盧玢宇, 裴占江, 史風梅, 徐紅濤, 高亞冰, 左 辛, 王 粟, 劉 杰
(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院博士后科研工作站, 哈爾濱 150086; 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)村能源研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)循環(huán)重點實驗室 黑龍江省秸稈能源化重點實驗室, 哈爾濱 150086)
隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到快速發(fā)展,已成為世界第一養(yǎng)豬大國[1]。2015年,僅黑龍江省出欄生豬已達到1863余萬頭,產(chǎn)生的糞污超過8000萬噸[2]。這些糞污對周邊環(huán)境的污染已成為突出的環(huán)境問題,嚴重威脅到我們的生存環(huán)境。如何科學有效地處理豬場糞污,不僅使其變廢為寶,還能實現(xiàn)養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,已成為全社會關注的主要問題[3-4]。
沼氣發(fā)酵是豬場處理糞污的主要途徑之一,沼氣發(fā)酵不僅能夠消除由此帶來的環(huán)境污染問題,還能實現(xiàn)畜禽糞便的能源轉(zhuǎn)換,達到回收生物氣體的目的。影響沼氣發(fā)酵的因素很多,其中發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率最重要的指標之一[5-7],發(fā)酵溫度升高,能夠加速沼氣發(fā)酵的進行,但同時需要維持較高的發(fā)酵溫度所要消耗的能量也大大提升;總固體濃度(TS)也是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率的主要因素,TS越高,反應器體積利用率越高,但TS太高則會造成揮發(fā)酸、氨氮等中間產(chǎn)物的不斷積累[8-9],改變甲烷菌適宜的發(fā)酵環(huán)境,從而導致沼氣發(fā)酵工藝產(chǎn)氣不穩(wěn)定,甚至失敗[4],另一方面進料TS過高也會給進出料和混合攪拌操作帶來一定的困難[10]。機械攪拌是利用攪拌槳的旋轉(zhuǎn),推動反應器內(nèi)液體的流動,將攪拌槳的機械能傳遞給流體。M.Halalsheh 等人研究了攪拌速度和水力停留時間對下水污泥低溫(15℃)厭氧發(fā)酵的影響,得出了提高攪拌速度可以增大活性污泥表面積、加快污泥發(fā)酵的結(jié)論[11]。Hoffinan[12]等人的研究表明,在牛糞的厭氧發(fā)酵過程中,隨著攪拌速度由50 rpm提高到1000 rpm,反應的產(chǎn)氣量并沒有發(fā)生明顯變化,但體系內(nèi)產(chǎn)甲烷鬃毛菌和甲烷八疊球菌的競爭關系發(fā)生了變化。由此,反應器內(nèi)的攪拌行為會對發(fā)酵過程產(chǎn)生影響,但是,也有學者[13]認為在TS較低時,混合攪拌對沼氣發(fā)酵過程的影響不大。因此,本研究選取發(fā)酵發(fā)酵溫度、TS和攪拌轉(zhuǎn)速3個因素,利用中心組合設計試驗(Box-Benhnken Design)對以豬糞為底物的沼氣發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響過程進行考察,運用響應面法對其工藝參數(shù)進行優(yōu)化,以期為豬糞為底物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的資源化利用提供科學依據(jù)。
新鮮豬糞取自黑龍江省哈爾濱市某養(yǎng)殖場,采集后立即保存在4℃條件下并于3天之內(nèi)完成物化分析與接種。接種的活性污泥取自黑龍江省哈爾濱市良大實業(yè)有限公司大型沼氣發(fā)酵工程長期培養(yǎng)馴化的沼氣發(fā)酵污泥罐,于取回的污泥中添加少量微生物營養(yǎng)物質(zhì),室溫活化3天后使用。試驗材料的基本物化性質(zhì)如表1所示。
沼氣發(fā)酵裝置如圖1所示。沼氣發(fā)酵罐為玻璃廣口瓶,有效容積為500 mL,另1個廣口瓶為排飽和食鹽水集氣裝置,量筒作為集飽和食鹽水裝置,三者由密閉性良好的膠皮軟管連接,所有接口用石蠟密封,采用間歇式機械攪拌,轉(zhuǎn)速見表2。
表1 試驗材料基本物化性質(zhì) (%)
A.恒溫水浴鍋; B.集氣瓶; C.計量瓶; D.發(fā)酵瓶; E.標線; F.攪拌棒圖1 沼氣發(fā)酵裝置
采用Box-Behnken中心組合進行三因素三水平試驗設計[14-15],選取發(fā)酵溫度(℃),TS (%),攪拌轉(zhuǎn)速(r·min-1)3種豬糞沼氣發(fā)酵影響因素作為自變量,分別以X1,X2,X3表示,以-1,0,1分別表示3個自變量的低中高3種水平,以原料產(chǎn)氣率為響應值y,3種自變量通過公式(1)進行編碼,因變量y采用最小二乘法擬合的二次多項式公式(2)進行預測自變量與因變量之間的關系,最后應用Design-Express 8.0軟件進行優(yōu)化分析。中心組合試驗自變量因素和水平編碼如表2所示。
(1)
式中:yi為第i個自變量的編碼值;Xi為此自變量的真實值;X0為此自變量的中心值;△x為此自變量變化的步長。
(2)
式中:Y為預測的響應值;A0為常數(shù);Ai為第i個線性相關系數(shù);Aii為平方項相關系數(shù);Aij為第ij項交互項相關系數(shù);Xi與Xj為輸入自變量的相關系數(shù)。
表2 中心組合試驗自變量因素和水平編碼
沼氣發(fā)酵體系按3.0 %,5.0 %和7.0 %這 3 種不同固體質(zhì)量分數(shù)分別稱取適量豬糞和接種物于消化瓶中,用去離子水調(diào)節(jié)使其總體積為400 mL,另設只有接種物不添加豬糞的試驗組為對照。在消化瓶中充入氮氣,保證厭氧條件,充分震蕩混勻。每組試驗和對照設3個重復,置于不同溫度的水浴槽內(nèi)進行沼氣發(fā)酵,發(fā)酵周期設定為45 d。
總固體含量TS 采用烘干法測定[16];揮發(fā)性固體含量(VS) 采用灼燒法測定[17];總氮(TN) 采用凱氏定氮儀法[18]測定;總碳(TC) 采用重鉻酸鉀氧化法[19]測定,沼氣產(chǎn)量采用排水法測定。
Box-Behnken試驗各因素組合及其試驗結(jié)果見表3。
表1 試驗各因素組合及其試驗結(jié)果
利用Design-Express 8.0.6軟件中Box-Behnken模型分析,對表3中數(shù)據(jù)進行回歸分析得到編碼空間內(nèi)的多元二次方程,見方程(3):
(3)
對該方程進行方差分析,分析結(jié)果見表4。
表4 反應曲面回歸模型方差分析
方程中自變量系數(shù)絕對值大小直接反映各因素對因變量的影響程度,系數(shù)的正、負值反映影響的方向[20-21]。由此可見,該方程的二此項系數(shù)為負值,推斷方程代表的拋物面開口向下,具有極大值點,因此可以進行優(yōu)化分析。同時對得出的回歸方程進行方差分析,結(jié)果如表4所示:模型的一次項x1(p<0.01)和x2(p<0.01)差異極顯著;x1x2,x1x3和x2x3交互項不顯著;二次項x1(p<0.01 )和x2(p<0.01)極顯著,表明各影響因素對原料產(chǎn)氣率的影響并不是簡單的線性關系。
圖2 沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率預測值與實際值
2.2.1 單因素對原料產(chǎn)氣率的效應分析
為了分析單一因素對原料產(chǎn)氣率的影響,通過降維分析,可以把多元問題轉(zhuǎn)換為一元問題,即把模型中其他因素控制在相同的水平上,可得到單因素與原料產(chǎn)氣率的一元回歸模型[22-23]。圖3為在其他因素設定在0水平時,得到另一變化因素的一維模型曲線,由圖可知,3個因素均呈先升高后降低的趨勢,其中發(fā)酵溫度變化幅度最大,其次是TS和攪拌轉(zhuǎn)速,說明在試驗設定的條件范圍內(nèi),發(fā)酵溫度在25℃~45℃和TS在3%~7%范圍內(nèi),對原料產(chǎn)氣率的影響波動較大,而攪拌轉(zhuǎn)速在50 r·min-1~150 r·min-1范圍內(nèi)累積產(chǎn)氣量的波動較小。由此說明對原料產(chǎn)氣率的結(jié)果影響較大的依次是發(fā)酵溫度、TS和攪拌轉(zhuǎn)速,這與方差分析的結(jié)果是一致的。
圖3 單因素水平下原料產(chǎn)氣率的變化
圖4 基于發(fā)酵溫度和TS的累積產(chǎn)氣量響應曲面
圖5 基于發(fā)酵溫度和TS的累積產(chǎn)氣量等高線圖
2.2.2 因素交互作用對原料產(chǎn)氣率的效應分析
根據(jù)回歸方程得出的不同因子響應面分析及相應等值線圖,可直觀看出各因素交互作用對沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響,如果曲線弧度越大,表明該因素對原料產(chǎn)氣率的影響越大,相應表現(xiàn)為響應值變化的大小[21-22]。圖4和圖5為發(fā)酵溫度與TS兩者交互對沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響。由圖4可知,原料產(chǎn)氣率隨著發(fā)酵溫度和TS的升高呈現(xiàn)逐漸增大,達到最大值后,呈緩慢下降的趨勢。結(jié)合圖5,當處理發(fā)酵溫度處于35℃左右,TS約為4%~5%時,其沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率可達187.50 m3·kg-1TS。
在TS處于固定值時,發(fā)酵溫度與攪拌轉(zhuǎn)速兩者交互對沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響如圖6和圖7所示。
圖6 基于發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量響應曲面
圖7 基于發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量等值線圖
由圖6可知,累積產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)逐漸增大,達到最大值后,呈逐漸下降的趨勢。結(jié)合圖7,在發(fā)酵溫度固定時,隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大,累積產(chǎn)氣量的變化不大;在攪拌轉(zhuǎn)速固定時,累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵溫度的升高而增大,達到最大值后,累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵溫度的升高而降低,變化較大,說明發(fā)酵溫度對累積產(chǎn)氣量的影響大于攪拌轉(zhuǎn)速。保持另外一個變量為固定值,對響應面結(jié)果進行優(yōu)化,結(jié)果表明,當發(fā)酵溫度為28.4℃,攪拌轉(zhuǎn)速為150 r·min-1時,此時原料產(chǎn)氣率最大為139.78 m3·kg-1TS。
在發(fā)酵溫度處于固定條件時,TS與攪拌轉(zhuǎn)速兩者交互對沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)氣量的影響如圖8和圖9所示。
由圖8可知,累積產(chǎn)氣量隨著TS和攪拌轉(zhuǎn)速的增加呈緩慢的先升高后逐漸降低狀態(tài)。結(jié)合圖9,在TS固定時,隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大,累積產(chǎn)氣量的變化不大;在攪拌轉(zhuǎn)速固定時,累積產(chǎn)氣量隨TS的升高而增大,達到最大值后,累積產(chǎn)氣量隨TS的升高而降低,變化較大,說明TS對累積產(chǎn)氣量的影響大于攪拌轉(zhuǎn)速。保持另外一個變量為固定值,對響應面結(jié)果進行優(yōu)化,結(jié)果表明,當TS為5.8%,攪拌轉(zhuǎn)速為150 r·min-1時,此時原料產(chǎn)氣率最大,可達140.44 m3·kg-1TS。
圖8 基于TS和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量響應曲面
圖9 基于TS和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量等值線圖
通過模型優(yōu)化,得到最優(yōu)工藝條件,即TS為5.8%,發(fā)酵溫度為29℃,攪拌轉(zhuǎn)速為92 r·min-1,為了驗證上述優(yōu)化條件的準確性與可靠性,在上述最優(yōu)的條件下進行沼氣發(fā)酵驗證試驗,得到的試驗數(shù)據(jù)平均值為154.83 m3·kg-1TS,與預測值160.09 m3·kg-1TS的相對誤差為3.21%,在允許范圍內(nèi),由此可見由響應面法所得模型能夠很好地優(yōu)化沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)。
試驗基于響應面法依靠Design-Express 8.0.6軟件對不同的發(fā)酵溫度,TS,和攪拌轉(zhuǎn)速的不同對沼氣發(fā)酵系統(tǒng)沼氣產(chǎn)率進行優(yōu)化研究,得到了相關多元二次模型,并通過模型對不同影響因素進行擬合,確定各響應變量之間的交互關系,并最終通過優(yōu)化和驗證試驗,證明了響應面法在沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化上的可行性,這與丁琨[16]等進行的糞秸混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的產(chǎn)氣率為288.5 mL·g-1TS,預測值與實驗值相對偏差為1.14%,即該分析方法可以較好地預測實際的沼氣產(chǎn)率這一研究結(jié)果是一致的。雖然本研究的沼氣產(chǎn)率明顯低于丁琨[16]等的實驗結(jié)果,但這可能是由于底物及底物濃度不同造成的,具體原因還需后續(xù)實驗研究。
通過試驗及響應面法分析發(fā)現(xiàn)在本試驗的3種沼氣發(fā)酵影響因素中,影響程度由高到低為發(fā)酵溫度>TS>攪拌轉(zhuǎn)速。通過兩兩交互分析,發(fā)現(xiàn)在試驗攪拌轉(zhuǎn)速恒定時,沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)氣量在一定范圍內(nèi)會隨著發(fā)酵溫度以及TS 的升高而升高,說明沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中適宜發(fā)酵溫度與TS的高低對維持沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的運轉(zhuǎn),保證沼氣發(fā)酵的高效運行起著關鍵性的作用。但是本試驗僅進行了實驗室小容量批次試驗,在大型的沼氣工程中各因素對沼氣發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響是否與本試驗得出的結(jié)論一致,需要通過連續(xù)沼氣工程進行擴大驗證試驗。而在大型沼氣工程運行過程中各影響因素對累積產(chǎn)氣量的影響是否能夠應用響應面法優(yōu)化也值得進一步研究。
本文采用響應面分析方法對沼氣發(fā)酵的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,結(jié)果表明:發(fā)酵溫度和TS是影響豬糞為底物的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效果的重要因素。證明用響應面分析發(fā)酵溫度,TS和攪拌轉(zhuǎn)速對沼氣發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量的優(yōu)化條件是可行可靠的,篩選出3者共同的最佳條件是發(fā)酵溫度為29 ℃,TS為5.8 %,攪拌轉(zhuǎn)速為92 r·min-1,該條件下沼氣發(fā)酵的產(chǎn)率為154.83 m3·kg-1TS 。