進(jìn)料濃度對(duì)雞糞長期高溫甲烷發(fā)酵的影響

喬 瑋,畢少杰,熊林鵬 ,任征然,董仁杰* (1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083；2.國家能源生物燃?xì)飧咝е苽浼熬C合利用技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)),北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院,山東 煙臺(tái) 264670)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高,規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展[1].據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年我國雞糞產(chǎn)生量高達(dá)2.5億t[2].雞糞富含有機(jī)質(zhì),易降解,產(chǎn)甲烷潛力高達(dá)296～377mL/g VS[3],采用甲烷發(fā)酵處理雞糞具有回收能源和保護(hù)環(huán)境的雙重意義,受到普遍歡迎[4].

雞糞中存在大量致病菌,如 Salmonella,Campylobacter jejuni和Listeria monocytogenes等[5].與中溫厭氧發(fā)酵相比,高溫發(fā)酵滅殺病原菌的效率更高[6].研究發(fā)現(xiàn)高溫發(fā)酵處理牛糞,市政污泥和餐廚垃圾獲得的甲烷產(chǎn)量也較中溫條件下高[7-8].但是高溫發(fā)酵對(duì)pH值,氨氮,揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和其他有毒物質(zhì)的變化更加敏感[9].

雞糞的含氮量約為5.0%(基于干重,下同)[10],遠(yuǎn)超過牛糞的2.3%,豬糞的4.2%和餐廚垃圾3.6%[11].雞糞含氮量高,易降解為氨氮,甲烷發(fā)酵過程經(jīng)常面臨著氨抑制問題.雖然適量的氨氮可促進(jìn)微生物的生長,但是當(dāng)氨氮濃度超過一定范圍,將對(duì)微生物的代謝產(chǎn)生抑制.目前,普遍認(rèn)為氨氮抑制甲烷發(fā)酵的下限濃度為 3.0～4.0g/L[12].但也有研究發(fā)現(xiàn)氨氮達(dá)到 2.5g/L,豬糞高溫甲烷發(fā)酵就受到抑制[13].有研究表明,1.7g/L的氨氮濃度也會(huì)抑制牛糞甲烷發(fā)酵的進(jìn)行[14].

厭氧微生物經(jīng)過長時(shí)間的高濃度氨氮條件馴化后,其耐受氨氮的能力將得到增強(qiáng)[15].研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過70d馴化,脫水污泥甲烷發(fā)酵能夠在 5.0～6.0g/L的氨氮濃度下進(jìn)行[16].目前關(guān)于長期馴化對(duì)單獨(dú)雞糞高溫甲烷發(fā)酵影響的研究較少[12].不同進(jìn)料濃度對(duì)雞糞長期甲烷發(fā)酵的影響需要進(jìn)一步研究.尤其是隨著進(jìn)料濃度的增加,氨氮濃度是否會(huì)等比例的增加還不清楚.為此,本研究開展高溫條件下雞糞連續(xù)發(fā)酵的長期實(shí)驗(yàn),通過梯度提高進(jìn)料濃度,探索不同進(jìn)料濃度下的發(fā)酵特性,考察工藝的穩(wěn)定性.

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理方法

雞糞取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)蛋雞養(yǎng)殖基地,取回后放置于 4℃冷藏室中保存.使用之前,用自來水將雞糞稀釋至總固體濃度(TS) 5.0%,7.5%和 10.0%.接種污泥為北京密云石匣村秸稈高溫沼氣工程的出料,該沼氣工程常年連續(xù)運(yùn)行,運(yùn)行溫度為 50～60℃.雞糞和接種污泥的性質(zhì)見表1.

表1 雞糞和接種污泥的性質(zhì)Table 1 Characteristics of chicken manure and inoculum

1.2 連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在高溫(55±1)℃條件下,采用 1個(gè)連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)進(jìn)行雞糞連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖1所示.反應(yīng)器總體積為15L,有效體積為12L.反應(yīng)器設(shè)有水浴夾層,利用水浴(HX-15,北京)在夾層內(nèi)循環(huán)流動(dòng)加熱,維持(55±1)℃的恒定溫度.基質(zhì)罐體積為 8.0L,溫度控制在(4±1)℃.反應(yīng)器采用連續(xù)機(jī)械攪拌(USM540-402W2,日本),轉(zhuǎn)速設(shè)置為 50～90r/min.水力停留時(shí)間(HRT)為 20d,通過梯度提高進(jìn)料濃度增加有機(jī)負(fù)荷(OLR),進(jìn)料TS為5.0%,7.5%和10.0%,對(duì)應(yīng)的OLR為2.5,3.8,5.0g TS/(L·d).每個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間分別為93,87和87d,均超過4個(gè)HRT,經(jīng)過2個(gè)HRT之后的數(shù)據(jù)用來計(jì)算系統(tǒng)的效率,見圖3的陰影部分.采用蠕動(dòng)泵(BT100N,保定)自動(dòng)進(jìn)出料,通過定時(shí)器(DJ-B14M,深圳)控制每天 4次進(jìn)料,每次進(jìn)料量為150.0mL.每天測(cè)定產(chǎn)氣量,pH 值和沼氣成分,每 4天測(cè)定VFAs,堿度和氨氮.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Scheme of experimental device

1.3 污泥比產(chǎn)甲烷活性測(cè)試

以乙酸鈉為基質(zhì),采用批次試驗(yàn)進(jìn)行污泥比產(chǎn)甲烷活性(SMA)測(cè)試.取雞糞連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行階段(第75,160和240d)的出料,去除溶解性成分并恢復(fù)活性后用作接種污泥,具體方法見參考文獻(xiàn)[17].接種污泥的 VSS濃度分別為 10.0,24.0,和52.0g VSS/L.

批次試驗(yàn)流程見圖2.試驗(yàn)共3批,每批6組,每組3個(gè)重復(fù).取120.0mL血清瓶,加入接種污泥 10.0mL,添加乙酸鈉和營養(yǎng)液至 100.0mL,分別形成終濃度為0,1.0,2.0,4.0,6.0,10.0,15.0g-COD/L的乙酸鈉溶液.采用NH4Cl調(diào)節(jié)氨氮濃度為2.5,5.5和7.0g/L,使血清瓶中的氨氮濃度與反應(yīng)器運(yùn)行階段的相同.向血清瓶中沖入氮?dú)?2min,形成厭氧環(huán)境.水浴(HH-60,常州)保持(55±1)℃恒溫,每天手動(dòng)震蕩 3次混合料液.發(fā)酵過程中測(cè)定產(chǎn)氣量和沼氣成分.SMA的計(jì)算采用Wandera等[18]研究中的方法,計(jì)算公式如下:

式中:V(CH4)為累積產(chǎn)甲烷量,mL;VR為血清瓶中添加的污泥量,L;f為化學(xué)需氧量(COD)與甲烷產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化系數(shù),350.0mL/g-COD;VSS是所用污泥的懸浮性揮發(fā)固體含量,g-VSS/L;t為時(shí)間,d.

圖2 污泥比產(chǎn)甲烷活性試驗(yàn)流程Fig.2 Procedure of SMA test

1.4 分析方法

1.4.1 化學(xué)分析方法 TS,VS,SS和VSS采用重量法測(cè)定[19].其中,SS和 VSS的具體測(cè)定方法是稱取約 30.0g雞糞置入三角瓶中,加入蒸餾水 150.0mL,加蓋密封后,于室溫下手動(dòng)連續(xù)振蕩 30min,棄去上清液(分離溶解性固體),再用烘干法測(cè)定.采用Orion 5-Star pH計(jì)直接測(cè)定出料pH值,原料雞糞經(jīng)浸提后測(cè)定浸提液的pH值.測(cè)定過程為:稱取10.0g雞糞置入三角瓶中,加入去除二氧化碳的蒸餾水25.0mL,加蓋密封,于室溫下連續(xù)振蕩 30min,靜置 30min后測(cè)上層清液的pH值.雞糞中的碳,氫,氧,硫和氮的元素質(zhì)量百分含量采用Vario Macro型元素分析儀測(cè)定.氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測(cè)定.碳酸氫鹽堿度用鹽酸滴定法測(cè)定.發(fā)酵出料經(jīng)九陽豆?jié){機(jī)(JYLC012,杭州)勻漿 1.0～2.0min,用蒸餾水稀釋,采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD.沼氣成分由GC-8A氣相色譜儀測(cè)定,色譜柱為Φ10m×2mm不銹鋼色譜柱.甲烷檢測(cè)條件:氫氣分壓為 0.6MPa,流速為 30mL/min,進(jìn)樣口,柱溫及檢測(cè)器(TCD)溫度分別為 120,50和120℃,進(jìn)樣量為 0.5mL.VFAs用GC-2010Plus氣相色譜測(cè)定,色譜柱為RTX-WAX毛細(xì)色譜柱,載氣為氮?dú)?分壓為 0.4MPa,流速為 40.0mL/min,分流比為30.進(jìn)樣器和檢測(cè)器(FID)溫度分別為 230和 250℃,進(jìn)樣體積為20.0uL.1g乙酸,丙酸,丁酸(異丁酸),戊酸(異戊酸)和己酸分別折算為 1.07,1.51,1.63,2.04,2.25g COD.

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析方法 發(fā)酵過程中 VFAs,堿度,氨氮和產(chǎn)氣率等以SPASS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(P＜0.05).

2 結(jié)果與討論

2.1 雞糞高溫連續(xù)發(fā)酵的產(chǎn)氣性能

雞糞高溫甲烷發(fā)酵試驗(yàn)一共進(jìn)行了267d,發(fā)酵性能隨進(jìn)料TS不斷增加的變化情況見圖3和表2.發(fā)酵開始至第 93d,進(jìn)料 TS為 5.0%,出料氨氮濃度為(2.5±0.3)g/L.此時(shí)產(chǎn)氣率,甲烷濃度和 VFAs分別為(267.2±12.5)mL/g TSin, (67.2±1.3)% 和 (0.4±0.1)g/L,pH 為值(8.3±0.2).各參數(shù)無明顯波動(dòng),發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn).從第94d開始,進(jìn)料TS由5.0%升至7.5%,氨氮濃度迅速增加并穩(wěn)定在(5.5±0.3)g/L,VFAs濃度增至(19.2±1.3)g/L.產(chǎn)氣率比進(jìn)料TS5.0%的減少了38.2%,為(166.5±11.3)mL/g TSin.第 181d后,進(jìn)料 TS提升至10.0%,氨氮濃度進(jìn)一步增至(6.1±0.2)g/L,VFAs提升至(26.1±1.5)g/L,pH 值 降 至(6.9±0.1).產(chǎn) 氣 率 降 至(49.8±8.2)mL/g TSin,甲烷含量由(56.0±1.9)%降至(36.0±1.7)%.

表2 雞糞高溫連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)的運(yùn)行情況Table 2 Performance of methane fermentation during a long term operation

根據(jù)表 1中雞糞的元素組成可將其表達(dá)成化學(xué)式 C7.9H12.2O4.8N.通過 Buswell發(fā)酵方程建立雞糞甲烷發(fā)酵的化學(xué)計(jì)量,方程如下:

根據(jù)上述方程,1g雞糞完全降解理論上可以產(chǎn)生564.1mL沼氣,甲烷濃度為60.3%,同時(shí)產(chǎn)生53.0mg氨氮.本研究采用進(jìn)料 TS5.0%的雞糞進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵,產(chǎn)氣率為(267.2±12.5)mL/g TSin,TS 去除率為(43.9±2.7)%,即降解1g雞糞約產(chǎn)生608.1mL沼氣,與理論結(jié)果相近.進(jìn)料TS7.5%和10.0%階段的產(chǎn)氣率明顯下降,此時(shí)更多的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFAs.

在厭氧發(fā)酵過程中,較高濃度的料液可為微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì),但濃度過高會(huì)阻礙傳熱傳質(zhì)過程,抑制發(fā)酵微生物生長代謝,導(dǎo)致基質(zhì)利用率降低[20].劉德江等[21]研究了不同 TS濃度(6.0%,8.0%和10.0%)對(duì)牛糞沼氣發(fā)酵的影響,發(fā)現(xiàn) TS8.0%的產(chǎn)氣效果最佳.反應(yīng)器內(nèi)的有害物質(zhì)(如氨氮等)經(jīng)常伴隨進(jìn)料濃度的增加而增加,從而導(dǎo)致甲烷發(fā)酵體系的不穩(wěn)定[22].

表3 甲烷發(fā)酵氨抑制情況分析Table 3 Analysis of ammonia inhibition in anaerobic fermentation

雞糞高溫發(fā)酵過程中,隨著進(jìn)料TS增加,氨氮和有 機(jī)酸出現(xiàn)明顯累積(圖 3c和圖 3e),前人對(duì)此多有報(bào)道(表 3).Niu等[12]研究表明氨氮濃度達(dá)到 4.0g/L,雞糞高溫產(chǎn)甲烷量降低 17.0%.Borja等[23]發(fā)現(xiàn)氨氮濃度達(dá)到5.0g/L,雞糞高溫產(chǎn)甲烷量降低 80.0%.本研究發(fā)現(xiàn)(5.5±0.3)和(6.1±0.2)g/L氨氮濃度導(dǎo)致雞糞的產(chǎn)氣率分別減少37.8%和81.4%.目前研究認(rèn)為甲烷發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量的變化不是由某一特定因素決定,而是受進(jìn)料TS,氨氮和 VFAs等多種因素共同影響[22].目前各因素之間以及各因素對(duì)發(fā)酵微生物代謝的影響尚不明確.

圖3 連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)在不同進(jìn)料TS條件下的運(yùn)行情況Fig.3 Performance of methane fermentation during a long term operation

關(guān)于氨氮抑制高溫甲烷發(fā)酵的研究已有大量報(bào) 道[22-28].由于雞糞含氮量高,甲烷發(fā)酵過程中易降解為氨氮,造成氨抑制(圖 3e和圖 3g).氨氮濃度由(2.5±0.3)g/L 增至(6.1±0.2)g/L,VFAs 濃度由 0.4±0.1g/L 增至 26.1±1.5g/L,產(chǎn)氣率顯著降低(P＜0.05).氨氮積累對(duì)雞糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)生明顯抑制,造成產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的代謝失衡.

作為水解酸化主要產(chǎn)物和產(chǎn)甲烷菌所利用底物,VFAs是評(píng)價(jià)水解酸化過程和產(chǎn)甲烷過程是否平衡的重要指標(biāo).在穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器中,產(chǎn)甲烷菌能夠迅速利用水解酸化菌產(chǎn)生的VFAs,使VFAs濃度保持在較低的水平[29].當(dāng)VFAs大量積累時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性將會(huì)受到抑制.任南琪等[30]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)厭氧發(fā)酵體系中乙酸濃度高于2.3g/L,丙酸濃度高于0.3g/L或丁酸濃度高于 2.0g/L時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性將受到抑制.VFAs的累積通常還會(huì)導(dǎo)致pH值的降低,進(jìn)而影響產(chǎn)甲烷菌的活性.進(jìn)料TS7.5%和10.0%,VFAs濃度分別為(19.2±1.3)和(26.1±1.5)g/L,均超過了報(bào)道的酸抑制濃度.

試驗(yàn)過程中,隨著進(jìn)料 TS的提升,氨氮和 VFAs逐漸累積,導(dǎo)致了產(chǎn)氣率顯著下降.由于雞糞的特性,采用進(jìn)料 TS濃度大于 7.5%的雞糞進(jìn)行高溫甲烷發(fā)酵時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生氨抑制.

2.2 雞糞連續(xù)發(fā)酵過程物料平衡分析

圖4 基于COD的物料平衡Fig.4 Mass balance based on COD

通過長期連續(xù)甲烷發(fā)酵試驗(yàn),基于物料平衡分析不同進(jìn)料 TS條件下雞糞水解,酸化和甲烷化程度的變化(圖4).進(jìn)料TS為5.0%時(shí),由于進(jìn)出料的波動(dòng),樣品破碎不充分,造成測(cè)定的 COD 存在較大誤差,為15.0%;進(jìn)料TS為7.5%和10.0%時(shí),樣品充分破碎后,誤差所占的比例分別下降到 1.7%和 3.6%.連續(xù)發(fā)酵過程中水解,酸化和甲烷化程度的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[22].進(jìn)料TS由5.0%升至7.5%和10.0%,水解率分別為30.5%,37.8%和15.3%,酸化率分別為28.6%,30.2%和12.0%,甲烷轉(zhuǎn)化率為44.6%,23.2%和4.5%.雞糞高溫發(fā)酵的甲烷轉(zhuǎn)化率較低.即使進(jìn)料TS為5.0%,甲烷轉(zhuǎn)化率僅為44.6%,與Niu等[22]報(bào)道結(jié)果一致,但遠(yuǎn)低于餐廚垃圾高溫發(fā)酵 75.0%的轉(zhuǎn)化率[31].隨著進(jìn)料濃度增加,水解,酸化和甲烷化程度均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).當(dāng)進(jìn)料 TS濃度達(dá)到 10.0%,PCOD,VFA-COD和CH4-COD 依次為(54.6±8.9)%,(24.2±1.3)%和(4.5±0.7)%. COD去除率明顯降低,VFAs所占比例大幅度提高,比正常情況下高出33倍,VFAs與氨氮共同抑制甲烷發(fā)酵進(jìn)行,導(dǎo)致產(chǎn)氣率明顯降低.

2.3 固體的去除率分析

采用甲烷發(fā)酵處理畜禽糞便具有回收能源和保護(hù)環(huán)境的雙重意義.TS,VS,SS和 VSS去除率通常用于表示有機(jī)污染物的去除效果.圖5是雞糞連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)過程中進(jìn)料和出料中TS,VS,SS和VSS的變化,并在表2中進(jìn)行了總結(jié).進(jìn)料TS為5.0%,TS,VS,SS和VSS的去除率分別為 43.9%,59.1%,41.3%和 55.4%,處于Nizami等[32]報(bào)道的CSTR處理能源作物40.0～70.0%VS去除率范圍內(nèi).隨著進(jìn)料TS升至10.0%,TS,VS,SS和 VSS去除率均發(fā)生顯著下降(P＜0.05),分別降至 23.8%,30.0%,19.7%和 25.2%,下降率分別為45.8%,49.3%,52.3%和 54.5%.氨氮濃度隨進(jìn)料 TS增加而提高,抑制水解,酸化和甲烷化進(jìn)行,造成雞糞中有機(jī)質(zhì)的去除率明顯下降.

2.4 氨氮對(duì)VFAs累積和產(chǎn)氣率的影響

采用線性回歸分析了雞糞高溫發(fā)酵過程中氨氮累積對(duì)VFAs累積和產(chǎn)氣率的影響(圖6).圖6a對(duì)氨氮和 VFAs累積進(jìn)行了線性回歸分析,R2為 0.9,經(jīng)推算氨氮濃度超過 2.0g/L,VFAs開始累積,即雞糞高溫發(fā)酵產(chǎn)生抑制的氨濃度.圖 6b對(duì)氨氮和產(chǎn)氣率進(jìn)行了線性回歸分析,R2為0.8,經(jīng)推算氨氮濃度達(dá)到8.2g/L,反應(yīng)器產(chǎn)氣停止,即雞糞高溫發(fā)酵完全抑制的氨濃度.大量研究就氨氮對(duì)甲烷發(fā)酵的影響進(jìn)行了論證,但是不同原料不同溫度下產(chǎn)生抑制的氨濃度不同,研究發(fā)現(xiàn) 1.7g/L的氨氮濃度就可能會(huì)抑制甲烷發(fā)酵[14].Andrew等[13]發(fā)現(xiàn)氨氮達(dá)到 2.5g/L時(shí),牛糞高溫甲烷發(fā)酵才受到抑制.本研究通過雞糞長期甲烷發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氨氮濃度低于3.0g/L,VFAs濃度在1.0g/L以內(nèi),產(chǎn)氣率波動(dòng)不明顯.氨氮濃度在3.5g/L左右,VFAs濃度在 5.0～15.0g/L范圍波動(dòng),產(chǎn)氣率出現(xiàn)明顯降低.氨氮濃度提升至5.0g/L,VFAs累積至20.0g/L,產(chǎn)氣率比氨氮濃度 3.0g/L時(shí)下降約 50.0%.氨氮濃度達(dá)到7.5g/L,VFAs濃度高達(dá)(26.1±1.5)g/L,產(chǎn)氣率僅為(49.8±8.2)mL/g TSin.綜合長期試驗(yàn)結(jié)果與線性回歸分析,本研究中氨氮抑制雞糞高溫甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣的濃度在 2.5～3.0g/L,與 Wang等[33]報(bào)道的結(jié)果相似,但低于Niu等[12]報(bào)道的氨抑制起始濃度(4.0g/L).烷菌的最主要前體物質(zhì).本研究采用乙酸鈉為基質(zhì)進(jìn)行SMA測(cè)試.圖7是進(jìn)料TS5.0%,7.5%和10.0%階段SMA試驗(yàn)中的累積甲烷產(chǎn)量,Gomperzt擬合曲線(圖 7a,b,c)和不同乙酸濃度下的比產(chǎn)甲烷活性(圖7d,表4).

圖5 連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)運(yùn)行過程中TS,VS,SS和VSS去除率的變化Fig.5 TS, VS, SS and VSS removal rates of methane fermentation during a long term operation

圖6 氨氮對(duì)VFAs累積和產(chǎn)氣率的影響Fig.6 Effect of TAN on VFA accumulation and gas production

2.5 污泥比產(chǎn)甲烷活性分析

SMA指污泥所能具有的去除COD或生成甲烷的能力,是反映污泥品質(zhì)的重要參數(shù)之一[34].乙酸是產(chǎn)甲

由圖7和表4可以看出,進(jìn)料TS為5.0%時(shí),污泥SMA隨乙酸濃度增高而增加,15.0g COD/L濃度下獲得最大產(chǎn)甲烷活性(246.3±5.7)mg COD/(g VSS·d),反應(yīng)器內(nèi)的VSS為10.0g VSS/L,對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器最大的產(chǎn)甲烷能力為0.9L CH4/(L·d),遠(yuǎn)超過此時(shí)反應(yīng)器容積產(chǎn)甲烷率 0.5L CH4/(L·d).進(jìn)料 TS 為 7.5%時(shí),污泥SMA隨乙酸濃度增高呈先升高后降低的趨勢(shì),在10.0g COD/L濃度下獲得最大產(chǎn)甲烷活性(108.8±2.9)mg COD/(g VSS·d),反應(yīng)器內(nèi)的 VSS 為 24.0g VSS/L,對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器最大的產(chǎn)甲烷能力為 0.9L CH4/(L·d),遠(yuǎn)超過反應(yīng)器的容積產(chǎn)甲烷率 0.4L CH4/(L·d).因此,在 TS5.0%和 7.5%的進(jìn)料濃度下,發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力仍有提高的潛力.在5.5g/L氨氮濃度下,污泥最高SMA降低了60.0%.進(jìn)料TS為10.0%,氨氮濃度為7.0g/L時(shí),各濃度處理均未觀察到明顯的產(chǎn)氣.可見,氨氮濃度對(duì)污泥乙酸產(chǎn)甲烷活性影響顯著(P＜0.05),氨氮濃度達(dá)到 7.0g/L時(shí),利用乙酸產(chǎn)甲烷活動(dòng)被完全抑制.

圖7 各進(jìn)料TS濃度下不同乙酸濃度的累積甲烷產(chǎn)量和對(duì)應(yīng)的比產(chǎn)甲烷活性Fig.7 Cumulative methane yield and corresponding SMA of different acetate concentrations under different feed

表4 進(jìn)料濃度5.0%和7.5%條件下的比產(chǎn)甲烷活性Table 4 SMA under different feed TS

3 結(jié)論

3.1 雞糞高溫甲烷發(fā)酵能夠在進(jìn)料TS為 5.0%下穩(wěn)定運(yùn)行,進(jìn)料TS超過7.5%,氨氮和VFAs均明顯升高,對(duì)甲烷發(fā)酵水解,酸化和產(chǎn)甲烷產(chǎn)生抑制,導(dǎo)致產(chǎn)氣率和降解程度的降低.

3.2 綜合長期試驗(yàn)結(jié)果與線性回歸分析獲得氨抑制雞糞高溫甲烷發(fā)酵起始濃度為 2.5～3.0g/L,完全抑制濃度為8.2g/L.

3.3 氨氮濃度的提高導(dǎo)致發(fā)酵體系利用乙酸產(chǎn)甲烷的能力降低,氨氮濃度為5.5g/L,污泥最高乙酸產(chǎn)甲烷活性降低 60.0%,達(dá)到7.0g/L,污泥利用乙酸產(chǎn)甲烷活動(dòng)幾乎停止.