（发酵工程专业论文）蓝藻与猪粪混合厌氧发酵产沼气研究.pdf

摘要 摘要 为了实现太湖打捞的蓝藻资源化和无害化处置，本文在中温( 3 5 c ) 条件下对蓝藻 与猪粪厌氧发酵产沼气进行了研究。通过在实验室规模的分批发酵和示范工程大规模 ( 1 0 0 0m 3 沼气工程) 分批补料发酵的研究，得到了蓝藻与猪粪厌氧发酵的最佳条件、 主要参数在发酵过程中的变化趋势和在实际工程运行的效果。本文研究以蓝藻减量化、 无害化以及资源化为目的，为太湖蓝藻的治理提供了一条有效的途径。得到以下结论： ( 1 ) 对接种比例、p h 以及浓度进行单因素实验和响应面实验。结果表明，蓝藻与 猪粪厌氧发酵产沼气的最佳条件为：接种比例2 ：l 、p h7 9 、发酵液浓度2 9 ； ( 2 ) 在接种比例( i s r s ) 分别为3 0 ，2 0 ，1 0 ，o 5 和o 2 5 的情况下，甲烷产量分 别为2 0 6 ，2 0 2 ，9 7 ，4 8 ，2 1m lc h 4 g v s a d d c d 。i s r s 在2 o 以下时，i s r s 对蓝藻发酵产 甲烷影响较大，产甲烷量随接种量增加而增加；而3 o 时，甲烷产量与2 0 相比变化不 大。而在各种i s r s 情况下，整个产气过程遵守c h e y n o w e t h 方程b = b 。( 1 一e 岫) ，相关 系数r 2 0 9 7 。对蓝藻的生物降解率( b d ) 进行研究表明，随着i s r s 的降低，蓝藻的 b d ( ) 值分别为4 6 5 ，6 8 5 ，4 4 8 ，2 9 2 和1 4 2 ；对发酵液中的p h 、多糖、蛋白质、v s 、 氨氮和v f a s 研究表明，多糖集中在发酵的前期降解，蛋白质则在后期降解较明显，蛋 白质降解也导致了氨氮含量在发酵后期有较大的提高；发酵结束后，v f a s 几乎全部消 耗，v s 的降解率在1 8 3 5 之间； ( 3 ) 在对蓝藻与猪粪发酵进行工程调试时，蓝藻猪粪发酵产沼气量随着添加蓝藻的 量的增加而增加，在反应器稳定运行后，每日稳定产沼气6 5 0 7 0 0 m 3 ，其中沼气成分为： c h 4 含量在6 0 6 5 左右，c 0 2 约2 0 ，n 2 含量约5 ，未检测到h 2 s 气体；对扩大后沼 气工程发酵后的沼渣沼液进行分析，其主要有效养分含量的测试结果为：总氮含量为 4 0 5 8g l ：总磷含量为0 4 1 0 5 0g l ；总钾含量为0 2 1 0 3 3g l ；而对发酵原料及沼渣 沼液中藻毒素研究显示，发酵原料中的藻毒素含量较高，藻毒素r r 达到3 9 5m g l ，藻 毒素l r 达到1 0 3m g l ，而厌氧发酵后沼渣沼液中藻毒素r r 和藻毒素l r 毒素都低于 检测限。因此，沼渣沼液不论从养分还是安全性来说都是很好的有机肥料。 关键词：蓝藻，猪粪，厌氧发酵，沼气；藻毒素 a b s t r a c t a b s t r a c t b i o g a sp r o d u c t i o nf r o mb l u e - g r e e na l g a ea n dp i gm a r r l r eb ya n a e r o b i cd i g e s t i o na t3 5 w a si n v e s t i g a t e df o rt h ep u r p o s eo fr e s o u r c er e c o v e r ya n dh a r m l e s st r e a t m e n to ft h e b l u e g r e e na l g a es a l v a g e d f r o mt a i h ul a k e i nt h es t u d i e d l a b o r a t o r y - s c a l e b a t c h f e r m e n t a t i o na n dl a r g e - s c a l ef e d b a t c hf e r m e n t a t i o n ，w eo b t a i n e dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sa n d t h em a i np a r a m e t e r si nt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sa n df u r t h e rc a r r i e do u tt h e10 0 0m 3b i o g a s p r o d u c t i o nd e m o n s t r a t i o np r o j e c t i nt h i sp a p e r ，w ef o u n dan e we f f e c t i v ew a yt om a n a g et h e b l u e g r e e na l g a ef r o mt a i h ul a k e r e s u l t sw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n o c u l u mt os u b s t r a t er a t i o s ( i s r s ) ，p ha n da l g a ec o n c e n t r a t i o nw e r es t u d i e db y s i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t sa n dr e s p o n s es u r f a c ee x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb e s t c o n d i t i o n so fp r o d u c t i o no fb i o g a sf r o mb l u e - g r e e na l g a ea n dp i gm a n u r eb ya n a e r o b i c d i g e s t i o nw e r ea sf o l l o w s ：i s p s2 ：1 ，p h7 9 ，a n df e r m e n t a t i o nb r o t hc o n c e n t r a t i o no f2 9 ( 2 ) w h e ni s rw a s3 0 ，2 0 ，1 0 ，0 5a n d0 2 5 ，m e t h a n ep r o d u c t i o nc o n t e n tr e a c h e d2 0 6 ， 2 0 2 ，9 7 ，4 8 ，21m lc i - h g v s a d d e dr e s p e c t i v e l y i s rh a dag r e a te f f e c to nm e t h a n ep r o d u c i n g b l u e - g r e e na l g a ew h e ni s rw a sl o w e rt h a n2 0a n dm e t h a n ep r o d u c t i o ni n c r e a s e d 、) l ，i t l l i n o c u l a t i o nr a t i o h o w e v e r , t h ea m o u n to fm e t h a n ep r o d u c e dw a st h es a m ew h e ni s rw a s 3 0 u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fi s r s ，t h ew h o l em e t h a n ep r o d u c t i o na b i d e dt h ec h e y n o w e t h f o r m u l a ( b = b o ( 1 一e 嘲) ) a n dt h er e g r e s s i o na n a l y s i s 啷r 2 0 9 7 a si s rd e c r e a s e d ，t h e v a l u e so fb d ( ) o fb l u e - g r e e na l g a ed e c r e a s e df r o m4 6 5t o4 2 w i mr e g a r dt ot h ep h ， p o l y s a c c h a r i d e s ，p r o t e i n , v s ，a m m o n i aa n dv f a si nf e r m e n t a t i o nb r o t h ，t h ep a r a m e t e r s d e p l e t e dg r a d u a l l y e s p e c i a l l y ，v f a sd e p l e t e dc o m p l e t e l yw h e nv sd e g r a d a t i o nr a t ew a sa t t h er a n g eo f18 35 p o l y s a c c h a r i d e sd e g r a d a t i o nw a sf a s td u r i n gt h ei n i t i a l s t a g eo f f e r m e n t a t i o n ，s ow a sv i s i b l ep r o t e i nd e g r a d a t i o na tal a t e rs t a g e p r o t e i nd e g r a d a t i o nc a u s e d a m m o n i ac o n t e n tt oi n c r e a s ea tt h el a t e rs t a g eo ft h ef e r m e n t a t i o n 1 r t l eo p t i m u mp hr a n g ef o r a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ns h o u l db ew i t h i n7 1 7 7 ( 3 ) f i n a l l y ，w ed i dt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to fp r o d u c t i o no fb i o g a sf r o mb l u e g r e e n a l g a ea n dp i gm a n u r eb ya n a e r o b i cd i g e s t i o n , a n df o u n do u tt h a tt h eg a sv o l u m ei n c r e a s e d 、i t l lt h eb l u e 。g r e e na l g a ea d d i t i o nl e v e l w h e nt h er e a c t o rw a so p e r a t e ds t a b l y ，t h eg a s p r o d u c t i o nw a sb e t w e e n6 5 0n ，a n d7 0 0m ，w h i c hi n c l u d e da b o u t6 0 6 5 m e t h a n e 2 0 c 0 2 ，5 n 2 h o w e v e r ，h 2 sg a sw a sn o td e t e c t e di nt h eb i o g a s b i o g a sr e s i d u e sa f t e r f e r m e n t a t i o nb yt h ea l g a ew e r ea l s oa n a l y s e d ，w a sf o u n dt h a tt h em a i ne f f e c t i v en u t r i e n t c o n t e n to ft h et e s tr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：t o t a ln i t r o g e nc o n t e n tw a s4 0g lt o5 8g l ，t o t a l p h o s p h o r u sc o n t e n tw a s0 4 1g lt o0 5 0g r l ，t o t a lp o t a s s i u mc o n t e n tw a s0 2 1g lt o0 3 3 g l f u r t h e r m o r e ，t h ec y a n o p h y c e a nt o x i n sl e v e l so ft h er a wm a t e r i a l sw a sh i g hw i t hm c i 汛 c o n t e n to f3 9 5m e g la n dm c l ro f10 3m e g l m c r ra n dm c l rw e r en o td e t e c t e d a f t e rt h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t h e r e f o r e ，r e g a r d l e s so fn u t r i e n tc o n t e n to rt h es a f e t y ，t h e r e s i d u e sa r eg o o do r g a n i cf e r t i l i z e r s k e y w o r d s ：b l u e - g r e e na l g a e ；p i gm a n u r e ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；b i o g a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：曼寿木文 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：量矗盘导师签名：醴： 日 期：硼7 占 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 0 7 年5 月，太湖出现了规模较大的一次蓝藻爆发事件，引发了无锡城区近半市 民的饮水危机。蓝藻的治理已成为政府和百姓关注的焦点。蓝藻的打捞及打捞后的处理 是现阶段太湖治理过程中亟待解决的一大问题。蓝藻的减量化、无害化以及资源化处置， 对于实现省政府提出的有效控制太湖湖体富营养化程度，实现水质明显改善，在5 8 年 内从根本上解决太湖水污染问题具有非常重要的意义。 在无锡太湖十八湾，有3 个共1 8 万立方的蓝藻堆放坑，2 0 0 7 年夏天打捞上来的蓝 藻大部分集中在那里。目前，坑中的蓝藻绝大部分还没有处理掉( 约1 5 万t ，含固率 1 3 ) ，带来了较大的处置压力。 而2 0 0 8 年蓝藻再一次的爆发，无锡市水资源管理处已采用新开发的捞藻船和蓝藻 专业打捞队打捞。在蓝藻爆发的时间内，每天有近3 0 0 0t 蓝藻水( 1 - 2 含固率) 从太 湖水体中打捞上来，几乎是2 0 0 7 年的3 倍。打捞上来的蓝藻如不妥善处理，容易造成 恶臭、渗漏、通过暴雨径流重新污染水体等二次污染。 对于蓝藻的合理处置，成为重要而紧迫的现实问题。如在对蓝藻进行处理的同时， 将蓝藻变害为利、变废为宝，达到综合治理的目的，是一项非常有意义的工作。在对蓝 藻处置的各种途径探讨和分析过程中，我们认为现阶段最安全、能规模化处置的办法是 将蓝藻作为原料和猪粪混合厌氧发酵生产沼气，产生的沼渣沼液作为肥料。目前对蓝藻 进行厌氧发酵产沼气研究的报道不多，也无相应的大规模示范工程建设的报道。但对某 些有机废水和有机废弃物的厌氧发酵产沼气研究和实际工程建设都有报道。厌氧发酵产 沼气技术也属于比较成熟的工艺。 目前，我国8 0 左右的湖泊水库存在不同程度的富营养化，是全球水体富营养化和 蓝藻水华爆发最严重的国家之一。2 0 0 7 年太湖蓝藻爆发后，仅在太湖岸边打捞蓝藻，最 高时每天的打捞量就达1 0 0 0t 。对打捞上来的蓝藻进行厌氧发酵产沼气处理不仅能大量 消耗蓝藻而且产生可再生能源一沼气和高效绿肥，具有环境和经济效益。且该项目具有 很强的操作性，如果这一技术能成功应用，不仅对太湖而且对国内外同样面临蓝藻问题 的湖泊提供一条可行之路。因此该项目具有广阔的市场。 在环境污染日益严重的今天，人类还面对着能源匮乏这一战略性问题。将废弃的生 物质能转化为可利用的化学能源【l - 2 j 越来越成为人们关注的焦点，这不仅有助于生态良 性循环和减轻温室效应，还可以替代部分化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途 径。生物质厌氧发酵主要产物沼气是一种可再生清洁能源，此法也是生物质能合理利用 的一个重要途径。将废弃的生物质厌氧消解，用来作为产生沼气的原料在能源紧缺的今 天，具有非常重要的意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 在国内外，对蓝藻水处理途径很多，诸如：将其加工成类似螺旋藻、牲畜蛋白质饲 料、高效氨基酸肥料；和秸秆一起堆制有机肥；和垃圾一起填埋；将蓝藻水直接施入旱 地、林地、水田；作为原料进行沼气厌氧发酵等等。归纳起来是：产业化开发、无害化 处理、资源化利用。这些处理方法有的已经在国外变成了现实，有报道称美国生产出的 蓝藻胶囊，其保健性能超过螺旋藻；墨西哥等国采用人工培养的方法，生产蓝藻干粉， 每千克出口价在5 美元以上；而日本等国则用蓝藻干粉制成食品营养添加剂和高品质的 禽畜精饲料，并从中提取维生素e 或其他药物。我国蓝藻开发利用方面的研究不低于国 际同行，只是尚未进行产业化开发，配套技术仍需要探索。 太湖蓝藻的无害化处理和资源化利用，尤其是产业化开发遇到的最大问题是打捞量 大，含水量高，脱水、脱毒困难。仅在太湖岸边打捞蓝藻，每天的打捞量就高达1 0 0 0t ， 如果在整个太湖打捞，每天的打捞量可能是目前的数倍或者数十倍，很难找到合适的场 所来容纳如此多的蓝藻。蓝藻水中的水分高达9 7 以上，常规的脱水方法很难将蓝藻分 离出来，用喷雾干燥法去除水分代价昂贵。将蓝藻开发成保健食品、饲料、氨基酸肥料 涉及的环节非常多，不仅涉及到脱水、脱毒，还涉及到有益成分的动态变化。脱水脱毒 应该掌握到什么程度才能开发出食品、饲料和肥料，这些产品市场竞争力如何等等都是 有待探索的问题。对蓝藻进行厌氧发酵产沼气的研究还处于起步阶段，且没有大规模的 示范工程建设。 1 3 机理研究 1 3 1 有机物厌氧消化机理 厌氧消化是利用无氧环境下生厌氧菌菌群的作用，使有机物经液化、气化而分解成 稳定物质，病菌寄生虫卵被杀死，固体达到减量和无害化的方法。这些菌群可分为两类： 兼性厌氧菌和专性厌氧菌。有机物在厌氧消化过程中分两个阶段：第一阶段是酸性消化 阶段，即高分子有机物首先在胞外酶的作用下水解与酸化；第二阶段是碱性消化阶段， 即专性厌氧菌将消化过程第一阶段由兼性厌氧菌产生的中间产物和代谢产物分解成二 氧化碳、甲烷和氨p j 。 第一阶段酸性消化阶段。高分子有机物首先在胞外酶的作用下水解和液化，这 一过程把多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解成丙三醇、脂肪酸。消 化第一阶段的分解作用亦称为“酸性发酵”或“酸性消化”。 第二阶段碱性消化阶段。专性厌氧菌将消化过程第一阶段由兼性厌氧菌产生的 中间产物和代谢产物分解成二氧化碳、甲烷和氨。由于消化过程第二阶段的特征是产生 大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发酵”。在这一阶段起作用的细菌称为“甲烷 菌”。大部分的二氧化碳气体和甲烷气体都挥发了，而氨则以强碱性亚硝酸铵的形式留 在发酵液中，亚硝酸铵中和了第一阶段产生的酸性，创造了甲烷菌生长的弱碱性环境。 因此，将甲烷菌进行的分解作用称作“碱性消化”。 在剩余污泥的厌氧消化过程中，有机物的分解主要为：碳水化合物、脂肪和蛋白质 2 第一章绪论 ( 见图1 1 ) 。消化过程中有机物分解为气体是产酸菌和产甲烷菌共同作用的结果。但由 于甲烷菌的生长条件特别严格，即使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此甲烷化 过程控制整个消化进程。碳水化合物主要指纤维素、淀粉、葡萄糖等糖类。在消化的第 一阶段，碳水化合物( 多糖) 首先在胞外酶的作用下分解成单糖，然后渗透细胞在胞内 酶的作用下转化为乙醇等醇类和醋酸等酸类。这些醇类和酸类物质在第二阶段进一步被 分解成甲烷和二氧化碳，其组成为5 0 c h 4 和5 0 c 0 2 ；脂肪在其分解的第一阶段通过 解脂菌或脂酶的作用，使脂肪水解，成为脂肪酸和甘油。脂肪酸和甘油在酸化细菌的作 用下，进一步转化为醇类和酸类。在第二阶段二者进而分解成甲烷和二氧化碳，其成分 为6 8 c h 4 和3 2 c 0 2 ；蛋白质在第一阶段由解朊菌水解成简单的组分。这时将形成各 种氨基酸、二氧化碳、尿素、氨、硫化氢、硫醇等。尿素则在尿素酶的作用下迅速的全 部分解成二氧化碳和氨。第二阶段氨基酸进一步分解成甲烷、二氧化碳和氨。1 克蛋白 质的产气量平均为7 0 4m l ，其成分为7 1 c h 4 和2 9 c 0 2 。 图1 - 1 复杂有机物厌氧消化碳源代谢流向分布示意图 f i g 1 - 1c a r b o nm e t a b o l i s mo fc o m p l e xo r g a n i cs u b s t a n c e si na n a e r o b i cd i g e s t i o n 1 3 2 厌氧过程中藻毒素及降解机理 ( 1 ) 微囊藻毒素( m i c r o s y c t i n s ，m c s ) 结构：m c s 是一类环状七肽化合物，其结 构为环( d 丙氨酸l x 赤b 甲基d 异天冬氨酸l y - l y ：a 小d a - d 异谷氨酸n 甲基脱 氢丙氨酸) 。其中，环肽结构中含有x 和y 两个可变的氨基酸基团( 图1 2 ) m j 。其中， 共轭二烯支链a d d a ( 3 氨基9 甲氧基2 ，6 ，8 三甲基10 苯基4 ，6 二烯酸) 是表达藻毒素 生理活性的结构；x 和y 在不同的m c s 变型中代表不同氨基酸，如在l r 型中，x 和 y 分别代表亮氨酸和精氨酸，此外，还有r r 、y r 等其他多种类型藻毒素。在已知的 6 0 多种m c 中，以m c l r 的生理毒性最为显著。 ( 2 ) m c s 毒性：m c s 是一种以肝为靶器官、高度特异的毒素，具有很强的肝毒性， 第一章绪论 是蛋白磷酸酶1 和2 a 的强烈抑制素。研究结果表明，m c s 与肠、胃等其他消化道器 官肿瘤也有密切关系。流行病学调查结果显示，我国一些肝病高发地区原发性肝癌的发 生率与饮用水中m c 的含量有一定的关系，饮用水受m c s 污染可能是导致某些地区原 发性肝癌高发的危险因素之一【5 - 们。 d j a u i ) n d h i o h0 c 羽 p - m e - d - 舢p t m oj 图1 - 2 微囊藻毒素的一般结构 f i g 1 - 2g e n e r a ls t r u c t u r eo fm i c r o s y c t i n s ( 3 ) 藻毒素及降解机理：一般认为多肽类化合物的生物降解途径是按照多肽、二肽、 氨基酸和氨的规律变化的【7 。8 】。因为m c s 具有环状结构，因此首先打开肽链使其变成线 性多肽m c s 的生物降解中至关重要的一步。 c o u s i n s 等【9 】的研究发现m c l r 经生物降解后其a d d a 侧链的共轭双键被破坏，从 而证明a d d a 0 1 l j 链是m c l r 生物降解的攻击靶位，正是由于其结构的变化才导致m c l r 毒性的降低或丧失。b o u r n e 等【lo 】研究了鞘氨醇单胞菌( s p h i n g o m o n a s ) m j - p v 酶降解 m c l r 的途径，发现至少有3 种酶参与了m c l r 的代谢过程。第1 种酶是微囊藻毒 素酶，它首先打开连接a d d a 与精氨酸的肽键，使环状的m c l r 变成线型的m c l r 。第 2 种酶进一步断裂线型m c l r 肽链上丙氨酸与亮氨酸的肽键，生成四肽化合物。据他 推测在鞘氨醇单胞菌体内还有第3 种酶存在，它负责将四肽化合物更进一步降解，产物是 更小的多肽和氨基酸。b r o u m e 等i i l 】在m c l r 降解酶的分子特点和催化机理方面进行了 进一步的探索发现：催化降解m c l r 反应的第1 种微囊藻毒素酶是包含3 3 6 个氨基酸 残基的金属酶，第2 种酶属于青霉素结合酶家族，包含4 0 2 个氨基酸残基，第3 种酶是 包含5 0 7 个氨基酸残基的金属酶。 相对于好氧微生物，缺氧和厌氧微生物在m c 的生物降解过程中同样发挥着重要作 用。在缺氧、厌氧条件下，硝酸盐还原作用是m c 生物降解的一个重要过程。在特定环 境中，厌氧生物降解可能是m c 去除的一个重要机制。 1 3 3 沼气脱硫( h ：s ) 机理 沼气脱硫通常采用干法脱硫法，干法是利用h 2 s 的还原性和可燃性，以固体氧化剂 或吸附剂来脱硫，或者直接使之燃烧。干法脱硫是以0 2 使h 2 s 氧化成硫或硫氧化物的 一种方法，也可成为干式氧化法。常用的有改进的克劳斯法、氧化铁法、活性炭吸附法、 4 第一章绪论 氧化锌法和卡太苏耳法。所用的脱硫剂、催化剂有活性炭、氧化铁、氧化锌、二氧化锰 及铝矾土，此外还有分子筛、离子交换树脂等。一般可回收硫、二氧化硫、硫酸及硫酸 盐。 1 3 3 1 改进的克劳斯法【1 2 】 克劳斯法自1 8 3 8 年创立以来，几经改进，其基本原理相似，仅在设备和布置方面 有些差别，该方法的基本化学反应如下： h 2 s + 1 20 2 h 2 0 + s h 2 s + 1 20 2 一h 2 0 + s 2 h 2 s + s 0 2 2 h 2 0 + 2 s 催化剂一般采用做成丸形或球形的天然矾土或氧化铝，有时也用活性更大的硅酸铝 或铝硅酸钙等。克劳斯法要求h 2 s 的初始浓度应大于1 5 2 0 ，用以提供足够的热量以 维持反应所需的温度。该方法适合于h 2 s 浓度较高的废气，其净化效率可以超过9 7 。 1 3 3 2 活性炭吸附法【1 2 】 该方法是2 0 世纪2 0 年代由德国染料工业公司提出的。活性炭是一种常用的固体脱 硫剂，它在常温下具有加速h 2 s 氧化为s 的催化作用并使硫被吸附。在活性炭上沉积的 硫，可用适当的溶剂萃取而回收，活性炭则可以重复使用，直至炭粒大量磨细为止。 活性炭吸附法适合于处理天然气和其他不含焦油物质的含h 2 s 废气、粪便臭气，其 优点在于简单的操作可以得到很纯的硫，如果选择合适的炭，还可以除去有机硫化物。 h 2 s 与活性炭的反应快、接触时间短、处理气体量大。因为h 2 s 与活性炭的反应热效应 大，所以该方法不宜处理h 2 s 浓度大于9 0 0m g m 3 的气体。 1 3 3 3 氧化铁法【1 2 】 常温氧化铁沼气脱硫剂是以活性f e 2 0 3 为主要成分，并添加多种助剂制成。 沼气脱硫剂是一种适应性较强的新型高效的干法气体常温脱硫剂，能在常温常压或 加大条件下工作使用上具有设备简单、操作方便、硫容量大、净化度高、适应性强等特 点沼气及其它气体中h 2 s 的脱除，对有机硫也有一定的脱除效果，是目前国内市场上 的优质产品。该方法的基本化学反应如下： 脱硫 f e 2 0 3 h 2 0 + 3 h 2 s 一f e 2 s 3 h 2 0 + 3 h 2 0 再生f e 2 s 3 h 2 0 + 3 2 0 2 _ f e 2 0 3 h 2 0 + 3 s 再生反应是较强的放热反应，若气体中含0 2 ，当0 2 h 2 s 2 5 时，脱硫再生反应可 实现连续再生，则上述反应式合并为： h 2 s + 1 2 0 2 + f e 2 0 3 h 2 0 s + h 2 0 + f e 2 0 3 h 2 0 氧化铁实际上相当于催化剂。本课题中所用方法既为氧化铁法。 1 3 3 4 氧化锌法【1 3 】 氧化锌法采用氧化锌作为脱硫剂，其反应方程式如下： 2 h 2 s + z n o h 2 0 十z n s 第一章绪论 改方法适合于处理h 2 s 浓度较低的气体，脱硫效率高，可达9 9 ，但脱硫后一般 不能用简单的办法来恢复脱硫剂的脱硫性能。 1 4 厌氧消化中的微生物及其相互关系 1 4 1 厌氧消化中的微生物特性 在好氧条件下，一种微生物就可以将复杂有机物彻底氧化为二氧化碳。而在厌氧消 化中，存在着种类繁多、关系复杂的微生物。在厌氧消化系统中，微生物主要分为两大 类：非产甲烷菌( n o n m e n t h a n o g e n s ) 和产甲烷细菌( m e n t h a n o g e n s ) l t4 1 0 非产甲烷菌又称为 产酸菌( a c i d o g e n s ) ，他们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸( v f a ) 和醇类物 质，使处理系统中液体的p h 值降低。非产甲烷菌包括： ( 1 ) 水解发酵细菌群 水解发酵细菌( h y d r o l y t i c - r e r m e n t a t i v eb a c t e r 曲主要参与复杂有机物的水解，并通过 乳酸发酵、乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵和混合酸发酵等将水解产物转化为乙酸、丙 酸、丁酸、戊酸等有机酸及乙醇。 ( 2 ) 产氢产乙酸苗群 产氢产乙酸菌群( h - p r o d u c i n ga 弹幻邶) 有专性厌氧菌和兼性厌氧菌，它们将水解 发酵菌群产生的挥发性有机酸和醇转化为乙酸、c 0 2 和h 2 。 ( 3 ) 同型产乙酸菌群 同型产乙酸莳群( h o m o a c e t o g e n s ) 可将c 0 2 ( 或c 0 3 2 和h 2 转化为乙酸。正是由于同 型产乙酸菌可利用h 2 ，因而可以保持系统中较低的氢分压有利于厌氧发酵过程的正 常进行。产甲烷葡则不同，它属于绝对厌氧菌，必须在氧浓度低于14 8 1 0 ”m o l l 时爿 能生存，是厌氧消化生物链的最后一个成员。迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷蘸有7 0 多种，分属于3 个目，7 个科，1 9 个属1 15 1 。常见的有，产甲烷丝菌届( m e t h a n o t h r i x ) 、 产甲烷球菌属( m e t h a n o c o c c u s l 、产甲烷杆菌属( m e t h a n o b a c t e r i u m ) 、产甲烷螺菌属 f m e t h a n o s p i r i l l u m ) 和产甲烷八叠球菌属| 1 ”( m e t h a n o s a r c i n a ) 等。 图1 - 3 产甲兢筮状茵和产甲兢八生球菌扫描电镜圈 f i g , l - 3p h o t o g r a p h so f s c a n n i n ge k e t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) o f m e t h a n o t h r i xa n d m c m a o s a r c i a 第一章绪论 1 4 2 厌氧消化中微生物的相互关系 厌氧微生物的相互关系包括：非产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系；非产甲烷菌之间 的关系；产甲烷菌之间的关系。其中非产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系最为重要，在厌 氧消化系统中，非产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖互为对方创造良好的环境和条件，同时， 双方又互为制约，在厌氧生物处理中处于平衡状态l l7 。 ( 1 ) 非产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系 非产甲烷菌为产甲烷菌提供生长繁殖的底物；非产甲烷菌为产甲烷菌创造了适宜的 氧化还原电位；非产甲烷菌为产甲烷菌清除了有毒物质；产甲烷菌为非产甲烷菌的生化 反应解除了抑制物质；非产甲烷菌和产甲烷菌共同维持环境中的p h 值；非产甲烷菌和 产甲烷菌之间对底物的竞争。 ( 2 ) 非产甲烷菌之间的相互关系 在序批式厌氧反应器中，非产甲烷菌有规律地出现，依次是发酵细菌、产氢产乙酸 细菌、同型产乙酸菌，因此，非产甲烷菌之间主要是存在互生关系，先出现的微生物为 后出现的微生物提供底物，而后出现的为先出现的微生物解除抑制。 ( 3 ) 甲烷菌之间的相互关系 产甲烷菌之间的相互关系主要表现出对底物的竞争。如对乙酸的竞争，当乙酸浓度 很低时，通常有利于生长缓慢的产甲烷丝状菌，因为此时丝状菌获得底物的能力比八叠 球菌强。而当乙酸浓度很高时，甲烷八叠球菌生长迅速。 1 5 研究目的与研究内容 1 5 1 研究目的 作为重要的有机废弃物，目前太湖蓝藻去年打捞量大约为5 0 万t 。本课题的研究目 的就是通过研究太湖蓝藻与规模化养殖场的粪便的厌氧消化产甲烷的过程，采用各种可 行的措施来提高以蓝藻为生物质能原料时的综合利用效率，最终实现太湖蓝藻的减量 化、无害化与资源化处理，并获得较高的沼气产率，提高太湖蓝藻的利用价值，并为猪 粪等粪便废弃物产甲烷过程实现工业规模化应用奠定基础。 本课题研究得到了江苏省高技术研究项目( d g2 0 0 6 0 4 4 ) 、江苏省自然科学基金( b k 2 0 0 6 0 2 3 ) 及江苏省太湖治理科技专项( b s2 0 0 7 0 9 9 ) 的资助。 1 5 2 研究内容 本课题是针对2 0 0 7 年5 月2 9 日太湖蓝藻爆发后应急打捞产生的蓝藻堆积问题展开 的研究。为避免大量蓝藻堆积后造成的二次污染，堆积的蓝藻急需减量化、无害化。本 课题从蓝藻资源化利用出发，将蓝藻的处理与养殖场的排污的治理结合起来，进行厌氧 发酵产沼气，实现了蓝藻与养殖场的排污无害化、减量化和资源化的利用，基本达到了 零排放。本文的主要研究内容是： ( 1 ) 对蓝藻与猪粪混合发酵的条件进行优化，确定蓝藻厌氧发酵的接种比例，发酵 的最佳p h ，发酵液合适的浓度范围，并对浓度和p h 两个因素的交叉影响进行了研究， 7 第一章绪论 确定了在交叉影响情况下蓝藻与猪粪发酵的最佳条件； ( 2 ) 通过研究蓝藻5 个不同接种比例情况下发酵过程中参数的变化，确定蓝藻与猪 粪产气的过程的变化规律，同时研究了在发酵过程中发酵液中蛋白质、多糖、氨氮、v s 、 p h 、乙酸、丙酸、丁酸等的变化，这些参数为衡量蓝藻猪粪发酵过程中发酵液的变化情 况提供了良好的参考； ( 3 ) 建立1 0 0 0m 3 的蓝藻与猪粪示范工程，对工程进行调试，使工程能够稳定进行， 最终工程能够日处理蓝藻3 0t ，猪粪6t ，日产沼气6 5 0 7 0 0m 3 ，每天能够发电1 1 0 0 1 2 0 0 度；对产生的沼渣沼液进行分析，是良好的有机肥料，而且沼渣沼液不含藻毒素，安全 性良好。 1 6 研究意义及效益 将蓝藻和猪粪废弃物集中发酵产沼气，沼气用于发电，减少对不可再生的煤和天然 气等的需求；沼渣、沼液成为高效的绿色农肥，还田后有利于农作物的生长，形成一个 良性循环。这一循环，在帮助解决蓝藻、猪粪等处置问题的同时得到了能源一沼气，获 得了高效农肥，同时达到了零排放的标准，是一个符合生态的过程。 蓝藻与猪粪混合发酵产沼气在处理蓝藻的同时能获得一定的经济效益，在经济上适 用；同时该项目具有很强的操作性，在蓝藻爆发时期和无蓝藻时期，都能满足反应系统 的全年运行；此外该项目的实施具有深远的推广意义，不仅对太湖流域的蓝藻处理问题 而且对国内外同样面临蓝藻问题的湖泊具有借鉴作用。因此蓝藻与猪粪混合发酵是目前 认为可行的选择。这一技术的应用将为蓝藻的无害化处理和资源化利用提供一条可行之 路。 8 第二章材料与方法 第二章材料与方法 2 1 实验材料 底物：太湖蓝藻，取自无锡十八湾胡埭镇蓝藻堆放点； 接种物：猪粪，取自无锡市南洋农畜业有限公司的养猪场，取新鲜的猪粪及猪粪尿 混合物。底物与接种物的主要性状指标见表2 1 、2 2 、2 3 。实验3 1 部分所用蓝藻与猪 粪性质如2 一l 。 表2 - 1 蓝藻与猪粪性质 t a b l e2 - 1c h a r a c t e r i s t i c so fb l u e - g r e e na l g a ea n dp i gm a n u r e 总固体( t o t a ls o l i d s ，t s ) 、挥发性固体( v o l a t i l es o l i d s ，v s ) 实验3 2 部分所用蓝藻与猪粪性质如2 2 。 表2 - 2 蓝藻与猪粪性质 t a b l e2 - 2c h a r a c t e r i s t i c so fb l u e - g r e e na l g a ea n dp i gm a n u r e 实验3 2 部分所用蓝藻与猪粪性质如2 3 。 表2 - 3 蓝藻与猪粪性质 t a b l e2 - 3c h a r a c t e r i s t i c so fb l u e - g r e e na l g a ea n dp i gm a n u r e 2 2 实验方法 本论文研究了蓝藻与猪粪发酵产沼气实验的条件，主要研究了接种的比例，实验的 p h ，发酵液的浓度以及p h 和浓度的响应面实验。通过对系列接种的比例，系列p h ， 系列发酵液的浓度的单因素研究，得到发酵的优化条件，再通过设计两因素五水平的实 验，研究p h 和浓度的交互影响。 同时研究了蓝藻与猪粪发酵产沼气过程中一些参数的变化，在3 5 。c 条件下，加入 1 0gt s 的蓝藻，通过对不同猪粪接种量的研究，将接种猪粪的比例分别设定为3 ：1 ，2 ：l ， 1 ：1 ，0 5 ：1 ，0 2 5 ：1 ，补加水使发酵液达到6 0 0g ，用n a o h 调节p h 到7 5 。通过对不同 9 第二章材料与方法 接种比例条件下发酵的影响，研究了发酵过程中随时间的变化以下参数变化的情况：甲 烷产量、生物降解率、多糖含量、蛋白质含量、氨氮含量、v s 含量、p h 、乙酸、丙酸 以及丁酸。这一部分试验设计如下表： 表2 _ 4 试验设计方案 t a b l e2 - 4 d e s i g no fe x p e r i m e n t 最后将研究的结果进行工程试验，采用分批补料的方法，每天进料3 0t 蓝藻，6t 猪粪，研究发酵罐每天产气量、甲烷产量以及发酵液中氮、磷、钾的含量，同时对发酵 液中残余藻毒素进行检测，评估发酵液作为肥料的安全性。 2 3 实验装置 实验3 1 与实验3 2 的试验装置如图2 1 所示。以1 0 0 0m l 的抽滤瓶作为反应容器， 倒置的量筒收集气体。反应温度由电热恒温水浴锅控制。气体检测由抽滤瓶上端的气体 取样口取样，发酵液从抽滤嘴取样。整个反应体系置于水浴锅中，使反应的温度维持在 3 5 士1 范围内。反应的周期为2 2 d ，在这个周期内，每一组的甲烷生成基本停止。 水浴锅 图2 - 1 试验装置图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 2 4 分析方法 甲烷含量：采用气相色谱仪( g c 9 1 0 ，上海) 测定【1 8 】，色谱条件为色谱柱：5 a 分 子筛不锈钢填充柱( 1m x6m mi d ) ；柱温：9 0 1 2 ；汽化温度：1 0 0 ；检测器温度： 1 0 0 ；载气：氩气；进样量：1 0 0 山；检测器：t c d ； t s 、v s ：称重法【1 9 】；分别在1 0 5 及6 0 0 下恒温2h ，至恒重，通过重量的减少 1 0 第二章材料与方法 分别测定； p h ：采用d e l t a3 2 0 型p h 计( m e t t l e r t o l e d o ，德国) 测定； 沼气收集：排水法，产气体积通过量筒读数得到，再换算成标准温度和压力( s t p ) 下的体积。 化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，c o d c r ) ：重铬酸钾氧化法( g b t1 1 9 1 4 1 9 8 9 ) 1 9 1 乙酸、丙酸、丁酸含量：高效液相色谱法【2 0 l 。色谱条件为色谱柱：z o r b a xs b a q 4 6 x 1 5 0m m ；进样量：1 0g l ；流速：0 5m l m i n ；检测波长：2 1 01 1 1 1 1 ；流动相：0 5 乙腈，9 9 5 0 0 2m o l lk h 2 p 0 4 ； 蛋白质含量：考马斯亮蓝染色法【2 1 1 ，考马斯亮蓝g 2 5 0 和蛋白质以范德华力结合， 在5 9 5n l l l 处显最大吸收，通过在5 9 5n n l 处吸光值的增加测定蛋白质的量； 多糖含量：苯酚硫酸法【2 2 1 ； 总氮含量：凯氏定氮法( g