不同濃度和溫度下豬場糞水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及能效分析

裴占江，劉 娣，史風(fēng)梅，王 粟，李鵬飛，于秋月，高亞冰，劉 杰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所 農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江省秸稈能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,生豬養(yǎng)殖已由過去的農(nóng)戶分散養(yǎng)殖過渡為集中養(yǎng)殖，并大多集中在城市附近[1-2]。向城市周邊排放大量的生豬養(yǎng)殖糞便及污水，成為突出的環(huán)境問題,嚴(yán)重威脅城鄉(xiāng)環(huán)境質(zhì)量[3-4]；另一方面，豬糞又是優(yōu)質(zhì)的厭氧發(fā)酵原料,有效地利用豬糞發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，能夠變廢為寶,實(shí)現(xiàn)豬糞的能源化轉(zhuǎn)換，減少化石燃料的消耗[5-6]。因此,實(shí)施豬糞厭氧發(fā)酵對于發(fā)展再生能源和保護(hù)環(huán)境有重大意義。

溫度是影響厭氧過程的重要因素之一。一般來說，大多數(shù)甲烷菌在10℃～30℃(低溫)，30℃～40℃(中溫)和50℃～60℃(高溫)條件下均能生存，相應(yīng)的厭氧處理工藝也得到廣泛研究[7]。一系列研究者利用批式實(shí)驗(yàn)研究了溫度對于豬糞厭氧發(fā)酵過程的影響。如魏榮榮[8]等研究表明，以35℃中溫條件，31 d為發(fā)酵周期，對規(guī)模化養(yǎng)殖場較為適宜。李金平[9]等為了研究發(fā)酵溫度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣成分影響，以豬糞為發(fā)酵原料，進(jìn)行了恒溫19℃，30℃，37℃和52℃的鮮豬糞批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，37℃恒溫厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量為最大。另外厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的TS濃度也是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的主要因素之一[10]。研究表明[11]，不同TS濃度導(dǎo)致物料的流動(dòng)性的變化和營養(yǎng)分成、抑制成分濃度的變化會(huì)顯著影響甲烷菌群生長。然而，將溫度和TS濃度相結(jié)合，同時(shí)分析兩因素對豬糞厭氧發(fā)酵效率的交互影響的研究鮮有報(bào)道。

本研究以養(yǎng)殖場新鮮豬糞為原材料，以溫度(15℃，20℃，25℃，30℃和35℃)和TS濃度(3%，4%，5.5%，7%和8%)為控制因素，在自制的小型厭氧發(fā)酵裝置上，進(jìn)行半連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。通過對沼氣容積產(chǎn)氣率和甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用響應(yīng)曲面法分析兩因素對產(chǎn)氣效率的影響及其交互作用，為豬糞厭氧發(fā)酵的發(fā)展提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

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℃條件下并盡快完成物化分析與接種。接種的活性污泥取自本實(shí)驗(yàn)室長期馴化的污泥。試驗(yàn)材料的基本物化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)豬糞及其接種物的特性

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在15℃，20℃，25℃，30℃和 35℃溫度下進(jìn)行，使用自制10 L水循環(huán)控溫半連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)，每個(gè)溫度共設(shè)5個(gè)進(jìn)料TS濃度，分別為3%，4%，5.5%，7%和8%，每個(gè)處理兩次重復(fù)。厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示，分別稱取適量豬糞和接種物于發(fā)酵裝置內(nèi)，用去離子水調(diào)節(jié)使其總體積為8 L，1∶1接種沼液，接種時(shí)厭氧瓶內(nèi)充入500 mL·min-1氮?dú)饬?，保? min以上，保證整個(gè)反應(yīng)體系處于嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，于不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 厭氧反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)定半連續(xù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的HRT為15 d，因此，先將配制好的半連續(xù)發(fā)酵料液投入沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置，使其進(jìn)行15 d的正常沼氣發(fā)酵過程，然后從第16天開始，每天定時(shí)向?qū)嶒?yàn)組半連續(xù)裝置加料530 mL(根據(jù)HRT和發(fā)酵罐容積確定)。5個(gè)進(jìn)料TS濃度，對應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷(OLR)分別為1.60，2.14，2.94，3.74和4.28 kg·m-3d-1。從發(fā)酵第1天開始，每隔2 d取樣1次，每次取樣15 mL于離心管中，于-80℃冰箱保存，委托深圳華大基因科技有限公司進(jìn)行微生物群落特征分析。每日測量產(chǎn)氣率和pH值。半連續(xù)實(shí)驗(yàn)共運(yùn)行45 d。

1.3 測定與分析方法

本研究中總固體含量TS采用烘干法測定[12]；揮發(fā)性固體含量(VS)采用灼燒法測定[13]；總氮(TN)采用凱氏定氮儀法[14]測定；總碳(TC)采用重鉻酸鉀氧化法[15]測定，沼氣產(chǎn)量使用濕式氣體流量計(jì)測定。氣體成分應(yīng)用氣相色譜(安捷倫7890A)分析：TCD檢測器，柱箱溫度為50℃，方法持續(xù)8min，氬氣作為載氣，前進(jìn)樣口和檢測器溫度分別維持在125℃和150℃。pH值用AP61 pH計(jì)(Fisher, Fairlawn, USA)測量，COD參照標(biāo)準(zhǔn)方法測定。

1.4 最適經(jīng)濟(jì)溫度計(jì)算方法

1.4.1 最適經(jīng)濟(jì)溫度計(jì)算

反應(yīng)器的能量可以分為產(chǎn)生能量和消耗能量兩部分，反應(yīng)器需要的能量(Q)主要有加熱物料所需的熱量(Q1)、厭氧反應(yīng)器散失熱量(Q2)、輸熱管道散失熱量補(bǔ)償(Q3)、沼氣排出和水蒸氣蒸發(fā)所帶走的熱量(Q4)[16-17]。沼氣工程的進(jìn)料管路一般都較短，而且有較好的保溫措施，故管路熱損失較罐體散失熱量、加熱物料所需熱量而言可以忽略不計(jì)。而Q3，Q4一般在工程上可不考慮[17,20]。

反應(yīng)器需要的熱量：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為反應(yīng)器需要的能量，kJ·a-1；Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Q2為厭氧反應(yīng)器散失的熱量，kJ·a-1[20]。

1.4.2 產(chǎn)能計(jì)算

反應(yīng)器每年產(chǎn)生總能量按下式計(jì)算[16,18,20]：

E=∑TS×Win×q×e

(2)

式中：E為年產(chǎn)沼氣可提供的能量，kJ·a-1；TS為進(jìn)料中總固體含量，%;Win為日進(jìn)料量，t·d-1;Q為豬糞原料產(chǎn)氣率，m3·kg-1TS，本文由半連續(xù)試驗(yàn)得到；E為沼氣熱值，kJ·m-3，本文取20921 kJ[20]。

1.4.3 耗能計(jì)算

1.4.3.1 年加熱物料所需的熱量

(3)

式中：Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Win為日進(jìn)料量，t·d-1;C為料液的比熱容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2[20]；T為發(fā)酵溫度，℃；Ts為新鮮料液溫度，℃，因黑龍江省生豬養(yǎng)殖場多采用地下水沖洗圈舍，參考實(shí)測值及相關(guān)文獻(xiàn)，取Ts的年平均值為9.75℃[19-20]。

1.4.3.2 散熱

反應(yīng)器的散熱按照公式：

Q2=∑S×K×(T-TE)×1.2

(4)

式中：Q2為厭氧反應(yīng)器散失的熱量，kJ·a-1；S為罐頂、罐壁和罐底的散熱面積，m2；T為發(fā)酵溫度，℃；TE為環(huán)境溫度，TE溫度為近五年年的平均溫度，3.6℃；K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)，kJ·m-2h-1℃，按照公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)，kJ·m-2h-1℃；α1為內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2h-1℃；α2為外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2h-1℃；σ為罐體各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層厚度，m，本文中，假設(shè)反應(yīng)器材質(zhì)為6mm厚的不銹鋼制成，且無保溫層；λ為罐體各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-2h-1℃。

在反應(yīng)器一定時(shí)，容積與散熱面積的比值是常數(shù)，又因文中反應(yīng)器無保溫層且材質(zhì)一致，按照公式(3)和公式(4)可以提取體積或散熱面積的公因式，因此，在反應(yīng)器和其他反應(yīng)條件一定時(shí)，E/Q值的變化規(guī)律僅受溫度的影響，因此，當(dāng)E/Q最大值對應(yīng)的溫度可認(rèn)為是最適經(jīng)濟(jì)溫度[20]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 容積產(chǎn)氣率和CH4含量

在15℃～35℃溫度下，容積產(chǎn)氣率隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而快速增長(見表2)。TS達(dá)到7%時(shí)，有機(jī)負(fù)荷為3.74 kg·m-3d-1時(shí)，池容產(chǎn)氣率開始緩慢增加，甚至出現(xiàn)下降的趨勢，在TS為7%時(shí)15℃～35℃平均池容產(chǎn)氣率分別為0.096，0.605，0.615，0.906和1.065 L·L-1d-1，甲烷含量分別為43.2%，49.78%，47.25%，52.56%及53.35%，平均容積甲烷產(chǎn)氣率分別為0.051，0.301，0.291，0.476及0.568 L·L-1d-1。15℃低溫條件下，進(jìn)料濃度TS為7%時(shí)容積產(chǎn)氣率最高為0.121 L·L-1d-1，20℃，進(jìn)料濃度TS為7%最高池容產(chǎn)氣率可以達(dá)到0.605 L·L-1d-1，在35℃時(shí)最高可達(dá)1.065 L·L-1d-1。這一結(jié)果說明在15℃以下，無論有機(jī)負(fù)荷高低，池容產(chǎn)氣率均較低，因此在實(shí)際工程中，不應(yīng)選擇15℃以下發(fā)酵，CH4含量也同樣呈現(xiàn)上述變化規(guī)律，即池容產(chǎn)氣率越高CH4含量越高。郭建斌[21]等研究28℃條件下，10 L的反應(yīng)體系，OLR分別增加到3.3和4.3 kg·m-3d-1，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的甲烷日平均產(chǎn)量分別為0.58和0.73 L·L-1d-1，與本實(shí)驗(yàn)30℃甲烷池容產(chǎn)氣率0.685 L·L-1d-1相近。Hill[22]利用連續(xù)厭氧消化系統(tǒng)，在35℃條件下進(jìn)行豬糞發(fā)酵試驗(yàn)得出，在發(fā)酵不受抑制的前提下，35℃最大有機(jī)負(fù)荷為7 gVS·L-1d-1，獲得的最大容積產(chǎn)氣率為 2.76 L·L-1d-1，高于本實(shí)驗(yàn)中獲得的平均甲烷池容產(chǎn)氣率0.798 L·L-1d-1。這一結(jié)果與其選擇連續(xù)發(fā)酵工藝最大池容產(chǎn)氣率計(jì)算，而本實(shí)驗(yàn)采用半連續(xù)平均池容產(chǎn)氣率計(jì)算有關(guān)。

表2 池容產(chǎn)氣率及甲烷含量

20℃以下發(fā)酵CH4含量要明顯低于20℃～35℃，這由于溫度較低產(chǎn)甲烷菌群活性較低，產(chǎn)氣效率較低，而低溫產(chǎn)酸菌群又較活躍，導(dǎo)致系統(tǒng)酸堿失衡，這是最終產(chǎn)氣率低的主要原因。在相同溫度下，TS在3%～7%之間時(shí)，容積產(chǎn)氣率隨著溫度的增加而增加，在此范圍內(nèi)池容產(chǎn)氣率與發(fā)酵溫度成正比。但是TS大于8%產(chǎn)氣量無明顯增加，這可能是有機(jī)負(fù)荷過高，而停留時(shí)間又較短限制了有機(jī)物的分解和利用，從而導(dǎo)致產(chǎn)氣效率的下降。

在10℃～15℃溫度相對較低的條件下，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)所能承受的有機(jī)負(fù)荷較低，池容產(chǎn)氣率也同樣不高，甲烷含量也同樣表現(xiàn)相同現(xiàn)象，低于10℃，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)基本不產(chǎn)氣。隨著溫度的升高有機(jī)負(fù)荷承載能力逐漸提高，池容產(chǎn)氣率也不斷上升，高溫厭氧發(fā)酵比中溫和低溫厭氧發(fā)酵具有更快的反應(yīng)速率[23]。有研究表明在高溫條件下的甲烷產(chǎn)量可以是在中低溫條件下的兩倍以上[24]，但高溫發(fā)酵需要更大的能源投入維持較高的溫度，尤其在我國北方寒冷地區(qū)，冬季最低溫度可達(dá)到-40℃，反應(yīng)體系需要投入更多的能量，因此對厭氧發(fā)酵體系進(jìn)行產(chǎn)能耗能評估顯得尤為重要。

2.2 COD去除率和pH值變化

如圖2～圖11所示，在相同溫度條件下，TS越高，COD的去除效率越低，15℃發(fā)酵時(shí)進(jìn)料濃度TS在3%時(shí)，COD去除率僅為45%，隨著TS逐漸升高，COD去除率逐漸降低，進(jìn)料濃度TS在8%時(shí)，COD去除率僅為30%。這可能由于溫度過低，產(chǎn)甲烷菌群活性較低，分解利用COD的能力較弱，導(dǎo)致COD去除率過低。35℃發(fā)酵時(shí)，進(jìn)料濃度TS在3%時(shí)，COD去除率可以高達(dá)95%以上，與低溫發(fā)酵規(guī)律一樣，同樣是TS越高，COD的降解率越低，進(jìn)料濃度TS到8%時(shí)，COD降解率70%。與前人研究相比，同一溫度、同一發(fā)酵濃度，本實(shí)驗(yàn)的COD降解率較低，原因可能是本實(shí)驗(yàn)采用的是半連續(xù)厭氧發(fā)酵工藝，HRT停留時(shí)間過短。在相同底物濃度條件下，隨著溫度的升高，COD降解率逐漸增加。進(jìn)料濃度TS在7%達(dá)到平均池容產(chǎn)氣率最大時(shí)，15℃時(shí)COD的降解率為35%，20℃COD的降解率58%，25℃時(shí)COD的降解率64%，30℃時(shí)COD的降解率75%，35℃時(shí)COD的降解率為73%，本實(shí)驗(yàn)溫度最高為35℃，至于35℃以上發(fā)酵，COD降解率是否表現(xiàn)同樣的變化趨勢，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 15℃時(shí)COD去除率

圖3 20℃時(shí)COD去除率

圖4 25℃時(shí)COD去除率

圖5 30℃時(shí)COD去除率

圖6 35℃時(shí)COD去除率

圖7 TS為3%時(shí)COD去除率

圖8 TS為4%時(shí)COD去除率

圖9 TS為5.5%時(shí)COD去除率

圖10 TS為7%時(shí)COD去除率

圖11 TS為8%時(shí)COD去除率

如圖12所示，本實(shí)驗(yàn)采用的是豬糞為發(fā)酵底物，雖然進(jìn)料濃度最高達(dá)到8%，在15℃～35℃范圍內(nèi)并沒有發(fā)生明顯的酸化現(xiàn)象，pH值基本穩(wěn)定在6～7.5之間。僅在15℃條件下，進(jìn)料濃度在8%時(shí)，pH值最低，在5.8左右。這可能是由于在低溫和高濃度條件下，豬糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷活動(dòng)受到低溫抑制，而酸化細(xì)菌活性相對較高，導(dǎo)致?lián)]發(fā)酸累積，致使pH值的下降。

圖12 pH值變化情況

2.3 產(chǎn)能與耗能分析

由表3可知，除15℃處理組之外，各溫度梯度下TS在7%時(shí)E/Q值最大，在20℃～35℃E/Q分別為4.09，3.02，4.02及4.04。在15℃～21℃之間E/Q呈現(xiàn)逐漸增加變化趨勢。對21℃～24℃范圍內(nèi)E/Q呈現(xiàn)下降的變化趨勢，24℃～35℃之間又呈現(xiàn)上升的變化趨勢。在15℃～35℃范圍內(nèi)，結(jié)合表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)能與耗能(E/Q)比值，根據(jù)公式(1)～(5)，對發(fā)酵溫度和E/Q進(jìn)行擬合。發(fā)酵濃度TS在7%時(shí)由擬合方程y=0.0083x3-0.579x2+13.23x-95.17(Adj.R2>0.999)，得到在20.6℃ 時(shí)E/Q的值最大。因此本實(shí)驗(yàn)條件下最適經(jīng)濟(jì)溫度為20.6℃，此時(shí)的池容產(chǎn)氣率為0.615 L·L-1d-1，E/Q為4.0937。

表1 不同溫度條件下不同底物濃度產(chǎn)能與耗能比值

3 結(jié)論

(1)15℃～35℃平均池容產(chǎn)氣率分別為0.121，0.605，0.615，0.906和1.065 L·L-1d-1，甲烷含量分別為42.25%，49.78%，47.25%，52.56%及53.35%，平均容積甲烷產(chǎn)氣率分別為0.051，0.301，0.291，0.476及0.568 L·L-1d-1。

(2)在相同溫度條件下，TS越高COD的去除效率越低。在相同底物濃度條件下，隨著溫度的升高，COD降解率逐漸增加。進(jìn)料濃度TS在7%達(dá)到平均池容產(chǎn)氣率最大時(shí)，15℃時(shí)COD的降解率為35%，20℃的COD的降解率58%，25℃時(shí)COD的降解率64%，30℃時(shí)COD的降解率75%，35℃時(shí)COD的降解率為73%。

(3)在15℃～35℃范圍內(nèi)并沒有發(fā)生明顯的酸化現(xiàn)象，pH值基本穩(wěn)定在6～7.5之間。在15℃溫度條件下，進(jìn)料濃度在8%時(shí)，pH值最低，在5.8左右。

(4)在15℃～35℃范圍內(nèi)，發(fā)酵濃度TS在7%時(shí)由擬合方程y=0.0083x3-0.579x2+13.23x-95.17(Adj.R2>0.999)，得到在20.6℃ 時(shí)產(chǎn)能/耗能的值最大，此時(shí)的池容產(chǎn)氣率為0.615L·L-1d-1，E/Q為4.0937。