来源:Applied Sciences 发布时间:2021/4/30 21:05:59
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科研也很“接地气”:农业畜牧业废弃物的“零碳之旅” | MDPI Applied Sciences

论文标题:Insights into Anaerobic Co-Digestion of Lignocellulosic Biomass (Sugar Beet By-Products) and Animal Manure in Long-Term Semi-Continuous Assays(长期半连续分析对木质纤维素生物质(甜菜副产品)和动物粪便厌氧消化的认识)

期刊:Applied Sciences

作者:Kaoutar Aboudi, Xiomara Gómez-Quiroga, Carlos José Álvarez-Gallego and Luis Isidoro Romero-García

发表时间:26 July 2020

DOI: 10.3390/app10155126

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/applsci

我国是农林牧渔业资源大国,耕地面积20亿亩,占世界7%,却养活了近20%的人口。在农业及畜牧业生产中,除了收成和产量值得关注外,产生的废弃物同样不可忽视。若处置不当,农业及畜牧业废弃物会对环境造成严重破坏。

秸秆、麦秸、麦麸,以及甘蔗、甜菜、大豆、花生等榨糖榨油后产生的残渣等,最传统的处理方式是直接焚烧和填埋。然而,焚烧在浪费生物质资源的同时,还会造成空气污染,更有引发火灾的风险。秸秆还田及残渣填埋等方式,可以通过微生物分解,将生物质转化为肥料,最终被土壤吸收。但是,好氧菌的分解过程中,往往产生大量二氧化碳,同时由于秸秆及残渣中缺乏各种微量元素,实际上并不是肥料的合适原料。

同样的问题也出现在畜牧业中。全球51%的温室气体来源于牲畜及其副产品,而来自交通运输的比例仅为13%。除了生产饲料产生的二氧化碳外,源源不断产生的牲畜粪便,是温室气体的另一大来源。由于氮和磷的含量较高,粪便通常被当做农家肥使用。粪便的渗透会造成地下水污染,在其堆积消化的过程中,也会释放大量的二氧化碳和甲烷等温室气体。

那么,如何在处理秸秆、残渣、粪便等农业畜牧业废弃物的同时,不释放温室气体呢?研究者发现,厌氧消化 (Anerobic Disgetion) 就能成功的解决这个难题。

什么是厌氧消化

通过厌氧消化技术获得沼气

在无氧条件下,生物质可以被厌氧菌和兼性菌分解,产生CH4、CO2、H2O和H2S等气体,作为清洁能源使用,该技术称为厌氧消化技术。厌氧消化已被广泛应用于污水畜禽粪便和城市有机废弃物处理等领域,不仅避免了废弃生物质对环境的破坏,减少了温室气体排放,还可以产生沼气作为清洁能源使用,发挥生物质作为资源的作用,为循环经济的发展提供了新的思路。

秸秆及残渣等农业废弃物富含纤维素,但在厌氧消化中存在矿物质及微量营养元素不足的问题。动物粪便等畜牧业废弃物中富含氮磷及多种营养元素,但单独使用时易释放氨,从而对甲烷菌的生长具有抑制作用。使用将二者结合的“互补基质厌氧共消化技术”,则可以取长补短,达到1+1>2的协同效果。

西班牙加迪斯大学的Luis Isidoro Romero教授课题组对农业废弃物与畜牧业废弃物共混互补的厌氧消化技术进行深入探讨,采用半连续消化工艺,研究了甜菜残渣与猪牛粪便厌氧共消化中的典型参数对消化稳定性的影响,从实际应用规模的角度为厌氧消化处理生物质提供了可行方案,相关研究成果以题为“Insights into Anaerobic Co-Digestion of Lignocellulosic Biomass (Sugar Beet By-Products) and Animal Manure in Long-Term Semi-Continuous Assays”发表于Applied Sciences 期刊上。

实验部分

实验中,Luis Isidoro Romero教授课题组首先对甜菜残渣和猪牛粪便进行组分和性状上的调整,确保其具有合适的固含量及酸碱度。然后按1:3的体积比混合,设置了三组实验对照:纯残渣 (SBB),残渣+猪粪 (SBB+PM),残渣+牛粪 (SBB+CM)。

随后,将原料投入半连续消化器中进行消化,同时每日监测总固体含量、挥发性固体含量、酸碱度、化学需氧量、溶解氧含量、总氮含量、氨含量、挥发性脂肪酸含量、溶解有机碳含量、沼气含量等数十项指标,并计算产酸底物碳含量及生物甲烷化度。

实验结果发现 (图1),对甲烷产量影响较大的是水力停留时间 (HRT),即原料在消化器内停留的时间。一般来说,加料越慢,则水力停留时间越长,产生的甲烷就越多,但设备运行成本及效率也会相应降低。因此最理想的情况是,在短时间内即可获得较高的甲烷产量。“残渣+猪粪”组合中,水力停留时间6天即可获得较高的甲烷日产量,属于比较理想的结果。

图1. 水力停留时间对甲烷产量的影响(A: 残渣, B: 残渣+牛粪, C: 残渣+猪粪)

一方面,人们希望获得较大的甲烷产量,另一方面,也希望该产量可以尽可能地接近“上限”极限理论产量,这一指标可用作生物甲烷化度衡量。结果显示 (图2),在中等及较低水力停留时间条件 (6–18天) 下,“残渣+猪粪 (SBB+PM)”组以大于60%的生物甲烷化度,优于另外两组。

图2. 残渣、残渣+牛粪、残渣+猪粪体系的生物甲烷化程度比较

如果能用更少的原料,生产更多的甲烷,即获得更高的单位甲烷产量,那么残渣粪便的价值又可以进一步被提升。实验结果显示 (图3),“残渣+猪粪 (SBB+PM)”组合的单位甲烷产量再次遥遥领先,处于高位。

图3. 不同水力停留时间下的单位甲烷产量

唯一较低的点(5天)是由于水力停留时间较低而有机物负荷较高导致,因此5天可以视为临界水力停留时间,即最少消化6天即可获得较理想的结果。pH监测结果给出了潜在原因 (图4):在临界水力停留时间以下,挥发性脂肪酸累积,使pH降低,进而导致消化反应的抑制。

图4. 不同水力停留时间下的平均pH值

当有机质转化为甲烷等气体时,原料的挥发性固体去除率也会相应上升。结果显示 (图5),该参数并不是“越久越高”,而是存在一个极值,而且与原料的具体成分有关。“残渣+猪粪 (SBB+PM)”12天取得极值,“残渣+牛粪 (SBB+CM)”18天取得极值,而“纯残渣 (SBB)”取得极值需要20天以上。再次证明了残渣猪粪共混消化的互补优势。

图5. 不同水力停留时间下的挥发性固体去除率

此外,对消化池中的碳元素进行归类与分析,可以进一步得到甲烷产生的机理和影响因素。气体甲烷 (CH4) 中的碳 (C) 来源于挥发性脂肪酸 (DAC),进一步来源于原料中的溶解有机碳 (DOC),而溶解有机碳中的另一部分,最终转化为无法挥发的脂肪酸,该部分碳称为产酸碳 (ASC)。

不同的投料速度 (OLR) 可以改变上述三个参数的浓度和相互转化关系,进一步帮助揭示甲烷产生路径 (图6)。

图6. 由投料速度(OLR)变化导致的溶解有机碳(DOC)、挥发性脂肪酸(DAC)、产酸碳(ASC) 及甲烷(CH4)浓度变化

在消化器启动的初期阶段,挥发性脂肪酸累积,出现轻微的酸化,表明微生物对底物和操作条件正在适应。随后挥发性脂肪酸开始降低,甲烷开始生成。

当加大投料速度后,一开始甲烷产量得到增强,溶解有机碳也同步提高。但当挥发性脂肪酸也开始升高时,甲烷产量开始急剧下降,表明产甲烷菌的活性受到了酸性的影响,导致甲烷化反应被抑制。进一步加大投料速度,微生物种群由于过度冲刷开始变得不稳定,逐渐丧失产甲烷能力。由此可见,合适的投料速度对甲烷产量至关重要。

过度酸化和过多的丙酸,是抑制厌氧消化的主要因素。文章的最后,基于“总碱度”、“酸度/碱度比”、“丙酸浓度”及“丙酸/乙酸比”四大参数,对消化工艺稳定性进行分析 (图7)。

图7. 不同水力停留时间下的总碱度(A)、酸度/碱度比(B)、丙酸浓度(C)、丙酸/乙酸比(D)

结果显示,甜菜残渣富含有机碳,但缺乏氮和总碱度,在单独消化过程中,缺乏对挥发性有机酸的缓冲能力,导致酸度过高,使微生物的耐受极限发生改变。

甜菜残渣与动物粪便,尤其是与猪粪共消化时,可以获得最高的碱度提升,说明猪粪具有较高的缓冲能力,可以中和系统中的有机酸,提高工艺的稳定性。此外,不同的动物粪便,在碱度、氨含量、消化道提供的微生物等方面均存在差异,因此造成观测结果的不同。

结语

总的来说,“互补基质共消化技术”可以做到取长补短,利用原料成分的不同,相互弥补各自的缺点,达到协同耦合的效果。动物粪便的高氮含量提供良好的酸碱缓冲能力,弥补了植物残渣的过度酸化,使其快速取得较高的生物降解性,获得更高的甲烷产量及生物甲烷化度。当然,该技术并不局限于此,沿着这条思路,我们可以开发更多体系,拓宽可再生能源的开发和循环经济的发展。

期刊介绍

Applied Sciences (ISSN 2076-3417, IF 2.474) 是一个国际型开放获取期刊,主要发表应用自然科学研究领域的相关论文,期刊主题涵盖光学和激光、应用化学、纳米技术和应用纳米科学、环境和可持续发展、应用生物学以及计算与人工智能等领域。Applied Sciences 采取单盲同行评审,一审平均周期约为14.1天,文章从接收到发表仅需2.7天。

 
 
 
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