牛粪厌氧发酵产气动力学与加热策略研究

2020-07-28邓良伟韦秀丽向远勇

干旱地区农业研究 2020年3期

蒋滔，邓良伟，韦秀丽,，贺静，王冰，向远勇

(1. 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室，四川成都 610041；2.重庆市农业科学院，重庆 401329；3.农业部农村可再生能源开发利用南方科学观测实验站，重庆 401329)

厌氧发酵技术是处理畜禽粪便污染的重要手段，在降解有机废弃物、保护生态环境的同时产生可再生能源CH4及生态有机肥，因而受到广泛的关注[1-2]。温度是影响厌氧发酵的关键环境因子，以温度划分发酵方式可分为常温(15℃～25℃)、中温(35℃～37℃)、高温(50℃～60℃)3种，我国沼气工程以常温和中温运行为主。研究表明，温度越高微生物活性越高，有机物污染降解速率越大产气效率越高[3]。在厌氧微生物适合的生长区间内，温度每提升10℃，发酵速率增加约1倍；而当温度低于最佳温度，每下降1℃，发酵速率下降约11%[4]。Massé等[5]研究结果显示，20℃、25℃和30℃条件下屠宰场废水产甲烷速率分别为0.12、0.34、0.37 g·g-1·d-1，而降解的化学需氧量(COD)中分别有84.2%、88.7%以及90.8%转化为甲烷。在中、高温厌氧发酵环境下污染物降解速率更快，病原体以及杂草种子死亡率更大[6]。但是较高的发酵温度容易引发氨抑制[7]，同时维持发酵系统高温也需要更多能量。因此温度提升带来的甲烷产量及产气效率增加，必须与增长的能量需求相平衡才能保证整个发酵系统在较高的温度下运行。我国大部分地区冬季温度普遍低于20℃，夏季温度高于35℃，故研究中、低温范围内(15℃～35℃)畜禽粪污的产气性能对于沼气工程的设计与运行具有重要意义。

目前我国沼气工程的设计多以容积产气率为基准，既没有考虑不同原料产能的差异性，也没有考虑不同有机负荷下的产气效率，导致工程实际运行出现产气量不足、升温效果差等问题。本研究以牛粪为研究对象，开展不同温度及有机负荷条件下的沼气产气率研究，构建半连续式发酵产气动力学模型，并测算不同温度下的厌氧发酵产气增温效果，以期为牛粪沼气工程设计及加热策略提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪取自重庆市某规模化奶牛场。根据试验需要将发酵原料总固体浓度(TS)调整到1%左右。沼气发酵装置采用1 000 mL广口玻璃瓶，并用带有出气管的橡皮塞密封，发酵瓶和集气袋通过橡皮管连接。

1.2 试验方法

试验开始时，向每个发酵瓶中加入500 mL不产气厌氧污泥，然后加入牛粪发酵原料。试验分别在15℃、20℃、25℃、30℃、35℃条件下进行(首先进行15℃发酵，试验结束后直接进入下一温度)，使用水浴锅维持发酵温度，每种处理3次重复。采用半连续方式进料，进料浓度TS保持1%不变，每天定时排出上清液，并加入发酵原料1～2次，每次加完料后充分搅拌。从低TS有机负荷率0.5 g ·L-1·d-1开始进行试验，逐渐增加系统的有机负荷(见表1)，直至进一步提高有机负荷时容积产气率不再增加，则获得最大容积产气率。每种有机负荷下达到产气稳定的时间不同，当连续2周容积产气率偏差小于10% 时，视为该有机负荷试验达到稳定状态，停止试验。

表1 不同温度条件下不同负荷的原料加入量

1.3 监测指标与测定方法

沼气中CH4及CO2浓度采用GA2000plus 便携式沼气分析仪测定；沼气采用采气袋法进行收集，并用100 mL定量针筒抽取测定；TS采用烘干法测定。

1.4 统计方法

通过Microsoft Excel 2013进行数据计算，通过Origin 9.0进行作图及回归分析。

2 结果与分析

2.1 牛粪产气量与产气率

容积产气率是基于反应器体积来量度沼气产量，是沼气工程设计和投资核算的基础参数。不同温度、不同负荷条件下产气量如图1所示(15℃、20℃条件下牛粪原料产气量较低，故每3～7 d记录一次)。结果表明，产气量随着有机负荷的增加而快速增长，之后缓慢提升直至最大(如图1)。统计得出不同温度条件下的最大容积产气率见表2，在15℃、20℃、25℃、30℃和35℃温度下的最大容积产气率分别为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℃条件下的容积产气率低于李道义等[8]对牛粪连续高温干式厌氧发酵的模型推算结果，一方面，这与发酵原料以及发酵环境的差异性有关，另一方面，因单位容积内干式厌氧发酵(TS≥15%)含有更多的可生物降解物质，故其容积产气率较湿式发酵(TS<15%)占优[9]。王光远等[10]研究发现，原料产气率与进出料频率有直接关系，在20 d的停留时间及35℃发酵条件下，每天进出料牛粪的原料平均挥发性固体(VS)产气率为0.25 L·g-1，与本研究0.5 g·L-1·d-1负荷条件下191.50 mL·g-1的原料产气率(约228 mL·g-1)相当；Alvarez R等[11]对牛粪+猪舍混合废弃物的半连续厌氧发酵实验发现，在35℃，1.0 g·L-1·d-1的有机负荷条件下，其甲烷原料VS产气率为50.0 mL·g-1，与本研究126.12 mL·g-1的原料产气率(其甲烷TS产气率约52 mL·g-1)也基本一致。

图1 不同温度及负荷条件下的牛粪产气量Fig.1 The biogas production at different organic loading rates and different temperatures

研究结果显示，发酵温度越高，系统所能达到的最大容积产气率越大。在15℃低温条件下，最大容积产气率与发酵系统所能承受的最大有机负荷都较低(见表2)，当进料负荷提高至2.0 g·L-1·d-1时，基本达到了容积产气率的最大值。而20℃～35℃条件下其最大有机负荷可达到4.0 g·L-1·d-1，这主要是因为厌氧微生物增长与温度的关系是呈S型曲线变化，温度低于15℃时微生物处于生长缓慢阶段，而20℃～60℃微生物数量呈线性增加[12]，故牛粪的容积产气率也快速提升。杨红男等[13]对猪粪的研究结果表明，在20℃～35℃温度区域内，容积产气率和对应的有机负荷增加幅度呈线性关系，但本研究并未发现这一趋势，可能是因为进料有机负荷梯度设置较宽、牛粪的原料产气率不如猪粪所致。Hill[14]用综合动态模型拟合得出牛粪沼气发酵在40℃可达到的最大有机负荷为13.3 g·L-1·d-1，高于本研究的实际产气结果，也可能是因原料差异导致。

表2 不同温度及有机负荷下的容积产气率、原料产气率与甲烷含量

进一步分析产气数据表明，原料产气率与CH4浓度随温度的上升也逐渐增加。在有机负荷0.5 g·L-1·d-1条件下，牛粪的TS原料产气率仅为22.58 mL·g-1，25℃该值上升至67.24 mL·g-1，而35℃中温发酵条件下该值增长至191.50 mL·g-1，这与容积产气率随温度的升高而增加的趋势一致。甲烷浓度方面，15℃和20℃的原料产气率和CH4浓度要明显要低于25℃～35℃。在低温条件下(15℃～20℃)CH4平均浓度为37.5%，低于中温条件下(25℃～35℃)CH4平均浓度41.2%。主要是因为在低温条件下酸化细菌活性相对较高，容易造成系统酸化，导致甲烷细菌活性降低[13]。在同一温度条件下有机负荷较低时原料产气率较高，而当有机负荷上升时原料产气率持续性下降，这是由于有机物停留时间在高负荷条件下较短，原料无法完全降解，同时过高的负荷会导致系统中挥发性脂肪酸(VFA)的急剧上升以及pH值的骤降[15]。不同温度条件下产气数据对比研究发现，低温低有机负荷的原料产气率与高温高有机负荷的相似，例如20℃、0.5 g·L-1·d-1有机负荷条件下的原料产气率与30℃、有机负荷3.0 g·L-1·d-1的原料产气率基本一致，这表明若处理相同量的牛场粪污，并要取得相似原料产气率，在20℃运行的反应器的体积至少是30℃的6倍。

2.2 牛粪产气动力学模型

目前厌氧产气动力学模型主要包括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]四种。本研究采用修正后的Deng模型对牛粪产气数据进行拟合。

Modified Deng模型表述如下：

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

式中，Rp为容积产气率(mL·L-1·d-1);Rpmax为稳定时的最大容积产气率(mL·L-1·d-1);Lr为限制性底物浓度(g·L-1·d-1);KLR为半饱和常数(g·L-1·d-1)。将底物浓度(x)与稳定时的产气量(y)带入公式中，进行数据拟合(见图2)。其中Rpmax是发酵温度的函数，Rpmax有如下关系：

图2 15℃～35℃条件下的产气动力学模型拟合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)为T1温度条件下的最大容积产气率，Rpmax(T2)为T2温度条件下的最大容积产气率，θ为温度活性系数。

通过模型拟合得到的Rpmax、Lr以及KLR常数见表3，不同温度条件下产气模型的拟合度R2值在0.933～0.997之间，说明模型的拟合度较好，其得到的Rpmax值与真实值相近。15°～35°模拟得到的Rpmax值分别为20.18、54.45、73.86、143.90、146.35 mL·L-1·d-1。结果表明，在15℃～35℃范围内，温度每上升5℃，其Rpmax值分别较前一温度值提升169.8%、35.6%、94.8%以及1.70%。可见，从15℃上升至20℃，牛粪产气速率提升最大。

表3 不同温度下最大容积产气率及半饱和常数

通过Rpmax-θ公式计算得到不同温度区间内θ值如表4所示。可见，牛粪厌氧发酵产气速率对温度的敏感性在15℃～20℃范围内要明显高于20℃～35℃。Lim等[20]对猪粪产气动力学研究发现，发酵温度16℃～24℃区间内，θ值约为1.09，与本研究得到的15℃～25℃区间内的θ值1.14相近。Lin等[21]研究了15℃～50℃范围内挥发性脂肪酸产甲烷的温度动力学参数，在15℃～35℃区间内θ值约为1.077。但是不同温度区域间微生物群落种类与酶活性均有差异，如嗜温菌的最适温度为30℃～40℃，在40℃～50℃范围内嗜温菌开始衰亡，活性变低[22]。在沼气工程设计过程中，θ值是影响工程建设规模的重要指标之一，温度区间的设定对指导工程设计意义重大。本研究设定的温度区间为5℃，因此可以较为准确地反映温度对微生物动力学参数的影响。

表4 不同温度范围内的温度活性系数

2.3 沼气工程加热策略

养牛场粪污及冲洗水经干湿分离后进入沼气发酵罐，其物料的TS一般为1%～2%。为了保证厌氧发酵过程在较高的温度下进行，采用热电联产技术(CHP)是最为经济合理的方案，即将发电机余热进行回收利用，为反应器循环供热。然而沼气发电机的余热能是有限的，CHP的能量转换效率通常为40%～45%[23]。为此如何确保低浓度厌氧发酵在低温环境下有效运行，就必须考虑能量的输入输出问题。而本研究得到的θ值为厌氧发酵加热策略分析提供了基础。

以1 000头肉牛场为例，其污水排放量按冬季排放标准20 m3·100头-1·d-1计算，该养殖场日产污水约200 m3。相关参数取值按以下假设：(1)发酵原料TS为1%，发酵罐容积为1 000 m3; (2)沼气的热值为21 MJ·m-3；(3)当地环境温度为15℃；(4)设计的容积产气率为最大容积产气率的85%；(5)热损失以及原料增温的热量需求参考Metcalf等[24]；(6)煤炭热效率65%。将发酵温度由15℃分别提升至20℃、25℃、30℃以及35℃，计算得到不同加热模式下的能量投入产出(表5)。可见虽然冬季给沼气罐加热可以增加单位体积产气量，但是热损失以及原料加热至理想温度所需求的热量远大于产能，并且随着设定温度的提升，其净能量支出变大，这与Deng等[18]提议冬季将猪场沼气工程增温至20℃的结论不同，主要是因为相同条件下牛粪容积产气率远低于猪粪所致。这一估算结果符合南方地区冬季牛场沼气工程不额外增温的调研现状，仅将沼气燃烧发电余热供给发酵罐，这一措施理论上可提升罐内温度约0.1℃(按1 000 m3发酵罐容积计算)。但以上结论是基于原料TS为1%的前提下得出的，若提高厌氧发酵原料的TS，容积产气率必定提升，相同环境条件下的能量收支平衡亦会改变，这方面还有待进一步研究，但TS的提升势必增加后续污水处理难度。

表5 不同加热模式下的能量投入产出

3 讨论

有机负荷是度量厌氧反应器对有机物处理能力的重要工艺参数，本文研究结果也证实了在一定范围内容积产气量随有机负荷的增加而提高，当有机负荷在2.0 g·L-1·d-1以下时，产气率随有机负荷线性增加；而当有机负荷再次提升时，容积产气率增加量逐渐下降；当有机负荷超过5.0 g·L-1·d-1后，容积产气率随负荷的增加而下降。郭建斌等[26]以猪粪为原料开展的全混式半连续试验表明，3.3 kg·m-3·d-1的有机负荷是保证在28℃发酵系统正常运行的阈值，此时系统有机酸与碱度的比值基本达到失稳极限。但是在工程实际运行中，有机负荷太低时，尽管污染物去除率高，但是反应器的容积产气率小，设备利用效率低。

在所有温度条件下，原料产气率随着有机负荷的增加呈下降趋势[26]，不仅全混式反应器(CSTR)如此，其他类型反应器亦然。Sánchez等[25]用5 L的UASB反应器在中温条件下处理猪场废水的结果表明，在有机负荷为1.0～4.0 g·L-1·d-1时，虽然总化学需氧量(TCOD)的去除率随负荷增加逐渐降低，但在此范围内系统表现出较好的TCOD去除效果和发酵体系的稳定性。当有机负荷≥4.1 g·L-1·d-1，反应器对TCOD的去除率快速降低至40%以下，甲烷浓度、pH值以及碱度都迅速降低。可见过高的有机负荷破坏了沼气发酵系统中产酸菌与产甲烷古菌间的代谢平衡，产酸速率大于耗酸速率，造成系统挥发酸过度积累甚至酸化。Leite等[26]进一步研究发现在稳定的厌氧发酵系统中，乙酸型产甲烷菌相对丰度随有机负荷的增加而上升，而当负荷过载后，Methanobacteriales(甲烷杆菌)以及Methanomicrobiales(甲烷微菌)等氢营养型产甲烷菌将占绝对优势。本文基于牛粪在不同产气负荷条件下的微生物群落结构演化过程还有待进一步研究。

在相同的温度及负荷条件下，相比郭建斌等[27]以及Deng等[18]以猪粪为原料的试验结果，本研究所得牛粪的容积产气率及原料产气率均远低于猪粪；但在发酵系统对有机负荷的耐受性上牛粪略高于猪粪。一方面，猪粪中含有比牛粪更多的粗脂肪、粗蛋白，在厌氧发酵初期被微生物分解产酸, 造成体系pH值迅速下降，在较高的负荷条件下系统更容易酸化;另一方面，可能是养殖饲料的不同以及地区环境条件的差异所致。史金才等[28]研究发现在室温条件下，牛粪的原料产气率为47.60 mL·g-1，大于猪粪37.27 mL·g-1，而张翠丽等[29]研究发现牛粪的原料产气率为398 mL·g-1，远低于猪粪的495 mL·g-1。