渗滤液回流次数对秸秆厌氧干式发酵技术的影响研究

姜 岩，殷安全，蔡 超，夏晓芳，师晓爽

(1.青岛水务集团有限公司，山东 青岛 266002；2中国海洋大学 医药学院，山东 青岛 266071; 3.青岛中科华通能源工程有限公司，山东 青岛 266101；4.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266101)

渗滤液回流次数对秸秆厌氧干式发酵技术的影响研究

姜 岩1，殷安全1，蔡 超2，夏晓芳3，师晓爽*4

(1.青岛水务集团有限公司，山东 青岛 266002；2中国海洋大学 医药学院，山东 青岛 266071; 3.青岛中科华通能源工程有限公司，山东 青岛 266101；4.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266101)

通过小试规模实验研究了秸秆厌氧干发酵渗滤液回流次数对产气量的影响，比较了发酵过程中氨氮、pH值、挥发性脂肪酸等理化性质指标的变化。研究结果表明，在中温35℃、接种物与原料的挥发性固体比为0.4:1条件下，发酵57天，回流次数为1、2和4时反应器的产气量显著提升，渗滤液各项理化性质呈现出显著差异。

秸秆；厌氧干发酵；渗滤液回流；产气量

Effects of Recycle Times of Leachate to Straw Dry-anaerobic Fermentation

JiangYan1,YinAnquan1,CaiChao2,XiaXiaofang3,ShiXiaoshuang*4

(1. Qingdao Water Group Co.， Ltd., Qingdao 266002,China; 2. School of Medicine and Pharmacy, Ocean University

of China, Qingdao 266071,China;3.Tsingtao CASHT Energy & Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266101,China;

4. Qingdao Institute of BioEnenergy & Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101,China)

秸秆厌氧干发酵是秸秆厌氧发酵工艺中的一种，具有处理量大、池容产气率高、二次污染少的优点[1]，但是干发酵又存在初期启动缓慢、过程传质不均、局部有机酸过量积累和渗滤液污染强度高等问题[2]。研究表明，对干发酵过程中产生的渗滤液进行回流可有效解决上述问题[3]，我国学者对干式厌氧发酵渗滤液回流的实验室模拟研究多集中在垃圾填埋场，在秸秆厌氧消化领域的研究并不多[4-5]。因此，本文通过实验室模拟了秸秆干发酵渗滤液回流次数对产气的影响，评价产气效果，监测理化性质指标的变化，为大型发酵工程的设计和运行提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 材料

发酵原料：实验所用的秸秆取自青岛城阳郊区，自然风干后，过40目筛，筛上部分储存备用。接种物是消化污泥与牛粪的混合物。

1.2 实验装置

本实验装置如图1所示。此反应器为聚乙烯树脂材料，总容积5L，有效容积为4L。反应器密封保持严格的厌氧环境。底部铺两层纱布，防止滤液生成过程中的秸秆粉末堵塞旋转布水器。通过循环水浴加热，温度保持在35±2℃左右。厌氧发酵产生的气体从反应器顶部的导气管排出，经过湿式气体流量计计量产气体积。外部通过泵将反应器底部的沥出液循环至顶部，进行喷淋。

图1 实验装置图

1.3 实验方法

实验分三组，对应三个反应器，分别为回流一次(R1)、回流两次(R2)和回流四次(R4)，总固体(TS)含量为18.4%，接种物与原料的VS比为0.4:1。实验设计见表1。实验采用中温35℃厌氧发酵，每日严格定时用泵为反应器循环渗滤液，每次10min(泵的流速为160 mL/min)。整个实验发酵完全。

表1 实验设计

1.4 分析检测项目与方法

2 结果与讨论

2.1 不同回流次数下的产气特性比较

图2 不同回流次数日产气量和累计产气量的变化

厌氧发酵持续57天，R1持续51天结束。如图2所示，R1和R2的单位日产气量先快速增长后降低，R1的单位日产气量在发酵第5d达到最高点，为5.93 mL/gVS；R2和R4均在发酵第2d达到最高点，分别为9.40 mL/gVS、17.60 mL/gVS。这说明增加回流次数可以提高发酵启动阶段的产气量，缩短启动时间。自发酵14d后，回流次数的变化对发酵罐并没有很大的影响；30d后，三个发酵罐均为每天回流一次，对产气结果影响较小。

三个反应器的累计产气量差距比较明显，见图2。其中R4的累计产气量最高，为195.83 mL/gVS，其次为R2的累计产气量，为164.25 mL/gVS，最后为R1的累计产气量，为79.91 mL/gVS，仅为R4和R2累计产气量的40.8%和48.7%。这可能是与干发酵在传质传热方面受到了局限有关。反应器在回流四次的条件下传质比较均匀，增加了微生物、底物和水分间的接触，从而促进了底物的降解，提高了沼气产量[7]。

图3 不同回流次数日产甲烷量和累计产甲烷量的变化

不同回流次数下三个反应器的日产甲烷量和累计甲烷量变化如图3所示。各组的日产甲烷量的变化趋势同日产气量的变化趋势相同。增加回流次数同样使得累计产甲烷量提高。R1、R2和R4的累计产甲烷量的大小顺序为R4>R2>R1，其值分别为128.72、105.64和56.62 mL/gVS。通过计算得出各组的甲烷浓度，R1、R2和R4的平均甲烷浓度分别为62.79%、60.55%和62.88%，与许多研究相差不多[8]，可以保证沼气燃烧的品质。

2.2 不同回流次数下渗滤液氨氮的变化

图4 不同回流次数下氨氮的变化

2.3 不同回流次数下渗滤液pH值与VFAs的变化

如图5所示，各组pH值在发酵过程中均处在6.0～7.3之间，但是在发酵初期的变化较为强烈。发酵过程中产酸相与产甲烷相的动态平衡会导致pH值的变化。反应器R1从发酵第1d开始直到结束，pH值一直处在产甲烷菌最适宜的范围内6.6～7.2，说明反应器底部的渗滤液没有酸化，可能是由于渗滤液回流量过少，没有充足的有机质进行厌氧发酵，导致发酵不均匀，从而造成产气率低；R2从发酵第1d开始pH值迅速下降，到第4d之后又缓慢上升，此后维持正常，可以明显看出，R2在发酵初期出现了微小的酸化，但是通过渗滤液的回流调节了pH值。R4的pH值在发酵前期的变化趋势与R2相似，但是没有出现酸化现象，而且在发酵后期一直处于相对较高水平。R4渗滤液回流量较大，有机质溶出后又被较好的利用，即产酸相和产甲烷相得到了动态的平衡，从而使得R4产气率最高。

图5 不同回流次数下pH值的变化

TVFAs的变化趋势如图6所示。从图a中可以看出，在发酵期间TVFAs的浓度变化都是先增加后减小。R2的TVFAs浓度最高达到了3000 mg/L左右，这也与pH值显示的酸化结果是一致的。R4的TVFAs浓度变化一直处在2000～1000 mg/L之间，R1一直维持在1000 mg/L左右，表明TVFAs的质量浓度是影响渗滤液pH值的主要因素。

a.总挥发性脂肪酸；b.乙酸；c.丙酸；d.丁酸

图b、c、d分别代表了乙酸、丙酸和丁酸的浓度变化。R1各酸的浓度水平均处在500 mg/L以下，说明由于渗滤液回流量的不足，导致反应器内部水解无法进行，从而限制了厌氧发酵过程。R2在发酵中产生了较高浓度的丙酸，有关研究表明，丙酸降解速度低[9]，这也可能导致了R2产气量不高。对R4来说，乙酸浓度从发酵开始逐渐降低，而丙酸、丁酸的浓度开始浓度小，之后增加大最大值后下降，且丁酸浓度比丙酸要小。

2.4 不同回流次数下秸秆TS、VS去除率和纤维素降解率

发酵结束后，三组实验的TS、VS降解率及秸秆的木质纤维素降解情况如表2所示。VS是厌氧发酵过程中微生物的物质来源，VS的降解率最能反映原料的利用程度，从而能够判定产气效果。R4的TS、VS降解率最高，其次是R2，最低为R1，这与厌氧发酵的产气结果是一致的。这说明，底物利用率越高，产气效果越明显。此外，回流次数增加，纤维素和半纤维素降解率也会有不同程度的提高。

表2 发酵前后TS、VS及纤维素降解率的变化

Table 2 TS、VS and Lignocellulose content efficiency before and after anaerobic digestion

表2(续)

3 结论

在秸秆厌氧干发酵中，提高渗滤液回流次数能够显著增加产气效果，其中回流次数为4的R4反应器产气量最高(195.83 mL/gVS)；整个发酵过程中三组的平均甲烷浓度为60%左右，可以保证沼气燃烧的品质，氨氮浓度均在正常水平；回流次数的增加会使发酵过程中pH保持相对稳定，避免酸积累问题，TS、VS、纤维素、半纤维素降解率也得到提高。

[1] Bolzonella D，Pavan P，Mace S，et al．Dry anaerobic digestion of differently sorted organic municipal solid waste：A full-scale experience[J]．Water Science Technology，2000，53(8)：23-32．

[2] 朱德文，曹成茂，陈永生，等. 秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨[J]. 中国农机化，2011(4)：56-59.

[3] 徐 霄，叶小梅，常志州，等. 秸秆干式厌氧发酵渗滤液回流技术研究[J]. 农业环境科学学报，2009，28(6)：1273-1278.

[4] 徐迪民，李国建，于晓华，等. 垃圾渗滤水填埋场回灌的影响因素[J].同济大学学报，1995，23(4)：371-375.

[5] Chana G Y S，Chu L M，Wong M H. Effects of leachate recirculation on biogas production from landfill co-disposal of municipal solid waste，sewage sludge and marine sediment[J].Environmental Pollution，2002，118：393-399.

[6] Goering H K，Van Soest P S. Forage fiber analysis USDA-ARS agric[M]. Washington：Gov Print，1971：387-598.

[7] 李启彬，刘 丹，欧阳峰. 城市垃圾处理的新动向-生物反应器填埋场技术[J]. 城市环境与城市生态，2001，14(1)：24-27.

[8] 陈广银，郑 正，常志州，等. 不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响[J]. 中国环境科学，2011，31(1)：73-77．

[9] 李红丽，曹霏霏，王 岩. 挥发性脂肪酸对厌氧干式发酵产甲烷的影响[J]. 环境工程学报，2014，8(6)：2572-2578.

(本文文献格式：姜 岩，殷安全，蔡 超.渗滤液回流次数对秸秆厌氧干式发酵技术的影响研究[J].山东化工，2016，45(16)：217-220.)

straw; dry-anaerobic fermentation; leachate recycle; biogas production

2016-06-21

"十二五"农村领域国家科技计划课题 (2015BAL04B02)

姜 岩(1972—)，山东青岛人，青岛水务集团有限公司安全生产与服务部，工学学士；师晓爽(1982—)，女，山东济南人，中国科学院青岛生物能源与过程研究所助理研究员，博士，主要从事环境科学研究，E-mail：shixs@qibebt.ac.cn。

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