不同溫度和有機負荷下豬場糞污沼氣發(fā)酵產氣性能

楊紅男，鄧良偉

(農業(yè)部沼氣科學研究所，成都 610041)

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不同溫度和有機負荷下豬場糞污沼氣發(fā)酵產氣性能

楊紅男，鄧良偉

(農業(yè)部沼氣科學研究所，成都 610041)

文章通過豬場糞污半連續(xù)沼氣發(fā)酵試驗，研究不同溫度(10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃)和不同有機負荷條件下的產氣性能，評估污染物去除效果，出水pH值，NH3-N和揮發(fā)酸等指標變化特征。結果表明：最大容積產氣率取決于溫度，在10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，和35℃溫度下的最大容積產氣率分別是0.071 L·L-1d-1，0.271 L·L-1d-1，1.173 L·L-1d-1，1.948 L·L-1d-1，2.196 L·L-1d-1，2.871 L·L-1d-1；此時COD去除負荷分別為0.760 gCOD·L-1d-1，0.943 gCOD·L-1d-1，3.053 gCOD·L-1d-1，4.010 gCOD·L-1d-1和4.693 gCOD·L-1d-1，COD去除率分別為71.8%，82.6%，80.3%，87.9%，88.1%和88.8%。在10℃～35℃溫度下，揮發(fā)酸濃度均隨著有機負荷的增加而增加。在20℃～35℃的高有機負荷階段，已產生揮發(fā)酸積累的現(xiàn)象，但均在1000 mg·L-1以下，未達到抑制濃度；在10℃，當有機負荷>1 gTS·L-1d-1,揮發(fā)酸濃度>1000 mg·L-1,容積產氣率開始下降。

沼氣發(fā)酵；豬場糞污；溫度；有機負荷

畜禽糞便是一種有價值的生物質資源。目前最普遍使用的畜禽廢物處理利用方式是厭氧消化，或稱沼氣發(fā)酵，由于該技術操作簡單，成本低，可以有效地去除高濃度有機物質，同時回收能源物質—沼氣[1-2]。至2015年我國戶用沼氣達到4300萬戶，各類沼氣工程超過10萬處。然而，多數(shù)沼氣單元由于保溫或加熱不足而在中低溫范圍內運行，這導致池容產氣率很低。

溫度對沼氣發(fā)酵過程中微生物活性、沼氣產率、甲烷含量和氨氮濃度等都有很大影響[3,4]，是沼氣工程調控的重要參數(shù)。依據沼氣發(fā)酵溫度可分為常溫發(fā)酵(<25 ℃)，中溫發(fā)酵(25 ℃ ～40 ℃)和高溫發(fā)酵(>45 ℃)。一般溫度越高，微生物活性越高，有機物降解轉化速率越快，產氣效率越高[5]。Massé & Masse[6]用ASBR反應器處理高濃度屠宰場廢水，獲得20 ℃，25 ℃和30 ℃的產甲烷活性分別為0.37 gCH4·CODg-1VSSd-1，0.34 gCH4·CODg-1VSSd-1和0.12 gCH4·CODg-1VSSd-1，溫度對微生物活性的影響主要反映在污染物去除率和產氣效率方面。Hashimoto[7]等研究表明，在25 ℃ ～44 ℃溫度范圍內，原料產氣率呈線性增加，從0.26 LCH4·g-1TS增加到0.42 LCH4·g-1TS。在去除的有機物(COD)中分別有84.2%，88.7%和90.8% 轉化為甲烷。Masse[8]等在低溫范圍(10 ℃ ～20 ℃)采用ASBR反應器處理豬場廢水，結果顯示溶解性COD(SCOD)去除率在20 ℃為94.2% ± 1.1%，在10 ℃降低到60.4% ± 6.4%。但是溫度升高會導致游離氨濃度增高，引起氨抑制，進而降低甲烷產量，且高溫發(fā)酵過程易積累揮發(fā)酸，造成發(fā)酵環(huán)境惡化，處理效果差；由于高溫菌的多樣性較差，因而高溫發(fā)酵對有機負荷、溫度等操作條件的變化很敏感[9]，而為維持高溫發(fā)酵還需要更多的加熱能量。所以，在生產上，一般采用中溫發(fā)酵。此外，豬場糞污是一種常溫廢水，我國大部分地區(qū)，冬天溫度普遍在20 ℃以下，夏天溫度最高達35 ℃。因此研究中低溫范圍內(15 ℃～35 ℃)的沼氣發(fā)酵性能對于豬場糞污處理沼氣工程的設計與運行具有重要意義。

有機負荷是衡量反應器負載有機物能力的重要工藝參數(shù)。沼氣發(fā)酵產氣量和處理效果高度依賴于有機負荷，在一定范圍內隨著有機負荷增加，產氣量不斷增加。例如，Deng[10]等以33.3%的比例提高有機負荷，研究有機負荷對豬場廢水沼氣發(fā)酵的影響，結果顯示有機負荷從1.21 gTS·L-1d-1增加到1.64 gTS·L-1d-1時，容積產氣率也增加約33%，但是有機負荷從2.91 gTS·L-1d-1增加到3.87 gTS L-1·d-1時，容積產氣率只增加25%，這說明容積產氣率并非隨著有機負荷線性增加，可能是由于微生物對底物的吸收已接近飽和狀態(tài)。有機物去除率隨有機負荷增加而呈下降趨勢。例如，Sánchez[11]等用5 L的UASB反應器在中溫條件下(30(C～35(C)處理豬場廢水的結果表明，UASB在有機負荷為1～4 gTCOD·L-1d-1均表現(xiàn)出來好的TCOD去除效果和發(fā)酵體系穩(wěn)定性，當有機負荷> 4 gTCOD·L-1d-1，TCOD去除率快速降低到50%以下，pH值從7.2降低到6.4。當有機負荷太高時，有可能打破沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中產酸菌群和產甲烷菌群的代謝平衡，產酸速率大于耗酸速率，從而造成揮發(fā)酸過度積累，阻礙產甲烷階段的正常進行，嚴重時可導致系統(tǒng)酸化。郭建斌[12]等研究不同溫度(20℃，28℃和38℃)和有機負荷(0.3 kg·m-3d-1，1.3 kg·m-3d-1，2.3 kg·m-3d-1，3.3 kg· m-3d-1和4.3 kg·m-3d-1)對 CSTR反應器處理豬糞性能的影響，結果表明在20(C容積產氣率較低，當有機負荷增加至1.3 kg·m-3d-1以上，反應器運行不穩(wěn)定；在28(C和38 (C條件下，隨有機負荷增加，容積產氣率分別從1.6 L·L-1d-1增加至7.3 L·L-1d-1和1.7 L·L-1d-1增加至7.5 L·L-1d-1，雖然在所研究有機負荷下兩者甲烷產率無明顯差異，但是在有機負荷=3.3 kg·m-3d-1和4.3 kg·m-3d-1條件下產生揮發(fā)性脂肪酸積累，系統(tǒng)緩沖能力下降等現(xiàn)象。當有機負荷太低時，盡管有機物去除率高，但是反應器的容積產氣率小，設備利用效率低[13-14]。盡管已經有很多有關豬場糞污厭氧處理產氣試驗研究，但是以往研究的溫度和負荷范圍都比較窄，不同溫度、不同負荷條件下反應器的運行性能及所能達到的產氣效率不清楚。

試驗以豬場糞污為原料，在10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃和35℃溫度下進行半連續(xù)沼氣發(fā)酵，通過逐步提高有機負荷，研究不同溫度下有機負荷對產氣性能、污染物去除效果和發(fā)酵過程穩(wěn)定性的影響，獲得不同溫度下的最大容積產氣率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬場糞污：取自四川某規(guī)?；B(yǎng)豬場。根據試驗需要，通過加水的方式，將取回來的豬糞的總固體濃度(TS)調整到1%左右，揮發(fā)性固體(VS)約為0.8%，然后放入4℃冰箱，作為進料備用。豬場糞污進料的COD，BOD5，SS，NH3-N，TN，TP和pH值 分別為7.607±0.614 g·L-1，4.111±0.270 g·L-1，8751±0.224 g·L-1，0.312±0.098 g·L-1，0.754±0.050 g·L-1，0.087±0.011 g·L-1和6.98±0.23。

圖1 沼氣發(fā)酵裝置示意圖

接種污泥：試驗室豬場糞污沼氣發(fā)酵污泥。接種污泥TS為8.85%，揮發(fā)性固體(VS)為6.07%。

沼氣發(fā)酵裝置：試驗裝置如圖1，沼氣發(fā)酵瓶采用有效容積為1000 mL的玻璃瓶，用帶有進料管、出料管和排氣管的橡皮塞密封。集氣瓶為1000 mL廣口瓶，用帶有進氣管和排水管的橡皮塞密封，發(fā)酵瓶和集氣瓶通過橡皮管連接。沼氣通過排水法收集。

1.2 試驗方法

試驗在10 ℃，15 ℃，20 ℃，30 ℃和35 ℃溫度下進行，使用水浴鍋維持發(fā)酵溫度。固定進料濃度不變(TS=1%)，通過增加進料量逐步提高有機負荷，直至進一步提高有機負荷時容積產氣率不再增加，或者最后兩次的容積產氣率偏差小于5%，則獲得最大容積產氣率。

試驗開始時，向每個發(fā)酵瓶中加入500 mL厭氧污泥，然后加入豬糞水。不同溫度下的有機負荷范圍和對應的每日進料量如表1所示。由于在不同溫度下，產氣速率不同，取得最大容積產氣率對應的有機負荷不同，因此在不同溫度下有著不同的起始有機負荷和有機負荷范圍。每天分2次進出料，先從發(fā)酵瓶里排出一定量的上清液，然后加入相同量的豬糞水，并在每次進料完成后手動晃動沼氣發(fā)酵瓶。當連續(xù)15天的容積產氣率偏差小于10%時，視為某有機負荷試驗達到穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗。每個試驗設兩個平行。每天定時記錄產氣量1次。每3天測定出水COD，pH值，NH3-N，氣體成分1次，每1周測定揮發(fā)酸濃度1次。

表1 不同溫度沼氣發(fā)酵試驗操作參數(shù)

1.3 分析項目和方法

COD 測定采用重鉻酸鉀法；BOD5測定采用儀器法(Oxide?Control A12,WTW,Germany)；TS，VS和SS采用稱重法；NH3-N測定采用納氏試劑分光光度法；TN測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；TP測定采用鉬銻抗分光光度法；pH值測定采用玻璃電極法；沼氣成分采用沼氣成分分析儀(ADOS.BIOGAS.GA)測定；VFA采用氣相色譜法(GC112A)。

2 結果與討論

2.1 容積產氣率、原料產氣率和CH4含量

容積產氣率是基于反應器體積來量度沼氣產量，是沼氣工程設計和投資核算的基礎參數(shù)。在10 ℃～35 ℃溫度下，容積產氣率隨著有機負荷的增加而快速增長，然后緩慢增加，直至不再增加(見表2)，此時最大的容積產氣率視為該溫度下的最大容積產氣率。表2表明，最大容積產氣率依賴于溫度，在10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃和35℃溫度下的最大容積產氣率分別為0.071，0.271，1.173，1.948，2.196，2.871 L·L-1d-1；換算成最大甲烷產氣率分別為0.034，0.136，0.796，1.294，1.527和1.952 LCH4·L-1d-1；對應的有機負荷分別為1.0，1.5，5.0，6.0，7.0，9.0 gTS·L-1d-1。Lo[15]等采用UASB反應器在室溫條件下(22 ℃～28 ℃)處理豬場廢水，在有機負荷為3.58 gCOD·L-1d-1時，獲得的最大容積產氣率為0.71 LCH4L-1d-1。這個值要低于本研究在20 ℃～25 ℃取得的最大容積產氣率(0.796～1.294 LCH4·L-1d-1)，這可能是由于原料和反應器的區(qū)別造成的。Hill[16]用綜合動態(tài)模型擬合豬場廢水沼氣發(fā)酵數(shù)據，預測出35 ℃時的最大有機負荷為7.5 gVS·L-1d-1,Hill和Bolte[17]用傳統(tǒng)消化器在35 ℃條件下進行豬糞發(fā)酵試驗得出，在發(fā)酵不受抑制的前提下，35 ℃最大有機負荷為7 g VS L-1d-1，獲得的最大容積產氣率為2.76 LCH4·L-1d-1，這些值與本實驗中獲得的9.0 g TS L-1d-1(7.2 gVS·L-1d-1)接近。隨著溫度的增加，最大容積產氣率依次增加281.7%，332.8%，66.1%，12.7%，30.7%，對應的有機負荷依次增加50.0%，233.3%，20.2%，16.7%和28.6%?？梢钥闯鲆?0℃為分界線，10℃和15℃低溫條件下最大容積產氣率和能承受的有機負荷都比較低，在溫度20℃～35℃，容積產氣率和對應的有機負荷增加幅度較接近，基本呈線性增加。微生物增長隨溫度呈S型曲線變化，溫度10 ℃～15℃是曲線的緩慢增長階段，在20 ℃～60℃呈線性增加[7]，這解釋了為什么在溫度低于20℃，反應器的容積產氣率快速降低。

這種區(qū)分還體現(xiàn)在原料產氣率和CH4含量上。10℃和15℃的原料產氣率和CH4含量要明顯要低于20℃～35℃。在低溫條件下(10℃～15℃)甲烷含量45.8%～52.3%范圍內，低于中溫和近中溫條件下(20℃～35℃)甲烷含量(在60%以上)。如圖7和圖8所示，在低溫條件下易出現(xiàn)揮發(fā)酸積累，造成酸化，使產甲烷細菌活性降低，而酸化細菌活性相對較高。

表2顯示在所研究溫度下，有機負荷較低時原料產氣率變化較小，而在有機負荷較高階段原料產氣率持續(xù)性下降，這是由于在高有機負荷階段有機物停留時間較短，阻礙了其完全降解。低溫低有機負荷的原料產氣率與高溫高有機負荷的相似。例如，在20 ℃，有機負荷在1.0～2.5 gTS·L-1d-1范圍內的原料產氣率基本是一致的，平均為0.339 L·g-1TSadded，這個值與35 ℃有機負荷為8.0 gTS·L-1d-1獲得的原料產氣率(0.331 L·g-1TSadded)是相等的。這個結果表明，若處理相同量的豬場糞污，并要取得相同的原料產氣率，在20 ℃運行的反應器的體積至少是35 ℃的4倍。

表2 10℃～35℃不同有機負荷下的容積產氣率、原料產氣率和CH4含量

2.2 出水COD濃度，COD去除率和COD去除負荷

有機負荷、出水有機物濃度和有機物去除率是廢水處理工程中常用的參數(shù)。從圖2，圖3和圖4可以看出，在所研究的溫度(10℃～35℃)條件下，COD去除率隨著有機負荷的增加而降低，出水COD濃度和COD去除負荷隨有機負荷的增加而增加，小的有機負荷對應長的水力停留時間，允許更多的有機物轉化為沼氣。Chae[3]等研究豬場糞污中溫發(fā)酵(25 ℃ ～35 ℃)，Ma[18]等研究牛糞低溫發(fā)酵(22 ℃)都發(fā)現(xiàn)過相似的變化規(guī)律。

進料COD濃度為7.607 g·L-1時，發(fā)酵溫度25 ℃～35℃的出水COD都在1 g·L-1以下(見圖2)，去除率在87.4%～92.7%范圍(見圖3)。隨溫度降低，出水COD濃度增加，去除率下降。在20℃，去除率基本在80%以上。但是在相同有機負荷下去除效率降低，10℃～15℃比20℃～35℃更顯著。例如有機負荷=2 gTS·L-1d-1時，10℃和15℃的出水COD濃度分別為2.579 g·L-1和1.656 g·L-1，對應的COD去除率分別為66.1%和78.2%，而相同有機負荷下20℃和25℃的出水COD濃度分別為0.736 g·L-1和0.677 g·L-1，對應的COD去除率分別為90.3%和91.1%。在達到最大容積產氣率時，10℃～35℃的COD去除率分別為71.8%，82.6%，80.3%，87.9%，88.1%和88.8%。

圖2 不同溫度下不同有機負荷的出水COD濃度

圖3 不同溫度下不同有機負荷的COD去除率

圖4 不同溫度下不同有機負荷的COD去除負荷

污染物去除率和出水濃度的變化只能表明污染物的去除程度，相同質量的污染物若在反應器內停留時間不同時，即使表現(xiàn)出相同的出水濃度和去除率，但反應器消化污染物的性能明顯是不一樣的。此外，盡管有機負荷的大小能顯示出反應器負載有機物的能力，但是它不能準確地反映出微生物轉化或去除污染物的量。而污染物去除率和有機負荷的乘積，即污染物去除負荷，表示單位體積反應器在單位時間內能夠去除的有機物的量，則可以反映出反應器去除污染物的性能。圖4顯示，在所研究有機負荷范圍內，COD去除負荷隨有機負荷的增加而線性增加。在發(fā)酵溫度25℃～35℃下，相同有機負荷的COD去除負荷差異不大，而在10℃和20℃條件下，相同有機負荷的COD去除負荷隨著有機負荷增加而增大。在達到最大容積產氣率時，10℃～35℃的COD去除負荷分別為0.760 gCOD·L-1d-1，0.943 gCOD·L-1d-1，3.053 gCOD·L-1d-1，4.010 g COD L-1d-1和4.693 gCOD·L-1d-1。

2.3 出水NH3-N，揮發(fā)酸和pH值變化

反應器內料液適宜的pH值范圍是沼氣發(fā)酵順利進行的重要環(huán)境條件。當發(fā)酵過程有機負荷過高、或含有大量易降解碳水化合物的原料進入反應器內，易造成揮發(fā)酸積累，表現(xiàn)為pH值迅速降低。而豬糞是一種含有大量蛋白質或氨基酸的有機物質，在厭氧條件下經脫氨基作用會產生氨，導致pH值略微升高。但是揮發(fā)酸和氨(NH3-N)在非解離狀態(tài)下是有毒的，它們的濃度變化與pH值有關。不同溫度下有機負荷對發(fā)酵過程穩(wěn)定性的影響可通過pH值、揮發(fā)酸濃度和氨氮濃度變化來反映。

圖5 不同溫度下不同有機負荷的出水pH值

圖6 不同溫度下不同有機負荷的出水NH3-N濃度

圖7～圖12顯示10℃～35 ℃發(fā)酵溫度下的揮發(fā)酸濃度均隨著有機負荷的增加而增加。在20℃～35℃的高有機負荷階段，已產生揮發(fā)酸積累的現(xiàn)象，但均在1000 mg·L-1以下，未達到抑制濃度。在10℃發(fā)酵溫度下，有機負荷小于1gTS·L-1d-1時，丙酸濃度大于乙酸濃度，成為總酸的主要貢獻者，說明沼氣發(fā)酵系統(tǒng)已失衡(見圖7)。在有機負荷=1 gTS·L-1d-1，即達到最大容積產氣率時，總酸濃度在1000 mg·L-1以上，已超過報道的揮發(fā)酸的抑制濃度。但是其pH值尚未明顯降低，在6.76～7.22范圍，這可能是由于豬場糞污的緩沖作用，可見pH值在指示酸化時有一定的滯后性。在15℃，總酸從29.3 mg·L-1升高至623.0 mg·L-1，有機負荷大于1.5 gTS·L-1d-1時，丙酸濃度開始高于乙酸濃度(見圖8)，pH值降低至6.71～6.56。在20℃，在有機負荷在1.0～3.0 gTS·L-1d-1，總酸在100 mg·L-1以下(見圖9)，pH值在6.83～6.63范圍，當有機負荷進一步增加，總酸快速增加，在獲得最大容積產氣率時，總酸濃度達到223.9 mg·L-1。圖9和10顯示25℃與20℃有著相同的變化趨勢，但在相同有機負荷下，25℃的總酸比20℃時降低4%～31%，在有機負荷為5.0 gTS·L-1d-1，即獲得最大容積產氣率時，總酸濃度達到234.7 mg·L-1。30℃和35℃的揮發(fā)酸濃度變化趨勢相同，乙酸占總酸的75%以上，pH值均在6.75以上，在獲得最大容積產氣率時的總酸濃度分別為131.0 mg·L-1和35.5 mg·L-1(見圖11和12)。

圖7 在10 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

圖8 在15 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

圖9 在20 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

圖10 在25 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

圖11 在30 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

圖12 在35 ℃下不同負荷的揮發(fā)酸濃度

3 結論

固定進料濃度為1%TS，通過逐步增加有機負荷，研究了不同溫度下有機負荷對豬場糞污沼氣發(fā)酵的影響，結果如下：

(1)最大容積產氣率依賴于溫度，在10℃，15℃，20℃，25℃，30℃和35℃溫度下的最大容積產氣率分別是0.071 L·L-1d-1，0.271 L·L-1d-1，1.173 L·L-1d-1，1.948 L·L-1d-1，2.196 L·L-1d-1，2.871 L·L-1d-1，對應的有機負荷分別為1.0 gTS·L-1d-1，1.5 gTS·L-1d-1，5.0 gTS·L-1d-1，6.0 gTS·L-1d-1，7.0 gTS·L-1d-1和9.0 gTS·L-1d-1。

(2)隨溫度降低，出水COD濃度增加，COD去除率和COD去除負荷下降。在達到最大容積產氣率時，10℃～35℃的COD去除負荷分別為0.760 gCOD·L-1d-1，0.943 gCOD·L-1d-1，3.053 gCOD·L-1d-1，4.010 gCOD·L-1d-1和4.693 gCOD·L-1d-1。

(3)在10℃～35℃溫度下，有機負荷增加導致pH值下降，在達到最大容積產氣率之前pH值均在6.5～7.2范圍；在20℃～35℃的高有機負荷階段，揮發(fā)酸濃度均在1 g·L-1以下，在10℃發(fā)酵溫度下，有機負荷>1 gTS·L-1d-1時，總酸濃度在1 g·L-1以上。

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The Biogas Production Performance of Anaerobic Digestion of Swine Wastewater under Different Organic Loading Rate and Temperatures/

YANG Hong-nan，DENG Liang-wei/

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China)

Adopting semi-continuous test，the biogas production performance of anaerobic digestion of swine wastewater at different temperatures (10 ℃,15 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃,35 ℃) and different organic loading rates were studied,and the variations of pollutant removal efficiency,pH,NH3-N and volatile acid were evaluated.The results showed that,depended on the temperature,the maximum volumetric biogas production rate were 0.071,0.271,1.173,1.948,2.196 and 2.871 L·L-1d-1at 10 ℃,15 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃ and 35 ℃ respectively,the corresponding COD removal loading were 0.760 gCOD·L-1d-1,0.943 gCOD·L-1d-1,3.053 gCOD·L-1d-1,4.010 gCOD·L-1d-1,and 4.693 g COD·L-1d-1,the COD removal rate were 71.8%,82.6%,80.3%,87.9% and 88.1%,respectively.At the fermentation temperatures of 10 ℃ ～35 ℃,the volatile acid concentration increased with the increase of organic loading rate.The volatile acid accumulation might be occured at high organic loading under 20℃～35℃,but were still less than the inhibition concentration of 1000 mg L-1.When the organic loading rate was over 1 gTS·L-1d-1at 10 ℃,the volatile acid concentration would exceed 1000 mg·L-1and the volumetric biogas production rate would be decreased.

biogas fermentation；swine wastewater；temperature；organic loading rate

2016-04-26

項目來源：國家自然科學基金(31572450)；國家生豬技術產業(yè)體系(CARS-36-10B)

楊紅男(1989-)，女，安徽蚌埠人，在讀碩士，主要研究方向為農村廢棄物處理技術，E-mail:yanghn1105@126.com

鄧良偉,E-mail:dengliangwei@caas.cn

S216.4；X712

B

1000-1166(2016)03-0036-08