉發(fā)酵前后TS和VS變化 (%)

如圖5所示發(fā)酵體系中SCOD變化，初始SCOD最高值為4404.33 mg·L-1，穩(wěn)定值約為938.13 mg·L-1，下降率為76.80%。呈先下降后上升再下降穩(wěn)定的趨勢，呈現(xiàn)這種變化的原因是原料中原有可溶性和易分解有機物首先被分解利用，因而SCOD呈現(xiàn)下降趨勢，而后料液中難容性的有機物，例如纖維素的分解使得SCOD上升，最終在產(chǎn)甲烷菌的作用下有機物消耗，SCOD逐漸降低趨穩(wěn)定。

圖5 發(fā)酵體系SCOD變化

2.2 產(chǎn)氣情況分析

整個發(fā)酵實驗共進行50 d，3個污泥對照組僅在實驗啟動前兩天有少量氣體產(chǎn)生，總產(chǎn)氣量少于100 mL，甲烷含量小于3%，所以忽略不計。

2.2.1 日產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量

發(fā)酵過程日產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量變化曲線如圖6所示。發(fā)酵實驗啟動迅速，在發(fā)酵第2天就開始產(chǎn)氣，結合表3可以看出發(fā)酵過程共有兩個產(chǎn)氣高峰，其中第1高峰峰值更高，間隔更短，這是由于發(fā)酵初期系統(tǒng)中好氧菌的作用下產(chǎn)生大量氣體，主要成分為二氧化碳；氧氣耗盡后好氧菌大量死亡或進入休眠期，產(chǎn)氣量迅速下降。第2高峰為12～24 d左右，產(chǎn)氣占總產(chǎn)氣量的37.05%。整個發(fā)酵過程產(chǎn)沼氣主要集中在前36 d，占總產(chǎn)氣量的87.78%。

圖6 日產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量變化曲線

表3 累積產(chǎn)氣占比

2.2.2 甲烷含量

發(fā)酵過程中沼氣甲烷含量變化如圖7所示。發(fā)酵第2天產(chǎn)氣量達2.22 L，但主要成分為二氧化碳，甲烷含量很低，僅為1.06%。分析其原因，該落葉取自冬季完全風干葉片，C含量高達45.59%，N含量僅為1.42%(見表1)，發(fā)酵初期主要為兼性耗氧水解菌起作用，將易降解成分分解成二氧化碳和小分子物質(zhì)，甲烷菌還沒有成為優(yōu)勢菌群，產(chǎn)甲烷量相對較低。之后，由于其主要成分為木質(zhì)素和纖維素類成分，降解速率相對緩慢，所以第2天產(chǎn)氣量峰值后日產(chǎn)氣量顯著下降，隨著木質(zhì)纖維素的降解及甲烷菌逐漸成為優(yōu)勢菌群，甲烷含量逐漸上升，16 d原料達第2個產(chǎn)氣峰值，甲烷含量57.98%；發(fā)酵末期甲烷含量略有下降，但仍高于50%。

2.2.3 法國梧桐落葉與不同原料產(chǎn)氣潛力比較

本實驗中法國梧桐落葉凈產(chǎn)氣量為17686.04mL，甲烷產(chǎn)量為8628.50 mL，TS產(chǎn)氣率為313.65 mL·g-1，VS產(chǎn)氣率為356.76 mL·g-1。文章還與部分落葉發(fā)酵產(chǎn)氣情況進行比較，從表4可以看出除銀杏葉外，法國梧桐落葉較其他落葉均具有較高的TS產(chǎn)氣能力，且發(fā)酵時間適中，對于實際生產(chǎn)應用有積極作用。

圖7 甲烷含量變化曲線

表4 法國梧桐與各種原料的產(chǎn)氣潛力

3 發(fā)酵動力學模型擬合分析

采用修正后的Gompertz方程模型來模擬厭氧消化消化產(chǎn)甲烷的過程，經(jīng)兩次求導后的改進方程如下：

式中：Y(t)為時間t時的累積產(chǎn)甲烷量，L；A為最大累積產(chǎn)甲烷量，L；B為最大產(chǎn)甲烷速率，L·d-1；c為滯留時間d；e為常數(shù)，e=2.71828。

將本實驗中產(chǎn)甲烷相關數(shù)據(jù)代入修正后的Gompertz方程，得到相關擬合數(shù)據(jù)情況和擬合曲線圖，如圖8所示。

經(jīng)軟件計算，以改進后的Gompertz方程擬合后相關系數(shù)R2 =0.9965，具有較高的相關度。擬合后的參數(shù)分別為A=8.9587，B=0.2998，c=6.4902，即擬合得到的累積產(chǎn)甲烷量為8.9587 L，最大產(chǎn)甲烷速率為0.2998 L·d-1，滯留時間為6.5 d。實際實驗中累積產(chǎn)甲烷量為8.6285 L，最大產(chǎn)甲烷速率為0.2473 L,滯留時間為7～8 d，可以看出實際實驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)有一定的差距，但仍在可接受范圍之內(nèi)。

圖8 產(chǎn)甲烷動力學模型模擬值與實際值對比

4 結論

(1)以法國梧桐落葉為發(fā)酵原料，在中溫35℃±2℃條件下進行批式沼氣發(fā)酵試驗，運行時間為50 d，TS產(chǎn)氣率為313.65 mL·g-1，VS產(chǎn)氣率為356.76 mL·g-1。

(2)以軟件Orijin采用修正后的Gompertz方程模擬法國梧桐落葉厭氧消化產(chǎn)甲烷的過程，擬合后Gompertz方程相關系數(shù)R2=0.9965，具有較高的相關度。因此，經(jīng)修正后的Gompertz方程能夠很好的表征法國梧桐落葉厭氧消化過程。