陳廣銀,鮑習(xí)峰,,葉小梅,常志州*,李玉春,,周立祥 (.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 004；.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京0095)

厭氧消化產(chǎn)沼氣是實(shí)現(xiàn)秸稈資源化和減量化的重要途徑之一[1-4].由于秸稈中木質(zhì)纖維素含量較高,而木質(zhì)素在厭氧條件下不能被厭氧微生物分解[5],纖維素的結(jié)晶部分在厭氧條件下又很難被厭氧微生物分解破壞[6],加之秸稈 C/N比較高,導(dǎo)致秸稈直接厭氧發(fā)酵的生物轉(zhuǎn)化率較低、產(chǎn)氣緩慢、產(chǎn)氣周期長.為提高秸稈厭氧生物轉(zhuǎn)化率,國內(nèi)外學(xué)者在秸稈預(yù)處理方面進(jìn)行了大量研究[7-8].堆肥預(yù)處理因其預(yù)處理成本低、操作簡單方便、可實(shí)現(xiàn)秸稈厭氧發(fā)酵快速啟動(dòng)等受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9].方文杰等[10]比較了不同預(yù)處理后稻秸的產(chǎn)氣效果,指出堆漚作為稻秸預(yù)處理技術(shù),不僅操作簡便且可大幅度提高其厭氧消化產(chǎn)氣效率.李冰冰等[11]研究表明,堆肥預(yù)處理可以提高木質(zhì)纖維原料產(chǎn)氣中甲烷含量,最高可提高 70%.但是,高白茹等[12]研究表明,堆肥預(yù)處理并不能提高稻秸產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣中甲烷含量,但可以提高容積產(chǎn)氣率,縮短產(chǎn)氣周期.從已有研究來看,對(duì)堆肥預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維原料厭氧產(chǎn)沼氣的效果褒貶不一,其根源在于堆肥時(shí)間的控制上,通過優(yōu)化堆肥時(shí)間達(dá)到秸稈木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)破壞與減少有機(jī)物損失的統(tǒng)一,還未見這方面的研究報(bào)道.

近年來,隨著奶牛養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大,奶牛廢水的處理問題成為影響奶牛養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的障礙[13].奶牛廢水中氮素含量較高,C/N比較低,且含有一些易分解有機(jī)物,秸稈的C/N比較高、含水率低,將奶牛廢水與秸稈混合發(fā)酵,不但可以提高秸稈產(chǎn)氣,而且可以減少秸稈厭氧發(fā)酵過程中水的用量,解決了奶牛廢水的處理問題,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

本研究選擇奶牛廢水與麥秸混合好氧堆肥第 0,3,6,9d的物料為原料進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn),對(duì)堆肥前后奶牛廢水與麥秸混合物料的理化特性、厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣特性、厭氧發(fā)酵前后麥秸理化特性以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化等進(jìn)行了研究,以期確定堆肥預(yù)處理的最優(yōu)時(shí)間,為秸稈沼氣工程和奶牛場廢水處理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

麥秸取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院附近農(nóng)田,經(jīng)機(jī)器搓揉成 5～10cm 小段,風(fēng)干后于通風(fēng)陰涼處備用, 干物質(zhì)(TS)為 87.00%,揮發(fā)性固體(VS)為88.05%,C/N 為 44.78,纖維素 37.60%,半纖維素30.70%,木質(zhì)素 11.50%;奶牛廢水取自南京市江寧區(qū)奶牛養(yǎng)殖場,CODCr為 11120mg/L,總氮557mg/L,pH值為7.65;接種污泥來自上批秸稈厭氧發(fā)酵液,經(jīng)馴化后使用,TS為 6.05%, VS為76.20%.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 堆肥預(yù)處理 將小麥秸稈29kg和奶牛廢水 58kg,用尿素調(diào)節(jié) C/N比至 25:1,混勻后移至400L長方體中轉(zhuǎn)箱中,進(jìn)行堆肥試驗(yàn).在堆肥第0,3,6,9d分別取樣作為厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)原料.

1.2.2 厭氧消化試驗(yàn) 試驗(yàn)在自制的有機(jī)玻璃反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,反應(yīng)器總?cè)莘e2.5L,有效容積1.6L,反應(yīng)器示意見圖 1.在發(fā)酵罐外圍設(shè)有水浴夾套給反應(yīng)器加熱,以保證發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定.在發(fā)酵罐頂部設(shè)有出氣孔,產(chǎn)生的沼氣經(jīng)出氣孔流經(jīng)自制的氣體計(jì)量儀(精確至 1mL)后排出.在氣體取樣口處采集氣體樣品用于分析氣體成分.按照試驗(yàn)方案,將稱量好的試驗(yàn)原料放入發(fā)酵罐內(nèi),加入接種物,混合均勻后,通入氮?dú)?5min以驅(qū)趕發(fā)酵罐內(nèi)的空氣,密封后于 35℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵.每個(gè)處理3個(gè)平行,取平均值進(jìn)行分析.每天測定產(chǎn)氣量和甲烷含量.

圖1 發(fā)酵裝置Fig.1 The diagram of anaerobic bioreactor

試驗(yàn)設(shè) 4個(gè)處理,分別以奶牛廢水麥秸混合物(MS)堆肥第 0,3,6,9d的堆料為原料,分別對(duì)應(yīng)于處理T1、T2、T3和T4,各處理MS的TS質(zhì)量均為 104g,污泥接種量 350g,用蒸餾水將各處理初始TS濃度調(diào)節(jié)至13.87%,各處理總質(zhì)量均為750g.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了 65d,當(dāng)日產(chǎn)氣量明顯下降后停止實(shí)驗(yàn).將發(fā)酵后的MS取出,用蒸餾水清洗至洗出液無明顯顏色為止,55℃烘干,測定 TS損失率以及VS、木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、總氮(TN)、總有機(jī)碳(TOC),取少量粉碎過100目篩后用于X射線衍射(XRD)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析.

1.2.3 測定方法 以自制氣體計(jì)量儀測定日產(chǎn)氣量;采用GC9890A/T氣相色譜儀分析產(chǎn)氣中甲烷含量(TCD檢測器);用精密pH計(jì)測定pH值(雷磁 pHS-2F);纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量采用范氏法(Van Soest)測定[14],所用儀器為意大利Velp Scientifica公司生產(chǎn)的FIWE-6型纖維素分析儀;奶牛廢水總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法,COD采用 K2Cr2O7-H2SO4滴定法[15];麥秸TS采用105℃烘24h差重法測定,VS采用550℃烘4h差重法測定、TOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,TN 采用凱氏定氮法[16];發(fā)酵前后麥秸紅外光譜和 X射線衍射的測定采用紅外光譜分析儀(Nexus 870,美國NICOLET公司)和X-射線衍射光譜儀(XTRA,瑞士ARL公司).1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 采用 SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥預(yù)處理對(duì)MS理化特性和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 對(duì)MS理化特性的影響 由表1可知,實(shí)驗(yàn)第3d尚處于堆肥升溫期,第6d處于堆肥高溫期,第9d已開始降溫;在堆肥前期,由于大量有機(jī)物被微生物分解利用,有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮,堆肥pH值隨之增加,pH值變化與溫度變化相吻合;總氮的含量先降低后增加,各處理間差異顯著,這是因?yàn)樵诙逊是捌?隨著大量有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮,導(dǎo)致pH值增加,反過來又促進(jìn)了氮素的損失,隨著有機(jī)物大量分解,碳素?fù)p失的速度大于氮素,氮素相對(duì)被濃縮,氮素含量穩(wěn)步增加;在木質(zhì)素、纖維素和半纖維素中,被好氧微生物分解利用的難易程度由大到小依次為半纖維素>纖維素>木質(zhì)素,結(jié)果出現(xiàn)半纖維素含量降幅最大,纖維素次之,而木質(zhì)素相對(duì)含量還略有增加;TS損失率的結(jié)果顯示,隨著堆肥時(shí)間延長,麥秸 TS損失率不斷增加,且高溫階段加快了麥秸 TS損失,堆肥9d后TS損失達(dá)到20%,各處理間差異顯著(5%顯著水平).

表1 麥秸與奶牛廢水混合物堆肥過程中理化特性的變化Table 1 Changes of physico-chemical properties of the mixture of wheat straw and cattle wastewater during composting process

2.1.2 對(duì)MS物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 XRD譜圖的變化:由圖 2可以看出,各處理麥秸均在 2θ＝22°附近有一極大峰,這是002晶面的衍射峰,單從圖譜來說,衍射峰越明銳,晶體結(jié)晶程度越高[17].經(jīng)堆肥處理后,各處理在該處的衍射峰強(qiáng)度均增強(qiáng),表明堆肥處理后麥秸纖維素結(jié)晶區(qū)的結(jié)晶程度增加,堆肥3,6,9d的麥秸分別從堆肥前的146增加到堆肥后的271、250和238,呈先增加后緩慢降低的趨勢(shì),這是因?yàn)槎逊是捌谖⑸镏饕玫氖且追纸獾挠袡C(jī)物,隨著堆肥的進(jìn)行,好氧微生物開始分解破壞纖維素的結(jié)晶區(qū).經(jīng)堆肥處理后,麥秸在 2θ＝26.60°左右均出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的峰,此處是SiO2的衍射強(qiáng)度峰,各處理在該處的峰強(qiáng)度由高到低依次為 T4>T3>T2,隨著堆肥時(shí)間的延長峰強(qiáng)度增強(qiáng),這可能是因?yàn)殡S著好氧微生物對(duì)麥秸有機(jī)物的分解破壞,麥秸中部分膠結(jié)于有機(jī)物中的硅酸鹽類物質(zhì)受到破壞,且堆肥時(shí)間越長硅酸鹽類物質(zhì)受破壞的程度越大,這與麥秸 TS和VS損失率的結(jié)果一致.

圖2 堆肥過程中麥秸XRD譜圖的變化Fig.2 X-ray diffraction patterns of wheat straw obtained before and after composting

FTIR譜圖的變化:由圖 3可知,堆肥前后,麥秸的紅外光譜骨架結(jié)構(gòu)基本一致,只是某些官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度發(fā)生了較大變化.堆肥處理后,在1734cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度隨著堆肥時(shí)間的延長減弱,該處是半纖維素中未鍵和的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰,表明堆肥處理后半纖維素的含量降低,這與常規(guī)分析的結(jié)果一致(表 2).在 1509～1515,1375,1322,1254,1162cm-1處的吸收峰強(qiáng)度均減弱,且吸收峰強(qiáng)度隨著堆肥時(shí)間的延長減弱.1509～1515cm-1是木質(zhì)素中苯環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)峰,1375cm-1是纖維素中 C—H的變形振動(dòng)峰,1322cm-1是纖維素 C—H振動(dòng)峰和丁香基衍生物中 C—O振動(dòng)峰,1254cm-1木質(zhì)素中紫丁香基芳香環(huán)和 C—O的伸縮振動(dòng)峰,1162cm-1是纖維素和半纖維素中 C—O—C振動(dòng)峰[18-20],結(jié)合常規(guī)分析的結(jié)果,推斷在堆肥過程中,麥秸木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)受到破壞,組成木質(zhì)纖維素的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生了變化,結(jié)果出現(xiàn)纖維素含量略有降低,木質(zhì)素含量稍有增加,而相應(yīng)的特征官能團(tuán)卻有所降低.895cm-1是纖維素中C—H彎曲振動(dòng)峰,堆肥處理后,各處理在該處的吸收峰強(qiáng)度均不同程度增加,以堆肥3d的麥秸最強(qiáng),結(jié)合XRD的結(jié)果,推斷該處可能是纖維素結(jié)晶區(qū)某些官能團(tuán)的特征吸收峰.

圖3 堆肥過程中麥秸FTIR譜圖及其指紋區(qū)的變化Fig.3 FTIR spectra patterns and fingerprint region of FTIR spectra of wheat straw obtained before and after composting

2.2 堆肥預(yù)處理對(duì)MS厭氧消化特性的影響

2.2.1 對(duì)產(chǎn)氣特性的影響 本試驗(yàn)選取堆肥第0,3,6,9d的物料為原料進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn),厭氧發(fā)酵過程中麥秸日產(chǎn)氣量的變化見圖 4(a).可以看出,各處理日產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)相似,均為先增加后降低.T1在實(shí)驗(yàn)第4,19d出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰,峰值分別為 14.13,12.55mL/g,之后產(chǎn)氣不斷下降;T2在實(shí)驗(yàn)第4,9,18d出現(xiàn)3個(gè)產(chǎn)氣高峰,峰值分別為 11.06,16.78,12.55mL/g;T3在實(shí)驗(yàn)第 11,18d出現(xiàn) 2個(gè)產(chǎn)氣高峰,峰值分別為 10.10,13.75mL/g;T4在實(shí)驗(yàn)第18d出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰,峰值為 14.38mL/g.可以看出,隨著堆肥時(shí)間的延長,MS產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時(shí)間逐漸后延,產(chǎn)氣峰值先增加后降低,這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)亩逊士梢云茐柠溄漳举|(zhì)纖維結(jié)構(gòu),有利于厭氧微生物利用,但堆肥時(shí)間過長會(huì)消耗過多的易分解有機(jī)物,不利于厭氧微生物利用.試驗(yàn)后期,T2日產(chǎn)氣量下降的速度顯著高于其他處理(P=0.0001),T1、T2、T3和T4累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量80%需要的時(shí)間分別為42,34,40,43d,堆肥3d和6d麥秸的厭氧產(chǎn)氣速率較對(duì)照分別提前了 8d和 2d,但堆肥時(shí)間太長反而降低了產(chǎn)氣速率,這主要與好氧微生物消耗了過多的麥秸有機(jī)物有關(guān).

圖4 厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化Fig.4 Changes of daily biogas yield and methane content during anaerobic digestion

厭氧發(fā)酵過程中,甲烷含量的變化見圖 4(b).可以看出,各處理甲烷含量的變化趨勢(shì)相似,均為發(fā)酵前期迅速增加,之后穩(wěn)定在 50%～60%之間.實(shí)驗(yàn)第16～41d,T1的甲烷含量高于其他處理5個(gè)百分點(diǎn),T2、T3和T4間差異不顯著(P=0.7036),這可能與堆肥預(yù)處理消耗了部分易分解有機(jī)物有關(guān),具體原因有待于進(jìn)一步研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),T1、T2、T3和 T4的平均甲烷含量分別為50.64%、49.59%、49.99%和50.02%,各處理間差異不顯著(P=0.3681).

由表2可見,T1、T2、T3和T4的累積產(chǎn)氣量分別為377.50、388.85、354.71和353.65mL/g,T2、T3、T4的累積產(chǎn)氣量分別為T1的103.01%、93.96%和 93.68%,T1、T2與 T3、T4間差異顯著,T1、T2間以及T3、T4間差異不顯著,可以看出,堆肥預(yù)處理對(duì)提高麥秸產(chǎn)氣量并無明顯促進(jìn)作用,堆肥時(shí)間太長反而會(huì)降低麥秸產(chǎn)氣量;考慮到堆肥預(yù)處理過程中麥秸干物質(zhì)的損失,將其折算后,T1、T2、T3和 T4的累積產(chǎn)氣量分別為377.50、378.62、314.06 和 292.92mL/g,T2、T3、T4的累積產(chǎn)氣量分別為T1的100.30%、83.19%和77.59%,堆肥6d和9d麥秸的TS產(chǎn)氣量顯著低于未堆肥和堆肥3d的麥秸,堆肥預(yù)處理并不能提高麥秸的產(chǎn)氣量,堆肥時(shí)間太長還會(huì)降低麥秸的產(chǎn)氣能力,這和高白茹等[12]的研究結(jié)果一致.TS和VS損失率的變化趨勢(shì)相同,均隨著堆肥時(shí)間的延長先增加后降低,這是因?yàn)橛糜趨捬醢l(fā)酵實(shí)驗(yàn)的物料是堆肥第0,3,6,9d的奶牛廢水與麥秸混合料,堆肥過程中大量易分解有機(jī)物(如淀粉、糖類、粗蛋白等)被好氧微生物分解利用,堆肥時(shí)間越長,物料中易分解有機(jī)物被分解的程度越大,可被厭氧微生物分解利用的有機(jī)物越少,結(jié)果出現(xiàn)堆肥時(shí)間越長物料厭氧發(fā)酵后TS和VS損失率越小.

2.2.2 對(duì)厭氧發(fā)酵后麥秸理化性狀的影響 由表3可以看出,厭氧發(fā)酵后,麥秸的有機(jī)碳、纖維素和半纖維素含量均大幅降低,總氮含量大幅增加了50.43%,木質(zhì)素含量增加了6.78%,這是因?yàn)槟举|(zhì)素的分解是需要分子氧的,其在厭氧發(fā)酵過程中幾乎不被分解[5],麥秸中的木質(zhì)素相對(duì)被濃縮;T2～T4麥秸中有機(jī)碳、纖維素和半纖維素含量均緩慢增加,總氮和木質(zhì)素含量緩慢下降,這與堆肥預(yù)處理消耗了較多的易分解有機(jī)物有關(guān),且堆肥時(shí)間越長,易分解有機(jī)物被消耗的越多,導(dǎo)致厭氧發(fā)酵時(shí)可被厭氧微生物分解利用的有機(jī)物相對(duì)較少,有機(jī)碳、纖維素和半纖維素的分解率降低,這與產(chǎn)氣的結(jié)果一致;堆肥預(yù)處理使木質(zhì)素大分子變?yōu)樾》肿?雖然木質(zhì)素含量變化不大,但木質(zhì)素的形態(tài)發(fā)生了較大變化,堆肥后的麥秸厭氧發(fā)酵時(shí),木質(zhì)素碎片進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵液中,結(jié)果出現(xiàn)T4中木質(zhì)素最低,T2中木質(zhì)素含量最高的現(xiàn)象,各處理間差異不顯著.從沼渣綜合利用的角度看,堆肥預(yù)處理 3d的效果最好,但各處理間差異并不顯著.

表2 各處理產(chǎn)氣結(jié)果Table 2 Gas data of the experiment

表3 厭氧發(fā)酵后麥秸理化特性的數(shù)據(jù)Table 3 Datas of physico-chemical properties of wheat straw obtained after anaerobic digestion

圖5 厭氧發(fā)酵前后麥秸XRD譜圖變化Fig.5 X-ray diffraction patterns of wheat straw obtained before and after anaerobic digestion

2.2.3 對(duì)厭氧發(fā)酵前后麥秸 XRD譜圖的影響 圖5是麥秸和堆肥預(yù)處理0,3,6,9d的MS經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后沼渣的 XRD 譜圖.可以看出,麥秸(T1)厭氧發(fā)酵后,結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng),在 2θ＝22°附近的吸收峰強(qiáng)度從原料麥秸的146增加到發(fā)酵后的251,這是因?yàn)槔w維素的結(jié)晶區(qū)在厭氧條件下很難被厭氧微生物分解破壞,是影響秸稈厭氧生物轉(zhuǎn)化的一大障礙因子.厭氧發(fā)酵后,T2～T4結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度均不同程度增強(qiáng)(與圖2相比),這與T1的變化相似;在T2、T3和 T4中,厭氧發(fā)酵后的麥秸纖維素結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度以 T2最高,這與其堆肥預(yù)處理時(shí)間較短以及厭氧發(fā)酵過程中較高的TS損失率有關(guān).

3 結(jié)論

3.1 堆肥預(yù)處理造成麥秸干物質(zhì)大量損失,隨著堆肥時(shí)間的延長,干物質(zhì)損失率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),堆肥 9d后麥秸干物質(zhì)損失率高達(dá) 20%,堆肥0,3,6,9d麥秸TS損失率差異顯著,堆肥后麥秸纖維素結(jié)晶程度增強(qiáng).

3.2 堆肥預(yù)處理后麥秸產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣峰值均增加,T2、T3累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量80%需要的時(shí)間較對(duì)照分別提前了8d和2d,T2產(chǎn)氣峰值較對(duì)照增加了2.65mL/d,但堆肥9d麥秸產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣峰值反而降低.

3.3 堆肥預(yù)處理并不能提高麥秸的產(chǎn)氣量和甲烷含量,由于堆肥造成麥秸干物質(zhì)大量損失,堆肥3,6,9d后其 TS產(chǎn)氣量僅為對(duì)照的 100.30%、83.19%和77.59%,各處理間甲烷含量差異不顯著(P=0.3681),堆肥后麥秸的可生物降解性降低,厭氧發(fā)酵后TS和VS損失率均隨堆肥時(shí)間的延長降低.因此,從提高麥秸厭氧產(chǎn)氣量的角度看,堆肥預(yù)處理不適合作為麥秸的預(yù)處理方式,但是對(duì)加快反應(yīng)器啟動(dòng),提高麥秸產(chǎn)氣速率有一定的促進(jìn)作用,以堆肥處理3d的效果最好.

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