利用沼气发酵技术处理秸秆爆破液废水

姚　义　叶　超　吕育财　李　宁　王　栋　龚大春　李　洁　吴佩强

(1. 三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌　443002； 2. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌　443002； 3. 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳　473000)



利用沼气发酵技术处理秸秆爆破液废水

姚义1叶超1吕育财1李宁2王栋3龚大春1李洁1吴佩强1

(1. 三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌443002； 2. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌443002； 3. 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳473000)

摘要：为探索秸秆爆破液废水的沼气发酵潜力，采取分三阶段逐步提高进料浓度的方式，利用实验室前期“驯化”得到的高效固定床厌氧反应体系对其沼气发酵特性进行了研究．试验共计进行36 d，累积产气量达166 L，发酵过程平均日产气量为4 598 mL，甲烷含量在36%～72%之间，平均甲烷含量为51%，各阶段的容积产气效率依次为0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)，表明该废水具有一定的沼气发酵潜力．相对而言，原废水以稀释2倍的方式进料时沼气发酵性状比较理想，该阶段平均日产气量为4 506 mL，平均甲烷含量为58%，C/N和VS/TS平均值分别为25、0.51．

关键词：秸秆；蒸汽爆破；废水；沼气发酵；固定床反应器

沼气发酵技术在国内外已有较长的发展历史，随着研究的深入，该技术被不断地完善并衍生出各种各样的处理工艺．目前，沼气发酵技术被广泛地应用于农作物秸秆、高浓度有机废水、餐厨垃圾、人畜粪便、污水处理厂剩余污泥等废物的资源转化处理，带来了巨大的经济和环境效益[1-2]．在石化资源日益紧缺、环境问题不断恶化的趋势下，借助沼气发酵等技术以秸秆为主要原料进行生物质能源的开发和转化(如秸秆沼气、燃料乙醇)已成为人们关注和研究的热点[3]．通常，为了提高秸秆的生物质能转化效率，人们会对秸秆进行物理、化学或生物预处理，如粉碎法、蒸汽爆破法、酸碱浸泡法、复合菌剂酸化前处理等[4-5]．

在多种预处理方法中，蒸汽爆破法因其成本低、能耗少、无污染而备受青睐，并已成为以木质纤维素为原料转化燃料乙醇的关键预处理技术之一[5]．秸秆主要成分是植物细胞壁，而植物细胞壁是由木质素和被木质素包裹的纤维素、半纤维素组成．在蒸汽爆破过程中，秸秆木质纤维素在高温、高压蒸汽作用下，纤维素聚合度下降，木质素软化，半纤维素部分降解产生一些可溶性糖的碳水化合物，其中以木糖和葡萄糖居多，使后续水提清洗工艺环节产生的废水具有可生物降解处理的可能[6]．但处理过程中同时也会生成如小分子酸、醛和酚类等成分和结构复杂的一系列降解产物，对酶和微生物产生某种抑制作用甚至是致死毒性，影响后续酶解、发酵和废水处理和回用等工艺步骤[7]．

对于类似废水，徐勇[8]等采用阴离子交换树脂对玉米秸秆蒸汽爆破预处理液的脱毒方法进行过研究，朱均均[9]等研究了脱毒后的玉米秸秆稀酸蒸汽爆破处理液的乙醇发酵性能，张琴[10]等则对汽爆棉秆的水提物进行了分析和发酵生产乙醇的探索，而利用蒸汽爆破液废水进行沼气发酵的研究国内外目前还鲜有报道．

因此，本研究从废物资源化利用的角度出发，尝试利用实验室前期“驯化”得到的高效固定床厌氧反应体系对秸秆爆破处理液进行沼气发酵处理，通过监测试验过程中日产气量、甲烷含量以及发酵液pH、COD、TN、TS、VS等理化指标的变化，探究其沼气发酵潜力，以期为秸秆爆破液等贫营养源废水的处理和资源转化利用研究提供依据．此外，笔者在借鉴前人提出的沼气发酵理论和相关研究的基础上，对试验数据和现象进行了分析和解读，供同行参照和探讨．

1材料与方法

1.1试验材料

本试验用反应器前期处理的是高浓度酵母废水，体系内的微生物菌群主要包括接种牛粪中的菌种、WDC2[11-12]、安琪产甲烷菌群以及背景菌种．待处理废水为秸秆蒸汽爆破处理液，该废水的部分理化性质见表1，试验稀释用水为普通自来水．

表1　待处理废水的理化性质

1.2试验装置

固定床厌氧反应器用有机玻璃自行设计加工制作而成，有效容积为12 L，使用恒流蠕动泵从反应器底部以上流方式进料，处理过的废水由顶部出水管排出，沼气则经导气管排入集气袋中，该反应器及其附属装置示意图如图1所示．反应器内置填料系比表面积为1 100 m2/g的活性炭纤维[13]，该材料具有质轻、疏松多孔，吸水性强，耐酸碱腐蚀等优点，是一种良好的微生物载体，图2为其实物照片．

图1　反应器及附属装置示意图

图2　活性炭纤维实物图

1.3试验方法

试验在7、8月份进行，室温基本保持在30℃以上，属中温发酵．由于反应器前期处理的是高浓度酵母废水，在开始本试验前，通过停止进料让反应器维持运行一个月，使反应器内的微生物在维持一定生长代谢水平的同时逐步消耗掉前期试验残留的可生物降解有机物，消除原先发酵液对本试验的影响．为了使反应体系较好地适应待处理废水性质的变化，采用分阶段逐步提高进水浓度的方法，各阶段进出料情况见表2．每次进料会向废水中添加适量猫粮(磨成粉末后加入)，以调节进水C/N至25～30的范围内．试验过程中，每天按时进料，监测日产气量、甲烷含量和出水pH．发酵罐初始水样、原废水水样及每隔一个水力停留时间(HRT)的出水水样于-20℃冷冻保存，用于后期相关理化指标测定．

表2　各阶段进出料情况

1.4理化指标测定方法

产气量采用排水法．pH采用便携式数显pH计检测．TS、VS测定采用重量法[14]．甲烷含量测定采用气相色谱法[3，15]．COD测定采用快速消解-分光光度法[16]．TN测定采用闭管消解-萘乙二胺分光光度法[17]．

2结果与讨论

2.1产气量和甲烷含量

沼气发酵过程的日产气量、累积产气量和甲烷含量的变化如图3所示．

A.甲烷含量的变化；B.pH的变化；C.累积产气量的变化；D.日产气量的变化图3　发酵过程中产气数据和pH的变化

试验结果显示：第一阶段甲烷含量虽然有所波动但总体上还是呈上升的趋势，平均甲烷含量为52%，日产气量则表现为先波动上升后下降的趋势，最高日产气量为5 550 mL，最低日产气量为2 750 mL，平均日产量为4 109 mL；试验进入第二阶段，甲烷含量呈稳中有降的趋势，平均甲烷含量为58%，日产气量呈先上升再下降的趋势但随后的变化趋于平稳直到第三阶段中期，平稳变化期间平均日产气量为4 364 mL；在第三阶段，虽然日产气量在平均水平上比一、二阶段高，但甲烷含量却明显下降，基本在43%左右波动变化．整个试验过程中，最高日产气量和甲烷含量分别为7 150 mL、72%，最低日产气量和甲烷含量分别为2 750 mL、36%，各阶段容积产气效率依次为0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)．试验共计进行36 d，累积产气量达166 L，累积产气量变化曲线几乎呈线性上升的趋势，这表明日产气量总体上变化不大，进料浓度的递增并未引起发酵体系日产气量的显著变化．

产气量和甲烷含量是评价沼气发酵潜力的重要指标．试验过程中，在对原废水进行稀释进料的前两个试验阶段，发酵体系的产气状况相对比较稳定，但当以原废水进料时，体系发酵状况却呈明显恶化的趋势，这一方面说明该秸秆蒸汽爆破处理液具有一定的沼气发酵潜力，另一方面表明该废水中可能存在一些抑制微生物代谢的有毒物质而影响其沼气发酵．对于后者，徐勇[8]等曾报道由于蒸汽爆破处理过程中高温、高压和酸催化的影响，秸秆原料中的聚糖、木质素及其他有机成分会产生不同程度的分解和降解作用，并生成如小分子酸、醛和酚类等成分和结构复杂的一系列降解产物，对酶和微生物产生某种抑制作用甚至是致死毒性，严重影响后续酶解、发酵和废水处理等工艺步骤．

2.2发酵体系pH

pH值对于沼气发酵非常重要，一定程度上能够反映发酵液中有机酸含量的变化，同时也是衡量甲烷化厌氧消化是否正常的标志之一[13]．通常，pH值过高或过低都会抑制微生物的生长及酶的活性，进而影响沼气发酵过程．实践证明，沼气发酵适宜的pH范围为6.0～8.0[13，18]．pH值监测结果及其变化如图3(B)所示，由图可知：整个实验过程pH始终维持在7.3～8.0之间的较正常范围；试验进行的前4 d，pH值有一个上升的过程(从7.4上升到8.0)，之后pH下降到7.8并保持不变直到第二阶段的中期；进入第二阶段后期后，pH下降到7.7并保持不变直到进入第三阶段前期(发酵第27 d)；从试验第27 d起，pH相比前两个阶段有明显下降并呈现波动变化的趋势，基本处于7.4的水平，和试验开始的时候差不多．总体而言，待处理废水在本试验中表现出的沼气发酵潜力受体系pH的影响不会太大，很大程度上应该还是由其本身性质所决定的．

从图3中可看出，在试验第三阶段，日产气量在平均水平上比前两阶段高、而甲烷含量和pH却表现出下降的趋势．对于这三者变化，原因可能是由于长期进低浓度的废水导致发酵液中的营养组分发生了变化，高生物量的发酵体系因得不到充足的底物供应而导致微观层面微生物种群结构的变化．甲烷化细菌较处于沼气发酵生物化学反应的最后环节，其生长繁殖受底物供应影响最大，而水解酸化类细菌由于处在底物降解链的上游，其营养供应相对充足．这一变化最终使得水解酸化类细菌处于优势地位、产甲烷类细菌处于劣势，继而导致产气中非甲烷气体成分含量上升、甲烷含量下降；pH的下降则是由于水解酸化类细菌代谢产生的有机酸(丙酸、丁酸等大分子有机酸)含量升高造成的；至于日产气量后期呈不断下降的趋势，可能是废液中有毒物质在系统中的累积对微生物代谢产生了抑制作用．

2.3发酵体系TS、VS

发酵体系TS、VS的监测结果如图4所示．由图可知，发酵体系TS、VS升降变化基本同步．由于试验开始前，反应器处理的是高浓度酵母废水，故最开始监测到的TS、VS很高，分别为32 407 mg/L、15 830 mg/L，VS/TS为0.49．以第一阶段进料浓度运行一个HRT后，TS、VS显著下降；第二阶段的取样检测结果显示，TS、VS、VS/TS波动很小，平均值分别为14 137 mg/L、7 264 mg/L、0.51；在第三阶段，虽然进料废水为未经稀释的原废水，但出水TS、VS却相比前阶段有了明显下降，最后检测到的TS、VS(发酵第36 d)分别为8 720 mg/L、5 310 mg/L．发酵体系前后TS、VS的变化原因是由于长期的低浓度进料使发酵液被逐步置换，吸附在内置填料上的有机物也被不断洗脱掉，所以出现前期进料浓度低但出水TS、VS却比后期要高的现象．

图4　发酵过程中发酵液TS、VS及VS/TS比值的变化

TS即总固体，包括样品中悬浮物、胶体物和溶解性物质，其中既有有机物也有无机物[18]．VS可反映有机成分的含量，多为挥发性脂肪酸(VFA)和醇类等．根据布莱恩于1979年提出的关于厌氧甲烷发酵的三阶段理论[20-21]，水解酸化发酵和产氢产乙酸阶段对VS的贡献较大，因此较高的VS/TS比值可反映发酵体系中底物初步降解较好，水解酸化类菌较活跃．一般而言，产气量增加的前期，VS/TS相对较高、pH较低，这是因为VFA的积累造成pH值降低，但却为产甲烷类菌的生长提供了充足的底物，随着VFA不断被产乙酸类菌和产甲烷类菌分解利用，pH值又开始升高[22]．

试验VS/TS变化曲线显示，整个沼气发酵过程VS/TS基本上呈逐步上升的趋势，由最初的0.49到最终的0.61．结合产气和pH数据以及前述理论综合分析，反应体系VS/TS虽然一直上升，但对应阶段的甲烷含量和pH不升反降，此现象可佐证上述2.2中关于长期低浓度进料导致发酵体系微观层面微生物种群结构变化的推论．

2.4COD、TN、C/N变化

发酵液COD、TN变化趋势如图5所示．通常，COD和VS、TS都可以从一定程度上反映有机物含量，不同的是COD表征的有机物含量更全面一些，而TS则不仅包含有机物还包含无机物．因此，COD和VS、TS三者之间的关系可总结为TS包含COD、COD包含VS，表现在监测数据上的数量关系则为TS>COD>VS，三者的变化趋势总体上应是相似的．本试验测得的COD和VS、TS数据，在数量关系上满足TS>COD>VS且均表现出先下降后平稳波动再下降的趋势，对此恰好可以印证上述观点．

图5　试验过程COD、TN和C/N随时间的变化

C/N是沼气发酵的主要影响因素之一，多数文献报道适宜的C/N为20～30[23]．本试验用TS/TN的比值近似代替C/N，得到发酵过程中C/N变化曲线如图5所示．监测数据表明，发酵开始时C/N为21、试验第36 d测得C/N为47，C/N整体呈逐步上升的趋势．前两个运行阶段C/N维持在20～30的适宜范围，在此期间产气量和甲烷含量波动不大、相对比较稳定．试验进行到第三阶段，反应体系C/N显著上升，产气量和甲烷含量相应地表现出了明显波动．由此可见，沼气发酵对C/N的变化确实很敏感．

2.5监测数据的主成分分析

利用SPSS19.0软件对所获得的各监测数据进行了主成分分析．分析结果显示：本试验沼气发酵体系pH与甲烷含量(Mec)具有高度的正相关性，相关系数达0.976，这表明在一定的变化范围内pH值越高甲烷含量越高，亦即保持发酵过程处于偏碱性的环境将有利于沼气发酵及甲烷生成；总产气量与C/N(TTN)具有较好的正相关性，相关系数为0.875，而甲烷含量与C/N(TTN)成负相关关系，相关系数为-0.637，这说明提高沼气发酵C/N有助于增加产气量，但却可能导致所生成沼气中甲烷含量的降低；一些反映发酵体系有机物含量及其变化的因子，如VS、TS、COD和VTS(VS/TS)与总产气量的相关系数分别为-0.116、-0.249、-0.204和0.397，与甲烷含量的相关系数分别为0.164、0.367、0.679和-0.596，相关性均不高，原因可能是该废水中存在的微生物难降解有机物较多而导致它们之间的相关性不显著．

TG：总产气量；DG：日产气量；Mec：甲烷含量；TTN：C/N；VTS：VS/TS图6　监测数据主成分分析图

3结论

本试验采取分三阶段逐步提高进料浓度的方式，利用固定床厌氧反应器对秸秆蒸汽爆破废水进行了沼气发酵研究，结果表明：

1)该废液具有一定的沼气发酵潜力．试验最高日产气量和最低日产气量分别为7 150 mL、2 750 mL，平均日产气量为4 598 mL，甲烷含量在36%～72%之间，平均甲烷含量为51%；试验共计进行36 d，累积产气量达166 L，各阶段的容积产气效率依次为0.35 L/(L·d)、0.37 L/(L·d)、0.43 L/(L·d)．

2)试验第一、二阶段，沼气发酵性状较稳定且第二阶段日产气量和甲烷含量在平均水平上均比第一阶段高，分别为4 109 mL、52%和4 506 mL、58%；第三阶段相比前两阶段，虽然日产气量在平均水平上有所上升，平均为5 210 mL，但甲烷含量却明显下降且波动较大，平均值仅为43%，各项理化指标均呈现不良的变化趋势，如甲烷含量和pH显著下降、C/N和VS/TS比值上升．由此可见，原废水以稀释2倍的方式进料时沼气发酵状况比较理想．

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[责任编辑王康平]

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

收稿日期：2016-01-03

基金项目：国家自然科学基金项目(No.31370506)；湖北省自然科学基金项目(No.2014CFB666)；车用生物燃料技术国家重点实验室开放基金(No.KFKT2013020)；三峡大学研究生科研创新基金项目(2015CX141)

通信作者：姚义(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为有机废物资源化利用及微生物生态学．E-mail：hubeideyaoyi@foxmail.com

中图分类号：U473.2+3

文献标识码：A

文章编号：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