利用CCD优化C/N和pH对污泥厌氧发酵产沼气的影响

2016-10-19张超君潘建刚张艾艾蒋海明季祥蔡禄

湖北农业科学 2016年6期

张超君　潘建刚　张艾艾　蒋海明　季祥　蔡禄

摘要：采用响应面中心组合设计，研究了pH和C/N对污泥厌氧发酵产沼气的影响，并利用回归方程对其产气量进行模拟。结果表明，当pH 6.50～8.00时，C/N 20～30之间变化时，产气量随之发生明显变化，当pH 7.25和C/N 25时，污泥单位产气量最高；以pH为因素A，C/N为因素B，单位产气量为响应值R1，进行响应面分析，建立模型得到二次系数方程，根据方程预测，当pH 7.09和C/N 25时，其理论最高产气量可达345 mL/g，而实际验证试验的产气量结果为（348±6） mL/g，与预测值相差仅0.8%，可见该方法确定的最佳条件合理，可以很好地用于污泥厌氧发酵条件的优化。

关键词：中心组合设计；厌氧发酵；pH；C/N；产气量

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）06-1422-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.015

污泥是一种成分复杂，含有大量病原微生物和寄生虫卵的极易腐化的胶体物质，如不进行正确的处理将对环境造成严重的二次污染[1，2]。因此，对于污泥的处理已经成为了环境治理的新难题。当前污泥处理多采用焚烧、填海和厌氧发酵等方法，相比之下，厌氧发酵法能耗低，稳定性高，病原微生物和寄生虫卵在发酵过程中近乎除去，同时还可以产生清洁能源沼气，更符合当今社会对环境与能源的需求[3]。然而厌氧发酵受温度、pH、C/N、金属离子、TS等多种因素的影响[4-10]，尤其是pH和C/N对厌氧发酵的影响最为直接，众多研究表明，适合的C/N与初始pH对厌氧发酵产气量有很大的影响，在一定程度上决定着厌氧发酵产气量的高低[11-14]。然而目前关于利用CCD研究pH和C/N对污泥厌氧发酵的影响尚鲜有报道。

CCD（Central Composite Design），即中心组合设计，多用于在已知范围内的条件优化，它可以连续地对研究条件的各个水平进行分析，并通过数学模型进行理论预测，目前已广泛应用于各个领域的条件优化，如物质提取和牛粪厌氧发酵等[15-17]，基于此，本试验利用CCD研究初始pH和C/N对污泥厌氧发酵产沼气的影响，以期为污泥厌氧发酵效率的提高提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用污泥均取自内蒙古包头市北郊污水处理厂，污泥取回后保存于4 ℃的冰箱中待用，使用前置于35 ℃培养箱中活化24 h。试验药品包括葡萄糖，尿素，试剂均为分析纯，盐酸0.1 mol/L，NaOH 0.1 mol/L溶液。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置本试验采用实验室制作的小型简易厌氧发酵装置，由发酵瓶、集气瓶和集水瓶组成，为了方便观察瓶内情况和防止漏气，整个装置均选用玻璃磨口锥形瓶作为容器；发酵瓶瓶口用双孔橡胶塞密封，设为取样口和排气口，排气口通过玻璃管和橡胶管与集气瓶相连，集气瓶通过排水集气法收集气体，排出的水进入集水瓶中。发酵过程中将发酵瓶置于恒温水浴装置（常州人和恒温水浴锅）内维持温度，装置图如图1。

1.2.2 测定方法本试验主要测定指标有：①TS（总固体含量），取一定量污泥（质量为M1），放入烘箱（105±1） ℃烘至恒重后测定质量（M2），TS=■×100%；②VS（挥发性固体含量），（105±1） ℃烘至恒重的污泥用马弗炉600 ℃灼烧2 h，测定质量（M3），VS=■×100%；③pH，使用pH计（柯迪达CT-6023型pH计）测量，总碳的测量采用重铬酸钾容量法[18]，总氮采用碱性过硫酸钾法[19]，气体体积通过排水法测定。

1.2.3 试验设计本试验以剩余污泥为原料进行厌氧发酵，发酵温度（35±1） ℃，每罐中添加污泥200 g，调节TS=8%， pH 6.50～8.00，C/N 20～30之间变化，试验中C/N与pH的组合均由Design-expert.V8.0.6.1软件设计完成，详见表2。使用葡萄糖和尿素（均为分析纯）调节C/N比，由于试验组设立兩组平行，发酵周期30 d。

2 结果与分析

2.1 pH和C/N对产气量的影响

经过30 d的厌氧发酵，试验各组单位产气量见表2。由表2可知，当C/N为17.93～32.07时，pH 6.19～8.31之间时，污泥厌氧发酵均能正常产气。1～5号试验组初始条件完全相同互为平行试验，试验结果为（338±6） mL/g，1～7号试验组的初始pH相同均为7.25，分析可知，当初始pH 7.25时，C/N为25.00的试验组单位产气量最高。其次是C/N为17.93的试验组，C/N为32.07的试验组单位产气量最低；8号和10号C/N均为30.00，初始pH分别是8.0和6.5，9号和11号的C/N均为20，初始pH分别是8.0和6.5，由此分析可知，C/N为30或者20时，初始pH 6.5的试验组单位产气量大。试验组1～5、11、13的C/N相同均为25，初始pH分别是7.25、6.19和8.31，分析发现当C/N均为25时，初始pH为7.25的试验组单位产气量最大。

2.2 产气量模型的建立

设pH为因子A，C/N为因子B，以单位产气量为响应值R1，将表2的试验数据输入Design-expert.V8.0.6.1软件，对试验结果进行回归分析，去除没有显著影响的B、AB因子，得到以下回归方程：R1=-2 118.31+695.156 89A-49.236 90A2-0.033 365B2，以及3D响应面图2。由图2可以直观看出，因子A和因子B与单位产气量R1的关系，图2中最高点表示最高产气量，出现在pH 6.8～7.4，C/N为 24～26的条件下，存在于试验所设范围内，试验选取的范围无误。模型P<0.000 1对于试验呈现极显著相关，表明模型选择正确可以用于试验预测，方程失拟项P为0.640 9>0.050 0不显著，模型拟合正常且不失拟，表明试验设计中不存在缺少变量因子的情况。由表3分析可知，R2表示从试验样本中得到的调整R2表示拟合度，该方程的拟合度为0.902 7>0.900 0，表明该方程的样本拟合度较高；Adj R2为校正拟合度，Pre R2为预测R2表示预测拟合度，当Adj R2-Squared与Pre R-squared相差较小时，说明两者存在于合理的协议中，正如表3中Adj R2与Pre R2分别为0.870 2与0.775 3两者存在于合理的协议中，Adeq prec表示噪声率，当该值大于4的时候表示模型结果令人满意可以用于预测，本试验Adeq prec=10.504>4说明该模型可以用于本试验的预测。模型P<0.000 1表明回归方程达到极显著，说明该模型拟合程度较好，试验误差小，可以用于研究pH和C/N对污泥厌氧发酵单位产气量的影响，并进行分析和预测。

2.3 模型符合性分析和验证

将二次系数方程所得的预测值和试验实际值进行比较，结果见表4，由表4数据可知，方程的预测值均在实际试验值范围内，说明该方程的符合性较高，可以用于该试验的预测和分析。根据此方程预测，当 pH 7.09，C/N为25时，有最大单位产气量345 mL/g。为了验证方程预测结果，又进行了验证试验，取200 g污泥调节至pH 7.09，C/N为25，TS 8%，温度维持在（35±1） ℃，进行厌氧发酵，设立3组平行，经过30 d厌氧发酵之后得到结果为（348±6） mL/g，与预测值345 mL/g相差不大，证明试验结果与模型预测基本相符。该试验结果与赵洪等[20]所研究的pH对厌氧发酵产气量的影响，以及李玉春等[13]进行的C/N对稻秆厌氧发酵产气量影响的研究结果基本相同。

3 小结

当pH 6.50～8.00，C/N在20～30之间变化时，产气量随之发生明显变化，在pH 7.25和C/N 25时，污泥单位产气量达到最高值（338±6） mL/g。

建立二次系数方程理论模型：R1=-2 118.31+695.156 89A2-0.033 365B2，根据该模型预测当pH 7.09，C/N 25时，产气量达最大值，且经过试验验证，证明该模型可很好地用于pH和C/N对污泥厌氧发酵产气量影响的条件优化。

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