進料濃度對雞糞長期高溫甲烷發酵的影響

喬 瑋,畢少杰,熊林鵬 ,任征然,董仁杰* (1.中國農業大學工學院,北京 100083；2.國家能源生物燃氣高效制備及綜合利用技術研發實驗中心(中國農業大學),北京 100083；3.中國農業大學煙臺研究院,山東 煙臺 264670)

隨著我國經濟發展和人民生活水平的提高,規模化畜禽養殖業快速發展[1].據統計,2010年我國雞糞產生量高達2.5億t[2].雞糞富含有機質,易降解,產甲烷潛力高達296～377mL/g VS[3],采用甲烷發酵處理雞糞具有回收能源和保護環境的雙重意義,受到普遍歡迎[4].

雞糞中存在大量致病菌,如 Salmonella,Campylobacter jejuni和Listeria monocytogenes等[5].與中溫厭氧發酵相比,高溫發酵滅殺病原菌的效率更高[6].研究發現高溫發酵處理牛糞,市政污泥和餐廚垃圾獲得的甲烷產量也較中溫條件下高[7-8].但是高溫發酵對pH值,氨氮,揮發性脂肪酸(VFAs)和其他有毒物質的變化更加敏感[9].

雞糞的含氮量約為5.0%(基于干重,下同)[10],遠超過牛糞的2.3%,豬糞的4.2%和餐廚垃圾3.6%[11].雞糞含氮量高,易降解為氨氮,甲烷發酵過程經常面臨著氨抑制問題.雖然適量的氨氮可促進微生物的生長,但是當氨氮濃度超過一定范圍,將對微生物的代謝產生抑制.目前,普遍認為氨氮抑制甲烷發酵的下限濃度為 3.0～4.0g/L[12].但也有研究發現氨氮達到 2.5g/L,豬糞高溫甲烷發酵就受到抑制[13].有研究表明,1.7g/L的氨氮濃度也會抑制牛糞甲烷發酵的進行[14].

厭氧微生物經過長時間的高濃度氨氮條件馴化后,其耐受氨氮的能力將得到增強[15].研究發現,經過70d馴化,脫水污泥甲烷發酵能夠在 5.0～6.0g/L的氨氮濃度下進行[16].目前關于長期馴化對單獨雞糞高溫甲烷發酵影響的研究較少[12].不同進料濃度對雞糞長期甲烷發酵的影響需要進一步研究.尤其是隨著進料濃度的增加,氨氮濃度是否會等比例的增加還不清楚.為此,本研究開展高溫條件下雞糞連續發酵的長期實驗,通過梯度提高進料濃度,探索不同進料濃度下的發酵特性,考察工藝的穩定性.

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理方法

雞糞取自中國農業大學西校區蛋雞養殖基地,取回后放置于 4℃冷藏室中保存.使用之前,用自來水將雞糞稀釋至總固體濃度(TS) 5.0%,7.5%和 10.0%.接種污泥為北京密云石匣村秸稈高溫沼氣工程的出料,該沼氣工程常年連續運行,運行溫度為 50～60℃.雞糞和接種污泥的性質見表1.

表1 雞糞和接種污泥的性質Table 1 Characteristics of chicken manure and inoculum

1.2 連續發酵試驗設計

在高溫(55±1)℃條件下,采用 1個連續攪拌反應器(CSTR)進行雞糞連續發酵試驗,試驗裝置如圖1所示.反應器總體積為15L,有效體積為12L.反應器設有水浴夾層,利用水浴(HX-15,北京)在夾層內循環流動加熱,維持(55±1)℃的恒定溫度.基質罐體積為 8.0L,溫度控制在(4±1)℃.反應器采用連續機械攪拌(USM540-402W2,日本),轉速設置為 50～90r/min.水力停留時間(HRT)為 20d,通過梯度提高進料濃度增加有機負荷(OLR),進料TS為5.0%,7.5%和10.0%,對應的OLR為2.5,3.8,5.0g TS/(L·d).每個階段的運行時間分別為93,87和87d,均超過4個HRT,經過2個HRT之后的數據用來計算系統的效率,見圖3的陰影部分.采用蠕動泵(BT100N,保定)自動進出料,通過定時器(DJ-B14M,深圳)控制每天 4次進料,每次進料量為150.0mL.每天測定產氣量,pH 值和沼氣成分,每 4天測定VFAs,堿度和氨氮.

圖1 試驗裝置Fig.1 Scheme of experimental device

1.3 污泥比產甲烷活性測試

以乙酸鈉為基質,采用批次試驗進行污泥比產甲烷活性(SMA)測試.取雞糞連續發酵試驗穩定運行階段(第75,160和240d)的出料,去除溶解性成分并恢復活性后用作接種污泥,具體方法見參考文獻[17].接種污泥的 VSS濃度分別為 10.0,24.0,和52.0g VSS/L.

批次試驗流程見圖2.試驗共3批,每批6組,每組3個重復.取120.0mL血清瓶,加入接種污泥 10.0mL,添加乙酸鈉和營養液至 100.0mL,分別形成終濃度為0,1.0,2.0,4.0,6.0,10.0,15.0g-COD/L的乙酸鈉溶液.采用NH4Cl調節氨氮濃度為2.5,5.5和7.0g/L,使血清瓶中的氨氮濃度與反應器運行階段的相同.向血清瓶中沖入氮氣 2min,形成厭氧環境.水浴(HH-60,常州)保持(55±1)℃恒溫,每天手動震蕩 3次混合料液.發酵過程中測定產氣量和沼氣成分.SMA的計算采用Wandera等[18]研究中的方法,計算公式如下:

式中:V(CH4)為累積產甲烷量,mL;VR為血清瓶中添加的污泥量,L;f為化學需氧量(COD)與甲烷產量的轉化系數,350.0mL/g-COD;VSS是所用污泥的懸浮性揮發固體含量,g-VSS/L;t為時間,d.

圖2 污泥比產甲烷活性試驗流程Fig.2 Procedure of SMA test

1.4 分析方法

1.4.1 化學分析方法 TS,VS,SS和VSS采用重量法測定[19].其中,SS和 VSS的具體測定方法是稱取約 30.0g雞糞置入三角瓶中,加入蒸餾水 150.0mL,加蓋密封后,于室溫下手動連續振蕩 30min,棄去上清液(分離溶解性固體),再用烘干法測定.采用Orion 5-Star pH計直接測定出料pH值,原料雞糞經浸提后測定浸提液的pH值.測定過程為:稱取10.0g雞糞置入三角瓶中,加入去除二氧化碳的蒸餾水25.0mL,加蓋密封,于室溫下連續振蕩 30min,靜置 30min后測上層清液的pH值.雞糞中的碳,氫,氧,硫和氮的元素質量百分含量采用Vario Macro型元素分析儀測定.氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定.碳酸氫鹽堿度用鹽酸滴定法測定.發酵出料經九陽豆漿機(JYLC012,杭州)勻漿 1.0～2.0min,用蒸餾水稀釋,采用重鉻酸鉀法測定COD.沼氣成分由GC-8A氣相色譜儀測定,色譜柱為Φ10m×2mm不銹鋼色譜柱.甲烷檢測條件:氫氣分壓為 0.6MPa,流速為 30mL/min,進樣口,柱溫及檢測器(TCD)溫度分別為 120,50和120℃,進樣量為 0.5mL.VFAs用GC-2010Plus氣相色譜測定,色譜柱為RTX-WAX毛細色譜柱,載氣為氮氣,分壓為 0.4MPa,流速為 40.0mL/min,分流比為30.進樣器和檢測器(FID)溫度分別為 230和 250℃,進樣體積為20.0uL.1g乙酸,丙酸,丁酸(異丁酸),戊酸(異戊酸)和己酸分別折算為 1.07,1.51,1.63,2.04,2.25g COD.

1.4.2 統計分析方法 發酵過程中 VFAs,堿度,氨氮和產氣率等以SPASS 20.0軟件進行單因素方差分析(P＜0.05).

2 結果與討論

2.1 雞糞高溫連續發酵的產氣性能

雞糞高溫甲烷發酵試驗一共進行了267d,發酵性能隨進料TS不斷增加的變化情況見圖3和表2.發酵開始至第 93d,進料 TS為 5.0%,出料氨氮濃度為(2.5±0.3)g/L.此時產氣率,甲烷濃度和 VFAs分別為(267.2±12.5)mL/g TSin, (67.2±1.3)% 和 (0.4±0.1)g/L,pH 為值(8.3±0.2).各參數無明顯波動,發酵系統運行平穩.從第94d開始,進料TS由5.0%升至7.5%,氨氮濃度迅速增加并穩定在(5.5±0.3)g/L,VFAs濃度增至(19.2±1.3)g/L.產氣率比進料TS5.0%的減少了38.2%,為(166.5±11.3)mL/g TSin.第 181d后,進料 TS提升至10.0%,氨氮濃度進一步增至(6.1±0.2)g/L,VFAs提升至(26.1±1.5)g/L,pH 值 降 至(6.9±0.1).產 氣 率 降 至(49.8±8.2)mL/g TSin,甲烷含量由(56.0±1.9)%降至(36.0±1.7)%.

表2 雞糞高溫連續發酵試驗的運行情況Table 2 Performance of methane fermentation during a long term operation

根據表 1中雞糞的元素組成可將其表達成化學式 C7.9H12.2O4.8N.通過 Buswell發酵方程建立雞糞甲烷發酵的化學計量,方程如下:

根據上述方程,1g雞糞完全降解理論上可以產生564.1mL沼氣,甲烷濃度為60.3%,同時產生53.0mg氨氮.本研究采用進料 TS5.0%的雞糞進行連續發酵,產氣率為(267.2±12.5)mL/g TSin,TS 去除率為(43.9±2.7)%,即降解1g雞糞約產生608.1mL沼氣,與理論結果相近.進料TS7.5%和10.0%階段的產氣率明顯下降,此時更多的有機質轉化為VFAs.

在厭氧發酵過程中,較高濃度的料液可為微生物提供充足的營養物質,但濃度過高會阻礙傳熱傳質過程,抑制發酵微生物生長代謝,導致基質利用率降低[20].劉德江等[21]研究了不同 TS濃度(6.0%,8.0%和10.0%)對牛糞沼氣發酵的影響,發現 TS8.0%的產氣效果最佳.反應器內的有害物質(如氨氮等)經常伴隨進料濃度的增加而增加,從而導致甲烷發酵體系的不穩定[22].

表3 甲烷發酵氨抑制情況分析Table 3 Analysis of ammonia inhibition in anaerobic fermentation

雞糞高溫發酵過程中,隨著進料TS增加,氨氮和有 機酸出現明顯累積(圖 3c和圖 3e),前人對此多有報道(表 3).Niu等[12]研究表明氨氮濃度達到 4.0g/L,雞糞高溫產甲烷量降低 17.0%.Borja等[23]發現氨氮濃度達到5.0g/L,雞糞高溫產甲烷量降低 80.0%.本研究發現(5.5±0.3)和(6.1±0.2)g/L氨氮濃度導致雞糞的產氣率分別減少37.8%和81.4%.目前研究認為甲烷發酵過程中產氣量的變化不是由某一特定因素決定,而是受進料TS,氨氮和 VFAs等多種因素共同影響[22].目前各因素之間以及各因素對發酵微生物代謝的影響尚不明確.

圖3 連續發酵試驗在不同進料TS條件下的運行情況Fig.3 Performance of methane fermentation during a long term operation

關于氨氮抑制高溫甲烷發酵的研究已有大量報 道[22-28].由于雞糞含氮量高,甲烷發酵過程中易降解為氨氮,造成氨抑制(圖 3e和圖 3g).氨氮濃度由(2.5±0.3)g/L 增至(6.1±0.2)g/L,VFAs 濃度由 0.4±0.1g/L 增至 26.1±1.5g/L,產氣率顯著降低(P＜0.05).氨氮積累對雞糞甲烷發酵產生明顯抑制,造成產酸菌和產甲烷菌之間的代謝失衡.

作為水解酸化主要產物和產甲烷菌所利用底物,VFAs是評價水解酸化過程和產甲烷過程是否平衡的重要指標.在穩定運行的反應器中,產甲烷菌能夠迅速利用水解酸化菌產生的VFAs,使VFAs濃度保持在較低的水平[29].當VFAs大量積累時,產甲烷菌的活性將會受到抑制.任南琪等[30]研究發現當厭氧發酵體系中乙酸濃度高于2.3g/L,丙酸濃度高于0.3g/L或丁酸濃度高于 2.0g/L時,產甲烷菌的活性將受到抑制.VFAs的累積通常還會導致pH值的降低,進而影響產甲烷菌的活性.進料TS7.5%和10.0%,VFAs濃度分別為(19.2±1.3)和(26.1±1.5)g/L,均超過了報道的酸抑制濃度.

試驗過程中,隨著進料 TS的提升,氨氮和 VFAs逐漸累積,導致了產氣率顯著下降.由于雞糞的特性,采用進料 TS濃度大于 7.5%的雞糞進行高溫甲烷發酵時勢必會產生氨抑制.

2.2 雞糞連續發酵過程物料平衡分析

圖4 基于COD的物料平衡Fig.4 Mass balance based on COD

通過長期連續甲烷發酵試驗,基于物料平衡分析不同進料 TS條件下雞糞水解,酸化和甲烷化程度的變化(圖4).進料TS為5.0%時,由于進出料的波動,樣品破碎不充分,造成測定的 COD 存在較大誤差,為15.0%;進料TS為7.5%和10.0%時,樣品充分破碎后,誤差所占的比例分別下降到 1.7%和 3.6%.連續發酵過程中水解,酸化和甲烷化程度的計算方法參考文獻[22].進料TS由5.0%升至7.5%和10.0%,水解率分別為30.5%,37.8%和15.3%,酸化率分別為28.6%,30.2%和12.0%,甲烷轉化率為44.6%,23.2%和4.5%.雞糞高溫發酵的甲烷轉化率較低.即使進料TS為5.0%,甲烷轉化率僅為44.6%,與Niu等[22]報道結果一致,但遠低于餐廚垃圾高溫發酵 75.0%的轉化率[31].隨著進料濃度增加,水解,酸化和甲烷化程度均呈現明顯下降趨勢.當進料 TS濃度達到 10.0%,PCOD,VFA-COD和CH4-COD 依次為(54.6±8.9)%,(24.2±1.3)%和(4.5±0.7)%. COD去除率明顯降低,VFAs所占比例大幅度提高,比正常情況下高出33倍,VFAs與氨氮共同抑制甲烷發酵進行,導致產氣率明顯降低.

2.3 固體的去除率分析

采用甲烷發酵處理畜禽糞便具有回收能源和保護環境的雙重意義.TS,VS,SS和 VSS去除率通常用于表示有機污染物的去除效果.圖5是雞糞連續發酵試驗過程中進料和出料中TS,VS,SS和VSS的變化,并在表2中進行了總結.進料TS為5.0%,TS,VS,SS和VSS的去除率分別為 43.9%,59.1%,41.3%和 55.4%,處于Nizami等[32]報道的CSTR處理能源作物40.0～70.0%VS去除率范圍內.隨著進料TS升至10.0%,TS,VS,SS和 VSS去除率均發生顯著下降(P＜0.05),分別降至 23.8%,30.0%,19.7%和 25.2%,下降率分別為45.8%,49.3%,52.3%和 54.5%.氨氮濃度隨進料 TS增加而提高,抑制水解,酸化和甲烷化進行,造成雞糞中有機質的去除率明顯下降.

2.4 氨氮對VFAs累積和產氣率的影響

采用線性回歸分析了雞糞高溫發酵過程中氨氮累積對VFAs累積和產氣率的影響(圖6).圖6a對氨氮和 VFAs累積進行了線性回歸分析,R2為 0.9,經推算氨氮濃度超過 2.0g/L,VFAs開始累積,即雞糞高溫發酵產生抑制的氨濃度.圖 6b對氨氮和產氣率進行了線性回歸分析,R2為0.8,經推算氨氮濃度達到8.2g/L,反應器產氣停止,即雞糞高溫發酵完全抑制的氨濃度.大量研究就氨氮對甲烷發酵的影響進行了論證,但是不同原料不同溫度下產生抑制的氨濃度不同,研究發現 1.7g/L的氨氮濃度就可能會抑制甲烷發酵[14].Andrew等[13]發現氨氮達到 2.5g/L時,牛糞高溫甲烷發酵才受到抑制.本研究通過雞糞長期甲烷發酵試驗發現,氨氮濃度低于3.0g/L,VFAs濃度在1.0g/L以內,產氣率波動不明顯.氨氮濃度在3.5g/L左右,VFAs濃度在 5.0～15.0g/L范圍波動,產氣率出現明顯降低.氨氮濃度提升至5.0g/L,VFAs累積至20.0g/L,產氣率比氨氮濃度 3.0g/L時下降約 50.0%.氨氮濃度達到7.5g/L,VFAs濃度高達(26.1±1.5)g/L,產氣率僅為(49.8±8.2)mL/g TSin.綜合長期試驗結果與線性回歸分析,本研究中氨氮抑制雞糞高溫甲烷發酵產氣的濃度在 2.5～3.0g/L,與 Wang等[33]報道的結果相似,但低于Niu等[12]報道的氨抑制起始濃度(4.0g/L).烷菌的最主要前體物質.本研究采用乙酸鈉為基質進行SMA測試.圖7是進料TS5.0%,7.5%和10.0%階段SMA試驗中的累積甲烷產量,Gomperzt擬合曲線(圖 7a,b,c)和不同乙酸濃度下的比產甲烷活性(圖7d,表4).

圖5 連續發酵試驗運行過程中TS,VS,SS和VSS去除率的變化Fig.5 TS, VS, SS and VSS removal rates of methane fermentation during a long term operation

圖6 氨氮對VFAs累積和產氣率的影響Fig.6 Effect of TAN on VFA accumulation and gas production

2.5 污泥比產甲烷活性分析

SMA指污泥所能具有的去除COD或生成甲烷的能力,是反映污泥品質的重要參數之一[34].乙酸是產甲

由圖7和表4可以看出,進料TS為5.0%時,污泥SMA隨乙酸濃度增高而增加,15.0g COD/L濃度下獲得最大產甲烷活性(246.3±5.7)mg COD/(g VSS·d),反應器內的VSS為10.0g VSS/L,對應的反應器最大的產甲烷能力為0.9L CH4/(L·d),遠超過此時反應器容積產甲烷率 0.5L CH4/(L·d).進料 TS 為 7.5%時,污泥SMA隨乙酸濃度增高呈先升高后降低的趨勢,在10.0g COD/L濃度下獲得最大產甲烷活性(108.8±2.9)mg COD/(g VSS·d),反應器內的 VSS 為 24.0g VSS/L,對應的反應器最大的產甲烷能力為 0.9L CH4/(L·d),遠超過反應器的容積產甲烷率 0.4L CH4/(L·d).因此,在 TS5.0%和 7.5%的進料濃度下,發酵系統的產甲烷能力仍有提高的潛力.在5.5g/L氨氮濃度下,污泥最高SMA降低了60.0%.進料TS為10.0%,氨氮濃度為7.0g/L時,各濃度處理均未觀察到明顯的產氣.可見,氨氮濃度對污泥乙酸產甲烷活性影響顯著(P＜0.05),氨氮濃度達到 7.0g/L時,利用乙酸產甲烷活動被完全抑制.

圖7 各進料TS濃度下不同乙酸濃度的累積甲烷產量和對應的比產甲烷活性Fig.7 Cumulative methane yield and corresponding SMA of different acetate concentrations under different feed

表4 進料濃度5.0%和7.5%條件下的比產甲烷活性Table 4 SMA under different feed TS

3 結論

3.1 雞糞高溫甲烷發酵能夠在進料TS為 5.0%下穩定運行,進料TS超過7.5%,氨氮和VFAs均明顯升高,對甲烷發酵水解,酸化和產甲烷產生抑制,導致產氣率和降解程度的降低.

3.2 綜合長期試驗結果與線性回歸分析獲得氨抑制雞糞高溫甲烷發酵起始濃度為 2.5～3.0g/L,完全抑制濃度為8.2g/L.

3.3 氨氮濃度的提高導致發酵體系利用乙酸產甲烷的能力降低,氨氮濃度為5.5g/L,污泥最高乙酸產甲烷活性降低 60.0%,達到7.0g/L,污泥利用乙酸產甲烷活動幾乎停止.