基于不同底物的微氧沼气发酵原位脱硫及其影响研究

2019-05-07楼毕觉邓小宁程玉娥林春绵

食品与发酵工业 2019年8期

楼毕觉，邓小宁，程玉娥，林春绵

(浙江工业大学环境学院，浙江杭州，310014)

根据《可再生能源发展“十三五”规划》，到2020年，全国可再生能源年利用量折合7.3亿t标准煤，相当于减少CO2排放量约14亿t，减少SO2排放量约1 000万t，减少氮氧化物排放约430万t，减少烟尘排放约580万t，年节约用水约38亿m3[1-2]。可再生绿色能源的研发已逐渐成为国内外研究的热点[3-5]。

根据《全国农村沼气发展“十三五”规划》测算，中国每年产生农作物秸秆10.4亿t，可收集资源量约9亿t，约有1.8亿t的秸秆未得到有效利用，导致了环境污染和资源浪费。利用农作物秸秆厌氧发酵产沼气可以有效地解决该问题。沼气是一种清洁可再生能源，可为城镇提供电力和热力，也可经提纯得到的生物天然气并入天然气管网，进一步推动可再生绿色能源——沼气融入到当今的能源供应体系中[6]。沼气的主要成分为60%～70%的CH4和30%～40%的CO2，同时还含有0.1%～3%的H2S和少量水汽[7]。在沼气净化、运输、储存和使用的过程中，H2S会造成沼气净化设备、运输管道、储气柜等设备的腐蚀，利用效率的降低，使用寿命缩短，导致严重的安全问题[8-9]。沼气作为车用压缩天然气燃料时，H2S浓度应不高于15 mg/m3[10]；并入天然气管网时，一类天然气对H2S含量要求为不高于6 mg/m3，二类天然气对H2S含量要求为不高于20 mg/m3[11]。而厌氧发酵产生的沼气中H2S的浓度远远高于此标准，因此，无论工业还是民用过程中，都必须对沼气进行脱硫处理[12]。

脱硫方法大致上可以分为干法脱硫、湿法脱硫以及一些其他脱硫方法，如生物脱硫、电化学再生脱硫、原位脱硫等[13-18]。其中，干法、湿法脱硫都属于目前工业应用中传统的脱硫方法[19]。这些方法脱硫效率较低，但沼气发酵工程规模逐年增大，亟需寻求一种低运行成本、高处理效率、操作简单的新型脱硫方法[20]。微氧法原位脱硫是一种新兴的脱硫方法，即向发酵罐中通入微量的氧气，使之与沼气中的H2S反应生成单质硫或硫酸盐[21-24]。随着国内外对微氧法原位脱硫技术研究的不断深入，往发酵罐顶部连续通入氧气已成为最佳选择方式。本实验通过微氧发酵的方法，探究了不同底物对发酵的影响，并研究了其对产气规律、沼气组分、脱硫效率以及对发酵液挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAS)VFAs的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

实验分别选用水稻秸秆和小麦秸秆(取自江苏省宿迁市归仁镇墩伦村)作为发酵原料，其中水稻秸秆总固体(total solid,TS)为(93.3±0.2)%，挥发性固体(volatile solid,VS)为(84.5±0.4)%，小麦秸秆总固体为(91.8±0.4)%，挥发性固体为(86.7±0.5)%，使用前先用粉碎机将其粉碎。沼液作为接种物，取自杭州正兴牧业有限公司，总固体为(3.0±0.2)%，挥发性固体为(1.8±0.2)%。

1.2 实验装置及说明

本实验建立了能连续导入O2的实验装置，使得氧气能够连续通入沼气厌氧发酵系统。实验在30 L带搅拌的序批式发酵罐中进行，发酵罐外部装有循环热水套，以维持反应过程中所需要的温度，并由热电偶测定与显示；发酵罐一侧装有可拆卸的pH电极，可从设备操作面板上直接读取沼液的pH值；同时，数字控制装置与发酵罐的搅拌装置相连，用来控制搅拌速度。发酵罐与滑动式集气柜相连，用来收集发酵过程中产生的气体。

实验选用水稻秸秆和小麦秸秆分别作为发酵底物，以沼液为接种物，向发酵罐中分别装入963 g水稻秸秆和978 g小麦秸秆，并向其中各加入12 L沼液和8 L水，控制总TS为(8±0.1)%，发酵温度设置为55 ℃，搅拌速度设定为100 r/min。发酵罐密封后用高纯氩驱赶发酵罐内残余的空气，使之处于完全厌氧状态。氧气自钢瓶出来，经转子流量计、蠕动泵、分气头控制气量后，从发酵罐的上部通入。由前期预实验可知产生沼气中H2S的含量，在高温发酵条件下，设置连续的O2通入量分别为体系中H2S产生量的1、 2、3倍，由此可得，水稻秸秆作为发酵底物时，发酵罐中O2通入量分别为75、150、225 mL/(L·d)；小麦秸秆作为发酵底物时，发酵罐中O2通入量分别为39、78、117 mL/(L·d)，并各自设置不通O2的对照组实验。

在发酵产气的第9天通入O2(即发酵产气保持相对平稳的时期)，设置发酵周期为30 d，每日计量沼气产生量；每5 d取罐中发酵液，测定pH值，且每10 d测定发酵液中VFAs的含量；每5 d采沼气样，测定其中CH4、CO2、O2、H2S的体积分数；测定发酵开始前和结束后沼液中的COD、TS和VS。

秸秆和沼液的TS、VS根据参考文献[25]测定。沼气中CH4、CO2、O2含量的检测方法如下：采用六通阀进样器进样，即采用铝箔采样袋将试样从进样孔注射至2 mL定量环，待定量环充满后，以高纯氩为载气携带试样进入气相色谱(GC-1690N，Agilent)的填充柱TDX-01内，最后采用热导检测器TCD检测。沼气中H2S含量的检测方法如下：进样方式同上，O2作为助燃气体，H2点火，以N2为载气携带试样进入气相色谱(GC-2014，岛津)的毛细管柱SH-Rtx-1(60 m×0.32 mm×5 μm)内，采用火焰光度检测器(FPD)检测。沼液中VFAs浓度的测定方法如下：通过微量进样针自动吸取进样瓶中的试样，经过气化室将样品汽化，氧气作为助燃气体，氢气点火，以氮气为载气携带汽化样品进入气相色谱(GC-6890N，Agilent Technologies)的毛细管柱AT-FFAP(30 m×0.32 mm×0.5 μm)内，采用火焰离子化检测器(FID)检测。

2 结果与分析

2.1 通氧量对不同底物发酵产沼气规律的影响

由图1可知，水稻秸秆和小麦秸秆分别作为发酵底物时，其产气规律极为相似。相比对照组，两种秸秆发酵的沼气总产量在连续通氧量为理论需氧量1、2倍时相对升高；而在通氧量为理论需氧量3倍时，两种秸秆的沼气总产量均低于对照组，可能是因为实验组发酵前期产气速率较高，底物消耗较快，且由于通入氧气过多，在发酵后期抑制了产甲烷菌的活性，导致产气量下降。但从总体上来说，氧气的通入对两种底物在整个发酵周期的沼气总产量变化不大，且水稻秸秆发酵的总产气量及产气速率均高于小麦秸秆。连续通入的O2量不同，对两种底物微氧发酵产气规律的影响几乎一致，且不改变沼气的产气规律。

a-小麦秸秆；b-水稻秸秆图1 不同发酵底物中沼气总产量变化Fig.1 Cumulative biogas production using different fermentation substrates

由图2和图3可知，对比发酵稳定期的沼气产量，实验发现对于不同底物，连续通氧量达到理论需氧量的2倍时产量最高，且小麦秸秆和水稻秸秆的产量分别升高约13%和23%。当通氧量升高到理论需氧量的3倍时，二者在发酵稳定期的产气量都不再升高。但相较于对照组，实验组中沼气的发酵稳定期天数相对延长，且呈现出较高的沼气产量，小麦秸秆和水稻秸秆发酵稳定期沼气产量分别升高约10%和12%，说明发酵体系中微量的氧气可以提高产甲烷菌的活性[26]。在本实验条件下，通氧量为理论需氧量2倍时，可达到较好的产气效果。

图2 不同发酵底物中沼气总产量(1～30 d)Fig.2 The total gas production of biogas under different fermentation substrates under different fermentation substrates

图3 不同发酵底物中发酵平稳期沼气产量(10～20 d)Fig.3 The gas production of biogas during stable fermentation

2.2 通氧量对不同底物发酵沼气组分的影响

由表1可知，小麦和水稻秸秆的沼气总产量在通氧量为理论需氧量2倍时，相较对照组分别升高约5.5%和4.6%，但通氧量升高到需氧量的3倍时，相较对照组分别降低约2.7%和1.5%，沼气总产量变化不大。随着通氧量的增大，小麦秸秆和水稻秸秆发酵沼气中CH4产量呈现出相同的变化趋势，且通氧量为理论需氧量的2倍时达到最大，分别达到12.6、14.0 L/(L·d)，体积分数分别达到(63.9±3.1)%和(66.1±3.6)%，CH4产量相较对照组分别升高约10.5%和8.5%。

表1 不同发酵底物下沼气中各组分情况Table 1 Biogas composition percentage under different fermentation substrates

注：表中水稻秸秆发酵产气平稳期取第10～20天数据；小麦秸秆发酵产气平稳期取第9～19天数据。

连续通氧量为117 mL/(L·d)时，与通氧量78 mL/(L·d) 相比，小麦秸秆发酵沼气CH4的体积分数基本不变，但平稳期沼气产量呈现出略微下降的趋势，下降约2.2%，而CH4产量和沼气总产量下降幅度较大，约为8.7%和7.8%；但相比对照组，均呈现出升高的趋势。沼气中氧气的体积分数整体维持在0.5%以下。

水稻秸秆作为发酵底物，连续通氧量为理论需氧量的1、2倍时，沼气中各组分体积分数、沼气总产量及平稳期产量、CH4产量的变化趋势均与小麦秸秆相似。当通氧量达到225 mL/(L·d)时，与通氧量150 mL/(L·d)相比，沼气总产量与CH4产量分别下降约5.8%和5.0%，此时，氧气体积分数略微超过了0.5%，这可能是因为通氧倍数不变，向水稻秸秆发酵罐中引入的氧气量较大，通氧速率较快，但气液传质较慢，造成部分O2不能及时被沼液中的硫氧化细菌和兼性厌氧菌利用，从而导致其残留在沼气中，造成O2体积分数整体略高于小麦发酵沼气中O2的体积分数；但在该条件下，平稳期沼气产量及CH4产量均高于对照组，说明连续通入的氧气没有对发酵系统产生抑制作用。

2.3 发酵底物对H2S原位脱除效果的影响

由表2、表3对比可知，小麦和水稻秸秆发酵沼气中H2S浓度波动范围分别为3 500～4 500 mg/m3和6 500～7 000 mg/m3，后者H2S浓度更高。对比H2S去除率可知，连续通氧量为相同倍数理论需氧量下，水稻秸秆发酵体系中H2S去除率略高于小麦秸秆发酵体系，可能是因为小麦秸秆发酵沼气中H2S浓度波动范围比水稻秸秆大，氧气连续通入量保持不变，使得水稻秸秆发酵沼气中H2S更能够稳定地与O2反应，从而保持相对较高的脱硫效率。

表2 小麦秸秆作为发酵底物沼气发酵过程中H2S去除效果Table 2 The concentration and removal efficiency of H2S during biogas fermentation of wheat straw as fermentation substrate

表3 水稻秸秆作为发酵底物沼气发酵过程中H2S去除效果Table 3 The concentration and removal efficiency of H2S during biogas fermentation of rice straw as fermentation substrate

连续通氧量由1倍增加到2倍，H2S的脱除效率明显增高。小麦和水稻秸秆发酵体系中H2S脱除效率由74%分别增加到95%和98%左右。由图4可知，两种不同底物的发酵体系中，O2体积分数也随着连续通氧量的增大而增大，小麦秸秆发酵体系中O2体积分数始终维持在0.5%以下。水稻秸秆发酵体系中，通氧量增加到理论需氧量的3倍时，H2S脱除效率增加不明显，但沼气中O2体积分数明显增加，且略微超过了0.5%，可能是因为氧气在发酵罐中不能及时分散，限制了与H2S的接触，残留于沼气且被带出发酵罐。

图4 不同发酵底物中发酵平稳期沼气中的O2平均体积分数Fig.4 Average O2 content in biogas during stable fermentation under different fermentation substrates

相关研究表明[27]，发酵体系中的异养甲烷营养细菌会与氧化H2S的微生物竞争O2，导致O2不能完全用于氧化H2S，因而通氧量为1倍时，O2并不能完全用于氧化H2S，导致整体的脱硫效率较低。当连续通氧量达到理论需氧量的3倍时，可能是因为发酵罐中兼性厌氧菌和好氧菌利用氧气的能力有限，用于氧化H2S的O2量达到其利用的最高限值，导致脱硫效率提高不明显，且由于气液传质速率较小，O2不能及时被其充分利用而残留在沼气中，导致O2体积分数明显升高。

2.4 发酵底物对VFAs浓度的影响

由表4、表5及图5可以看出，发酵第3天，乙酸浓度较高，可能是处于厌氧发酵初期，微生物将大分子有机物分解为小分子有机物和脂肪酸，而后进入酸化阶段，产氢产乙酸菌将第一阶段的有机酸如挥发性短链脂肪酸(丁酸、丙酸)和乙醇等水溶性小分子转化为乙酸、H2和CO2，其中乙酸所占比例最大，故大量乙酸存在于发酵液中。随着发酵不断进行，底物不断被消耗，微生物活性逐渐降低，VFAs浓度逐渐减小，最后趋于稳定，由此可知，微量氧气的通入未对发酵液中VFAs的降解造成明显的影响。

由表4、表5可以看出，水稻秸秆发酵液中VFAs的浓度及降解速率均高于小麦秸秆，且VFAs中乙酸浓度远高于其他酸，这可能是造成水稻秸秆发酵沼气中CH4体积分数高于小麦秸秆的原因。水稻秸秆发酵后期，连续通氧量达到225 mL/(L·d)时，相较于1、2倍通氧量的发酵，沼液中VFAs积累明显，可能是由于过量O2的通入，提高了发酵体系中好氧菌及兼性厌氧菌的活跃度，从而产生了较多的VFAS，同时过量的O2抑制了产甲烷菌等严格厌氧菌的活性，使得VFAs的降解受到了一定程度的抑制。