蔣 滔，鄧良偉，韋秀麗,，賀 靜，王 冰，向遠(yuǎn)勇

(1. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；2.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用南方科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，重慶 401329)

厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理畜禽糞便污染的重要手段，在降解有機(jī)廢棄物、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)產(chǎn)生可再生能源CH4及生態(tài)有機(jī)肥，因而受到廣泛的關(guān)注[1-2]。溫度是影響厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵環(huán)境因子，以溫度劃分發(fā)酵方式可分為常溫(15℃～25℃)、中溫(35℃～37℃)、高溫(50℃～60℃)3種，我國沼氣工程以常溫和中溫運(yùn)行為主。研究表明，溫度越高微生物活性越高，有機(jī)物污染降解速率越大產(chǎn)氣效率越高[3]。在厭氧微生物適合的生長區(qū)間內(nèi)，溫度每提升10℃，發(fā)酵速率增加約1倍；而當(dāng)溫度低于最佳溫度，每下降1℃，發(fā)酵速率下降約11%[4]。Massé等[5]研究結(jié)果顯示，20℃、25℃和30℃條件下屠宰場廢水產(chǎn)甲烷速率分別為0.12、0.34、0.37 g·g-1·d-1，而降解的化學(xué)需氧量(COD)中分別有84.2%、88.7%以及90.8%轉(zhuǎn)化為甲烷。在中、高溫厭氧發(fā)酵環(huán)境下污染物降解速率更快，病原體以及雜草種子死亡率更大[6]。但是較高的發(fā)酵溫度容易引發(fā)氨抑制[7]，同時(shí)維持發(fā)酵系統(tǒng)高溫也需要更多能量。因此溫度提升帶來的甲烷產(chǎn)量及產(chǎn)氣效率增加，必須與增長的能量需求相平衡才能保證整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)在較高的溫度下運(yùn)行。我國大部分地區(qū)冬季溫度普遍低于20℃，夏季溫度高于35℃，故研究中、低溫范圍內(nèi)(15℃～35℃)畜禽糞污的產(chǎn)氣性能對(duì)于沼氣工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有重要意義。

目前我國沼氣工程的設(shè)計(jì)多以容積產(chǎn)氣率為基準(zhǔn)，既沒有考慮不同原料產(chǎn)能的差異性，也沒有考慮不同有機(jī)負(fù)荷下的產(chǎn)氣效率，導(dǎo)致工程實(shí)際運(yùn)行出現(xiàn)產(chǎn)氣量不足、升溫效果差等問題。本研究以牛糞為研究對(duì)象，開展不同溫度及有機(jī)負(fù)荷條件下的沼氣產(chǎn)氣率研究，構(gòu)建半連續(xù)式發(fā)酵產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)模型，并測算不同溫度下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣增溫效果，以期為牛糞沼氣工程設(shè)計(jì)及加熱策略提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

牛糞取自重慶市某規(guī)?；膛?。根據(jù)試驗(yàn)需要將發(fā)酵原料總固體濃度(TS)調(diào)整到1%左右。沼氣發(fā)酵裝置采用1 000 mL廣口玻璃瓶，并用帶有出氣管的橡皮塞密封，發(fā)酵瓶和集氣袋通過橡皮管連接。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始時(shí)，向每個(gè)發(fā)酵瓶中加入500 mL不產(chǎn)氣厭氧污泥，然后加入牛糞發(fā)酵原料。試驗(yàn)分別在15℃、20℃、25℃、30℃、35℃條件下進(jìn)行(首先進(jìn)行15℃發(fā)酵，試驗(yàn)結(jié)束后直接進(jìn)入下一溫度)，使用水浴鍋維持發(fā)酵溫度，每種處理3次重復(fù)。采用半連續(xù)方式進(jìn)料，進(jìn)料濃度TS保持1%不變，每天定時(shí)排出上清液，并加入發(fā)酵原料1～2次，每次加完料后充分?jǐn)嚢琛牡蚑S有機(jī)負(fù)荷率0.5 g ·L-1·d-1開始進(jìn)行試驗(yàn)，逐漸增加系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷(見表1)，直至進(jìn)一步提高有機(jī)負(fù)荷時(shí)容積產(chǎn)氣率不再增加，則獲得最大容積產(chǎn)氣率。每種有機(jī)負(fù)荷下達(dá)到產(chǎn)氣穩(wěn)定的時(shí)間不同，當(dāng)連續(xù)2周容積產(chǎn)氣率偏差小于10% 時(shí)，視為該有機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗(yàn)。

表1 不同溫度條件下不同負(fù)荷的原料加入量

1.3 監(jiān)測指標(biāo)與測定方法

沼氣中CH4及CO2濃度采用GA2000plus 便攜式沼氣分析儀測定；沼氣采用采氣袋法進(jìn)行收集，并用100 mL定量針筒抽取測定；TS采用烘干法測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

通過Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，通過Origin 9.0進(jìn)行作圖及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛糞產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣率

容積產(chǎn)氣率是基于反應(yīng)器體積來量度沼氣產(chǎn)量，是沼氣工程設(shè)計(jì)和投資核算的基礎(chǔ)參數(shù)。不同溫度、不同負(fù)荷條件下產(chǎn)氣量如圖1所示(15℃、20℃條件下牛糞原料產(chǎn)氣量較低，故每3～7 d記錄一次)。結(jié)果表明，產(chǎn)氣量隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而快速增長，之后緩慢提升直至最大(如圖1)。統(tǒng)計(jì)得出不同溫度條件下的最大容積產(chǎn)氣率見表2，在15℃、20℃、25℃、30℃和35℃溫度下的最大容積產(chǎn)氣率分別為18.75±1.44，56.50±2.25，62.38±4.01，139.42±4.22，154.75±3.79 mL·L-1·d-1。 本研究在35℃條件下的容積產(chǎn)氣率低于李道義等[8]對(duì)牛糞連續(xù)高溫干式厭氧發(fā)酵的模型推算結(jié)果，一方面，這與發(fā)酵原料以及發(fā)酵環(huán)境的差異性有關(guān)，另一方面，因單位容積內(nèi)干式厭氧發(fā)酵(TS≥15%)含有更多的可生物降解物質(zhì)，故其容積產(chǎn)氣率較濕式發(fā)酵(TS<15%)占優(yōu)[9]。王光遠(yuǎn)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，原料產(chǎn)氣率與進(jìn)出料頻率有直接關(guān)系，在20 d的停留時(shí)間及35℃發(fā)酵條件下，每天進(jìn)出料牛糞的原料平均揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)氣率為0.25 L·g-1，與本研究0.5 g·L-1·d-1負(fù)荷條件下191.50 mL·g-1的原料產(chǎn)氣率(約228 mL·g-1)相當(dāng)；Alvarez R等[11]對(duì)牛糞+豬舍混合廢棄物的半連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在35℃，1.0 g·L-1·d-1的有機(jī)負(fù)荷條件下，其甲烷原料VS產(chǎn)氣率為50.0 mL·g-1，與本研究126.12 mL·g-1的原料產(chǎn)氣率(其甲烷TS產(chǎn)氣率約52 mL·g-1)也基本一致。

圖1 不同溫度及負(fù)荷條件下的牛糞產(chǎn)氣量Fig.1 The biogas production at different organic loading rates and different temperatures

研究結(jié)果顯示，發(fā)酵溫度越高，系統(tǒng)所能達(dá)到的最大容積產(chǎn)氣率越大。 在15℃低溫條件下，最大容積產(chǎn)氣率與發(fā)酵系統(tǒng)所能承受的最大有機(jī)負(fù)荷都較低(見表2)，當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷提高至2.0 g·L-1·d-1時(shí)，基本達(dá)到了容積產(chǎn)氣率的最大值。而20℃～35℃條件下其最大有機(jī)負(fù)荷可達(dá)到4.0 g·L-1·d-1，這主要是因?yàn)閰捬跷⑸镌鲩L與溫度的關(guān)系是呈S型曲線變化，溫度低于15℃時(shí)微生物處于生長緩慢階段，而20℃～60℃微生物數(shù)量呈線性增加[12]，故牛糞的容積產(chǎn)氣率也快速提升。楊紅男等[13]對(duì)豬糞的研究結(jié)果表明，在20℃～35℃溫度區(qū)域內(nèi)，容積產(chǎn)氣率和對(duì)應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷增加幅度呈線性關(guān)系，但本研究并未發(fā)現(xiàn)這一趨勢，可能是因?yàn)檫M(jìn)料有機(jī)負(fù)荷梯度設(shè)置較寬、牛糞的原料產(chǎn)氣率不如豬糞所致。Hill[14]用綜合動(dòng)態(tài)模型擬合得出牛糞沼氣發(fā)酵在40℃可達(dá)到的最大有機(jī)負(fù)荷為13.3 g·L-1·d-1，高于本研究的實(shí)際產(chǎn)氣結(jié)果，也可能是因原料差異導(dǎo)致。

表2 不同溫度及有機(jī)負(fù)荷下的容積產(chǎn)氣率、原料產(chǎn)氣率與甲烷含量

進(jìn)一步分析產(chǎn)氣數(shù)據(jù)表明，原料產(chǎn)氣率與CH4濃度隨溫度的上升也逐漸增加。在有機(jī)負(fù)荷0.5 g·L-1·d-1條件下，牛糞的TS原料產(chǎn)氣率僅為22.58 mL·g-1，25℃該值上升至67.24 mL·g-1，而35℃中溫發(fā)酵條件下該值增長至191.50 mL·g-1，這與容積產(chǎn)氣率隨溫度的升高而增加的趨勢一致。甲烷濃度方面，15℃和20℃的原料產(chǎn)氣率和CH4濃度要明顯要低于25℃～35℃。在低溫條件下(15℃～20℃)CH4平均濃度為37.5%，低于中溫條件下(25℃～35℃)CH4平均濃度41.2%。主要是因?yàn)樵诘蜏貤l件下酸化細(xì)菌活性相對(duì)較高，容易造成系統(tǒng)酸化，導(dǎo)致甲烷細(xì)菌活性降低[13]。在同一溫度條件下有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)原料產(chǎn)氣率較高，而當(dāng)有機(jī)負(fù)荷上升時(shí)原料產(chǎn)氣率持續(xù)性下降，這是由于有機(jī)物停留時(shí)間在高負(fù)荷條件下較短，原料無法完全降解，同時(shí)過高的負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的急劇上升以及pH值的驟降[15]。不同溫度條件下產(chǎn)氣數(shù)據(jù)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，低溫低有機(jī)負(fù)荷的原料產(chǎn)氣率與高溫高有機(jī)負(fù)荷的相似，例如20℃、0.5 g·L-1·d-1有機(jī)負(fù)荷條件下的原料產(chǎn)氣率與30℃、有機(jī)負(fù)荷3.0 g·L-1·d-1的原料產(chǎn)氣率基本一致，這表明若處理相同量的牛場糞污，并要取得相似原料產(chǎn)氣率，在20℃運(yùn)行的反應(yīng)器的體積至少是30℃的6倍。

2.2 牛糞產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)模型

目前厭氧產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)模型主要包括Chen-Hashimoto模型[16]，修正的Stovere-Kincannon模型[17]， Deng模型[18]以及修正后的Deng模型[19]四種。本研究采用修正后的Deng模型對(duì)牛糞產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

Modified Deng模型表述如下：

Rp=Rpmax/(1+e-KLR(x-Lr))

式中，Rp為容積產(chǎn)氣率(mL·L-1·d-1);Rpmax為穩(wěn)定時(shí)的最大容積產(chǎn)氣率(mL·L-1·d-1);Lr為限制性底物濃度(g·L-1·d-1);KLR為半飽和常數(shù)(g·L-1·d-1)。將底物濃度(x)與穩(wěn)定時(shí)的產(chǎn)氣量(y)帶入公式中，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合(見圖2)。其中Rpmax是發(fā)酵溫度的函數(shù)，Rpmax有如下關(guān)系：

圖2 15℃～35℃條件下的產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)模型擬合Fig.2 Dynamic model fitting of anaerobic fermentation for the temperature range of 15℃～35℃

Rpmax(T2)=Rpmax(T1)θ(T2-T1)

式中，Rpmax(T1)為T1溫度條件下的最大容積產(chǎn)氣率，Rpmax(T2)為T2溫度條件下的最大容積產(chǎn)氣率，θ為溫度活性系數(shù)。

通過模型擬合得到的Rpmax、Lr以及KLR常數(shù)見表3，不同溫度條件下產(chǎn)氣模型的擬合度R2值在0.933～0.997之間，說明模型的擬合度較好，其得到的Rpmax值與真實(shí)值相近。15°～35°模擬得到的Rpmax值分別為20.18、54.45、73.86、143.90、146.35 mL·L-1·d-1。結(jié)果表明，在15℃～35℃范圍內(nèi)，溫度每上升5℃，其Rpmax值分別較前一溫度值提升169.8%、35.6%、94.8%以及1.70%?？梢?，從15℃上升至20℃，牛糞產(chǎn)氣速率提升最大。

表3 不同溫度下最大容積產(chǎn)氣率及半飽和常數(shù)

通過Rpmax-θ公式計(jì)算得到不同溫度區(qū)間內(nèi)θ值如表4所示?？梢?，牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率對(duì)溫度的敏感性在15℃～20℃范圍內(nèi)要明顯高于20℃～35℃。Lim等[20]對(duì)豬糞產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵溫度16℃～24℃區(qū)間內(nèi)，θ值約為1.09，與本研究得到的15℃～25℃區(qū)間內(nèi)的θ值1.14相近。Lin等[21]研究了15℃～50℃范圍內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)甲烷的溫度動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在15℃～35℃區(qū)間內(nèi)θ值約為1.077。但是不同溫度區(qū)域間微生物群落種類與酶活性均有差異，如嗜溫菌的最適溫度為30℃～40℃，在40℃～50℃范圍內(nèi)嗜溫菌開始衰亡，活性變低[22]。在沼氣工程設(shè)計(jì)過程中，θ值是影響工程建設(shè)規(guī)模的重要指標(biāo)之一，溫度區(qū)間的設(shè)定對(duì)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)意義重大。本研究設(shè)定的溫度區(qū)間為5℃，因此可以較為準(zhǔn)確地反映溫度對(duì)微生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。

表4 不同溫度范圍內(nèi)的溫度活性系數(shù)

2.3 沼氣工程加熱策略

養(yǎng)牛場糞污及沖洗水經(jīng)干濕分離后進(jìn)入沼氣發(fā)酵罐，其物料的TS一般為1%～2%。為了保證厭氧發(fā)酵過程在較高的溫度下進(jìn)行，采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)(CHP)是最為經(jīng)濟(jì)合理的方案，即將發(fā)電機(jī)余熱進(jìn)行回收利用，為反應(yīng)器循環(huán)供熱。然而沼氣發(fā)電機(jī)的余熱能是有限的，CHP的能量轉(zhuǎn)換效率通常為40%～45%[23]。為此如何確保低濃度厭氧發(fā)酵在低溫環(huán)境下有效運(yùn)行，就必須考慮能量的輸入輸出問題。而本研究得到的θ值為厭氧發(fā)酵加熱策略分析提供了基礎(chǔ)。

以1 000頭肉牛場為例，其污水排放量按冬季排放標(biāo)準(zhǔn)20 m3·100頭-1·d-1計(jì)算，該養(yǎng)殖場日產(chǎn)污水約200 m3。相關(guān)參數(shù)取值按以下假設(shè)：(1)發(fā)酵原料TS為1%，發(fā)酵罐容積為1 000 m3; (2)沼氣的熱值為21 MJ·m-3；(3)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為15℃；(4)設(shè)計(jì)的容積產(chǎn)氣率為最大容積產(chǎn)氣率的85%；(5)熱損失以及原料增溫的熱量需求參考Metcalf等[24]；(6)煤炭熱效率65%。將發(fā)酵溫度由15℃分別提升至20℃、25℃、30℃以及35℃，計(jì)算得到不同加熱模式下的能量投入產(chǎn)出(表5)?？梢婋m然冬季給沼氣罐加熱可以增加單位體積產(chǎn)氣量，但是熱損失以及原料加熱至理想溫度所需求的熱量遠(yuǎn)大于產(chǎn)能，并且隨著設(shè)定溫度的提升，其凈能量支出變大，這與Deng等[18]提議冬季將豬場沼氣工程增溫至20℃的結(jié)論不同，主要是因?yàn)橄嗤瑮l件下牛糞容積產(chǎn)氣率遠(yuǎn)低于豬糞所致。這一估算結(jié)果符合南方地區(qū)冬季牛場沼氣工程不額外增溫的調(diào)研現(xiàn)狀，僅將沼氣燃燒發(fā)電余熱供給發(fā)酵罐，這一措施理論上可提升罐內(nèi)溫度約0.1℃(按1 000 m3發(fā)酵罐容積計(jì)算)。但以上結(jié)論是基于原料TS為1%的前提下得出的，若提高厭氧發(fā)酵原料的TS，容積產(chǎn)氣率必定提升，相同環(huán)境條件下的能量收支平衡亦會(huì)改變，這方面還有待進(jìn)一步研究，但TS的提升勢必增加后續(xù)污水處理難度。

表5 不同加熱模式下的能量投入產(chǎn)出

3 討 論

有機(jī)負(fù)荷是度量厭氧反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物處理能力的重要工藝參數(shù)，本文研究結(jié)果也證實(shí)了在一定范圍內(nèi)容積產(chǎn)氣量隨有機(jī)負(fù)荷的增加而提高，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷在2.0 g·L-1·d-1以下時(shí)，產(chǎn)氣率隨有機(jī)負(fù)荷線性增加；而當(dāng)有機(jī)負(fù)荷再次提升時(shí)，容積產(chǎn)氣率增加量逐漸下降；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過5.0 g·L-1·d-1后，容積產(chǎn)氣率隨負(fù)荷的增加而下降。郭建斌等[26]以豬糞為原料開展的全混式半連續(xù)試驗(yàn)表明，3.3 kg·m-3·d-1的有機(jī)負(fù)荷是保證在28℃發(fā)酵系統(tǒng)正常運(yùn)行的閾值，此時(shí)系統(tǒng)有機(jī)酸與堿度的比值基本達(dá)到失穩(wěn)極限。但是在工程實(shí)際運(yùn)行中，有機(jī)負(fù)荷太低時(shí)，盡管污染物去除率高，但是反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率小，設(shè)備利用效率低。

在所有溫度條件下，原料產(chǎn)氣率隨著有機(jī)負(fù)荷的增加呈下降趨勢[26]，不僅全混式反應(yīng)器(CSTR)如此，其他類型反應(yīng)器亦然。Sánchez等[25]用5 L的UASB反應(yīng)器在中溫條件下處理豬場廢水的結(jié)果表明，在有機(jī)負(fù)荷為1.0～4.0 g·L-1·d-1時(shí)，雖然總化學(xué)需氧量(TCOD)的去除率隨負(fù)荷增加逐漸降低，但在此范圍內(nèi)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的TCOD去除效果和發(fā)酵體系的穩(wěn)定性。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷≥4.1 g·L-1·d-1，反應(yīng)器對(duì)TCOD的去除率快速降低至40%以下，甲烷濃度、pH值以及堿度都迅速降低?？梢娺^高的有機(jī)負(fù)荷破壞了沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷古菌間的代謝平衡，產(chǎn)酸速率大于耗酸速率，造成系統(tǒng)揮發(fā)酸過度積累甚至酸化。Leite等[26]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，乙酸型產(chǎn)甲烷菌相對(duì)豐度隨有機(jī)負(fù)荷的增加而上升，而當(dāng)負(fù)荷過載后，Methanobacteriales(甲烷桿菌)以及Methanomicrobiales(甲烷微菌)等氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌將占絕對(duì)優(yōu)勢。本文基于牛糞在不同產(chǎn)氣負(fù)荷條件下的微生物群落結(jié)構(gòu)演化過程還有待進(jìn)一步研究。

在相同的溫度及負(fù)荷條件下，相比郭建斌等[27]以及Deng等[18]以豬糞為原料的試驗(yàn)結(jié)果，本研究所得牛糞的容積產(chǎn)氣率及原料產(chǎn)氣率均遠(yuǎn)低于豬糞；但在發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)有機(jī)負(fù)荷的耐受性上牛糞略高于豬糞。一方面，豬糞中含有比牛糞更多的粗脂肪、粗蛋白，在厭氧發(fā)酵初期被微生物分解產(chǎn)酸, 造成體系pH值迅速下降，在較高的負(fù)荷條件下系統(tǒng)更容易酸化;另一方面，可能是養(yǎng)殖飼料的不同以及地區(qū)環(huán)境條件的差異所致。史金才等[28]研究發(fā)現(xiàn)在室溫條件下，牛糞的原料產(chǎn)氣率為47.60 mL·g-1，大于豬糞37.27 mL·g-1，而張翠麗等[29]研究發(fā)現(xiàn)牛糞的原料產(chǎn)氣率為398 mL·g-1，遠(yuǎn)低于豬糞的495 mL·g-1。

4 結(jié) 論

1)修正后的Deng模型同樣適合于牛場糞污半連續(xù)式沼氣發(fā)酵，該模型對(duì)牛糞的容積產(chǎn)氣率有較好的擬合度。

2)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率對(duì)溫度的敏感性在15℃～20℃范圍內(nèi)要明顯高于20℃～35℃。

3)在原料TS為1%的條件下，根據(jù)能量投入與產(chǎn)出計(jì)算，牛糞沼氣工程在我國南方冬季不適合額外增溫，其熱損失以及原料加熱至理想溫度所需求的熱量遠(yuǎn)大于產(chǎn)能。