笋壳浸泡水解厌氧产气试验

屠 翰

(杭州市人民政府农村能源办公室，浙江 杭州 310020)

笋壳浸泡水解厌氧产气试验

屠 翰

(杭州市人民政府农村能源办公室，浙江 杭州 310020)

本文利用厌氧沼液对笋壳进行浸泡水解，并对浸出液进行产气试验，探究笋壳浸泡水解特性与厌氧产沼可行性。结果表明，笋壳适合作为厌氧产气的原料，每千克新鲜笋壳可浸出约0.14 kg COD，可产沼气约0.06 m3。

笋壳； 水解； 沼气

竹笋是长江流域山林地区常见的经济作物，2016年浙江省鲜竹笋的产量达到164.6万t，为山林地区经济发展和农民增收做出了重要的贡献。在竹笋鲜食、加工过程中会产生笋壳废弃物，笋壳极易腐烂产生腐液并散发恶臭，如未经处理随意丢弃，不但造成大量的生物质资源浪费，更易对周边环境产生不利影响，同时随着畜牧业转型升级和农村生活方式的转变，沼气池原料不足的问题也日益突出。杨生[1]利用多种农林废弃物作沼气发酵原料，取得较好的实践成果。本文探究笋壳浸泡水解特性与厌氧产沼可行性，为其作为沼气池原料提供具体参数支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用从新鲜竹笋上剥出的笋壳作为试验原料，试验样本的质量为1.85 kg，含水率为84%，堆积密度为0.22×103kg·m-3。浸泡用初始沼液取自实验室正常运行的沼气池，试验前沼液的化学需氧量(COD)浓度为788 mg·L-1，NH3-N浓度为485 mg·L-1。

1.2 试验装置

笋壳浸泡容器选用25 L的圆柱形桶，在圆桶中部设有取样口。沼气池的有效容积为80 L，内挂设弹性填料，并在前后端设有进出水间。

1.3 试验方法

将笋壳置于浸泡容器内，用已测定浓度的沼液进行浸泡，每天进行一次人工搅拌。浸泡一段时间后，根据浸出液浓度，量取一定体积的笋壳浸出液加入沼气池前端进行产气试验，并将等量末端沼液回流至浸泡容器内。前期浸泡阶段每2 d检测浸出液COD、NH3-N指标，后期产气阶段每次在回流前检测浸出液、沼气池沼液的COD、NH3-N指标。每天记录浸出液和沼气池沼液pH值、沼气池产气量。

1.4 研究指标

笋壳浸泡试验选取笋壳浸出比例(即每千克笋壳转化为溶液中COD的质量百分比)、COD浓度变化作为主要的研究指标。浸出液产气试验选取原料产气率(L·g-1COD)与COD去除率作为主要的研究指标。

1.5 分析方式

试验采用湿式气体流量计(LMF-1，长春汽车滤清器有限责任公司)记录产生的沼气量；采用重铬酸钾加热法测定COD浓度；采用纳氏试剂比色法测定NH3-N浓度；采用精密pH试纸测试pH值。

2 结果与分析

2.1 笋壳浸泡水解

试验从2016年4月13日开始至2016年6月3日结束，总计52 d，浸泡容器内的溶液总量控制在17.5 L左右。

2.1.1 笋壳浸泡性状

在浸泡前期，笋壳浸出液颜色发白，呈现黏糊状，伴随有强烈的臭味，在浸泡5 d后开始出现一定程度的解体现象。随着试验进行，浸出液逐步分为3层：顶部是漂浮层，含从笋壳上剥落下来的大片薄膜状物质；中部是液面层，试验采用的浸出液取自该层，在前几次取料时，由于液面层较为浑浊，需经过一层过滤得到浸出液清液；底部是沉淀层，较大粒径固体物质沉淀于此。在浸泡结束后取出全部浸出液，笋壳大部分固体物质被降解，仅剩余少量薄膜状漂浮物和黑灰色沉淀。

2.1.2 笋壳浸出液pH的变化

由图1可知，笋壳浸出液的pH在浸泡的前7 d呈较快下降趋势，在第7天达到最低值2.0，第8天开始pH逐步回升，在第19天逐步上升至6.8左右，并最终稳定维持在7.0直至试验结束，此间沼气池沼液pH值亦稳定在7.0左右。笋壳浸出液pH在前期呈快速下降趋势，表明笋壳的水解特性较好，笋壳中的大量有机物在浸泡前期得到快速水解酸化，并产生一定的酸积累。浸出液pH从第8天开始回升，一方面是由于沼气池沼液回流置换了部分酸性的浸出液，另一方面也反映出笋壳水解酸化过程放缓，溶液内部菌群的进一步作用使pH逐步回升。笋壳浸出液前期较低的pH值或对沼气池厌氧发酵产生不利影响，应引起充分关注。

图1 笋壳浸出液pH值的变化情况

2.1.3 笋壳浸出液NH3-N的变化

由图2可知，笋壳浸出液NH3-N浓度基本维持稳定，说明笋壳在浸泡过程中NH3-N的浸出效果不佳，不会对沼气池厌氧发酵产生氨抑制，与此同时也无法为厌氧发酵提供足够的氮素，当笋壳作为沼气池的主要原料时，需要额外补充氮源。

图2 笋壳浸出液NH3-N的变化情况

2.1.4 笋壳浸出液COD的变化

如图3～4所示，回流阶段从第8天开始每次1 L，从第14天起每次2 L，从第25天起每次3 L，从第36天起每次6 L。笋壳浸出液COD在前期浸泡阶段上升较快，在第7天超过9 000 mg·L-1，在第8天取液回流1 L后，仍呈现稳定上涨，在第10天达到本次浸泡的峰值10 330 mg·L-1，并维持10 000 mg·L-1以上的高浓度至第14天，在此时间段内COD浸出曲线也呈现出很高的斜率，浸出比例超过10%。随着试验进行，在每次回流后，浸出液COD逐步下降，试验结束时为1 230 mg·L-1，COD浸出比例曲线以逐渐放缓的斜率上升，最终达到14.1%。在整个过程中，回流量的变更对COD浸出比例影响相对较小，其曲线的斜率变化并不显著，但因为COD的置换，对浸出液COD的影响较大，特别是在第36天加大回流量至6 L时，浸出液COD下降明显。

图3 笋壳浸出液COD的变化情况

图4 笋壳COD浸出比例及沼液回流量

笋壳浸出液在前期浸泡阶段的COD浓度很高，相当部分的COD浸出发生在此阶段，这应与笋壳的材质特性密切相关：笋壳具有较高的含水率，其本身的生物活性就较强；笋壳片状结构在浸泡后浸泡液能通过片层间隙，更充分地与笋壳材料相接触，而笋壳表面的薄膜状物体在浸泡中的剥离，更加快了内部植物组织和浸泡液间的相互作用。与此相对，由于笋壳的高含水率使其本身可水解的干物质含量偏少，因此在后续的回流过程中，其COD浸出比例未出现进一步提升。

2.2 笋壳浸出液产气

笋壳浸泡水解后第8天开始取适量浸出液加入沼气池中进行产气试验，具体试验时间从2016年4月20日开始至2016年6月3日止，前后总计45 d。试验期间，沼气池进、出料量即为图4沼液回流量。

2.2.1 沼气池厌氧产气性能

如图5所示，累计消耗COD曲线和累计产气量曲线均呈现先缓慢上升，后逐渐平稳的趋势。试验前期，随着笋壳浸出液的不断注入，COD不断进入沼气池，沼气池消耗的COD逐渐增加，由此产生的沼气也随之稳定增长；在试验后期，笋壳浸出的COD逐渐减少，导致进入沼气池的COD增加缓慢，可供厌氧发酵的COD不足，导致累计消耗COD和累计产气量维持相对稳定，无明显增幅。

图5 累计产气量与累计消耗COD之间的关系

由图6可知，在整个厌氧发酵期间，笋壳浸出液的原料产气率在0.4～0.6 L·g-1COD的较高水平，说明笋壳浸出液具有较好的可生化性。

图6 原料产气率

2.2.2 沼气池COD去除性能

由图7可知，沼气池内COD去除率从80%以上逐步降至30%～40%，究其原因，笋壳浸出液作为沼气池发酵原料，沼气池沼液回流供笋壳浸泡水解，整个过程无外部碳源加入，通过沼气池厌氧发酵作用，BOD被不断去除而难降解的COD部分始终保有，导致沼气池中B/C不断降低，去除率最终下降到较低水平。由图8可知，沼气池沼液的COD浓度维持相对稳定，表明笋壳浸出液作为沼气池原料，并未对沼气池内部厌氧发酵反应产生明显抑制现象。

图7 沼气池内COD去除率

图8 沼气池进出水COD浓度变化情况

3 小结

3.1 材质特性

笋壳水解特性较好，浸出液COD在前期快速上升，10 d后达到峰值10 330 mg·L-1，之后逐步下降，全过程中有25 d保持在5 000 mg·L-1以上，能为沼气池的厌氧发酵提供优质的碳源。整个试验笋壳COD浸出比例达到14.1%，约占总质量的1/7转化成浸出液COD，考虑到笋壳84%的高含水率，说明试验中笋壳COD浸出较为彻底，这从浸泡完成后的终产物上也可得到印证。

沼气池在整个试验过程中正常运行，产沼气量稳定维持在0.4～0.6 L·g-1COD的较高水平，证明笋壳浸出液可生化性能较理想。

从试验累计数据分析，每千克新鲜笋壳可浸出约0.14 kg COD，可产沼气约0.06 m3。

3.2 工程建议

为方便进出料，笋壳不宜直接投入沼气池，可设置多隔间的水解酸化池，利用前期水解间隙进行序批式浸泡，保证稳定进料。

笋壳前期浸泡的时间宜为10 d左右，此时浸泡液的COD浓度高，浸出效果好，可用于沼气池的厌氧发酵。考虑回流量的变更对COD浸出比例影响相对较小，建议采用较短的置换周期，通过10 d左右迅速将COD置换出来，同时保证COD浸出成效和COD浓度满足厌氧发酵需求，将整个浸泡停留时间控制在20 d左右。

笋壳水解时NH3-N浸出效果不理想，在实际工程中，若以笋壳浸出液作为主要原料，应注意调节C/N比，同时也要注意浸出液pH值的控制，通过保证一定的厌氧发酵停留期，或者人为进行干预调节，避免沼气池酸化，确保工程正常运行。

[1] 杨生. 福建贡川镇多种农林废弃物作沼气发酵原料的试点与推广[J]. 中国沼气，2009，27(3)：54-55.

2017-10-08

屠 翰(1985—)，浙江杭州人，工程师，本科，从事农村可再生能源的开发利用、技术研究和新产品推广工作，E-mail：tuhan1985@163.com。

文献著录格式：屠翰. 笋壳浸泡水解厌氧产气试验[J].浙江农业科学，2017，58(12)：2093-2095，2098.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171202

S216.2

A

0528-9017(2017)12-2093-03

张瑞麟)