沼气发酵产生的沼渣、沼液处理技术研究*

2010-07-26沙长青张晓彦

黑龙江科学 2010年1期

沙长青，谷军，张晓彦，原韬

（黑龙江省科学院微生物研究所，黑龙江哈尔滨150010）

能源和环境双重危机使绿色可再生能源研发成为各国工作的重点。据有关专家估计，生物质能将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。到本世纪中叶，采用新技术生产的生物气、燃料乙醇、生物柴油等新能源将占全球总能耗的40%以上［1，2，8］。沼气是有机物通过厌氧发酵形成的一种可燃性气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，可用于燃烧、发电等，我国拥有大中型沼气工程约2000余个，年产沼气5.5×109m3，预计到2010年，沼气目标产量达到约1.9×1010m3。随着大规模沼气工程建设的发展，沼气发酵的副产品沼渣、沼液的处理技术就显得越来越重要，目前常见的处理方法为将沼渣、沼液制成生物肥料、生物调节剂、土壤改良剂［3，4］。但对于大规模沼气发酵工程来讲，这些技术难以应用。基于目前的研究水平，我国规模化沼气污水处理尚未得到根本性解决，新的工艺组合尚缺少在生产上大规模应用。作者通过分析新工艺对沼气污水处理的情况，讨论其作为污水处理工艺的可行性。对有机粪污水的处理主要是利用环境微生物生化处理技术，根据不同的条件选择不同的处理工艺。废水生物处理广泛使用的是好氧生物处理法，好氧生物处理法又分为活性污泥法和生物膜法两类。综合考虑决定研究活性污泥法处理沼液的技术，活性污泥法中的曝气法是目前应用最广、技术最成熟的方法，其整个工艺过程由进水、曝气、沉淀、排水等工序组成。我们进行了沼液全回流工艺的研究，取得了较满意的效果。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验原料取自哈尔滨市道里区太平镇新鲜奶牛粪便。水：取自黑龙江省发酵工程技术中心院内深水井。

1.1.2 设备 100L全自动厌氧发酵罐,自行设计，江大三环发酵设备有限公司制造；实验室活性污泥法处理装置：由四个串联在一起的每个容积为60L的水池组成。

1.2 实验方法

1.2.1 活性污泥的培养驯化

取生活污水适量，控制温度在25～30℃，进行闷曝培养，2～3d后停止曝气，静止2h，排掉上清液，加入经稀释的淘米水培养生活污泥，重复上述操作，直到污泥沉降比达到15%以上。培养好的污泥外观成团状或絮状，为黄褐色。显微镜下观察游离的细菌很少，原生动物较多并且活跃。

将培养好的污泥放入反应槽中，采用瞬间进水方式向反应器中加入淘米水和经过稀释的沼液。控制其COD为1000mg/L左右，温度25～30℃，以固定的曝气量8L（空气）/L（混合液）·h进行闷曝培养，每天换1次水，1星期后污泥量开始增加，控制污泥的沉降比在30%左右，逐渐增大混合液中沼液的比例，20d后完全加入经稀释的沼液。逐渐提高沼液的浓度，25d后反应器内溶液的初始COD值可达2 000mg/L左右。

1.2.2 活性污泥法运行工艺

整个工艺分四个阶段：配水、曝气、静止、排水。分别在四个反应器中进行。曝气时间为12h，静止时间为2h，整个运行周期为13h左右。

图1 活性污泥法水处理装置Fig.1 Activated sludge water treatment device

1.2.3 沼液全回流处理工艺

1.2.3.1 沼液全回流试验100ml发酵试验方法

将新鲜牛粪用清水稀释成含固形物6%的稀牛粪发酵原料，用组织捣碎机粉碎5min。接入1%发酵接种物（甲烷发酵复合菌），在每只100ml针管中加入配好的物料,排净空气，用塑料封堵封好前端排气口。静置于恒温培养箱中进行沼气发酵。发酵产气后，记录累计产气量。然后将发酵后原料过滤，得到的沼液用于下一批次中代替清水稀释新鲜牛粪进行沼气发酵使用，进行重复循环试验，每一批次都做清水稀释的对照试验。实验装置如图1所示。

1.2.3.2 沼液全回流试验100L发酵试验方法

发酵罐体积100L，物料装填系数为0.8～0.9。即将一定浓度的发酵原料80～90L，控制一定的物料滞留时间，每天排出一定量的的物料，排料量为发酵原料初始值除以物料滞留时间，同时每天要补充相同量的新鲜的配好浓度的牛粪，控制一定发酵温度和搅拌速度进行厌氧发酵［5，7］。每天测定产气量和气体成分，配制补料时如用清水配制即为常规发酵，如用沼液配制就是沼液回流试验。沼液全回流即把产生的沼液全部用于补料配制。实验装置采用100ml注射针管。

2 结果与分析

2.1 生物法有机废水处理技术

2.1.1 曝气时间对废水处理效果的影响

沼液稀释液的初始值为COD 2000mg/L左右。采用瞬间进水方式向反应器中加入经过稀释的沼液温度25～30℃，以固定的曝气量8L（空气）/L（混合液）·h进行曝气，在曝气的不同时间取样，将样品沉降0.5h，测量其上清液的COD，结果见表1，据此以COD（取前4组数据平均值）对曝气处理时间进行作图（图2）。

表1 曝气时间对处理的影响Table 1 Influence of aeration time on the treatment

图2 曝气时间对沼液处理的影响Fig.2 Influence of aeration time on the treatment of biogas slurry

由图2可看出，采用曝气法处理稀释沼液，前6hCOD值下降较快，超过6h以后，COD值下降速度变慢。

2.1.2 曝气处理过程对COD、BOD的影响

固定曝气时间6h，以相同的温度和时间处理沼液稀释液，考察曝气处理对废水COD、BOD的去除效果，结果见表2。

表2 曝气处理过程对COD、BOD的去除效果Table 2 The effect of aeration treatment on removing COD and BOD

表2结果表明，在同样条件下，用曝气法处理沼液稀释液，BOD的去除率大于COD的去除率。因为在微生物的生长过程中会优先利用容易利用的营养物质。

2.1.3 温度对处理效果的影响

温度是废水生物处理过程中的一个重要参数，在其他条件一定的情况下，要达到满意的处理效果，必须使水处理过程置于合适的温度范围内。各种生物酶发挥生物活性的适合温度也不尽相同，微生物来源酶的最适温度为25～60℃，为降低能耗和处理成本，一般采用尽可能较低的温度，采用瞬间进水方式向反应器中加入经过稀释的沼液，以固定的曝气量8L（空气）/L（混合液）·h进行曝气，曝气时间固定6h，将样品沉降0.5h，测量其上清液的COD，考察温度对处理废水效果的影响，结果见表3。

表3 温度对处理的影响Table 3 Influence of the temperature on the treatment

由表3可看出，18～25℃、曝气6h，废水的COD都可降到500mg/L左右，此温度范围内温度对处理效果的影响不是很大。但在15℃时COD的去除率下降较明显，已不能满足要求，因此用曝气活性污泥法处理沼液稀释液温度宜选择18℃以上。

评价指标氧的利用率：反应器容积60L,曝气量8L（空气）/L（混合液）·h，曝气 6h，通入空气量为 2880L,按氧的体积份数21%计算，通入氧气的体积为604.8L。按标准状态和25℃状态计算为24.78mol,如果只考虑COD的转化需要氧气，那么反应器理论需氧量为2.748mol。氧气利用率为11%。

2.2 沼液回用实验

2.2.1 沼液回用的对比试验结果

分别用清水、沼液、沼液和乳酸菌、沼液经过乳酸菌处理液等稀释新鲜牛粪，直接进行沼气发酵，定期排气，原料装量为40ml，培养温度为53℃，连续发酵13g，结果见表 4。

从表4可以看出，短时期内沼液经过处理或不经过处理都可以代替清水进行原料的稀释而进行沼气发酵，沼液不会对沼气发酵产生抑制作用。经过处理的沼液发酵结果好于不处理的，更优于清水对照，而前期产沼气的产气速度要远远快于清水对照。

表4 不同稀释液对沼气发酵产气量的影响（mL）Table 4 Influence of different dilution liquid on the gas production by methane fermentation

2.2.2 沼液回用长期小规模试验结果

为了验证沼液回用可靠性与准确性，又进行了多次实验,发酵条件为：原料牛粪体积40ml，TS为6%，发酵温度为53℃。结果如图3。

图3 高温沼气发酵沼液全回流实验结果（100mL）Fig.3 Reflux experiment results of biogas slurry by high-temperature methane fermentation

图4 100L沼气发酵产气情况Fig.4 The gas production of 100L methane fermentation

图5 100L沼气发酵产气情况Fig.5 The gas production of 100L methane fermentation

图6 100L厌氧发酵罐累计产气量Fig.6 The cumulative biogas production of 100L anaerobic fermentation tank

2.3 沼液回用长期中试结果

原料为牛粪，发酵罐体积100L，物料体积为80L，TS为6%，物料滞留时间为14d，发酵温度为53℃。搅拌速度10r/min，每天排出1/14的物料，将排出的物料进行分离，把得到的沼液用于稀释新鲜的牛粪，然后再补回到发酵罐中，补料量与每天的排出量相等，每天测定产气量，实验结果如图4-1、4-2、5。由于不是每天都计量气体数，图中出现空白处后的气体量很高，是由空白天数产气累积的结果。从图中分析可以看出，在高温沼气全回流的试验中没有发现沼气产量降低的现象。图5中显示发酵沼气累积量曲线为一条斜向上的直线，说明高温沼气全回流发酵产气量稳定，没有产气量明显升高或降低的现象，沼液对沼气发酵没有抑制作用。

2.4 沼气高温全回流实验中沼液的COD的变化情况

在不同的发酵时间；测定发酵液中沼液的浓度，结果见表5。

表5 沼气高温全回流实验中沼液的COD的变化情况Table 5 Variety of COD in high-temperature methane fermentation biogas slurry total reflux experiments

从表5可知，随发酵时间的延长，沼液的浓度逐渐升高，到第4周以后沼液的浓度达到最高46000mg/L左右，之后不再升高。

3 讨论

3.1 沼液处理成本比较

综上可见，由于沼液为高浓有机废液，其COD值达到30000～40 000mg/L沼液后处理费用非常高，需要进行稀释处理，加上稀释所用清水的费用，每吨处理费将近40元。如此高的处理费在工业生产上是难以接受的。如果将沼液经过简单处理或不处理用于代替稀释原料的水，直接回到原沼气发酵罐中，这样就可以省去沼液的处理工段，节约了大笔沼液处理费用，但这样做的先决条件是废沼液不会对正常的沼气发酵产生抑制作用。