沼液回流對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響

魯文霞，丑三濤，2，徐 攀，2，朱曉利，趙玉祝

（1.濰坊理工學(xué)院，山東 濰坊 261000；2.山東祿禧大盛環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濰坊 261000）

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、畜禽糞污等年總產(chǎn)量約48×108t，其中畜禽糞污年產(chǎn)量39×108t。大量的農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過資源化利用后，可以生產(chǎn)出大量高效、綠色、節(jié)能的沼氣，既能回收大量生活垃圾，又可以作為我國能源缺口的重要補(bǔ)充。厭氧發(fā)酵技術(shù)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了一種解決方案，但很多大型沼氣工程由于后端產(chǎn)生大量沼液不能及時(shí)還田利用，存放的沼液出現(xiàn)二次污染的問題較為嚴(yán)重，在運(yùn)行幾年之后就處于停滯狀態(tài)。因此，從厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝角度考慮，實(shí)現(xiàn)沼液回流二次利用對(duì)降低污染、提高有機(jī)物利用率具有重要意義，但不同原料沼液回流過程中出現(xiàn)pH 值變化大、氨氮含量超標(biāo)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵內(nèi)部微生物系統(tǒng)失調(diào)、產(chǎn)氣量及甲烷濃度下降等問題，嚴(yán)重制約著沼氣工程提產(chǎn)增效的發(fā)展?；诖?，本文展開了沼液回流對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能影響的研究，以期為沼氣工程提產(chǎn)增效提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

發(fā)酵原料為雞糞、牛糞和沼液。雞糞取自濰坊立華牧業(yè)股份有限公司，牛糞取自山東合力牧業(yè)有限公司，沼液取自山東祿禧大盛環(huán)?？萍加邢薰?。發(fā)酵原料理化屬性見表1。

表1 發(fā)酵原料理化屬性Tab.1 Physical and chemical properties of fermentation raw materials

1.2 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)裝置

厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)備見圖1。

圖1 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Anaerobic fermentation test equipment

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用中型厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為31 d。試驗(yàn)設(shè)為兩組，分別為A1、A2。以雞糞為原料，沼液做接種物，料液中10%的雞糞作為A1組；以牛糞為原料，沼液做接種物，料液中10%的牛糞作為A2組，進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制厭氧發(fā)酵溫度（37±1）℃，每天對(duì)厭氧發(fā)酵料液取樣檢測(cè)pH 值、FOS/TAC、NH4-N、產(chǎn)沼氣量、甲烷濃度等指標(biāo)。測(cè)量pH 值采用pH-25 型酸度計(jì)；測(cè)量FOS/TAC采用酸式滴定法；測(cè)量NH4-N值采用納氏試劑分光光度法；測(cè)量氣體產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)；分析氣體成分采用便攜式Biogas 5 000沼氣分析儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 兩組發(fā)酵料液pH值變化分析

兩組試驗(yàn)pH 值變化趨勢(shì)見圖2。由圖2 可知，兩組不同原料厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程中發(fā)酵料液pH 值得變化趨勢(shì)均有不同，A1組pH 值變化曲線波動(dòng)較大，最大值為8.58，最小值為7.95，均值8.27；A2組pH 值變化曲線相對(duì)比較平穩(wěn)，數(shù)值變化波動(dòng)比A1組較小，其中A2組pH 值最大值8.04，最小值7.69，均值7.87；從兩組pH 值數(shù)據(jù)變化來看，A2組pH 值變化較A1組pH 值變化趨勢(shì)穩(wěn)定。水解產(chǎn)酸目前是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣化的限速步驟之一，pH 值是影響厭氧發(fā)酵水解酸化的重要條件[1]，調(diào)節(jié)發(fā)酵料pH值在7.6～8有助于促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

圖2 兩組試驗(yàn)pH值變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of pH value change in two groups

2.2 兩組發(fā)酵料液FOS/TAC數(shù)值變化分析

兩組發(fā)酵料液FOS/TAC 數(shù)值變化趨勢(shì)見圖3。由圖3 可知，兩組不同原料厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程中發(fā)酵料液FOS/TAC 比值變化趨勢(shì)均有不同，A1組FOS/TAC 比值變化曲線波動(dòng)較大，最大值為0.55，最小值為0.42，均值0.47；A2組FOS/TAC 比值變化普遍較低，A2最大比值0.3，最小比值0.07，均值0.2；從兩組pH 值數(shù)據(jù)變化來分析，A2組pH 值變化較A1組pH 值變化趨勢(shì)穩(wěn)定。A1組隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，發(fā)酵料液的水解酸化速率降低，有機(jī)酸的積累量開始下降，發(fā)酵料液氧化還原電位下降，為甲烷菌的生存和繁殖提供條件，同時(shí)產(chǎn)酸菌受到抑制?？赡苁钦右夯亓髟蚴拱l(fā)酵液的有機(jī)酸大量積累出現(xiàn)比值升高[2]。

圖3 2組試驗(yàn)FOS/TAC比值變化趨勢(shì)圖Fig.3 FOS/TAC ratio trend chart for the two groups

2.3 兩組發(fā)酵料液NH4-N含量變化分析

兩組發(fā)酵料液NH4-N 含量變化趨勢(shì)見圖4。由圖4 可知，兩組不同原料厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程中發(fā)酵料液NH4-N值變化趨勢(shì)均有不同，A1組NH4-N值變化曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大值為6 458 mg/kg，最小值為4 899 mg/kg，平均值5 764.3 mg/kg；A2組NH4-N 值變化普遍較平穩(wěn)，最大值3 342.9 mg/kg，最小比值2 924.1 mg/kg，均值3.83.9 mg/kg；從兩組NH4-N 值數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來分析，A2組NH4-N 值變化較A1組NH4-N 值變化趨勢(shì)穩(wěn)定。氨氮值一直上升，一方面是沼液回流造成的，回流沼液中營(yíng)養(yǎng)元素豐富，例如氮磷鉀，沼液不斷經(jīng)過回流裝置進(jìn)行回流，從而營(yíng)養(yǎng)元素也會(huì)不斷累積；另一方面是原材料本身的自帶的，A1組發(fā)酵原材料是以雞糞為主，雞糞中含有較高的氨氮。發(fā)酵料液中氨氮值大幅度增加會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的生存和繁殖，從而產(chǎn)氣效率下降，嚴(yán)重時(shí)厭氧發(fā)酵停止進(jìn)行，破壞發(fā)酵系統(tǒng)。

圖4 兩組試驗(yàn)NH4-N比值變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of NH4-N ratio in two groups

2.4 兩組甲烷濃度變化分析

兩組試驗(yàn)甲烷濃度變化趨勢(shì)見圖5。由圖5 可知，以兩組不同原料沼液回流厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程中甲烷濃度變化趨勢(shì)均有所不同，A1組甲烷濃度變化曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大值為59.8%，最小值為44.4%，均值53.44%；A2甲烷濃度變化曲線普遍較平穩(wěn)，最大值71%，最小值62.3%，均值66.96%；從兩組甲烷濃度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來分析，A2甲烷濃度較A1組甲烷濃度均值提高了25.3%。從兩組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析中看出不同原料在等量沼液回流條件下的甲烷濃度也有所不同，適宜的pH 值、有機(jī)酸比值、氨氮含量對(duì)厭氧發(fā)酵過程微生物的生長(zhǎng)繁殖能夠起到促進(jìn)作用。作為厭氧發(fā)酵優(yōu)勢(shì)菌群均有利于調(diào)控產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌之間平衡關(guān)系，抑制酸化現(xiàn)象發(fā)生，利于甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖[3]。

圖5 兩組試驗(yàn)甲烷濃度變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trends of methane concentration in two groups

2.5 兩組日產(chǎn)氣量變化分析

兩組試驗(yàn)日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)見圖6。由圖6 可知，兩組不同原料沼液回流厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程中日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)均有不同，A1組日產(chǎn)氣量變化曲線略微呈上升趨勢(shì)發(fā)展，日產(chǎn)氣最大值為379.85 m3/d，最小值為139.93 m3/d，均值266.69 m3/d；A2組日產(chǎn)氣量變化曲線上升浮動(dòng)比較大，最大值681.25 m3/d，最小值168.8 m3/d，均值428.23 m3/d；從兩組日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來分析，A2日產(chǎn)氣量均值較A1組日產(chǎn)氣量均值提高了60.6%。A1組在整個(gè)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)周期內(nèi)出現(xiàn)反應(yīng)速度慢、甲烷濃度低，產(chǎn)氣量少的情況，說明在發(fā)酵過程受沼液回流條件影響較大，出現(xiàn)pH 值過高，有機(jī)酸累積，氨氮濃度高的因素而導(dǎo)致發(fā)酵反應(yīng)速度滯后，產(chǎn)氣效率低。A2組在整個(gè)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)周期內(nèi)反應(yīng)正常、在甲烷濃度和產(chǎn)氣量方面均比A1組提高了很多。說明A2原料在發(fā)酵過程受沼液回流條件影響不大，并且能夠快速適應(yīng)并化解沼液回流帶來的高氨氮值抑制及不利于微生物生長(zhǎng)的否面影響，這對(duì)于沼液在沼氣工程中的循環(huán)利用提供了理論支撐。

圖6 兩組試驗(yàn)日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)圖Fig.6 Variation trend of daily gas production in two groups

3 結(jié)語

在兩組不同種類厭氧發(fā)酵試驗(yàn)中，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知A2在pH 值為7.6～8、FOS/TAC 比值范圍在0.07～0.3、NH4-N 值在3 000 mg/kg 范圍內(nèi)未出現(xiàn)因沼液回流而導(dǎo)致的產(chǎn)沼氣受抑制的情況，也不影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)。

從兩組厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，A2組在試驗(yàn)中甲烷濃度與日產(chǎn)氣量普遍較高，甲烷濃度較A1組提高了25.3%，日產(chǎn)氣量較A1組提高了60.6%。