提升中温和高温过渡区厌氧发酵效率的试验研究和工程验证

李月中， 宫亚斌， 谭 婧， 詹偶如， 李 倩， 蔡昌达

(1.维尔利环保科技集团股份有限公司， 江苏 常州 213125； 2.杭州能源环境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

温度是影响厌氧微生物生长代谢活动的重要因素，一般而言，随着发酵温度的升高，微生物活性增强，发酵产气效率提高，且在一定温度范围内，产气速度和产气量与温度呈正相关[1]。产甲烷菌对温度的变化尤为敏感，多位国内外学者[2-6]研究了温度对产甲烷菌活性的影响，产甲烷菌在其最适生长温度条件下生长旺盛，产甲烷速率最高，根据甲烷菌对温度的适应性，一般将产甲烷菌分为中温菌和高温菌两大类(见图1)，中温菌最适温度范围为35℃～42℃，高温菌最适温度范围50℃～55℃，对应厌氧发酵分为中温发酵和高温发酵，常规理论认为在中温与高温之间(43℃～45℃)是“低速厌氧区”，该理论也被写入国家标准[7,8]，用于指导厌氧发酵工程的设计。但也有研究报道，某柠檬水废水工程在45℃温度下运行多年[5]。

图1 温度对厌氧微生物活性的影响曲线[5]

本研究以4种典型的有机废弃物(餐厨垃圾浆料、牛粪、酒糟、黄贮玉米秸秆)为发酵原料，探究了中温区(发酵温度38℃)、过渡区(发酵温度44℃)和高温区(发酵温度52℃)3种温度条件下各种原料厌氧发酵产气效率，旨在为厌氧发酵工程选择最佳的运行温度提供设计依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

供试菌种：本实验室长期使用的厌氧污泥；底物来源：餐厨垃圾取自杭州天子岭餐厨垃圾处理一期工程(经预处理后的餐厨垃圾浆料)；酒糟和黄贮玉米秸秆取自中广核河北衡水混合原料生产生物天然气项目；牛粪取自浙江绍兴一景乳业牧场；所有底物原料试验前均保存于4℃环境下。各试验材料性质见表1。

表1 原料性质

1.2 试验设计

试验中分别选择中温区(发酵温度38℃)、过渡区(发酵温度44℃)和高温区(发酵温度52℃)作为本研究处理设置。采用1 L(有效容积800 mL)发酵装置进行发酵试验，接种物在相应的温度下预热3天以上，发酵底物按底物与接种物FVS∶MVS=0.5投加并充分混合后，试验设计3组平行试验。

1.3 分析方法

沼气产量，采用排水法收集测试；总固体(TS)，采用105℃±2℃烘干恒重法测定；挥发性固体(VS)，采用600℃灼烧2 h差重法测定；pH值，采用PHS-3C型pH计测定，餐厨浆料和牛粪直接测定，酒糟和黄贮玉米秸秆参照有机肥料(NY 525-2012)酸碱度的测定方法。

2 结果与分析

2.1 试验结果与分析

图2～图5是中温区(38℃)，过渡区(44℃)和高温区(52℃)下餐厨浆料、牛粪、酒糟和黄贮玉米秸秆产气趋势曲线。

从图2餐厨浆料发酵产气曲线可以看出，3种温度条件下的餐厨浆料产气高峰均集中在第1～8天，其中单日产气量最高出现在第1天。第20天以后，产气基本结束。3种温度条件下的产气速率对比结果是：44℃>52℃>38℃。发酵周期内，过渡区(44℃)的累积VS产气率0.930 m3·kg-1VS较中温区(38℃)累积VS产气率0.781 m3·kg-1VS提高19.0%，较高温区(52℃)累积VS产气率0.857 m3·kg-1VS提高8.4%。在前8天发酵周期内，过渡区(44℃)的产气速率优势更加明显，较中温区(38℃)提高30.8%，较高温区(52℃)提高19.0%。

图2 餐厨浆料发酵产气曲线

从图3牛粪发酵产气曲线可以看出，3种温度条件下的牛粪产气高峰集中在第1～15天，其中：中温区(38℃)在第7天和第11天分别出现两次产气高峰；过渡区(44℃)和高温区(52℃)的单日产气高峰均出现在第5天，第20天以后产气基本结束。3种温度条件下的产气速率对比结果是：44℃>52℃>38℃。发酵周期内，过渡区(44℃)的累积VS产气率0.347 m3·kg-1VS较中温区(38℃)累积VS产气率0.299 m3·kg-1VS提高16.1%，较高温区(52℃)累积VS产气率0.321 m3·kg-1VS提高8.1%。在前8天发酵周期内，过渡区(44℃)的产气速率优势更加明显，较中温区(38℃)提高71.5%，较高温区(52℃)提高12.9%。

图3 牛粪发酵产气曲线

从图4酒糟发酵产气曲线可以看出，3种温度条件下的酒糟产气高峰集中在第1～10天，其中：中温区(38℃)的单日产气高峰出现在第4天；过渡区(44℃)和高温区(52℃)的单日产气高峰均出现在第3天，第15天以后产气基本结束。3种温度条件下的产气速率对比结果是：44℃>52℃>38℃。发酵周期内，过渡区(44℃)的累积VS产气率0.466m3·kg-1VS较中温区(38℃)累积VS产气率0.431 m3·kg-1VS提高8.1%，较高温区(52℃)累积VS产气率0.452 m3·kg-1VS提高3.0%。在前8天发酵周期内，过渡区(44℃)的产气速率较中温区(38℃)提高21.2%，较高温区(52℃)提高8.7%。

图4 酒糟发酵产气曲线

从图5黄贮玉米秸秆发酵产气曲线可以看出，3种温度条件下的黄贮玉米秸秆产气高峰集中在第1～12天，其中：中温区(38℃)和过渡区(44℃)的单日产气高峰均出现在第3天；高温区(52℃)的单日产气高峰出现在第4天。第20天以后，产气基本结束。3种温度条件下的产气速率对比结果是：44℃>52℃>38℃。发酵周期内，过渡区(44℃)的累积VS产气率0.528m3·kg-1VS较中温区(38℃)累积VS产气率0.444 m3·kg-1VS提高18.8%，较高温区(52℃)累积VS产气率0.502 m3·kg-1VS提高5.1%。在前8天发酵周期内，过渡区(44℃)的产气速率较中温区(38℃)提高24.6%，较高温区(52℃)提高11.1%。

图5 黄贮秸秆发酵产气曲线

图6～图9是不同发酵周期下各处理累积产气占比，其中取各试验底物最高产气量(44℃处理)作为总产气量。从图6可以看出，餐厨浆料在38℃，44℃，52℃温度下发酵时分别于15 d，7 d，11 d时达到总产气量的80%；牛粪在38℃，44℃，52℃温度下发酵时分别于13 d，8 d，10 d时达到总产气量的80%(见图7)；酒糟在38℃，44℃，52℃温度下发酵时分别于9 d，6 d，7 d时达到总产气量的80%(见图8)；黄贮玉米秸秆在38℃，44℃，52℃温度下发酵时分别于12 d，6 d，8 d时达到总产气量的80%(见图9)。上述结果也进一步说明，过渡区(44℃)条件下的产气速率较中温区(38℃)和高温区(52℃)明显提升。

图6 餐厨浆料不同温度下累积产气占比

图7 牛粪不同温度下累积产气占比

图8 酒糟不同温度下累积产气占比

图9 黄贮秸秆不同温度下累积产气占比

表2是不同发酵时间内过渡区(44℃)较中温区(38℃)和高温区(52℃)产气量提升对比情况。从表2可以看出，前16 d发酵周期内，餐厨垃圾、牛粪、酒糟和黄贮秸秆在过渡区(44℃)条件下的产气量较中温区(38℃)分别提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%，比高温区(52℃)产气量分别提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。前8 d发酵周期内，产气速率提升更为明显，餐厨垃圾、牛粪、酒糟和黄贮秸秆在过渡区(44℃)的产气量较中温区(38℃)分别提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%，比高温区(52℃)产气量分别提升了19.0%，12.9%，8.7%和11.1%。

表2 不同发酵周期下44℃较38℃和52℃产气提升情况

2.2 原因分析

由于温度是影响微生物群落分布的关键因素，根据对表3中甲烷微生物的最适生长环境分析，从中可以看出部分中温甲烷菌和部分高温甲烷菌群适宜温度在43℃～45℃之间相互叠加，如甲酸甲烷杆菌、索式甲烷杆菌、伊式甲烷杆菌、瘤胃聚乙酸菌、甲烷嗜盐菌、甲烷叶菌、嗜热碱甲烷杆菌、热甲酸甲烷杆菌和嗜热甲烷杆菌等十几类产甲烷菌种；在过渡区(43℃～45℃)，中温菌群仍继续保持厌氧活性；最适温度区间在37℃～45℃的甲酸甲烷杆菌、索氏甲烷丝菌等中高温厌氧菌群快速增殖，使中高温菌优势充分显现，高温菌群开始繁殖增长发挥作用。在43℃～45℃温度区间，中温和高温菌可实现共存协同，反应效率叠加，使得系统发酵效率显著提高，有关该过渡区温度厌氧微生物菌群特征及分布，还需后续进一步研究(见图1)。

表3 甲烷微生物[9]生长环境

2.3 工程应用

对于上述研究成果，笔者单位自2018年开始将其用于多个大型沼气工程中进行应用验证，包括餐厨、秸秆、木薯渣等原料的沼气工程，均达到了预期效果。

常州餐厨于2018年4月份之前均采用中温38℃±0.5℃发酵，4月初计划采用过渡区(44℃)发酵温度，经过两周升温及微生物驯化调整，4月15后厌氧系统温度运行稳定在过渡区温度(43℃～45℃)之间。图11是常州餐厨工程应用及验证情况，从中可以看出采用中温区(38℃)发酵时，厌氧系统容积负荷维持在3.5～4 kgCOD·m-3d-1运行，容积产气率在1.5～1.8 m3·m-3d-1；采用过渡区温度后厌氧容积负荷提高至5.2 kgCOD·m-3d-1左右，容积产气率达到2.0～2.2 m3·m-3d-1，发酵效率提升明显；另外，杭州天子岭[10]餐厨垃圾沼气项目也采用中温36.6℃±0.7℃发酵温度，厌氧容积负荷3.5 kgCOD·m-3d-1，容积产气率1.7 m3·m-3d-1，该结果与常州餐厨采用中温发酵的结果相近，与常州餐厨采用过渡区(43℃～45℃)发酵温度相比，采用过渡区温度发酵效率提升明显。

图10 中高温过渡区(43℃～45℃)温度叠加高效发酵区域

图11 常州餐厨处理项目工程应用及验证情况(2018年2月～11月)

西安餐厨项目自2019年1月份启动调试，采用过渡区(44℃)发酵温度运行，经过长期的过渡区高效微生物驯化并实现了项目的高效率运行。图12为西安餐厨项目工程应用及验证情况，图中是2019年10～12月项目运行数据，其中厌氧厌氧罐容积负荷达到了6～8 kgCOD·m-3d-1，容积产气率达3.0 m3·m-3d-1以上。褚文玮[11]等研究表明北京某餐厨垃圾处理工程，采用高温55℃厌氧发酵，罐体容积5350 m3，实际运行2.4～3.5之间kgVS·m-3d-1，产沼气量4600～8700 m3d-1，其容积产气率最高约1.63 m3·m-3d-1，即表明西安餐厨项目采用过渡区发酵温度明显优于该高温发酵温度运行效果。

图12 西安餐厨处理项目工程应用及验证情况(2019年9月～12月)

3 结论

本文通过中温区(38℃)、过渡区(44℃)和高温区(52℃)3种发酵温度条件下的厌氧发酵产气对比试验研究以及工程应用发现：

(1)餐厨浆料、牛粪、酒糟和黄贮玉米秸秆在过渡区(44℃)条件下产气速率明显优于中温区(38℃)和高温区(52℃)。过渡区(44℃)不是传统认知里的“低速发酵区”，反而是一个“高速发酵区”。

(2)在前8 d发酵周期内，过渡区(44℃)条件下的产气量较中温区(38℃)分别提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%；比高温区(52℃)分别提升了15.6%，12.9%，8.7%和11.1%。前16 d发酵周期内，餐厨垃圾、牛粪、酒糟、黄贮秸秆在过渡区(44℃)条件下的产气量较中温区(38℃)分别提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%；比高温区(52℃)分别提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。

(3)在工程验证中，以餐厨浆料为发酵原料的西安餐厨处理项目，采用过渡区(44℃)温度区间，并经过中高温菌群驯化后，厌氧罐容积负荷达到了6～8 kgCOD·m-3d-1，装置容积产气率达3.0 m3·m-3d-1以上。