菌渣厌氧发酵工艺条件的优化(2)
厌氧发酵，又称为厌氧消化，指的是在没有分子氧的情况下，厌氧微生物将发酵底物中的复杂有机物完全水解成小分子物质，进一步转化为水、二氧化碳、甲烷等无机物的过程[5]。厌氧发酵是一种重要的生物质能转化技术,能够对高有机物含量废弃物进行减量化、资源化和能源化利用，是一种理想的抗生素菌渣处理替代技术[6]。通过厌氧发酵，可以把难以降解的抗生素菌渣废弃物转化为清洁能源甲烷，实现资源的回收利用，同时也有效地对菌渣实现了减量化。
根据Mata Alvarez、Raposo等人的研究，含固率和接种比直接影响了厌氧消化过程中的产甲烷效率[7-8]。含固率指的是菌渣被蒸馏水稀释后的混合溶液中的固体含量。一般情况下，发酵体系的含固率越高，反应器的容积相对越小，但有机负荷越高，会影响到产甲烷菌的活性 [9]。而含固率越低，发酵体系所含抗生素的浓度越低，则菌渣中的抗生素对产甲烷菌和厌氧发酵过程的抑制与毒害影响越小[10]。接种比指的是接种的污泥与菌渣干重之比。接种比的大小决定了发酵体系中厌氧菌的数量，并且在一定程度上影响了体系中微生物种群的稳定性，进而影响厌氧消化过程的正常进行[11]。通常来说，接种比越高，厌氧发酵过程的产甲烷能力越强。因此,含固率和接种比是厌氧发酵过程中的关键性因素。
本研究以棘白菌素为研究对象，进行中温厌氧消化恒温摇床试验，测定不同的含固率和接种比下棘白菌素菌渣的pH、氨氮、COD、产甲烷量等指标。通过比较不同含固率和接种比对棘白菌素菌渣产甲烷能力的影响，从而实现对菌渣厌氧发酵工艺条件的优化，为进一步的反应器实验以及后续的实际应用提供理论依据。
1 材料与方法
1．1 实验材料
1．1．1 棘白菌素菌渣基本特性
棘白菌素菌渣取自南京农业大学固废课题组实验室(上海某医药公司，于4℃保存。棘白菌素菌渣的TS为3.0%，VS占TS的93.51%；以干基计的C含量为 42.32%-44.07%，H含量为 6.69%-6.82%，N含量为4.22%-4.56%,C/N约为10左右。其主要理化性质见表1-1。
表1-1 棘白菌素菌渣的性质
指标 菌渣
pH
TS
VS
SS
VSS
含水率
SCOD
TCOD
NH4+-N 7.11
3.0%
93.51%
25g/L
24.76g/L
97.0%
17940mg/L
62768mg/L
131mg/L
1．1．2 接种污泥基本特性
接种污泥取自某畜禽养殖场。接种污泥的TS为3.3%，VS占TS的58.02%。其主要理化性质见表1-2。
表1-2 接种污泥的性质
指标 接种泥
pH
TS
VS
SS
VSS
含水率
SCOD
TCOD
NH4+-N 7.72
3.3%
58.02%
56g/L
30.48g/L
96.7 %
937mg/L
36650mg/L
1485mg/L
1．2 实验装置
发酵瓶为250mL的磨口锥形瓶，用橡胶塞密闭瓶口，在橡胶塞上打孔，便于硅胶管连接发酵瓶与集气排水装置。因为本实验采用集气排水法测定每日产甲烷量，所以必须用胶水密封各个连接处，保证整个装置完全密闭。将锥形瓶放置于恒温摇床中振荡培养，集气排水装置放置在摇床外，摇床温度设定为36℃，转速设定为120r/min。培养周期设定为15天。
图1.2 实验装置图
1．3 实验内容
本研究共设置2组实验，分别探讨含固率和接种比对菌渣厌氧发酵的影响。将菌渣和接种泥装入发酵瓶中，加入蒸馏水，混合均匀。用碳酸氢钠溶液或稀盐酸将pH调节至7.0左右。将发酵瓶放置于36℃恒温摇床中振荡培养，每日定时定量取样，每次取样2mL。将样品经离心后，取上清液测定COD与氨氮浓度，其中离心机转速设定为10000r/min,离心时间为10min。每日在取样的同时测量产气体积和pH值。如果甲烷产量连续大幅度下降，或者连续4天没有产气，则认为产气已经结束，停止测量[12]。