沼液回流对牛粪和玉米秸中高温联合厌氧消化性能影响研究

冉文娟，袁海荣，张 良，李秀金

（北京化工大学 北京高校环境污染控制与资源化工程研究中心，北京 100029）

0 引言

依据《中国统计年鉴（2020）》[1]数据可知，2019年全国玉米秸产量约为3.49亿t，牛粪总量达到了34.04亿t，且近十年来牛粪和玉米秸的产量整体均呈现上升趋势。玉米秸中含有丰富的碳、氮、磷、钾等多种元素以及粗脂肪和粗蛋白等营养物质，而牛粪中含有丰富的矿物质元素以及有机质、粗蛋白、粗脂肪和无氮浸出物等营养物质，将两者进行混合厌氧消化时，可以平衡碳氮比[2]，有效提升产气量，缓解目前的能源危机，同时减少对环境的污染。但是，这些有机固体废弃物经过厌氧消化后会产生大量的沼渣、沼液，沼渣经过适当地处理可以用作农肥，沼液中虽然含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，但是氨氮、有机物浓度较高，不能直接用于农田灌溉，排放到环境中存在严重的安全隐患，对沼气工程的推广和应用产生很大的阻碍[3]。

牛粪和玉米秸中含有大量的木质纤维素，厌氧消化时需要加水进行调节，可用沼液代替水，沼液中含有的丰富营养物质和厌氧消化微生物，回流到反应系统中可以有效促进有机质的降解。王欣[4]评估了35℃时25%，50%，75%和100%沼液回流比对玉米秸秆厌氧发酵产气效果的影响，结果表明，75%沼液回流比能使日产气量高峰期提前，日产气量增加，其最大值可达1 275 mL。邓玉营[5]在中温35℃条件下以混合秸秆为原料，当进料浓度为4 g/（L·d），沼液回流比为50%时，甲烷平均产率达到了768 mL/（L·d）；但是当进料浓度升高到6 g/（L·d）时，VFA积累明显，丙酸质量浓度高达6.54 g/L，并且出现丁酸的积累，该阶段氨氮质量浓度明显升高，达到了632.51 mg/L。可见，通过沼液回流加强沼气生产是比较可行的技术[6]。关于沼液回流试验的研究主要集中在中温条件下，在42±2℃[7]时，厌氧消化效果最好，德国的大部分沼气工程都是在中高温条件下进行，取得了很好的经济效益和生态效益。

本试验在中高温（42±2℃）条件下，研究沼液回流比对牛粪和玉米秸联合厌氧消化性能的影响，不仅提高了反应器内营养物质的含量，同时减少了沼液的大量排放造成的环境污染，以期为沼气的工程化应用提供理论基础和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本文选用牛粪和玉米秸作为联合厌氧消化的底物。接种物取自北京顺义地区的中温沼气站，取回的接种物在静置数日后倒去上清液，将沉淀物放入4℃冰箱备用。玉米秸取自北京延庆，自然风干后长度剪成3～4 cm，再用20目筛网粉碎机粉碎备用。牛粪取自北京顺义，搅拌均匀将其用自封袋分装后放入-20℃冰箱冷冻备用。试验所用沼液为牛粪与玉米秸在42±2℃[6]条件下序批式厌氧发酵出料经10目筛网过滤所得。各试验原料的基本性质见表1。

表1 原料和接种物基本性质Table 1 Characteristics of substrates and inoculum

1.2 试验装置

序批式试验装置如图1所示，由全混合式反应器（Completely Stirred Tank Reactor，CSTR）、恒温水箱（42±2℃）和流量计组成。CSTR总体积为10 L，有效反应容积为8 L，并带有三层斜叶式搅拌桨。通过恒温水箱中的水泵对反应器进行循环加热，同时控制搅拌转速为80 r/min，每隔2 h搅拌10 min。试验过程中产生的沼气通过乳胶管导入肺活流量计收集，直接读数并记录日产气量。

图1 厌氧消化试验装置Fig.1 The experimental device of anaerobic digestion

1.3 试验方法

1.3.1 玉米秸预处理

在进料前使用氢氧化钾（纯度为含量不少于82%）对玉米秸进行常温下预处理3 d，质量关系为玉米秸总固体含量（Total Solid，TS）∶氢氧化钾∶水=10∶0.4∶60。为了保持最佳碳氮比（C/N=20～30），将预处理后的玉米秸和牛粪按照TS玉米秸∶TS牛粪=1∶1混合作为联合厌氧消化的底物。

1.3.2 厌氧消化试验

试验采用4个CSTR，对应的沼液回流比分别为0%，50%，75%和100%[回流比计算式见式（1）]。4个CSTR均按相应原料配比、进料浓度为100 g/L（以单位质量的TS计）、接种物浓度[以混合悬浮固体 （Mixed Liquid Suspended Solid，MLSS）计]为25 g/L进行启动，当日产气量小于最大日产气量的1%时，开始进出料。进出料期间，在进料浓度为100 g/L时，根据相应的碳氮混合比对原料投加量进行计算，将预处理好的牛粪和玉米秸混合料加回流沼液混匀到相应体积后投入系统，同时在出料口出等量的料液，每天给系统加适量水以弥补水分蒸发损失。序批式反应器厌氧消化的温度为42±2℃，水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）为40 d。当在100 g/L进料浓度条件下进出料天数大于1个HRT且系统日产气量保持稳定时，将进料浓度提升到120 g/L，在相同的沼液回流条件下进行厌氧消化试验。

式中：s为沼液回流比，%；V1为自来水添加量，mL；V2为序批式厌氧消化出料经10目筛网过滤所得的沼液，mL。

1.4 测试内容

本试验采用的进料频率为1次/d，每天进出料前记录产气量并且测定气体中的甲烷含量。产气量采用肺活流量计测定，并通过理想状态方程（pV=nRT）换算为标准状况下的体积；气体成分（H2，N2，CH4和CO2）采用SP-2100A型气相色谱仪测定。在系统稳定期间测定出料液的TS，VS含量、氨氮含量、碱度、pH、挥发性脂肪酸（VFAs）浓度，为了保证测试结果的准确性，均在取样1 h内进行测定。TS和VS含量采用重量法测定；pH采用pH计（Thermo-868，USA）测定；氨氮浓度采用多参数浓度测定仪（HI83206，意大利HANNA公司）测定；碱度采用酸滴定法测定；VFAs浓度由气相色谱仪（GC-2014，日本岛津公司）测定。本试验所涉及到的样品均设置三平行，最后取平均值。

2 结果与讨论

2.1 产气性能

2.1.1 日产气量

厌氧消化期间，不同沼液回流比对牛粪和玉米秸联合厌氧发酵的日产气量变化趋势如图2所示。在进料浓度为100 g/L，沼液回流比分别为0%，50%，75%和100%时的日产气量分别为6.06，7.13，7.20 L/d和8.11 L/d，回流组产气量比对照组分别提高17.7%，18.8%和33.8%。沼液回流比为100%的厌氧消化反应器产气性能最好，这是由于在较低进料浓度条件下每天进料中可以加入较多的沼液，刚开始反应器内沼液的积累量较少，产生的氨氮不足以对微生物产生抑制作用，而沼液中未完全消化的物料会进一步被利用产生沼气，同时沼液中的微生物可以丰富系统里的微生物群落结构。

图2 不同沼液回流比条件下日产气量Fig.2 Daily biogas production of different digestate liquid recirculation ratio

当进料浓度为120 g/L时，沼液回流比分别为0%，50%，75%和100%的日产气量分别为7.55，8.87，8.79 L/d和9.06 L/d，回流组产气量比对照组分别提高17.5%，16.4%和20.0%，沼液回流比为100%的厌氧消化反应器产气性能最好。3个不同沼液回流试验组产气量差别不大的主要原因是随着负荷的提升，每天进料中加入沼液的量逐渐减少，即额外添加到系统中的有机物质和微生物的含量并不是很多。综上可知，沼液回流可以明显地提高产气量，这对工业中沼液的回收利用具有很大的意义。

2.1.2 甲烷产率

沼气中主要有效成分是甲烷，因此考察稳定期间甲烷的产率有很大的指导意义。CSTR稳定运行期间的甲烷含量如图3所示，不同沼液回流比条件下各个系统的甲烷含量相差不大，其均值为54%～55%。主要原因是沼液回流厌氧发酵试验进料频率为1次/d，玉米秸秆经过氢氧化钾3 d预处理后会产生相对较多的小分子有机酸，这些有机酸在加入到反应器中会被系统中的产甲烷菌优先利用，进而产生甲烷。本研究与吴树彪[8]的研究结果相似。

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图3 不同沼液回流比条件下甲烷含量Fig.3 Methane content of different digestate liquid recirculation ratio

CSTR反应器稳定运行期间的产甲烷情况如表2所示。以TS产甲烷率为例，在沼液回流比为0%，50%和75%条件下，进料浓度为100 g/L和120 g/L时，TS产甲烷率分别为165.8，172.9 mL/（g·d）；197.3，202.8 mL/（g·d）；196.7，202.1 mL/（g·d），说明进料浓度的提升对TS产甲烷率没有明显的促进作用。而当沼液回流比为100%时，TS产甲烷率随着进料浓度的提升有轻微的下降趋势，进料浓度的提升阻碍了微生物和有机质之间的传质过程，降低了厌氧消化系统的产气性能。在进料浓度为100 g/L和120 g/L时，沼液回流比为100%的反应器TS产甲烷率最高，分别为224.1 mL/（g·d）和207.5 mL/（g·d）。

表2 CSTR稳定运行期间的产甲烷情况Table 2 Methane production at stable condition

同理，当进料浓度为100 g/L和120 g/L时，沼液回流比为100%的VS产甲烷率最高，分别为276.0 mL/（g·d）和255.6 mL/（g·d），比对照组分别提高了33.4%和20.1%，极大地提高了物质转化率。主要原因：①随着厌氧消化反应时间的延长，回流沼液不断积累导致系统氨氮浓度的增加[9]；②随着进料浓度的提高，沼液回流量逐渐减少，对产气量的影响越来越小；③在较高进料浓度条件下，厌氧消化反应器内浓度升高，粘度增加，阻碍微生物和物料之间的传质过程。杜静[10]在进料浓度对秸秆沼气产率影响的试验中发现，随着进料浓度的提高，各种有毒物质的积累是抑制产气量的主要原因。

2.2 系统稳定性

厌氧消化是一个复杂的生化反应过程，序批式厌氧消化反应器长期运行的稳定性能会受到多种因素的影响。一般来说，氨氮过高、VFAs积累、碱度过低和pH过低都会影响产甲烷菌的正常生命活动，进而影响产气量。因此，为了维持厌氧微生物的正常生长繁殖，需要定期检测系统中的pH、氨氮、碱度和VFAs等参数，以此来判断其稳定性能。

2.2.1 pH值

pH值是判断系统稳定性的关键性因素，产甲烷菌对系统pH值的变化十分敏感，过高或过低均会影响微生物的正常生命活动。研究表明，厌氧发酵系统最佳pH值为6.5～8.0[11]，酸化阶段产酸菌能适应的pH值为5.0～8.0，甲烷化阶段产甲烷菌能适应的pH值为6.2～7.8。

不同进料浓度时各个系统稳定条件下的pH值变化情况如图4所示，整个反应阶段都处于适宜的pH值范围内，这对于整个厌氧消化系统的平稳运行是有利的。由图可知，对照组反应系统pH值最低，50%沼液回流比次之，75%和100%沼液回流比的系统最高。主要原因是随着沼液回流比的增加，系统中累积的氨氮和氢氧化物类物质增加，系统偏碱性，pH值偏高。当厌氧消化进行到40 d时，随着进料浓度的提升，4个不同沼液回流比的系统pH值均有稍微的上升趋势，主要原因是投加物料的增加使系统氨氮和碱度增加，并没有发生VFAs的积累；随着进料浓度的进一步提升，在第80天时4个系统的pH值有稍微的下降，但仍然在正常范围之内，原因可能是丙酸和丁酸的积累，这与邓玉营[5]的研究结果一致。

图4 不同沼液回流比条件下pH值变化Fig.4 pH change of different digestate liquid recirculation ratio

2.2.2 氨氮浓度

不同有机负荷稳定条件下，各个系统的氨氮变化情况如图5所示。不同的沼液回流比会对系统氨氮浓度产生不同的影响，沼液回流比越高，流入到系统的氨氮含量越高。在整个厌氧消化过程中氨氮浓度变化比较平稳，处于400～900 mg/L，没有处于最优的范围内，这是由于沼液的长期回流会导致氨氮的积累，而牛粪和玉米秸混合发酵液中本身含氮量就不会很高，因此不会造成氨氮的抑制。各个系统氨氮浓度的大小关系为100%沼液回流系统＞75%沼液回流系统＞50%沼液回流系统＞0%沼液回流系统，这和沼液回流量呈现相应的关系。

图5 不同沼液回流比条件下氨氮浓度变化Fig.5 Ammonia concentration change of different digestate liquid recirculation ratio

2.2.3 TVFAs/TAC的变化

TAC是指厌氧消化过程中产生的碳酸盐、碳酸氢盐和氢氧化物等物质，主要作用是中和反应过程中产生的大量的挥发性脂肪酸，调节系统的pH值，维持系统的稳定性。研究表明，当系统的碱度处于6 000 mg/L以下时会对系统产生抑制作用[13]。TVFAs指的是系统中产生的乙醇以及大量挥发性脂肪酸，TVFAs过高会导致系统的酸化，当系统的TVFAs浓度超过13 000 mg/L时，产甲烷菌的活性会受到明显的抑制[13]。因此，TVFAs/TAC是系统稳定性最直观的表征参数之一。当TVFAs/TAC＜0.4时，系统处于稳定状态；当0.4＜TVFAs/TAC＜0.8时，系统仍有自我调节能力，可正常运行；当TVFAs/TAC＞0.8时，系统出现严重酸化现象，自身缓冲能力已不足，处于不稳定状态[14]。

不同进料浓度条件下，各个系统的TVFAs/TAC变化情况如图6所示。由图可知：在厌氧消化的初期阶段，TVFAs/TAC并没有发生很大的变化；在第32天左右各个系统的TVFAs/TAC升高到了0.36，0.31，0.38和0.36，属于可调节范围；随着反应的进行，TVFAs的浓度逐渐降低，一直处于较低水平，这与前文产气量和甲烷含量一直处于稳定状态相一致。

图6 不同沼液回流比条件下TVFAs/TAC变化Fig.6 TVFAs/TAC change of different digestate liquid recirculation ratio

综上所述，在进料浓度为100 g/L和120 g/L，不同沼液回流比条件下，系统一直均处于稳定状态，随着进料浓度的提升和沼液回流量的增加，系统pH值和氨氮含量均有稍微的上升趋势。在厌氧消化过程中，进料牛粪和回流沼液中的含氮有机物之间发生了氨化作用，将有机氮降解转化为氨氮，沼液回流比越大或者进料浓度过高、过低，都可能发生氨氮抑制现象。因此，在实际工程中要选择合适的参数进行应用。

2.3 TS，VS去除率

TS，VS去除率是系统有机废弃物厌氧发酵减量化的重要体现，是衡量有机物产沼气情况的重要参数之一[15]。不同沼液回流比条件下各系统反应器中稳定期出料的TS，VS及去除率见表3。当进料浓度为100 g/L时，4个反应器的TS，VS去除率依次是33.7%，33.3%，38.7%，44.7%和41.0%，44.2%，44.1%，51.2%。可见，沼液回流比为100%时反应器的物质去除率最高，TS，VS去除率比对照组提高了11个百分点左右；而沼液回流比为50%和75%的反应器VS去除率相近，这与其日产气量（分别为7.1 L/d和7.2 L/d）情况一致。当进料浓度为120 g/L时，4个反应器的TS，VS去除率分别是36.3%，34.6%，36.5%，39.5%和47.1%，45.9%，47.4%，48.7%，沼液回流比为100%时物质去除率最高。综上，随着进料浓度的提升，各个系统物质转化率之间的差别减小，其主要原因是沼液的回流量与进料浓度的增加成反比，沼液对产气量没有明显的促进作用。

表3 TS和VS及其去除率Table 3 The content and removal rate of TS and VS

3 结论

①进料浓度为100 g/L，沼液回流比为50%，75%和100%时的容积产甲烷率分别为0.49，0.49 L/（L·d）和0.56 L/（L·d），TS产甲烷率分别为197.3，196.7 mL/（g·d）和224.1 mL/（g·d），比对照组分别提高了17.5%，16.4%和20.0%，因此，回流比为100%时产气效果最好。

②4个沼液回流系统的TS和VS去除率分别为33.7%，33.3%，38.7%，44.7%和41.0%，44.2%，44.1%，51.2%，100%沼液回流系统的物质去除率最高，TS和VS去除率比对照组提高了11个百分点左右；

③在整个厌氧发酵过程中，系统pH值、氨氮浓度和TVFAs/TAC变化均处于正常范围内，系统稳定运行。