雞糞中溫低固CSTR厭氧反應特征研究及其應用

王黎偉王黎明方瀟陳家杰

(1.武漢致遠建設集團有限公司,湖北 武漢 430000;2.中船重工環境工程有限公司,湖北 武漢 430000;3.黃石市環境投資有限責任公司,湖北 黃石 435000)

隨著我國經濟發展和人民生活水平提高，規模化畜禽養殖業快速發展。中國畜牧業協會數據顯示，截至2022年8月我國蛋雞存欄量為11.83億只，比2020年的高峰減少了8.9%，但是雞蛋產量和蛋雞存欄量仍是全球第1[1]。養雞養殖業的發展同時帶來了雞糞經濟的發展。

目前蛋雞雞糞多采用直接施用和好氧堆肥處理方式，這些處理方式極易將大量氨氣釋放到空氣和水體，造成環境污染，且從雞糞處理過程中獲取的直接經濟價值微乎其微。厭氧處理是處理有機污染物行之有效的技術之一[2]。雞糞進行厭氧處理是一種可同時獲取清潔生物質能源和高質量液態有機肥的處理方式，為雞糞經濟提供了思路。

目前，越來越多的學者通過對禽畜糞便進行厭氧處理研究，為沼氣工程應用與發展提供了大量的技術支撐[3-9]。蛋雞雞糞的性質依據雞齡、飼料、季節、身體狀況等因素不同存在差異。但蛋雞雞糞的有機氮含量均較高，極易被微生物降解為氨氮。氨氮濃度較低的環境可促進厭氧微生物的代謝生長，但是，當游離的氨氮濃度達到一定范圍后將對厭氧微生物的代謝產生強烈的抑制作用[10]。畜禽糞污厭氧產沼氣工程實例大多選擇在中溫(35～40℃)條件下運行[11,12]。

目前，研究多集中于蛋雞雞糞厭氧反應的相關工藝參數，關于雞糞厭氧反應產沼氣的本質和雞糞最經濟處理負荷的研究少有報道。為此，本研究在中溫(38±2℃)條件下開展，并通過反應特征數學模型研究確定工藝設計參數與運行參數，并通過計算得到反應器最經濟進料負荷，為雞糞經濟提供半經驗半理論計算公式。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理方法

本實驗蛋雞雞糞取自湖北省浠水縣蛋雞養殖廠，取回后手工剔除新鮮雞糞中肉眼可見的雜物，放置于0℃冷藏室中保存備用。試驗所用反應器進料料漿：取原料雞糞用蒸餾水稀釋為總固體含量為10±1%，隨后用破壁機破壁6min。

1.2 實驗裝置

本文雞糞中溫低固厭氧實驗反應器采用具有保溫夾套的CSTR厭氧反應器，有效容積為10L，高徑比為1∶1。反應器頂部設有攪拌器、進料口及沼氣排放口、側壁設有取樣口、循環水進回水口及pH計接口。循環水進回水接口與恒溫水箱鏈接。配備的可調速攪拌裝置，最大轉速為200r·min-1，轉速可調，CSTR反應器所產的沼氣由反應器頂部出氣口流出，經過濾器后，由濕式流量計計量每天的沼氣產量。實驗裝置的搭設詳見圖1，實驗用到的主要設備詳見表2。

表1 原料和接種污泥的性質

圖1 中溫低固CSTR厭氧反應器裝置

表2 實驗設備清單

1.3 實驗方法

以餐廚垃圾厭氧消化污泥作為接種物。接種污泥和水混合后使厭氧反應器初始TS濃度約為2.37%。試驗初始，添加雞類料漿100mL，系統各項參數如反應器產氣量、沼液pH、沼液堿度、沼液揮發性脂肪酸等趨于穩定后，保持該進料有機負荷運行10～20d。之后逐步增加進料負荷，在各進料有機負荷均保持穩定運行10～20d。

試驗過程中，進料頻率為每天1～4次，每天將準備好的物料裝入到進料器中，由自動開關循環控制進料器按設置的時間參數周期進料。同時按設置周期在出料口排出等量的物料。試驗期間每天測量pH值、產氣量和甲烷含量，每隔2d測量反應器排料的TS和VS含量、揮發性脂肪酸(VFA)含量和堿度。記錄厭氧反應器產氣量的同時，記錄環境溫度和壓強，通過理想狀態方程將所產沼氣體積換算成標準狀況下的體積。

1.4 化學分析方法

雞糞原料與厭氧反應器沼液的總固體含量(TS)采用105±5℃烘干法；揮發性固體(VS)采用550±20℃灼燒法；沼氣產量通過濕式流量計計量。TS產氣效率計算方法：當日沼氣總產氣量除以當日總固體進料質量；VS產氣效率計算方法：當日沼氣總產氣量除以當日總揮發性固體進料質量。

1.5 統計分析方法

試驗數據處理采用Microsoft Excel 2003和SPASS 18.0。

2 結果與討論

2.1 反應器啟動反應特性分析

2.1.1 反應器沼液的pH

啟動前，CSTR厭氧反應器內沼液的pH為7.70；CSTR厭氧反應器有機負荷較低時，隨著負荷的提高，當CSTR厭氧反應器pH達到7.9后，隨著反應器有機負荷的提高，反應器內沼液的pH降低；當CSTR反應器有機負荷達到設計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應器內沼液的pH穩定在7.7；繼續提高CSTR厭氧反應器有機負荷，反應器內沼液的pH仍有下降趨勢，但較緩慢。

2.1.2 反應器沼液的堿度

圖2 厭氧反應器進料負荷與沼液平均pH

圖3 厭氧反應器進料負荷與沼液平均堿度

啟動時，CSTR厭氧反應器內沼液的堿度為14800mg·L-1；隨著CSTR厭氧反應器有機負荷較低時，隨著負荷的提高，反應器內沼液的堿度升高；當CSTR厭氧反應器有機負荷達到設計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應器內沼液的堿度穩定在18500mg·L-1左右。隨著有機負荷的繼續提高，CSTR厭氧反應器內沼液的堿度隨之增加。

2.1.3 反應器沼液的VFA

圖4 厭氧反應器進料有機負荷與VFA

啟動時，CSTR厭氧反應器內沼液的VFA為800mg·L-1；隨著CSTR厭氧反應器有機負荷較的提高并在各負荷下穩定20d，反應器內沼液的VFA平均值升高。當CSTR厭氧反應器有機負荷達到設計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應器內沼液的VFA穩定在1500mg·L-1左右。隨著有機負荷的繼續提高，CSTR厭氧反應器內沼液的VFA隨之增加。

2.1.4 反應器沼氣甲烷成分

圖5 有機負荷與甲烷含量

CSTR厭氧反應器在不同有機負荷下達到穩定時，將便攜式沼氣分析儀接入CSTR厭氧反應器與濕式流量計的中間位置，測得沼氣成分：CH4含量為57%～62%，甲烷含量隨有機負荷的提高，有上升趨勢。

2.1.5 反應器沼液固體含量

啟動時，CSTR厭氧反應器內沼液的TS為2.37%，VS為53.09%；隨著負荷的提高，反應器內沼液的TS與VS均升高；逐步提高CSTR厭氧反應器有機負荷，且每次逐步提高CSTR厭氧反應器有機負荷，均保存該負荷下穩定運行20d以上，持續檢測反應器內沼液的TS*VS與CSTR厭氧反應器容積產氣率的變化情況，如圖6所示。

圖6 反應器揮發性有機物含量與厭氧反應器容積產氣率

隨著CSTR厭氧反應器內揮發性有機物的含量的增加，CSTR反應器容積產氣率隨著增加。如需反應器獲得大于1.5m3·m-3·d-1的容積產氣率，需確保CSTR反應器沼液的揮發性有機物含量大于0.275%。

如需CSTR厭氧反應器獲得大于2.0m3·m-3·d-1的容積產氣率，需確保CSTR反應器沼液的揮發性有機物含量大于0.3%。

當CSTR厭氧反應器內揮發性有機物的含量大于0.04%時，CSTR反應器容積產氣率獲得較大容積產氣率2.5m3·m-3·d-1。

2.2 產氣速率和產氣潛能分析

CSTR厭氧反應器在不同進料負荷下穩定運行時，CSTR反應器的容積產氣率、雞糞平均VS產氣率如圖7、圖8所示。

圖7 日進料量與厭氧反應器平均容積產氣率

圖8 進料有機負荷與厭氧反應器平均容積產氣率

當CSTR厭氧反應器有機負荷小于3.12kg·m-3·d-1，有機負荷與容積產氣率呈現線性關系，方程：

v=0.5505×S

當CSTR厭氧反應器有機負荷大于3.12kg·m-3·d-1，有機負荷與容積產氣率呈現線性關系，但斜率降低，方程：

v=0.1598×S+1.6156

式中，S為厭氧反應器有機負荷，kg·m-3·d-1；v為容積產氣率，m3·m-3·d-1。

圖9 進料有機負荷與雞糞VS產氣率

當反應器有機負荷小于1.1kg·m-3·d-1時，雞糞平均VS產氣率數值為0.5m3·kg-1·d-1，與反應器有機負荷沒明顯函數關系；當CSTR厭氧反應器有機負荷在1.1～2.0kg·m-3·d-1區間時，雞糞平均VS產氣率與反應器有機負荷呈現線性下降函數；當CSTR厭氧反應器有機負荷在2.0～5.36kg·m-3·d-1區間時，雞糞平均VS產氣率與反應器有機負荷呈現下拋物線函數關系Z=-0.0502×S2+0.3459×S，并存在最佳反應器有機負荷值S=3.45kg·m-3·d-1，可獲得雞糞平均最大VS產氣率0.6m3·kg-1VS。

2.3 產氣與經濟效益分析

通過中溫低固CSTR厭氧工藝，每處理1t總固體含量為30%，其中揮發性有機含量占77%的新鮮蛋雞雞糞，獲得的沼氣用于提純生產生物天然氣，獲得的厭氧沼渣進行好氧堆肥處理生產有機肥。

則獲得的收益：

W=Q×TS1×VS1×Z×η1×η2×A+q×TS2×B

(1)

式中，W為銷售天然氣和生物肥的收入估算值，元·d-1；Q為CSTR反應器日進料量，t·d-1；TS1為進料料漿總固體含量，%；VS1為進料料漿有機物含量，%；Z為平均雞糞VS沼氣產氣率，m3·kg-1VS;η1為沼氣中甲烷含量，%；η2為生物天然氣有效利用率，%；A為生物天然氣價格，元·m-3；TS2為CSTR反應器沼液總固體含量，%；B為有機肥價格，元·t-1；V為CSTR反應器有效反應容積，m3。

將式(1)兩邊同時除以反應器有效反應容積V，可以獲得反應器單位容積經濟效益：

化簡并將公式Z=-0.0502×S2+0.3459×S，其中S取值范圍為2～6kg·m-3·d-1，帶入可獲得公式：

3 結論

采用中溫低固體厭氧CSTR反應器進行反應，反應器不同進料有機負荷下雞糞的VS產氣效率不同。

在CSTR反應器正常運行時，隨著CSTR反應器進料負荷的增加，反應器內沼液的VFA、堿度、甲烷含量隨之增加，pH隨之降低。

如需CSTR厭氧反應器獲得大于1.5m3·m-3·d-1的容積產氣率，需確保CSTR厭氧反應器沼液的揮發性有機物含量大于0.275%；如需CSTR厭氧反應器獲得大于2.0m3·m-3·d-1的容積產氣率，需確保CSTR厭氧反應器沼液的揮發性有機物含量大于0.3%。

當CSTR厭氧反應器有機負荷取S=3.45kg·m-3·d-1時，可獲得雞糞平均VS產氣率0.6m3·kg-1VS；當CSTR厭氧反應器有機負荷取S=4.6kg·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應器單位容積經濟效益最大。