攪拌時間和頂空低壓對豬糞產甲烷速率的影響

彭朝暉， 樊戰輝， 孫家賓， 朱順熙

(成都市農林科學院， 成都 611130)

攪拌時間和頂空低壓對豬糞產甲烷速率的影響

彭朝暉， 樊戰輝， 孫家賓， 朱順熙

(成都市農林科學院， 成都 611130)

文章討論了攪拌持續時間和發酵罐頂空低壓對豬糞高溫厭氧發酵甲烷生產率的影響。結果顯示，間歇攪拌(攪拌頻率為2 h·d-1)發酵罐的產甲烷速率顯著(P<0.05)高于連續攪拌(24 h·d-1)。當水力停留時間為20 d和15 d時，間歇攪拌的發酵罐相比連續攪拌發酵罐的產甲烷速率分別高8%～17%和4%。當水力停留時間為20 d時，頂空低壓(0.9 atm)處理的發酵罐產甲烷速率比連續攪拌發酵罐高9%。但是，當水力停留時間為15天時，則沒有明顯差異，產甲烷速率僅高了4%。以上結果得出，高溫厭氧消化過程中，間歇攪拌和頂空低壓可以增加豬糞的厭氧發酵效率。

厭氧消化； 攪拌； 頂空低壓； 豬糞； 產甲烷速率

目前，大多數學者認同通過攪拌混合提高有機物有效轉化率的重要性[1]。厭氧消化反應過程中，可降解有機物的停留時間以及有機物和活性微生物之間的實際接觸在很大程度上決定了厭氧消化的效率。通常認為，攪拌是促進有機物和微生物之間良好接觸的有效和可行的手段，攪拌能以強制擴散的方式使產甲烷菌盡快獲取營養, 從而加快產氣速度[2-3]。然而，不恰當的攪拌也可以為厭氧消化過程帶來負面影響：攪拌強度過大會破壞厭氧顆粒污泥形態進而影響厭氧消化過程；攪拌器以及水流的剪切作用、固體原料與污泥顆粒以及污泥顆粒之間碰撞和摩擦作用等,會使生物膜脫落或使顆粒污泥破碎而影響其沉降性[2]。在實踐工程中，Coppinger[4]等人報道了，在牛糞厭氧消化過程中并沒有發現間歇攪拌的氣體產量比連續攪拌低，他們認為，可能是氣泡和熱交換對流提供了充分的攪拌。也可能則是連續攪拌的強度相對過大，產生正面影響的同時抵消了產生的負面影響。

Finney[5]等人認為厭氧產甲烷過程的限速步驟是產物的轉化，即相轉移，因為厭氧消化過程各階段的產物可能抑制產甲烷菌。他們認為，通過攪拌、氣相低壓以及提高發酵溫度都可以加速發酵產物在不同相間的轉移，從而提高產甲烷速率。蘇宜虎[2]等認為攪拌可能會引起壓力或反應器內局部壓力的增加，而反應器器內壓力過高或處于變壓狀態對產氣有一定的影響，并且報道了農業部沼氣科學研究所的一項研究結果：應器內壓力過高和過低時都會對厭氧消化不利。錢譯澍[6]等人在多年前對壓強與產沼氣的關系進行了研究，并且發現低壓條件下高效產沼氣的實驗結果。

有研究建議對畜禽養殖廢棄物中溫厭氧發酵在有機負荷等于或低于6 kgVS·m-3時實行間歇攪拌，在這些條件下，甲烷的容積產氣速率可達1 LCH4·L-1d-1[7]。而高效的豬糞高溫發酵則可能獲得的容積產氣率為3.12 LCH4·L-1d-1[8]。本研究的目的是確定：高溫厭氧發酵下為了維持較高的產甲烷速率是否有必要進行連續攪拌，以及頂空低壓是否會提高產甲烷速率。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗發酵原料豬糞為取自四川省崇州市某基地循環經濟示范工程。糞便直接從刮糞板上收集，收集前在刮糞板上停留時間不超過3天。實驗組1-a中豬糞取自100 kg的豬，實驗組1-b和實驗組2的豬糞取自200 kg的豬。實驗中的豬糞樣品取回后，用自來水稀釋至固體濃度為15%，然后裝入2 L的聚乙烯瓶并存儲于-20 ℃的冰箱中。樣品使用前，先過夜解凍，然后稀釋至總固體為6%～7%。

1.2 實驗裝置

圖1為實驗組1實驗中的厭氧發酵罐裝置示意圖。發酵罐為4 L高硼硅玻璃發酵罐，罐底設置有出料口，進料口位于有效體積為3 L處的罐身。攪拌軸上設置了兩個直徑為5 cm的槳葉，兩個槳葉的間距為15 cm。攪拌電機的功率為20 W，轉速達到200 rpm。發酵罐溫度(55oC±1℃)通過反應器水浴夾套進行加熱帶進行加熱控制。發酵罐放置于溫度為25oC的室內。圖2為實驗組2實驗中的厭氧發酵罐示意圖。發酵罐為4 L的抽吸瓶，有效工作體積為3 L。發酵罐被放置于室溫下搖床上，搖床旋轉頻率為200 rpm。發酵罐溫度通過加熱帶維持在55 ℃±1 ℃。

實驗中，產生的沼氣通過氣袋收集。頂空低壓發酵罐，由兩個高差為1.7 m的洗液瓶組成，一個氣壓傳感器用于測量低壓發酵罐頂空的壓力，當氣壓高于0.9 atm時，抽氣閥門打開，則處于高位洗液瓶中的液體(20%的NaCl和5%的檸檬酸)流入低處的洗液瓶，從而起到降低發酵罐中的壓力，當發酵罐頂空壓力恢復到0.9 atm時關閉閥門。發酵過程中的沼氣主要收集于高處洗液瓶中，測量時將雙向開關打開并且從低位洗液瓶將液體泵回高位洗液的過程則將沼氣轉移到氣袋中。

圖1 厭氧發酵攪拌實驗裝置示意圖

圖2 頂空低壓實驗裝置示意圖

1.3 實驗方法

實驗組1：攪拌持續時間對甲烷產率的影響(發酵溫度為55 ℃，攪拌速度為200 rpm)。實驗1-a：4個發酵罐在水力停留時間分別為20 d和10 d的條件下，設置攪拌頻率為1，2，3和24 h·d-1；實驗1-b：2個發酵罐在水力停留時間分別為20 d和15 d的條件下，設置攪拌頻率為2和24 h·d-1，所有間歇攪拌，每天只攪拌1次。

實驗組2：頂空低壓 (0.9 atm)對甲烷產率的影響(溫度的55 ℃，連續攪拌速度為200 rpm)。設置2個頂空低壓發酵罐和2個連續攪拌發酵罐，水力停留時間分別為20 d和15 d。

實驗組1實驗啟動時，向發酵罐中加入3 L的接種污泥，接種泥來自55 ℃高溫發酵罐的出料，其特性見表1。加入后，對4個發酵罐進行連續攪拌，兩天后，發酵罐按照設置的攪拌頻率(1，2，3和24 h·d-1)運行。發酵罐在每個水力停留時間下運行2個水力停留時間，在獲得穩定的產氣率后，測定出料指標。然后水力停留時間降為10 d(實驗組1-b)并且在獲得穩定產氣率前運行2個水力停留時間。

1.4 分析方法

2 結果與分析

2.1 攪拌對產甲烷速率的影響

表1列出了實驗組1中四個發酵罐在水力停留時間為20 d條件下，負荷為2.39 gVS·L-1d-1，攪拌頻率為1，2，3和24 h·d-1條件下進、出料指標結果。4個發酵罐的TS和VS濃度和去除率較為接近，說明發酵罐攪拌混合比較充分。4個發酵罐的pH值維持在7.1～7.4區間內，說明所有發酵罐運行較為穩定。另外，從表1中可以看出攪拌頻率低的發酵罐(1，2和3 h·d-1)的產甲烷速率(甲烷容積產氣率)相比于連續攪拌發酵罐的產甲烷速率在水力停留時間為20 d時要高15%～17%。與此同時，在同樣條件下，4個發酵罐運行參數不變，將水力停留時間調整為10 d時，有機負荷則提高到4.78 gVS·L-1d-1。設定較高的負荷率主要用于確定發酵罐在高負荷條件下連續攪拌是否有必要。然而，實驗過程中發酵罐因為負荷過高而運行失敗未獲得有意義的結果。

表1 發酵罐在水力停留時間為20 d條件下不同攪拌頻率的發酵罐的穩定運行數據

基于以上結果，在實驗組2中，設置兩個高溫發酵罐的攪拌頻率為2 h·d-1，另外2個設置為連續攪拌(24 h·d-1)，發酵罐的水力停留時間設置為20 d然后降為15 d。表2列出了穩定運行期間的實驗結果，從表中可以發現，當水力停留時間為20 d時，間歇攪拌發酵罐的產甲烷速率顯著(P<0.05)高于連續攪拌(24 h·d-1)發酵罐的產甲烷速率，間歇攪拌比連續攪拌發酵罐的產甲烷速率高8%。然而，當水力停留時間為15 d時，間歇攪拌和連續攪拌的出料總氮、氨氮和pH值無顯著(P<0.05)的差異。間歇攪拌發酵罐的產甲烷速率僅比連續歇攪拌(2 h·d-1)發酵罐的產甲烷速率高了不到4%。

表2 發酵罐在水力停留時間為20天條件下不同攪拌頻率的發酵罐的穩定運行數據

實驗組1實驗說明豬糞高溫消化過程中間歇攪拌比連續攪拌獲得更快的產甲烷速率。實驗結果顯示在水力停留時間為20 d時，即低負荷條件下，間歇攪拌獲得了比連續攪拌更高的產甲烷速率，間歇攪拌發酵罐的產甲烷速率相比連續攪拌發酵罐高了8%～17%。然而，當水力停留時間為15 d時，負荷相對提高的條件下，間歇攪拌發酵罐的產甲烷速率相比連續攪拌發酵罐則無明顯提高。所以豬糞高溫厭氧消化，在低負荷條件下間歇攪拌相比連續攪拌更為適用。但是，也有學者報道了相反的結果。Stroot[9]等人在攪拌對于市政垃圾厭氧消化影響的研究結果顯示：在低有機負荷(3.5～3.7 kgVS·m-3)時運行連續攪拌，在高有機負荷(9.4 kgVS·m-3)時下運行間歇攪拌比較合適，并且在有機負荷為11.2 kgVS·m-3時運行間歇攪拌獲得了2.25 L·L-1d-1左右的產甲烷速率。不過，當負荷降低到一定程度時，連續攪拌對提高發酵效率也可能不會產生明顯的促進作用[10]。以上說明，不僅是不同的負荷條件下對攪拌的反應有差異，不同的原料特性也對攪拌的效果有差異，在實驗1-a和1-b中，發酵原料來自不同發育階段的豬糞便，實驗1-a間歇攪拌比連續攪拌的產甲烷速率高14%～17%，而在實驗1-b中則只高了8%。

實驗只研究了攪拌對產甲烷速率的影響，并沒有考慮原料預處理，以及不同原料之間特性等的差異影響。攪拌頻率越高越有利于微生物對有機質的接觸，從而加速了物質的轉化，提高了甲烷的產氣速率。但是，當發酵負荷相對較高，原料為有機質含量較高，且易分解時，隨著溫度的提升將累積更高的揮發酸濃度[11]，而連續攪拌則可能進一步加速酸化過程，從而起到相反的效果。所以，攪拌在加速物質轉化的過程中，促進目標產物的產出的同時，也可能促使抑制物的積累，從而降低目標產物的產出[12]。另外，如果不完全的攪拌導致了固體的分解，則高效攪拌的產氣效率相對就降低了，從而也影響了水力停留時間和有機負荷。綜上，厭氧發酵過程最小攪拌需求還應基于原料來源、理化特性、發酵負荷等方面考慮，而非僅僅是最大產甲烷速率。

2.2 頂空低壓對產甲烷速率的影響

表3列出了在水力停留時間為20 d和15 d條件下，頂空低壓(0.9 atm)和連續攪拌發酵罐穩定運行的數據。當水力停留時間為20 d時，頂空低壓發酵罐和連續攪拌發酵罐的TS，VS，COD，TN，甲烷含量和產甲烷潛力具有顯著的(P<0.05)差異性，頂空低壓發酵罐的產甲烷速率比連續攪拌發酵罐高9%。而當水力停留時間為15 d時，頂空低壓發酵罐和連續攪拌發酵罐的COD，氨氮,pH值,產甲烷速率以及甲烷原料產氣率則沒有顯著差異(P<0.05)。與此同時，水力停留時間為15 d時，頂空低壓發酵罐的產甲烷速率比連續攪拌發酵罐僅高了4%。

頂空低壓(0.9 atm)處理相比于普通連續攪拌發酵罐系統，在水力停留時間為 20 d的條件下，其產甲烷速率雖然只提高了9%，但也說明在此負荷條件下，頂空低壓將發酵產物的及時轉移對提高發酵效率的效果起到了一定的作用。而在水力停留時間為15 d的條件下，即相對負荷提高的條件下，其產甲烷速率僅提高了4%，說明在高負荷條件下，低壓處理對提高發酵效率的作用并不明顯。頂空低壓處理主要是將發酵過程中的NH3-N和非離子化的VFA通過低壓快速從發酵產物中轉移，從而減少累積對微生物產生抑制作用。有研究報道，通過其他參數控制，理論上在pH為4時，1%的NH3-N和75%的乙酸可以被轉移，而在pH值為10時93%的氨氮和1%的乙酸可以被轉移[13]。所以，如果壓力進一步的降低，對促進發酵效率是可能進一步提高的，只是在筆者研究實驗中的低壓僅僅為其他研究中使用的低壓的10%[14]。并且，在實際工程中，過低的壓力不僅提高了投資成本還會帶來更多的運行問題。

表3 發酵罐在水力停留時間為20 d和15 d條件下頂空低壓和連續攪拌發酵罐的穩定運行數據

3 結論

適當攪拌對于提高厭氧過程產甲烷速率具有一定的積極作用，工程實踐中應用間歇攪拌是合適的，在最小化能量輸入和投資的情況下可獲得較高的產甲烷速率，相比連續攪拌，間歇攪拌條件下的產甲烷速率可提高4%～18%。工程中對最小攪拌需求的選擇除了最大產甲烷速率外，還要考慮不同原料的理化特性、預處理以及發酵罐運行參數。發酵罐頂空低壓促進了厭氧過程產物相轉移，一定程度上可以提高產甲烷速率4%～9%，但要在工程上應用還需更多的研究。

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EffectofStirringDurationandDigesterLowHeadspacePressureonMethaneProductionRateofSwineManure

PENGZhao-hui,FANZhan-hui,SUNJia-bin,ZHUShun-xi

(ChengduAcademyofAgricultureandForestrySciences,Chengdu611130,China)

In this paper, the effects of stirring and digester low headspace pressure on methane production rates were investigated for swine manure anaerobic digestion under thermophilic condition.The results showed that intermittently stirred(2 h·d-1) digester have a significantly higher methane production rates than continuously stirred (24 h·d-1)digester (P < 0.05).Under hydraulic retention time(HRT)of 20 d and 15 d, the methane production rates of intermittently stirred digesters were 8%～17% and 4% higher than the continuously stirred digesters, respectively.For the low headspace pressure digester(0.9atm), the methane production rate was 9% higher than continuously stirred digester under HRT of 20 d, while there was no significant difference under HRT of 15 d, and the methane production rate obtained from low headspace pressure digester was only 4% higher than the continuously stirred digester.These results demonstrated that the intermittent stirring and low headspace pressure could increase the thermophilic digestion efficiency of swine manure.

anaerobic digestion; stir; low headspace pressure; swine manure; methane production rate

2017-06-19

2017-09-20

項目來源： 農業工程集成創新技術研究與示范項目(2016-XT00-00007-NC)

彭朝暉(1967-)，男,大學本科，研究方向為農村資源與環境,E-mail: 416021727@qq.com

樊戰輝，E-mail: van4226@163.com

S216.4; X705

B

1000-1166(2017)06-0050-06