瘤胃微生物厌氧消化农业固体有机废物技术与应用研究

瘤胃微生物厌氧消化农业固体有机废物技术与应用研究

我国是农业大国,农业生产过程中产生的固体有机废物因产量大、难处理、污染严重近年被广泛关注,具有代表性的包括纤维素类生物质和禽畜养殖粪便。厌氧消化技术是处理农业固体有机废物的主流技术之一,因环境友好、可持续发展被广泛研究。

纤维素类生物质受结构紧密、结晶纤维素等影响很难被普通微生物高效转化,常用的预处理方法存在操作复杂、成本高的问题。因此,有必要研究一种经济有效的预处理方法和一种可以高效转化该类废物的微生物系统,研发适用于广大农村地区的农业固体有机废物处理新技术,具有重大而深远的意义。

本研究利用反刍动物瘤胃微生物高效降解纤维素类生物质原理,主要考察沼液对玉米秸秆预处理性能,小试、中试与工业化规模条件下体外模拟瘤胃微生物厌氧消化反应器高效降解玉米秸秆与禽畜养殖粪污产甲烷性能,主要研究内容包括:(1)采用正交实验方法,利用厌氧消化剩余沼液含有较高浓度氨的特性对玉米秸秆进行预处理。结果表明:经过沼液预处理后的秸秆表层结构被显著破坏,内部酯键、醚键等连接结构化学键断裂,相对结晶度从800%降低至最低的36.2%;9天的预处理时间、25℃左右的环境温度和500%的沼液投加量秸秆预处理效果最好,影响因素排序为预处理时间>预处理温度>沼液投加量;预处理使瘤胃微生物厌氧发酵秸秆产酸达到稳定期时间缩短40%,干物质消化率提高18%左右,与传统氨化剂对比分析,沼液对秸秆表层及内部结构破坏程度更高,对瘤胃微生物厌氧发酵糖化与酸化过程促进作用更明显,可操作性更强。

(2)模拟反刍动物瘤胃环境,建立小试规模体外模拟瘤胃微生物连续厌氧消化反应器系统,初步探索瘤胃微生物体外驯化培养条件。结果表明:控制pH为6.5

以上,39℃培养温度,120 rpm的搅拌速度,模拟反刍动物唾液成分配置缓冲溶液,成功在改良的厌氧消化反应器中实现瘤胃微生物体外培养,单独玉米秸秆底物消化系统30天左右系统即可启动成功。

干物质含量与停留时间是影响系统中间产物、酶活性和产气量的主要因素,9天停留时间,1g/(L·d)的干物质投加量条件下,系统产气量达到405mL/(g·VS),系统稳定后CH4、CO2和H2的含量约为600%,40%和0%。(3)采用Box-Behnken 实验设计与响应曲面模型法,优化混合底物预处理及发酵条件,结果表明:预处理时间3天,混合比例1:1即C/N比为19.37:1条件下,预处理效果最好,混合物的相对结晶度从81.8%降低至54.74%,发酵水解酸化速率明显高于单独底物。

混合底物消化系统22天即可启动成功,共代谢对厌氧消化混合底物性能的提高优于混合预处理,9天停留时间,干物质浓度1gVS/(L·d)和2gVS/(L·d)条件下,系统产气率均达到430mL/(g·VS),系统稳定后CH4、CO2和H2的含量约为60%,40%和0%。(4)在小试实验研究基础上,成功建立瘤胃微生物厌氧消化农业固体有机废物工业化试验基地。

沼液预处理后的玉米秸秆相对结晶度降低至50～60%,瘤胃菌厌氧发酵干物质消化率达到73.25%,中试规模预处理效果良好;温度和pH是影响厌氧消化系统稳定的主要因素,添加尿素后对单独秸秆消化系统并无明显促进作用。瘤胃菌厌氧消化系统30天左右启动成功,单独秸秆厌氧消化最高含固率可达到3%,总产气量1550L/d左右并维持稳定,单位重量产气量达到395 L/(kg·DM);混合厌氧消化系统含固率10%,总产气量维持在5100～5300L/d左右,单位重量产气量维持在420L/(kg·DM)左右,NH4+-N浓度为3000 mg/L左右时对系统产气基本无影响;好氧堆肥系统控制C/N比为20:1左右时,采用分段逐级鼓风控制系统,有机肥产品

质量满足并优于NY525-2012《有机肥料》国家标准。

(5)采用Miseq高通量测序方法,对瘤胃微生物体外演替与协同代谢机理进行了初步探索。结果表明,体外厌氧消化系统中微生物群落结构发生了较大变化,两个发酵系统中均保留了原始瘤胃微生物内核心纤维降解菌属,相对瘤胃细菌,真菌可以更好地适应新的系统,具备更为出色的纤维素类生物质降解能力。

单独玉米秸秆厌氧消化系统中,演替出包括以水解纤维素、降解丙酮酸和糖类物质的优势细菌菌群,以水解纤维素与半纤维素及果糖的优势真菌菌群,系统内甲烷菌仍以氢营养型为优势菌群,代谢底物中H2主要来源于产氢产乙酸菌和乙酸分解菌。混合底物消化系统演替出与单独消化系统不同的纤维素水解及酸化细菌优势菌群,系统内甲烷生成包括了氢营养型与乙酸营养型两种途径。

瘤胃微生物在体外厌氧消化系统中演替主要受到3个因素诱导,包括:1)生存环境变化导致部分微生物不能适应而被淘汰,2)底物诱导效应如易降解物质增多、氨氮压力等,3)甲烷菌大量富集改变了系统全过程代谢途径,氢分压降低并诱导大量互营菌出现。(6)在工业化试验基础上,建立农业固体有机废物综合治理与资源化示范工程,形成 IMFZ 关键技术(IMFZ,Integrated

Methanation,Fertilization and Zero Emission Technology)。

以存栏量十万头猪的规模化养殖场为例进行“区域农业固体有机废物处理与资源化中心”工艺设计,采用IMFZ技术协同处理秸秆与禽畜养殖粪污。项目总投资约6500万,年处理猪粪4.86万吨,污水10.44万吨,消纳秸秆2.54万亩,年可减排CO21.37万吨。

项目年产天然气396万Nm3,有机肥10800吨,液态商品肥或叶面肥16.2万吨,直接经济效益2322万元,除去运行费用与折旧等,年利润约966.0万元,投资

回报期7年左右。对纤维素类生物质收集半径进行分析,得到收购成本是影响纤维素类生物质原料收集半径的主要因素,项目规模越大装卸均摊成本越低,运输成本越高,在总成本中所占比例越大;在实验室小试、工业化中试与示范工程等基础上,建立了农业固体有机废物沼气化、肥料化、零排放集成技术与关键设备示范工程。