利用CCD優化C/N和pH對污泥厭氧發酵產沼氣的影響

張超君　潘建剛　張艾艾　蔣海明　季祥　蔡祿

摘要：采用響應面中心組合設計，研究了pH和C/N對污泥厭氧發酵產沼氣的影響，并利用回歸方程對其產氣量進行模擬。結果表明， 當pH 6.50～8.00時，C/N 20～30之間變化時，產氣量隨之發生明顯變化，當pH 7.25和C/N 25時，污泥單位產氣量最高；以pH為因素A，C/N為因素B，單位產氣量為響應值R1，進行響應面分析，建立模型得到二次系數方程，根據方程預測，當pH 7.09和C/N 25時，其理論最高產氣量可達345 mL/g，而實際驗證試驗的產氣量結果為（348±6） mL/g，與預測值相差僅0.8%，可見該方法確定的最佳條件合理，可以很好地用于污泥厭氧發酵條件的優化。

關鍵詞：中心組合設計；厭氧發酵；pH；C/N；產氣量

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1422-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.015

污泥是一種成分復雜，含有大量病原微生物和寄生蟲卵的極易腐化的膠體物質，如不進行正確的處理將對環境造成嚴重的二次污染[1，2]。因此，對于污泥的處理已經成為了環境治理的新難題。當前污泥處理多采用焚燒、填海和厭氧發酵等方法，相比之下，厭氧發酵法能耗低，穩定性高，病原微生物和寄生蟲卵在發酵過程中近乎除去，同時還可以產生清潔能源沼氣，更符合當今社會對環境與能源的需求[3]。然而厭氧發酵受溫度、pH、C/N、金屬離子、TS等多種因素的影響[4-10]，尤其是pH和C/N對厭氧發酵的影響最為直接，眾多研究表明，適合的C/N與初始pH對厭氧發酵產氣量有很大的影響，在一定程度上決定著厭氧發酵產氣量的高低[11-14]。然而目前關于利用CCD研究pH和C/N對污泥厭氧發酵的影響尚鮮有報道。

CCD（Central Composite Design），即中心組合設計，多用于在已知范圍內的條件優化，它可以連續地對研究條件的各個水平進行分析，并通過數學模型進行理論預測，目前已廣泛應用于各個領域的條件優化，如物質提取和牛糞厭氧發酵等[15-17]，基于此，本試驗利用CCD研究初始pH和C/N對污泥厭氧發酵產沼氣的影響，以期為污泥厭氧發酵效率的提高提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用污泥均取自內蒙古包頭市北郊污水處理廠，污泥取回后保存于4 ℃的冰箱中待用，使用前置于35 ℃培養箱中活化24 h。試驗藥品包括葡萄糖，尿素，試劑均為分析純，鹽酸0.1 mol/L，NaOH 0.1 mol/L溶液。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置 本試驗采用實驗室制作的小型簡易厭氧發酵裝置，由發酵瓶、集氣瓶和集水瓶組成，為了方便觀察瓶內情況和防止漏氣，整個裝置均選用玻璃磨口錐形瓶作為容器；發酵瓶瓶口用雙孔橡膠塞密封，設為取樣口和排氣口，排氣口通過玻璃管和橡膠管與集氣瓶相連，集氣瓶通過排水集氣法收集氣體，排出的水進入集水瓶中。發酵過程中將發酵瓶置于恒溫水浴裝置（常州人和恒溫水浴鍋）內維持溫度，裝置圖如圖1。

1.2.2 測定方法 本試驗主要測定指標有：①TS（總固體含量），取一定量污泥（質量為M1），放入烘箱（105±1） ℃烘至恒重后測定質量（M2），TS=■×100%；②VS（揮發性固體含量），（105±1） ℃烘至恒重的污泥用馬弗爐600 ℃灼燒2 h，測定質量（M3），VS=■×100%；③pH，使用pH計（柯迪達CT-6023型pH計）測量，總碳的測量采用重鉻酸鉀容量法[18]，總氮采用堿性過硫酸鉀法[19]，氣體體積通過排水法測定。

1.2.3 試驗設計 本試驗以剩余污泥為原料進行厭氧發酵，發酵溫度（35±1） ℃，每罐中添加污泥200 g，調節TS=8%， pH 6.50～8.00，C/N 20～30之間變化，試驗中C/N與pH的組合均由Design-expert.V8.0.6.1軟件設計完成，詳見表2。使用葡萄糖和尿素（均為分析純）調節C/N比，由于試驗組設立兩組平行，發酵周期30 d。

2 結果與分析

2.1 pH和C/N對產氣量的影響

經過30 d的厭氧發酵，試驗各組單位產氣量見表2。由表2可知，當C/N為17.93～32.07時，pH 6.19～8.31之間時，污泥厭氧發酵均能正常產氣。1～5號試驗組初始條件完全相同互為平行試驗，試驗結果為（338±6） mL/g，1～7號試驗組的初始pH相同均為7.25，分析可知，當初始pH 7.25時，C/N為25.00的試驗組單位產氣量最高。其次是C/N為17.93的試驗組，C/N為32.07的試驗組單位產氣量最低；8號和10號C/N均為30.00，初始pH分別是8.0和6.5，9號和11號的C/N均為20，初始pH分別是8.0和6.5，由此分析可知，C/N為30或者20時，初始pH 6.5的試驗組單位產氣量大。試驗組1～5、11、13的C/N相同均為25，初始pH分別是7.25、6.19和8.31，分析發現當C/N均為25時，初始pH為7.25的試驗組單位產氣量最大。

2.2 產氣量模型的建立

設pH為因子A，C/N為因子B，以單位產氣量為響應值R1，將表2的試驗數據輸入Design-expert.V8.0.6.1軟件，對試驗結果進行回歸分析，去除沒有顯著影響的B、AB因子，得到以下回歸方程：R1=-2 118.31+695.156 89A-49.236 90A2-0.033 365B2，以及3D響應面圖2。由圖2可以直觀看出，因子A和因子B與單位產氣量R1的關系，圖2中最高點表示最高產氣量，出現在pH 6.8～7.4，C/N為 24～26的條件下，存在于試驗所設范圍內，試驗選取的范圍無誤。模型P<0.000 1對于試驗呈現極顯著相關，表明模型選擇正確可以用于試驗預測，方程失擬項P為0.640 9>0.050 0不顯著，模型擬合正常且不失擬，表明試驗設計中不存在缺少變量因子的情況。由表3分析可知，R2表示從試驗樣本中得到的調整R2表示擬合度，該方程的擬合度為0.902 7>0.900 0，表明該方程的樣本擬合度較高；Adj R2為校正擬合度，Pre R2為預測R2表示預測擬合度，當Adj R2-Squared與Pre R-squared相差較小時，說明兩者存在于合理的協議中，正如表3中Adj R2與Pre R2分別為0.870 2與0.775 3兩者存在于合理的協議中，Adeq prec表示噪聲率，當該值大于4的時候表示模型結果令人滿意可以用于預測，本試驗Adeq prec=10.504>4說明該模型可以用于本試驗的預測。模型P<0.000 1表明回歸方程達到極顯著，說明該模型擬合程度較好，試驗誤差小，可以用于研究pH和C/N對污泥厭氧發酵單位產氣量的影響，并進行分析和預測。

2.3 模型符合性分析和驗證

將二次系數方程所得的預測值和試驗實際值進行比較，結果見表4，由表4數據可知，方程的預測值均在實際試驗值范圍內，說明該方程的符合性較高，可以用于該試驗的預測和分析。根據此方程預測，當 pH 7.09，C/N為25時，有最大單位產氣量345 mL/g。為了驗證方程預測結果，又進行了驗證試驗，取200 g污泥調節至pH 7.09，C/N為25，TS 8%，溫度維持在（35±1） ℃，進行厭氧發酵，設立3組平行，經過30 d厭氧發酵之后得到結果為（348±6） mL/g，與預測值345 mL/g相差不大，證明試驗結果與模型預測基本相符。該試驗結果與趙洪等[20]所研究的pH對厭氧發酵產氣量的影響，以及李玉春等[13]進行的C/N對稻稈厭氧發酵產氣量影響的研究結果基本相同。

3 小結

當pH 6.50～8.00，C/N在20～30之間變化時，產氣量隨之發生明顯變化，在pH 7.25和C/N 25時，污泥單位產氣量達到最高值（338±6） mL/g。

建立二次系數方程理論模型：R1=-2 118.31+695.156 89A2-0.033 365B2，根據該模型預測當pH 7.09，C/N 25時，產氣量達最大值，且經過試驗驗證，證明該模型可很好地用于pH和C/N對污泥厭氧發酵產氣量影響的條件優化。

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