奶牛粪压榨液厌氧消化过程中氨和硫化氢抑制原位解除工艺研究

常誉尹， 马诗淳， 孙照勇， 汤岳琴， 木田建次

(1.四川大学 建筑与环境学院， 成都 610065； 2.农业部可再生能源开发与利用重点实验室， 成都 610041 )

随着集约化养殖业在我国的快速发展，每年畜禽粪污排放量已经超过40亿t，然而70%以上的畜禽粪污未被有效处理就被排放到环境中。大量的畜禽粪污排放已经引起了严重的环境问题如地下水污染、臭气、病原菌及过量的土地占用等[1]。因此，有必要寻找一种合适的管理及利用途径以降低畜禽粪污引起的环境污染。

近年来，畜禽粪污先进行固液分离(采用螺杆压榨机压榨等方式)，将得到的固体残渣和液体压榨液分别进行处理在集约化养殖场受到越来越多的重视[2-3]。固体残渣可进行无辅料添加的好氧堆肥，而针对液体部分可进行厌氧消化以回收能量。这种处理方式对集约化养殖厂非常重要，因为养殖厂周围可以消纳畜禽粪污的土地有限，固体残渣直接进行好氧堆肥以生产有机肥，同其他处理方式(例如不进行固液分离直接添加辅料堆肥)相比显著降低了待处理废物量；而压榨液由于固体的大量去除将加速其厌氧消化过程处理效率。我们前期的工作验证了奶牛粪固液分离后获得的固体残渣无辅料添加进行好氧堆肥的可行性[4-6]，且发现固体残渣堆肥在有或无辅料添加时，对堆肥过程中微生物群落成分的影响不大[6]。但前期工作对奶牛粪压榨液的厌氧消化性能尚未做评价。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料和接种污泥

实验接种污泥来自用大学校园食堂餐厨垃圾长期驯化的高温厌氧消化体系，总固体(TS) 和挥发性固体VTS为污泥质量的3.1%和2.6%。

表1 奶牛粪固液分离后固体残渣和压榨液的基本理化性质

注：DM: 干重。

1.1.2 厌氧消化装置

1.2 分析方法

样品在干燥箱105 ℃下烘干至恒重测定水分和总固体(TS)，然后利用马弗炉将样品在600 ℃下灼烧2 h测定挥发性固体(VTS)。C，N，H，O 元素使用采用元素分析仪(Vario EL cube，Elementar，德国)测定。蛋白质含量通过测定总N含量乘以6.25计算得出。挥发性有机酸(Volatile fatty acids，

图1 高温厌氧消化系统示意图

2 结果和讨论

2.1 奶牛粪压榨液厌氧消化的产气情况

在厌氧消化过程中，奶牛粪压榨液中的有机物在微生物的作用下降解转化为沼气。因此，沼气的产量可以直接反映系统的运行状态。图2显示了奶牛粪压榨液厌氧消化过程中沼气生产效率、甲烷含量及沼气中H2S含量的变化情况。反应器共运行了95天，前37天厌氧消化系统未进行沼气内循环或微通气，有机物负荷从2逐渐增加至6 g·L-1d-1。可以看出，当有机物负荷为2 g·L-1d-1开始进料，反应器产气效果稳定，沼气生产率约为400 mL·L-1d-1，其中沼气中甲烷含量约59.5%，H2S含量为600 ppm；提高有机物负荷至4 g·L-1d-1时，沼气生产率增加至约为637.2 mL·L-1d-1(甲烷含量约62.7%)，但沼气中H2S含量增加到1200 ppm；继续提高有机物负荷至6 g·L-1d-1，沼气生产率同有机物负荷4 g·L-1d-1相比并没有明显增加，与此同时沼气中H2S含量增加到约2000 ppm。

为降低沼气中H2S含量从而提高沼气质量[11]，从第38天开始，反应器进行沼气内循环或微通气，通气量为沼气产生速度的3%。从图1可以看出，沼气内循环或微通气并未影响沼气产量，但沼气中H2S含量迅速降低至50 ppm以下，同时由于沼气内循环过程中有部分CO2溶解于水槽中，沼气中甲烷含量从62.3%增加至64.2%，这和我们之前的研究结果一致[12]。提高有机物负荷至8 g·L-1d-1和10 g·L-1d-1时，反应器产气状况稳定；然而继续提高有机物负荷为12 g·L-1d-1时，可以看出，反应器产气量迅速下降，反应了其运行不稳定，这从后续反应器内消化液的理化性质分析结果也可以表明(2.2部分)。因此，可以推断，在此条件下奶牛粪压榨液厌氧消化最大有机物负荷为10 g·L-1d-1，此时沼气生产率约为920.5 mL·L-1d-1(甲烷含量约63.7%)，同时沼气中H2S含量维持在50 ppm以下。从此结果也可以看出，单独奶牛粪压榨液厌氧消化产气效率较低，将来的研究可以通过补加餐厨垃圾等进行共发酵以促进产气，进而提高经济效益。

2.2 奶牛粪压榨液厌氧消化反应器内的理化性质变化

图2 奶牛粪压榨液厌氧消化过程中沼气生产效率、甲烷含量及沼气中硫化氢含量的变化情况

图3 高温厌氧消化过程中消化液的理化性质的变化情况

3 结论