彭朝暉， 樊戰(zhàn)輝， 孫家賓， 朱順熙

(成都市農(nóng)林科學(xué)院， 成都 611130)

攪拌時間和頂空低壓對豬糞產(chǎn)甲烷速率的影響

彭朝暉， 樊戰(zhàn)輝， 孫家賓， 朱順熙

(成都市農(nóng)林科學(xué)院， 成都 611130)

文章討論了攪拌持續(xù)時間和發(fā)酵罐頂空低壓對豬糞高溫厭氧發(fā)酵甲烷生產(chǎn)率的影響。結(jié)果顯示，間歇攪拌(攪拌頻率為2 h·d-1)發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率顯著(P<0.05)高于連續(xù)攪拌(24 h·d-1)。當(dāng)水力停留時間為20 d和15 d時，間歇攪拌的發(fā)酵罐相比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率分別高8%～17%和4%。當(dāng)水力停留時間為20 d時，頂空低壓(0.9 atm)處理的發(fā)酵罐產(chǎn)甲烷速率比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐高9%。但是，當(dāng)水力停留時間為15天時，則沒有明顯差異，產(chǎn)甲烷速率僅高了4%。以上結(jié)果得出，高溫厭氧消化過程中，間歇攪拌和頂空低壓可以增加豬糞的厭氧發(fā)酵效率。

厭氧消化； 攪拌； 頂空低壓； 豬糞； 產(chǎn)甲烷速率

目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同通過攪拌混合提高有機(jī)物有效轉(zhuǎn)化率的重要性[1]。厭氧消化反應(yīng)過程中，可降解有機(jī)物的停留時間以及有機(jī)物和活性微生物之間的實際接觸在很大程度上決定了厭氧消化的效率。通常認(rèn)為，攪拌是促進(jìn)有機(jī)物和微生物之間良好接觸的有效和可行的手段，攪拌能以強(qiáng)制擴(kuò)散的方式使產(chǎn)甲烷菌盡快獲取營養(yǎng), 從而加快產(chǎn)氣速度[2-3]。然而，不恰當(dāng)?shù)臄嚢枰部梢詾閰捬跸^程帶來負(fù)面影響：攪拌強(qiáng)度過大會破壞厭氧顆粒污泥形態(tài)進(jìn)而影響厭氧消化過程；攪拌器以及水流的剪切作用、固體原料與污泥顆粒以及污泥顆粒之間碰撞和摩擦作用等,會使生物膜脫落或使顆粒污泥破碎而影響其沉降性[2]。在實踐工程中，Coppinger[4]等人報道了，在牛糞厭氧消化過程中并沒有發(fā)現(xiàn)間歇攪拌的氣體產(chǎn)量比連續(xù)攪拌低，他們認(rèn)為，可能是氣泡和熱交換對流提供了充分的攪拌。也可能則是連續(xù)攪拌的強(qiáng)度相對過大，產(chǎn)生正面影響的同時抵消了產(chǎn)生的負(fù)面影響。

Finney[5]等人認(rèn)為厭氧產(chǎn)甲烷過程的限速步驟是產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，即相轉(zhuǎn)移，因為厭氧消化過程各階段的產(chǎn)物可能抑制產(chǎn)甲烷菌。他們認(rèn)為，通過攪拌、氣相低壓以及提高發(fā)酵溫度都可以加速發(fā)酵產(chǎn)物在不同相間的轉(zhuǎn)移，從而提高產(chǎn)甲烷速率。蘇宜虎[2]等認(rèn)為攪拌可能會引起壓力或反應(yīng)器內(nèi)局部壓力的增加，而反應(yīng)器器內(nèi)壓力過高或處于變壓狀態(tài)對產(chǎn)氣有一定的影響，并且報道了農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所的一項研究結(jié)果：應(yīng)器內(nèi)壓力過高和過低時都會對厭氧消化不利。錢譯澍[6]等人在多年前對壓強(qiáng)與產(chǎn)沼氣的關(guān)系進(jìn)行了研究，并且發(fā)現(xiàn)低壓條件下高效產(chǎn)沼氣的實驗結(jié)果。

有研究建議對畜禽養(yǎng)殖廢棄物中溫厭氧發(fā)酵在有機(jī)負(fù)荷等于或低于6 kgVS·m-3時實行間歇攪拌，在這些條件下，甲烷的容積產(chǎn)氣速率可達(dá)1 LCH4·L-1d-1[7]。而高效的豬糞高溫發(fā)酵則可能獲得的容積產(chǎn)氣率為3.12 LCH4·L-1d-1[8]。本研究的目的是確定：高溫厭氧發(fā)酵下為了維持較高的產(chǎn)甲烷速率是否有必要進(jìn)行連續(xù)攪拌，以及頂空低壓是否會提高產(chǎn)甲烷速率。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗發(fā)酵原料豬糞為取自四川省崇州市某基地循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范工程。糞便直接從刮糞板上收集，收集前在刮糞板上停留時間不超過3天。實驗組1-a中豬糞取自100 kg的豬，實驗組1-b和實驗組2的豬糞取自200 kg的豬。實驗中的豬糞樣品取回后，用自來水稀釋至固體濃度為15%，然后裝入2 L的聚乙烯瓶并存儲于-20 ℃的冰箱中。樣品使用前，先過夜解凍，然后稀釋至總固體為6%～7%。

1.2 實驗裝置

圖1為實驗組1實驗中的厭氧發(fā)酵罐裝置示意圖。發(fā)酵罐為4 L高硼硅玻璃發(fā)酵罐，罐底設(shè)置有出料口，進(jìn)料口位于有效體積為3 L處的罐身。攪拌軸上設(shè)置了兩個直徑為5 cm的槳葉，兩個槳葉的間距為15 cm。攪拌電機(jī)的功率為20 W，轉(zhuǎn)速達(dá)到200 rpm。發(fā)酵罐溫度(55oC±1℃)通過反應(yīng)器水浴夾套進(jìn)行加熱帶進(jìn)行加熱控制。發(fā)酵罐放置于溫度為25oC的室內(nèi)。圖2為實驗組2實驗中的厭氧發(fā)酵罐示意圖。發(fā)酵罐為4 L的抽吸瓶，有效工作體積為3 L。發(fā)酵罐被放置于室溫下?lián)u床上，搖床旋轉(zhuǎn)頻率為200 rpm。發(fā)酵罐溫度通過加熱帶維持在55 ℃±1 ℃。

實驗中，產(chǎn)生的沼氣通過氣袋收集。頂空低壓發(fā)酵罐，由兩個高差為1.7 m的洗液瓶組成，一個氣壓傳感器用于測量低壓發(fā)酵罐頂空的壓力，當(dāng)氣壓高于0.9 atm時，抽氣閥門打開，則處于高位洗液瓶中的液體(20%的NaCl和5%的檸檬酸)流入低處的洗液瓶，從而起到降低發(fā)酵罐中的壓力，當(dāng)發(fā)酵罐頂空壓力恢復(fù)到0.9 atm時關(guān)閉閥門。發(fā)酵過程中的沼氣主要收集于高處洗液瓶中，測量時將雙向開關(guān)打開并且從低位洗液瓶將液體泵回高位洗液的過程則將沼氣轉(zhuǎn)移到氣袋中。

圖1 厭氧發(fā)酵攪拌實驗裝置示意圖

圖2 頂空低壓實驗裝置示意圖

1.3 實驗方法

實驗組1：攪拌持續(xù)時間對甲烷產(chǎn)率的影響(發(fā)酵溫度為55 ℃，攪拌速度為200 rpm)。實驗1-a：4個發(fā)酵罐在水力停留時間分別為20 d和10 d的條件下，設(shè)置攪拌頻率為1，2，3和24 h·d-1；實驗1-b：2個發(fā)酵罐在水力停留時間分別為20 d和15 d的條件下，設(shè)置攪拌頻率為2和24 h·d-1，所有間歇攪拌，每天只攪拌1次。

實驗組2：頂空低壓 (0.9 atm)對甲烷產(chǎn)率的影響(溫度的55 ℃，連續(xù)攪拌速度為200 rpm)。設(shè)置2個頂空低壓發(fā)酵罐和2個連續(xù)攪拌發(fā)酵罐，水力停留時間分別為20 d和15 d。

實驗組1實驗啟動時，向發(fā)酵罐中加入3 L的接種污泥，接種泥來自55 ℃高溫發(fā)酵罐的出料，其特性見表1。加入后，對4個發(fā)酵罐進(jìn)行連續(xù)攪拌，兩天后，發(fā)酵罐按照設(shè)置的攪拌頻率(1，2，3和24 h·d-1)運行。發(fā)酵罐在每個水力停留時間下運行2個水力停留時間，在獲得穩(wěn)定的產(chǎn)氣率后，測定出料指標(biāo)。然后水力停留時間降為10 d(實驗組1-b)并且在獲得穩(wěn)定產(chǎn)氣率前運行2個水力停留時間。

1.4 分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 攪拌對產(chǎn)甲烷速率的影響

表1列出了實驗組1中四個發(fā)酵罐在水力停留時間為20 d條件下，負(fù)荷為2.39 gVS·L-1d-1，攪拌頻率為1，2，3和24 h·d-1條件下進(jìn)、出料指標(biāo)結(jié)果。4個發(fā)酵罐的TS和VS濃度和去除率較為接近，說明發(fā)酵罐攪拌混合比較充分。4個發(fā)酵罐的pH值維持在7.1～7.4區(qū)間內(nèi)，說明所有發(fā)酵罐運行較為穩(wěn)定。另外，從表1中可以看出攪拌頻率低的發(fā)酵罐(1，2和3 h·d-1)的產(chǎn)甲烷速率(甲烷容積產(chǎn)氣率)相比于連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率在水力停留時間為20 d時要高15%～17%。與此同時，在同樣條件下，4個發(fā)酵罐運行參數(shù)不變，將水力停留時間調(diào)整為10 d時，有機(jī)負(fù)荷則提高到4.78 gVS·L-1d-1。設(shè)定較高的負(fù)荷率主要用于確定發(fā)酵罐在高負(fù)荷條件下連續(xù)攪拌是否有必要。然而，實驗過程中發(fā)酵罐因為負(fù)荷過高而運行失敗未獲得有意義的結(jié)果。

表1 發(fā)酵罐在水力停留時間為20 d條件下不同攪拌頻率的發(fā)酵罐的穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)

基于以上結(jié)果，在實驗組2中，設(shè)置兩個高溫發(fā)酵罐的攪拌頻率為2 h·d-1，另外2個設(shè)置為連續(xù)攪拌(24 h·d-1)，發(fā)酵罐的水力停留時間設(shè)置為20 d然后降為15 d。表2列出了穩(wěn)定運行期間的實驗結(jié)果，從表中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力停留時間為20 d時，間歇攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率顯著(P<0.05)高于連續(xù)攪拌(24 h·d-1)發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率，間歇攪拌比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率高8%。然而，當(dāng)水力停留時間為15 d時，間歇攪拌和連續(xù)攪拌的出料總氮、氨氮和pH值無顯著(P<0.05)的差異。間歇攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率僅比連續(xù)歇攪拌(2 h·d-1)發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率高了不到4%。

表2 發(fā)酵罐在水力停留時間為20天條件下不同攪拌頻率的發(fā)酵罐的穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)

實驗組1實驗說明豬糞高溫消化過程中間歇攪拌比連續(xù)攪拌獲得更快的產(chǎn)甲烷速率。實驗結(jié)果顯示在水力停留時間為20 d時，即低負(fù)荷條件下，間歇攪拌獲得了比連續(xù)攪拌更高的產(chǎn)甲烷速率，間歇攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率相比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐高了8%～17%。然而，當(dāng)水力停留時間為15 d時，負(fù)荷相對提高的條件下，間歇攪拌發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率相比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐則無明顯提高。所以豬糞高溫厭氧消化，在低負(fù)荷條件下間歇攪拌相比連續(xù)攪拌更為適用。但是，也有學(xué)者報道了相反的結(jié)果。Stroot[9]等人在攪拌對于市政垃圾厭氧消化影響的研究結(jié)果顯示：在低有機(jī)負(fù)荷(3.5～3.7 kgVS·m-3)時運行連續(xù)攪拌，在高有機(jī)負(fù)荷(9.4 kgVS·m-3)時下運行間歇攪拌比較合適，并且在有機(jī)負(fù)荷為11.2 kgVS·m-3時運行間歇攪拌獲得了2.25 L·L-1d-1左右的產(chǎn)甲烷速率。不過，當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時，連續(xù)攪拌對提高發(fā)酵效率也可能不會產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用[10]。以上說明，不僅是不同的負(fù)荷條件下對攪拌的反應(yīng)有差異，不同的原料特性也對攪拌的效果有差異，在實驗1-a和1-b中，發(fā)酵原料來自不同發(fā)育階段的豬糞便，實驗1-a間歇攪拌比連續(xù)攪拌的產(chǎn)甲烷速率高14%～17%，而在實驗1-b中則只高了8%。

實驗只研究了攪拌對產(chǎn)甲烷速率的影響，并沒有考慮原料預(yù)處理，以及不同原料之間特性等的差異影響。攪拌頻率越高越有利于微生物對有機(jī)質(zhì)的接觸，從而加速了物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高了甲烷的產(chǎn)氣速率。但是，當(dāng)發(fā)酵負(fù)荷相對較高，原料為有機(jī)質(zhì)含量較高，且易分解時，隨著溫度的提升將累積更高的揮發(fā)酸濃度[11]，而連續(xù)攪拌則可能進(jìn)一步加速酸化過程，從而起到相反的效果。所以，攪拌在加速物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程中，促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)出的同時，也可能促使抑制物的積累，從而降低目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)出[12]。另外，如果不完全的攪拌導(dǎo)致了固體的分解，則高效攪拌的產(chǎn)氣效率相對就降低了，從而也影響了水力停留時間和有機(jī)負(fù)荷。綜上，厭氧發(fā)酵過程最小攪拌需求還應(yīng)基于原料來源、理化特性、發(fā)酵負(fù)荷等方面考慮，而非僅僅是最大產(chǎn)甲烷速率。

2.2 頂空低壓對產(chǎn)甲烷速率的影響

表3列出了在水力停留時間為20 d和15 d條件下，頂空低壓(0.9 atm)和連續(xù)攪拌發(fā)酵罐穩(wěn)定運行的數(shù)據(jù)。當(dāng)水力停留時間為20 d時，頂空低壓發(fā)酵罐和連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的TS，VS，COD，TN，甲烷含量和產(chǎn)甲烷潛力具有顯著的(P<0.05)差異性，頂空低壓發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐高9%。而當(dāng)水力停留時間為15 d時，頂空低壓發(fā)酵罐和連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的COD，氨氮,pH值,產(chǎn)甲烷速率以及甲烷原料產(chǎn)氣率則沒有顯著差異(P<0.05)。與此同時，水力停留時間為15 d時，頂空低壓發(fā)酵罐的產(chǎn)甲烷速率比連續(xù)攪拌發(fā)酵罐僅高了4%。

頂空低壓(0.9 atm)處理相比于普通連續(xù)攪拌發(fā)酵罐系統(tǒng)，在水力停留時間為 20 d的條件下，其產(chǎn)甲烷速率雖然只提高了9%，但也說明在此負(fù)荷條件下，頂空低壓將發(fā)酵產(chǎn)物的及時轉(zhuǎn)移對提高發(fā)酵效率的效果起到了一定的作用。而在水力停留時間為15 d的條件下，即相對負(fù)荷提高的條件下，其產(chǎn)甲烷速率僅提高了4%，說明在高負(fù)荷條件下，低壓處理對提高發(fā)酵效率的作用并不明顯。頂空低壓處理主要是將發(fā)酵過程中的NH3-N和非離子化的VFA通過低壓快速從發(fā)酵產(chǎn)物中轉(zhuǎn)移，從而減少累積對微生物產(chǎn)生抑制作用。有研究報道，通過其他參數(shù)控制，理論上在pH為4時，1%的NH3-N和75%的乙酸可以被轉(zhuǎn)移，而在pH值為10時93%的氨氮和1%的乙酸可以被轉(zhuǎn)移[13]。所以，如果壓力進(jìn)一步的降低，對促進(jìn)發(fā)酵效率是可能進(jìn)一步提高的，只是在筆者研究實驗中的低壓僅僅為其他研究中使用的低壓的10%[14]。并且，在實際工程中，過低的壓力不僅提高了投資成本還會帶來更多的運行問題。

表3 發(fā)酵罐在水力停留時間為20 d和15 d條件下頂空低壓和連續(xù)攪拌發(fā)酵罐的穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

適當(dāng)攪拌對于提高厭氧過程產(chǎn)甲烷速率具有一定的積極作用，工程實踐中應(yīng)用間歇攪拌是合適的，在最小化能量輸入和投資的情況下可獲得較高的產(chǎn)甲烷速率，相比連續(xù)攪拌，間歇攪拌條件下的產(chǎn)甲烷速率可提高4%～18%。工程中對最小攪拌需求的選擇除了最大產(chǎn)甲烷速率外，還要考慮不同原料的理化特性、預(yù)處理以及發(fā)酵罐運行參數(shù)。發(fā)酵罐頂空低壓促進(jìn)了厭氧過程產(chǎn)物相轉(zhuǎn)移，一定程度上可以提高產(chǎn)甲烷速率4%～9%，但要在工程上應(yīng)用還需更多的研究。

[1] 劉 刈，王智勇，孔垂雪,等.沼氣發(fā)酵過程混合攪拌研究進(jìn)展[J].中國沼氣, 2009，27(3):26-30.

[2] 蘇宜虎，陳曉東，馬洪儒.攪拌對沼氣發(fā)酵的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007，35(28):8961-8962.

[3] Karim K,Hoffmann R,Klasson K T,et al.Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mode of mixing[J].Water research, 2005, 39(15): 3597-3606.

[4] Coppinger E, et al.Report on the design and operation of a full-scale anaerobic dairy manure digester[R].Seattle, WA, Ecotope Group, 1979.

[5] Finney C D, Evans R S.Anaerobic digestion:the rate-limiting process and the nature of inhibition[J].Science,1975, 190:1088-1089.

[6] 錢譯澍, 吳金鵬， 陳聲明,等.壓強(qiáng)產(chǎn)氣量的關(guān)系[J].中國沼氣, 1983,1:005.

[7] Smith R, Hein M, Greiner T.Experimental methane production from animal excreta in pilot-scale and farm-size units[J].Journal of Animal Science,1979, 48(1):202-217.

[8] Hashimoto A G.Thermophilic and mesophilic anaerobic fermentation of swine manure[J].Agricultural wastes, 1983, 6(3): 175-191.

[9] Stroot P G, McMahon K D, Mackie R I,et al.Anaerobic codigestion of municipal solid waste and biosolids under various mixing conditions—I.Digester performance[J].Water research, 2001,35(7):1804-1816.

[10] Karim K, Hoffmann R, Klasson T, et al.Anaerobic digestion of animal waste: Waste strength versus impact of mixing[J].Bioresource technology, 2005, 96(16):1771-1781.

[11] 郭建斌, 董仁杰，程輝彩,等.溫度與有機(jī)負(fù)荷對豬糞厭氧發(fā)酵過程的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011,27(12):217-222.

[12] 段小睿, 李 楊, 苑宏英.攪拌速率對剩余污泥厭氧水解酸化的影響研究[J].工業(yè)用水與廢水, 2011, 42(2):87-89.

[13] Bonmati A, Flotats X.Pig slurry concentration by vacuum evaporation: influence of previous mesophilic anaerobic digestion process[J].Journal of the Air Waste Management Association, 2003,53(1):21-31.

[14] Finney C, Evans R, Finney K.The fast production of methane by anaerobic digestion[R].USA:Department of Energy-COO, 1978.

EffectofStirringDurationandDigesterLowHeadspacePressureonMethaneProductionRateofSwineManure

PENGZhao-hui,FANZhan-hui,SUNJia-bin,ZHUShun-xi

(ChengduAcademyofAgricultureandForestrySciences,Chengdu611130,China)

In this paper, the effects of stirring and digester low headspace pressure on methane production rates were investigated for swine manure anaerobic digestion under thermophilic condition.The results showed that intermittently stirred(2 h·d-1) digester have a significantly higher methane production rates than continuously stirred (24 h·d-1)digester (P < 0.05).Under hydraulic retention time(HRT)of 20 d and 15 d, the methane production rates of intermittently stirred digesters were 8%～17% and 4% higher than the continuously stirred digesters, respectively.For the low headspace pressure digester(0.9atm), the methane production rate was 9% higher than continuously stirred digester under HRT of 20 d, while there was no significant difference under HRT of 15 d, and the methane production rate obtained from low headspace pressure digester was only 4% higher than the continuously stirred digester.These results demonstrated that the intermittent stirring and low headspace pressure could increase the thermophilic digestion efficiency of swine manure.

anaerobic digestion; stir; low headspace pressure; swine manure; methane production rate

2017-06-19

2017-09-20

項目來源： 農(nóng)業(yè)工程集成創(chuàng)新技術(shù)研究與示范項目(2016-XT00-00007-NC)

彭朝暉(1967-)，男,大學(xué)本科，研究方向為農(nóng)村資源與環(huán)境,E-mail: 416021727@qq.com

樊戰(zhàn)輝，E-mail: van4226@163.com

S216.4; X705

B

1000-1166(2017)06-0050-06