提升中溫和高溫過渡區厭氧發酵效率的試驗研究和工程驗證

李月中， 宮亞斌， 譚 婧， 詹偶如， 李 倩， 蔡昌達

(1.維爾利環保科技集團股份有限公司， 江蘇 常州 213125； 2.杭州能源環境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

溫度是影響厭氧微生物生長代謝活動的重要因素，一般而言，隨著發酵溫度的升高，微生物活性增強，發酵產氣效率提高，且在一定溫度范圍內，產氣速度和產氣量與溫度呈正相關[1]。產甲烷菌對溫度的變化尤為敏感，多位國內外學者[2-6]研究了溫度對產甲烷菌活性的影響，產甲烷菌在其最適生長溫度條件下生長旺盛，產甲烷速率最高，根據甲烷菌對溫度的適應性，一般將產甲烷菌分為中溫菌和高溫菌兩大類(見圖1)，中溫菌最適溫度范圍為35℃～42℃，高溫菌最適溫度范圍50℃～55℃，對應厭氧發酵分為中溫發酵和高溫發酵，常規理論認為在中溫與高溫之間(43℃～45℃)是“低速厭氧區”，該理論也被寫入國家標準[7,8]，用于指導厭氧發酵工程的設計。但也有研究報道，某檸檬水廢水工程在45℃溫度下運行多年[5]。

圖1 溫度對厭氧微生物活性的影響曲線[5]

本研究以4種典型的有機廢棄物(餐廚垃圾漿料、牛糞、酒糟、黃貯玉米秸稈)為發酵原料，探究了中溫區(發酵溫度38℃)、過渡區(發酵溫度44℃)和高溫區(發酵溫度52℃)3種溫度條件下各種原料厭氧發酵產氣效率，旨在為厭氧發酵工程選擇最佳的運行溫度提供設計依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

供試菌種：本實驗室長期使用的厭氧污泥；底物來源：餐廚垃圾取自杭州天子嶺餐廚垃圾處理一期工程(經預處理后的餐廚垃圾漿料)；酒糟和黃貯玉米秸稈取自中廣核河北衡水混合原料生產生物天然氣項目；牛糞取自浙江紹興一景乳業牧場；所有底物原料試驗前均保存于4℃環境下。各試驗材料性質見表1。

表1 原料性質

1.2 試驗設計

試驗中分別選擇中溫區(發酵溫度38℃)、過渡區(發酵溫度44℃)和高溫區(發酵溫度52℃)作為本研究處理設置。采用1 L(有效容積800 mL)發酵裝置進行發酵試驗，接種物在相應的溫度下預熱3天以上，發酵底物按底物與接種物FVS∶MVS=0.5投加并充分混合后，試驗設計3組平行試驗。

1.3 分析方法

沼氣產量，采用排水法收集測試；總固體(TS)，采用105℃±2℃烘干恒重法測定；揮發性固體(VS)，采用600℃灼燒2 h差重法測定；pH值，采用PHS-3C型pH計測定，餐廚漿料和牛糞直接測定，酒糟和黃貯玉米秸稈參照有機肥料(NY 525-2012)酸堿度的測定方法。

2 結果與分析

2.1 試驗結果與分析

圖2～圖5是中溫區(38℃)，過渡區(44℃)和高溫區(52℃)下餐廚漿料、牛糞、酒糟和黃貯玉米秸稈產氣趨勢曲線。

從圖2餐廚漿料發酵產氣曲線可以看出，3種溫度條件下的餐廚漿料產氣高峰均集中在第1～8天，其中單日產氣量最高出現在第1天。第20天以后，產氣基本結束。3種溫度條件下的產氣速率對比結果是：44℃>52℃>38℃。發酵周期內，過渡區(44℃)的累積VS產氣率0.930 m3·kg-1VS較中溫區(38℃)累積VS產氣率0.781 m3·kg-1VS提高19.0%，較高溫區(52℃)累積VS產氣率0.857 m3·kg-1VS提高8.4%。在前8天發酵周期內，過渡區(44℃)的產氣速率優勢更加明顯，較中溫區(38℃)提高30.8%，較高溫區(52℃)提高19.0%。

圖2 餐廚漿料發酵產氣曲線

從圖3牛糞發酵產氣曲線可以看出，3種溫度條件下的牛糞產氣高峰集中在第1～15天，其中：中溫區(38℃)在第7天和第11天分別出現兩次產氣高峰；過渡區(44℃)和高溫區(52℃)的單日產氣高峰均出現在第5天，第20天以后產氣基本結束。3種溫度條件下的產氣速率對比結果是：44℃>52℃>38℃。發酵周期內，過渡區(44℃)的累積VS產氣率0.347 m3·kg-1VS較中溫區(38℃)累積VS產氣率0.299 m3·kg-1VS提高16.1%，較高溫區(52℃)累積VS產氣率0.321 m3·kg-1VS提高8.1%。在前8天發酵周期內，過渡區(44℃)的產氣速率優勢更加明顯，較中溫區(38℃)提高71.5%，較高溫區(52℃)提高12.9%。

圖3 牛糞發酵產氣曲線

從圖4酒糟發酵產氣曲線可以看出，3種溫度條件下的酒糟產氣高峰集中在第1～10天，其中：中溫區(38℃)的單日產氣高峰出現在第4天；過渡區(44℃)和高溫區(52℃)的單日產氣高峰均出現在第3天，第15天以后產氣基本結束。3種溫度條件下的產氣速率對比結果是：44℃>52℃>38℃。發酵周期內，過渡區(44℃)的累積VS產氣率0.466m3·kg-1VS較中溫區(38℃)累積VS產氣率0.431 m3·kg-1VS提高8.1%，較高溫區(52℃)累積VS產氣率0.452 m3·kg-1VS提高3.0%。在前8天發酵周期內，過渡區(44℃)的產氣速率較中溫區(38℃)提高21.2%，較高溫區(52℃)提高8.7%。

圖4 酒糟發酵產氣曲線

從圖5黃貯玉米秸稈發酵產氣曲線可以看出，3種溫度條件下的黃貯玉米秸稈產氣高峰集中在第1～12天，其中：中溫區(38℃)和過渡區(44℃)的單日產氣高峰均出現在第3天；高溫區(52℃)的單日產氣高峰出現在第4天。第20天以后，產氣基本結束。3種溫度條件下的產氣速率對比結果是：44℃>52℃>38℃。發酵周期內，過渡區(44℃)的累積VS產氣率0.528m3·kg-1VS較中溫區(38℃)累積VS產氣率0.444 m3·kg-1VS提高18.8%，較高溫區(52℃)累積VS產氣率0.502 m3·kg-1VS提高5.1%。在前8天發酵周期內，過渡區(44℃)的產氣速率較中溫區(38℃)提高24.6%，較高溫區(52℃)提高11.1%。

圖5 黃貯秸稈發酵產氣曲線

圖6～圖9是不同發酵周期下各處理累積產氣占比，其中取各試驗底物最高產氣量(44℃處理)作為總產氣量。從圖6可以看出，餐廚漿料在38℃，44℃，52℃溫度下發酵時分別于15 d，7 d，11 d時達到總產氣量的80%；牛糞在38℃，44℃，52℃溫度下發酵時分別于13 d，8 d，10 d時達到總產氣量的80%(見圖7)；酒糟在38℃，44℃，52℃溫度下發酵時分別于9 d，6 d，7 d時達到總產氣量的80%(見圖8)；黃貯玉米秸稈在38℃，44℃，52℃溫度下發酵時分別于12 d，6 d，8 d時達到總產氣量的80%(見圖9)。上述結果也進一步說明，過渡區(44℃)條件下的產氣速率較中溫區(38℃)和高溫區(52℃)明顯提升。

圖6 餐廚漿料不同溫度下累積產氣占比

圖7 牛糞不同溫度下累積產氣占比

圖8 酒糟不同溫度下累積產氣占比

圖9 黃貯秸稈不同溫度下累積產氣占比

表2是不同發酵時間內過渡區(44℃)較中溫區(38℃)和高溫區(52℃)產氣量提升對比情況。從表2可以看出，前16 d發酵周期內，餐廚垃圾、牛糞、酒糟和黃貯秸稈在過渡區(44℃)條件下的產氣量較中溫區(38℃)分別提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%，比高溫區(52℃)產氣量分別提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。前8 d發酵周期內，產氣速率提升更為明顯，餐廚垃圾、牛糞、酒糟和黃貯秸稈在過渡區(44℃)的產氣量較中溫區(38℃)分別提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%，比高溫區(52℃)產氣量分別提升了19.0%，12.9%，8.7%和11.1%。

表2 不同發酵周期下44℃較38℃和52℃產氣提升情況

2.2 原因分析

由于溫度是影響微生物群落分布的關鍵因素，根據對表3中甲烷微生物的最適生長環境分析，從中可以看出部分中溫甲烷菌和部分高溫甲烷菌群適宜溫度在43℃～45℃之間相互疊加，如甲酸甲烷桿菌、索式甲烷桿菌、伊式甲烷桿菌、瘤胃聚乙酸菌、甲烷嗜鹽菌、甲烷葉菌、嗜熱堿甲烷桿菌、熱甲酸甲烷桿菌和嗜熱甲烷桿菌等十幾類產甲烷菌種；在過渡區(43℃～45℃)，中溫菌群仍繼續保持厭氧活性；最適溫度區間在37℃～45℃的甲酸甲烷桿菌、索氏甲烷絲菌等中高溫厭氧菌群快速增殖，使中高溫菌優勢充分顯現，高溫菌群開始繁殖增長發揮作用。在43℃～45℃溫度區間，中溫和高溫菌可實現共存協同，反應效率疊加，使得系統發酵效率顯著提高，有關該過渡區溫度厭氧微生物菌群特征及分布，還需后續進一步研究(見圖1)。

表3 甲烷微生物[9]生長環境

2.3 工程應用

對于上述研究成果，筆者單位自2018年開始將其用于多個大型沼氣工程中進行應用驗證，包括餐廚、秸稈、木薯渣等原料的沼氣工程，均達到了預期效果。

常州餐廚于2018年4月份之前均采用中溫38℃±0.5℃發酵，4月初計劃采用過渡區(44℃)發酵溫度，經過兩周升溫及微生物馴化調整，4月15后厭氧系統溫度運行穩定在過渡區溫度(43℃～45℃)之間。圖11是常州餐廚工程應用及驗證情況，從中可以看出采用中溫區(38℃)發酵時，厭氧系統容積負荷維持在3.5～4 kgCOD·m-3d-1運行，容積產氣率在1.5～1.8 m3·m-3d-1；采用過渡區溫度后厭氧容積負荷提高至5.2 kgCOD·m-3d-1左右，容積產氣率達到2.0～2.2 m3·m-3d-1，發酵效率提升明顯；另外，杭州天子嶺[10]餐廚垃圾沼氣項目也采用中溫36.6℃±0.7℃發酵溫度，厭氧容積負荷3.5 kgCOD·m-3d-1，容積產氣率1.7 m3·m-3d-1，該結果與常州餐廚采用中溫發酵的結果相近，與常州餐廚采用過渡區(43℃～45℃)發酵溫度相比，采用過渡區溫度發酵效率提升明顯。

圖10 中高溫過渡區(43℃～45℃)溫度疊加高效發酵區域

圖11 常州餐廚處理項目工程應用及驗證情況(2018年2月～11月)

西安餐廚項目自2019年1月份啟動調試，采用過渡區(44℃)發酵溫度運行，經過長期的過渡區高效微生物馴化并實現了項目的高效率運行。圖12為西安餐廚項目工程應用及驗證情況，圖中是2019年10～12月項目運行數據，其中厭氧厭氧罐容積負荷達到了6～8 kgCOD·m-3d-1，容積產氣率達3.0 m3·m-3d-1以上。褚文瑋[11]等研究表明北京某餐廚垃圾處理工程，采用高溫55℃厭氧發酵，罐體容積5350 m3，實際運行2.4～3.5之間kgVS·m-3d-1，產沼氣量4600～8700 m3d-1，其容積產氣率最高約1.63 m3·m-3d-1，即表明西安餐廚項目采用過渡區發酵溫度明顯優于該高溫發酵溫度運行效果。

圖12 西安餐廚處理項目工程應用及驗證情況(2019年9月～12月)

3 結論

本文通過中溫區(38℃)、過渡區(44℃)和高溫區(52℃)3種發酵溫度條件下的厭氧發酵產氣對比試驗研究以及工程應用發現：

(1)餐廚漿料、牛糞、酒糟和黃貯玉米秸稈在過渡區(44℃)條件下產氣速率明顯優于中溫區(38℃)和高溫區(52℃)。過渡區(44℃)不是傳統認知里的“低速發酵區”，反而是一個“高速發酵區”。

(2)在前8 d發酵周期內，過渡區(44℃)條件下的產氣量較中溫區(38℃)分別提升了30.8%，71.5%，21.2%和24.6%；比高溫區(52℃)分別提升了15.6%，12.9%，8.7%和11.1%。前16 d發酵周期內，餐廚垃圾、牛糞、酒糟、黃貯秸稈在過渡區(44℃)條件下的產氣量較中溫區(38℃)分別提升了21.1%，16.4%，7.9%和19.5%；比高溫區(52℃)分別提升了9.1%，8.4%，3.1%和5.7%。

(3)在工程驗證中，以餐廚漿料為發酵原料的西安餐廚處理項目，采用過渡區(44℃)溫度區間，并經過中高溫菌群馴化后，厭氧罐容積負荷達到了6～8 kgCOD·m-3d-1，裝置容積產氣率達3.0 m3·m-3d-1以上。