提升中溫和高溫過(guò)渡區(qū)厭氧發(fā)酵效率的試驗(yàn)研究和工程驗(yàn)證

李月中， 宮亞斌， 譚 婧， 詹偶如， 李 倩， 蔡昌達(dá)

(1.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司， 江蘇 常州 213125； 2.杭州能源環(huán)境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

溫度是影響厭氧微生物生長(zhǎng)代謝活動(dòng)的重要因素，一般而言，隨著發(fā)酵溫度的升高，微生物活性增強(qiáng)，發(fā)酵產(chǎn)氣效率提高，且在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量與溫度呈正相關(guān)[1]。產(chǎn)甲烷菌對(duì)溫度的變化尤為敏感，多位國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-6]研究了溫度對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性的影響，產(chǎn)甲烷菌在其最適生長(zhǎng)溫度條件下生長(zhǎng)旺盛，產(chǎn)甲烷速率最高，根據(jù)甲烷菌對(duì)溫度的適應(yīng)性，一般將產(chǎn)甲烷菌分為中溫菌和高溫菌兩大類(lèi)(見(jiàn)圖1)，中溫菌最適溫度范圍為35℃～42℃，高溫菌最適溫度范圍50℃～55℃，對(duì)應(yīng)厭氧發(fā)酵分為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，常規(guī)理論認(rèn)為在中溫與高溫之間(43℃～45℃)是“低速厭氧區(qū)”，該理論也被寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7,8]，用于指導(dǎo)厭氧發(fā)酵工程的設(shè)計(jì)。但也有研究報(bào)道，某檸檬水廢水工程在45℃溫度下運(yùn)行多年[5]。

圖1 溫度對(duì)厭氧微生物活性的影響曲線[5]

本研究以4種典型的有機(jī)廢棄物(餐廚垃圾漿料、牛糞、酒糟、黃貯玉米秸稈)為發(fā)酵原料，探究了中溫區(qū)(發(fā)酵溫度38℃)、過(guò)渡區(qū)(發(fā)酵溫度44℃)和高溫區(qū)(發(fā)酵溫度52℃)3種溫度條件下各種原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率，旨在為厭氧發(fā)酵工程選擇最佳的運(yùn)行溫度提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試菌種：本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期使用的厭氧污泥；底物來(lái)源：餐廚垃圾取自杭州天子嶺餐廚垃圾處理一期工程(經(jīng)預(yù)處理后的餐廚垃圾漿料)；酒糟和黃貯玉米秸稈取自中廣核河北衡水混合原料生產(chǎn)生物天然氣項(xiàng)目；牛糞取自浙江紹興一景乳業(yè)牧場(chǎng)；所有底物原料試驗(yàn)前均保存于4℃環(huán)境下。各試驗(yàn)材料性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原料性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中分別選擇中溫區(qū)(發(fā)酵溫度38℃)、過(guò)渡區(qū)(發(fā)酵溫度44℃)和高溫區(qū)(發(fā)酵溫度52℃)作為本研究處理設(shè)置。采用1 L(有效容積800 mL)發(fā)酵裝置進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，接種物在相應(yīng)的溫度下預(yù)熱3天以上，發(fā)酵底物按底物與接種物FVS∶MVS=0.5投加并充分混合后，試驗(yàn)設(shè)計(jì)3組平行試驗(yàn)。

1.3 分析方法

沼氣產(chǎn)量，采用排水法收集測(cè)試；總固體(TS)，采用105℃±2℃烘干恒重法測(cè)定；揮發(fā)性固體(VS)，采用600℃灼燒2 h差重法測(cè)定；pH值，采用PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定，餐廚漿料和牛糞直接測(cè)定，酒糟和黃貯玉米秸稈參照有機(jī)肥料(NY 525-2012)酸堿度的測(cè)定方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2～圖5是中溫區(qū)(38℃)，過(guò)渡區(qū)(44℃)和高溫區(qū)(52℃)下餐廚漿料、牛糞、酒糟和黃貯玉米秸稈產(chǎn)氣趨勢(shì)曲線。

從圖2餐廚漿料發(fā)酵產(chǎn)氣曲線可以看出，3種溫度條件下的餐廚漿料產(chǎn)氣高峰均集中在第1～8天，其中單日產(chǎn)氣量最高出現(xiàn)在第1天。第20天以后，產(chǎn)氣基本結(jié)束。3種溫度條件下的產(chǎn)氣速率對(duì)比結(jié)果是：44℃>52℃>38℃。發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的累積VS產(chǎn)氣率0.930 m3·kg-1VS較中溫區(qū)(38℃)累積VS產(chǎn)氣率0.781 m3·kg-1VS提高19.0%，較高溫區(qū)(52℃)累積VS產(chǎn)氣率0.857 m3·kg-1VS提高8.4%。在前8天發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的產(chǎn)氣速率優(yōu)勢(shì)更加明顯，較中溫區(qū)(38℃)提高30.8%，較高溫區(qū)(52℃)提高19.0%。

圖2 餐廚漿料發(fā)酵產(chǎn)氣曲線

從圖3牛糞發(fā)酵產(chǎn)氣曲線可以看出，3種溫度條件下的牛糞產(chǎn)氣高峰集中在第1～15天，其中：中溫區(qū)(38℃)在第7天和第11天分別出現(xiàn)兩次產(chǎn)氣高峰；過(guò)渡區(qū)(44℃)和高溫區(qū)(52℃)的單日產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第5天，第20天以后產(chǎn)氣基本結(jié)束。3種溫度條件下的產(chǎn)氣速率對(duì)比結(jié)果是：44℃>52℃>38℃。發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的累積VS產(chǎn)氣率0.347 m3·kg-1VS較中溫區(qū)(38℃)累積VS產(chǎn)氣率0.299 m3·kg-1VS提高16.1%，較高溫區(qū)(52℃)累積VS產(chǎn)氣率0.321 m3·kg-1VS提高8.1%。在前8天發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的產(chǎn)氣速率優(yōu)勢(shì)更加明顯，較中溫區(qū)(38℃)提高71.5%，較高溫區(qū)(52℃)提高12.9%。

圖3 牛糞發(fā)酵產(chǎn)氣曲線

從圖4酒糟發(fā)酵產(chǎn)氣曲線可以看出，3種溫度條件下的酒糟產(chǎn)氣高峰集中在第1～10天，其中：中溫區(qū)(38℃)的單日產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第4天；過(guò)渡區(qū)(44℃)和高溫區(qū)(52℃)的單日產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第3天，第15天以后產(chǎn)氣基本結(jié)束。3種溫度條件下的產(chǎn)氣速率對(duì)比結(jié)果是：44℃>52℃>38℃。發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的累積VS產(chǎn)氣率0.466m3·kg-1VS較中溫區(qū)(38℃)累積VS產(chǎn)氣率0.431 m3·kg-1VS提高8.1%，較高溫區(qū)(52℃)累積VS產(chǎn)氣率0.452 m3·kg-1VS提高3.0%。在前8天發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的產(chǎn)氣速率較中溫區(qū)(38℃)提高21.2%，較高溫區(qū)(52℃)提高8.7%。

圖4 酒糟發(fā)酵產(chǎn)氣曲線

從圖5黃貯玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣曲線可以看出，3種溫度條件下的黃貯玉米秸稈產(chǎn)氣高峰集中在第1～12天，其中：中溫區(qū)(38℃)和過(guò)渡區(qū)(44℃)的單日產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第3天；高溫區(qū)(52℃)的單日產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第4天。第20天以后，產(chǎn)氣基本結(jié)束。3種溫度條件下的產(chǎn)氣速率對(duì)比結(jié)果是：44℃>52℃>38℃。發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的累積VS產(chǎn)氣率0.528m3·kg-1VS較中溫區(qū)(38℃)累積VS產(chǎn)氣率0.444 m3·kg-1VS提高18.8%，較高溫區(qū)(52℃)累積VS產(chǎn)氣率0.502 m3·kg-1VS提高5.1%。在前8天發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)的產(chǎn)氣速率較中溫區(qū)(38℃)提高24.6%，較高溫區(qū)(52℃)提高11.1%。

圖5 黃貯秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣曲線

圖6～圖9是不同發(fā)酵周期下各處理累積產(chǎn)氣占比，其中取各試驗(yàn)底物最高產(chǎn)氣量(44℃處理)作為總產(chǎn)氣量。從圖6可以看出，餐廚漿料在38℃，44℃，52℃溫度下發(fā)酵時(shí)分別于15 d，7 d，11 d時(shí)達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%；牛糞在38℃，44℃，52℃溫度下發(fā)酵時(shí)分別于13 d，8 d，10 d時(shí)達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%(見(jiàn)圖7)；酒糟在38℃，44℃，52℃溫度下發(fā)酵時(shí)分別于9 d，6 d，7 d時(shí)達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%(見(jiàn)圖8)；黃貯玉米秸稈在38℃，44℃，52℃溫度下發(fā)酵時(shí)分別于12 d，6 d，8 d時(shí)達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%(見(jiàn)圖9)。上述結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明，過(guò)渡區(qū)(44℃)條件下的產(chǎn)氣速率較中溫區(qū)(38℃)和高溫區(qū)(52℃)明顯提升。

圖6 餐廚漿料不同溫度下累積產(chǎn)氣占比

圖7 牛糞不同溫度下累積產(chǎn)氣占比

圖8 酒糟不同溫度下累積產(chǎn)氣占比

圖9 黃貯秸稈不同溫度下累積產(chǎn)氣占比

表2是不同發(fā)酵時(shí)間內(nèi)過(guò)渡區(qū)(44℃)較中溫區(qū)(38℃)和高溫區(qū)(52℃)產(chǎn)氣量提升對(duì)比情況。從表2可以看出，前16 d發(fā)酵周期內(nèi)，餐廚垃圾、牛糞、酒糟和黃貯秸稈在過(guò)渡區(qū)(44℃)條件下的產(chǎn)氣量較中溫區(qū)(38℃)分別提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%，比高溫區(qū)(52℃)產(chǎn)氣量分別提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。前8 d發(fā)酵周期內(nèi)，產(chǎn)氣速率提升更為明顯，餐廚垃圾、牛糞、酒糟和黃貯秸稈在過(guò)渡區(qū)(44℃)的產(chǎn)氣量較中溫區(qū)(38℃)分別提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%，比高溫區(qū)(52℃)產(chǎn)氣量分別提升了19.0%，12.9%，8.7%和11.1%。

表2 不同發(fā)酵周期下44℃較38℃和52℃產(chǎn)氣提升情況

2.2 原因分析

由于溫度是影響微生物群落分布的關(guān)鍵因素，根據(jù)對(duì)表3中甲烷微生物的最適生長(zhǎng)環(huán)境分析，從中可以看出部分中溫甲烷菌和部分高溫甲烷菌群適宜溫度在43℃～45℃之間相互疊加，如甲酸甲烷桿菌、索式甲烷桿菌、伊式甲烷桿菌、瘤胃聚乙酸菌、甲烷嗜鹽菌、甲烷葉菌、嗜熱堿甲烷桿菌、熱甲酸甲烷桿菌和嗜熱甲烷桿菌等十幾類(lèi)產(chǎn)甲烷菌種；在過(guò)渡區(qū)(43℃～45℃)，中溫菌群仍繼續(xù)保持厭氧活性；最適溫度區(qū)間在37℃～45℃的甲酸甲烷桿菌、索氏甲烷絲菌等中高溫厭氧菌群快速增殖，使中高溫菌優(yōu)勢(shì)充分顯現(xiàn)，高溫菌群開(kāi)始繁殖增長(zhǎng)發(fā)揮作用。在43℃～45℃溫度區(qū)間，中溫和高溫菌可實(shí)現(xiàn)共存協(xié)同，反應(yīng)效率疊加，使得系統(tǒng)發(fā)酵效率顯著提高，有關(guān)該過(guò)渡區(qū)溫度厭氧微生物菌群特征及分布，還需后續(xù)進(jìn)一步研究(見(jiàn)圖1)。

表3 甲烷微生物[9]生長(zhǎng)環(huán)境

2.3 工程應(yīng)用

對(duì)于上述研究成果，筆者單位自2018年開(kāi)始將其用于多個(gè)大型沼氣工程中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，包括餐廚、秸稈、木薯渣等原料的沼氣工程，均達(dá)到了預(yù)期效果。

常州餐廚于2018年4月份之前均采用中溫38℃±0.5℃發(fā)酵，4月初計(jì)劃采用過(guò)渡區(qū)(44℃)發(fā)酵溫度，經(jīng)過(guò)兩周升溫及微生物馴化調(diào)整，4月15后厭氧系統(tǒng)溫度運(yùn)行穩(wěn)定在過(guò)渡區(qū)溫度(43℃～45℃)之間。圖11是常州餐廚工程應(yīng)用及驗(yàn)證情況，從中可以看出采用中溫區(qū)(38℃)發(fā)酵時(shí)，厭氧系統(tǒng)容積負(fù)荷維持在3.5～4 kgCOD·m-3d-1運(yùn)行，容積產(chǎn)氣率在1.5～1.8 m3·m-3d-1；采用過(guò)渡區(qū)溫度后厭氧容積負(fù)荷提高至5.2 kgCOD·m-3d-1左右，容積產(chǎn)氣率達(dá)到2.0～2.2 m3·m-3d-1，發(fā)酵效率提升明顯；另外，杭州天子嶺[10]餐廚垃圾沼氣項(xiàng)目也采用中溫36.6℃±0.7℃發(fā)酵溫度，厭氧容積負(fù)荷3.5 kgCOD·m-3d-1，容積產(chǎn)氣率1.7 m3·m-3d-1，該結(jié)果與常州餐廚采用中溫發(fā)酵的結(jié)果相近，與常州餐廚采用過(guò)渡區(qū)(43℃～45℃)發(fā)酵溫度相比，采用過(guò)渡區(qū)溫度發(fā)酵效率提升明顯。

圖10 中高溫過(guò)渡區(qū)(43℃～45℃)溫度疊加高效發(fā)酵區(qū)域

圖11 常州餐廚處理項(xiàng)目工程應(yīng)用及驗(yàn)證情況(2018年2月～11月)

西安餐廚項(xiàng)目自2019年1月份啟動(dòng)調(diào)試，采用過(guò)渡區(qū)(44℃)發(fā)酵溫度運(yùn)行，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的過(guò)渡區(qū)高效微生物馴化并實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的高效率運(yùn)行。圖12為西安餐廚項(xiàng)目工程應(yīng)用及驗(yàn)證情況，圖中是2019年10～12月項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中厭氧厭氧罐容積負(fù)荷達(dá)到了6～8 kgCOD·m-3d-1，容積產(chǎn)氣率達(dá)3.0 m3·m-3d-1以上。褚文瑋[11]等研究表明北京某餐廚垃圾處理工程，采用高溫55℃厭氧發(fā)酵，罐體容積5350 m3，實(shí)際運(yùn)行2.4～3.5之間kgVS·m-3d-1，產(chǎn)沼氣量4600～8700 m3d-1，其容積產(chǎn)氣率最高約1.63 m3·m-3d-1，即表明西安餐廚項(xiàng)目采用過(guò)渡區(qū)發(fā)酵溫度明顯優(yōu)于該高溫發(fā)酵溫度運(yùn)行效果。

圖12 西安餐廚處理項(xiàng)目工程應(yīng)用及驗(yàn)證情況(2019年9月～12月)

3 結(jié)論

本文通過(guò)中溫區(qū)(38℃)、過(guò)渡區(qū)(44℃)和高溫區(qū)(52℃)3種發(fā)酵溫度條件下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣對(duì)比試驗(yàn)研究以及工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：

(1)餐廚漿料、牛糞、酒糟和黃貯玉米秸稈在過(guò)渡區(qū)(44℃)條件下產(chǎn)氣速率明顯優(yōu)于中溫區(qū)(38℃)和高溫區(qū)(52℃)。過(guò)渡區(qū)(44℃)不是傳統(tǒng)認(rèn)知里的“低速發(fā)酵區(qū)”，反而是一個(gè)“高速發(fā)酵區(qū)”。

(2)在前8 d發(fā)酵周期內(nèi)，過(guò)渡區(qū)(44℃)條件下的產(chǎn)氣量較中溫區(qū)(38℃)分別提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%；比高溫區(qū)(52℃)分別提升了15.6%，12.9%，8.7%和11.1%。前16 d發(fā)酵周期內(nèi)，餐廚垃圾、牛糞、酒糟、黃貯秸稈在過(guò)渡區(qū)(44℃)條件下的產(chǎn)氣量較中溫區(qū)(38℃)分別提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%；比高溫區(qū)(52℃)分別提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。

(3)在工程驗(yàn)證中，以餐廚漿料為發(fā)酵原料的西安餐廚處理項(xiàng)目，采用過(guò)渡區(qū)(44℃)溫度區(qū)間，并經(jīng)過(guò)中高溫菌群馴化后，厭氧罐容積負(fù)荷達(dá)到了6～8 kgCOD·m-3d-1，裝置容積產(chǎn)氣率達(dá)3.0 m3·m-3d-1以上。