響應面法優化干清豬糞半干法連續厭氧發酵試驗參數

陳文成 袁存亮 張重 李靖 裴海林 邢向欣 孫京 趙國明

摘要為實現干清豬糞連續高效厭氧發酵，以干清豬糞為原料進行連續厭氧發酵試驗，利用實驗室自制連續厭氧發酵反應器探究水力滯留時間（HRT）、攪拌間隔與攪拌轉速對干清豬糞連續厭氧發酵的影響，采用響應面分析法進行參數優化，得到最優參數組合：HRT 19 d、攪拌間隔2 h、攪拌轉速30 r/min。經過干清豬糞連續厭氧發酵試驗驗證，其平均日產氣量達23.48 L，VS降解率56.47%，平均容積產氣率2.35 L/（L·d），能夠實現干清豬糞連續厭氧發酵的高效穩定運行。因此，干清豬糞的無害化處理可采用半干法連續厭氧發酵運行，從而實現干清豬糞的資源化利用。

關鍵詞干清豬糞；半干法；連續厭氧發酵；參數優化

中圖分類號X 713文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）24-0196-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.044

Optimization of the Continuous Anaerobic Fermentation Experiment Parameters of Semidried Pig Manure by Using Response Surface Method

CHEN Wencheng， YUAN Cunliang， ZHANG Zhong et al

（Jilin Academy of Agricultural Machinery， Changchun， Jilin 130022）

AbstractIn order to realize the continuous and efficient anaerobic fermentation of dry pig manure， the continuous anaerobic fermentation test was carried out with dry pig manure as raw materials. The effects of hydraulic retention time （HRT）， stirring interval and stirring speed on the continuous anaerobic fermentation of dry pig manure were studied by using the selfmade continuous anaerobic fermentation reactor in the laboratory.The response surface analysis method was used to optimize the experiment parameters，and the optimal parameter combination was obtained as follows： HRT 19 d， stirring interval 2 h， and stirring speed 30 r/min.The average daily gas yield was up to 23.48 L after the continuous anaerobic fermentation test of dry pig manure.VS degradation rate was 56.47%， and the average volumetric gas production rate was 2.35 L/（L· d ）， which could achieve efficient and stable operation of dry pig manure continuous anaerobic fermentation.Therefore， the harmless treatment of dry pig manure could be operated by semidry continuous anaerobic fermentation， so as to realize the resource utilization of dry pig manure.

Key wordsDry pig manure;Semidried method;Continuous anaerobic fermentation;Parameter optimization

隨著我國人民生活水平的不斷提高，對肉蛋奶的需求量也逐年遞增，從而導致我國畜牧業的飛速發展［1-3］，但目前生豬仍是畜牧業養殖的重要飼養品種之一［4］。截至2019年我國生豬出欄量為54 419.3萬頭，而每頭生豬每日排放廢水約13.5 kg、糞便1.5 kg［5-6］，養殖場排除的糞污及廢水若不經處理將直接影響生態環境，污染水土資源，因此豬糞的無害化處理至關重要［7-9］。鄭盼［2］在豬糞干式厭氧消化試驗中發現，豬糞干發酵產氣率較濕發酵產氣率增加22.1%，豬糞干式厭氧發酵工藝最佳參數為發酵溫度34 ℃，接種量40%；朱圣權［10］通過對豬糞厭氧干發酵工藝研究及其效益分析，優化出適宜的厭氧發酵工藝參數，經過20～22 d厭氧發酵，其原料日產甲烷量可達1 600 mL/（kg·d）。目前我國大規模生豬養殖企業及畜禽養殖舍大多采用干清糞方式進行糞污收集，其優點是節水、污染小，但會導致糞便干物質質量濃度高［11-13］。采取半干法連續厭氧發酵技術來處理干清豬糞是一種很好的技術模式，可以使產生的糞污得到及時有效地處理，并且產生清潔能源。為達到良好的處理效果和較高的生產效率，需要考慮各參數的綜合控制，以使微生物生長繁殖達到最佳平衡狀態，因此，為實現厭氧發酵的高產氣率及合格的降解率，對連續厭氧發酵的水力滯留時間、攪拌參數進行研究與優化，從而實現豬糞的無害化處理。

1材料與方法

1.1試驗材料試驗所用干清豬糞取自吉林省長春市九臺區小袁家窩堡養殖戶的干清豬糞；接種物取自吉林省農業機械研究院廢棄物利用實驗室，是牛糞經過充分厭氧反應后直至不再產氣的活性污泥。干清豬糞及接種物的理化性質如表1所示。

1.2試驗儀器試驗所用儀器具體見表2。

1.3試驗裝置

試驗裝置為實驗室自主研制的臥式三軸攪拌厭氧發酵反應器（圖1），反應器容積約10 L。整個厭氧發酵系統（圖2）包括電控系統、水箱循環系統、反應器、脫硫脫水裝置、濕式氣體流量計、集氣裝置等。通過電控系統，控制電機帶動反應器內部的攪拌葉翅來實現對發酵物料的攪拌。通過調速器調節電機轉速，通過時控開關來控制攪拌電機的開啟與關閉，從而滿足不同的攪拌間隔與攪拌時長；通過水箱循環系統以及測溫傳感器和控制系統，可實現對發酵物料的溫度控制。此外，反應器還設有進料口和出料口，可實現連續運行中進出料的要求。

1.4試驗設計

1.4.1水力滯留時間（HRT）對干清豬糞半干法連續厭氧發酵的影響試驗。以干清豬糞為發酵原料，有效反應容積為反應器容積的60%，HRT逐漸降低（有機負荷逐漸升高），通過HRT換算出進料量，再通過進料量的改變來研究HRT對干清豬糞半干法連續厭氧發酵日產氣量和VS降解率的影響。HRT設定25、20、15、10 d 4個水平，每天固定時間進出料各1次，先出料，后進料。進料體積的計算如公式（1）所示，出料體積的計算如公式（2）所示。該試驗采取中溫發酵（35 ℃），料液濃度為半干法厭氧發酵濃度（干清豬糞+接種物混合濃度），攪拌參數為上述試驗篩選出適宜的攪拌參數，反應初始以50%接種率啟動，產氣平穩后開始連續進出料，每天同一時間記錄每日產氣量并測定出料時的VS含量，換算出其VS降解率。

式中：V進為反應器連續運行過程中的每日進料體積，單位mL；V出為反應器連續運行過程中的每日出料體積，單位mL；V下為出料前反應器內的發酵料液下降的體積，單位mL；V有效容積為反應器內的發酵料液體積，單位mL；HRT為反應器運行過程中的水力滯留時間，單位d。

1.4.2干清豬糞半干法連續厭氧發酵參數優化試驗。

采用Design Expert 8.0.6的Box-Behnken中心組合設計原理，在中溫（35 ℃）、發酵料液濃度為半干法厭氧發酵濃度的條件下，設計水力滯留時間（HRT）、攪拌間隔和攪拌轉速3個因素3個水平，以每組試驗在產氣穩定后的平均日產氣量和VS降解率作為試驗結果評價指標，進行響應面分析試驗，確定干清豬糞半干法連續厭氧發酵最佳工藝條件。正交試驗因素與水平設計如表3所示，對優化后的參數進行試驗驗證。

1.5測定項目與方法每天09：00使用濕式氣體流量計進行讀數，記錄每日產氣情況；TS、VS含量采用灼燒法進行測定。

1.6數據處理與分析試驗數據通過Excel 2019軟件進行統計，并利用Design Expert 12軟件對試驗數據進行進一步分析處理。

2結果與分析

2.1HRT對干清豬糞半干法連續厭氧發酵的影響

圖3、圖4為HRT對干清豬糞半干法連續厭氧發酵日產氣量及VS降解率的影響。整個發酵時間為25 d，其中0～7 d為啟動階段。從圖3可以看出，所有試驗組均能正常啟動，HRT=15 d時的日產氣量明顯高于HRT=25、20、10 d時，在連續運行穩定后的15 d內，HRT=25、20、15、10 d時平均日產氣量分別為19.16、22.73、25.47和2.05 L，說明當HRT=25、20、15 d時隨著HRT的縮短，平均日產氣量升高。當HRT=10 d時，厭氧發酵系統內部有機負荷過高，營養物質不能及時消耗，酸積累過多，厭氧發酵系統遭到破壞，不再是一個正常的發酵系統。從圖4可以看出，在連續運行穩定后的15 d內，HRT=25、20、15、10 d時的平均VS降解率為62.42%、58.04%、51.51%和9.18%，說明隨著HRT的縮短，VS降解率逐漸降低。這是因為當HRT=25、20 d時，發酵物滯留期相對較長，日進料量相對較少，反應充分，VS降解率也較高；當HRT=15 d時，日進料量增多，營養物質充足，水解酸化產物更多，此時日產氣量高于HRT=25、20 d時，但是此時VS降解率有所降低，說明此時已不能完全消化營養物質；當HRT=10 d時，日產氣量與VS降解率急劇下降，這可能是隨著進料量的增多，有機負荷過高，引起整個發酵系統酸化，形成病態池。綜上所述，干清豬糞在半干法連續厭氧發酵試驗中，在一定范圍內HRT越長，降解效果越好。若縮短HRT，日產氣量會有所提高，但降解效果有所下降，若HRT過短則會引起發酵系統酸化，形成病態池，因此在干清豬糞半干法連續厭氧發酵中HRT選取20 d較為合適。

2.2干清豬糞半干法連續厭氧發酵參數的優化

干清豬糞半干法連續厭氧發酵在中溫35℃條件下進行，按表3進行參數的響應面優化試驗，并以平均日產氣量與VS降解率為試驗結果評價指標，結果見表4。

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行分析擬合，并進行差異顯著性分析。平均日產氣量與VS降解率的回歸方程見公式（3）和（4）。

Y=24.06+0.23A+0.21B-0.11C-0.22AB-0.20AC+0.01BC-0.79A2-0.35B2-0.23C2（3）

Z=53.03+3.82A+0.70B+0.60C+0.14AB+0.57AC+0.35BC+1.00A2-1.87B2-3.17C2（4）

響應面方差分析結果見表5～6。

由表5～6可知，該模型P值＜0.000 1，說明回歸模型極顯著。失擬項P值大于0.05，影響不顯著，說明該方程擬合度良好。通過分析各因素的一次項、二次項和交互項的P值可知，一次項因素A、B、C的P值均小于0.05，影響顯著；二次項因素A2、B2、C2的P值均小于0.05，影響顯著；交互項AB的P值小于0.05，影響顯著；交互項BC的P值大于0.05，說明影響不顯著。通過對F值的分析發現，各影響因素的主次順序為A>B>C，即HRT>攪拌間隔>攪拌轉速。

（1）對平均日產氣量的影響分析。基于回歸模型對平均日產氣量的方差分析，為了進一步研究相關因素及其交互作用并且確定最優點，利用Design Expert 8.0.6軟件對回歸模型進行響應面分析。當攪拌轉速一定時（攪拌轉速=30 r/min），平均日產氣量隨著HRT和攪拌間隔變化的三維曲面和等高線圖如圖5（a）、（b）所示。從圖5（a）、（b）可以看出，隨著HRT和攪拌間隔的增加，平均日產氣量先增加后減小，而且HRT對日產氣量的變化比攪拌間隔更為敏感，因此等高線圖呈現HRT為短軸、攪拌間隔為長軸的橢圓，所以HRT比攪拌間隔對平均日產氣量的影響要更為顯著，此結論與表5中HRT的F值大于攪拌間隔F值的結論相一致，證實了HRT的重要程度大于攪拌間隔。

圖6（a）、（b）為當攪拌間隔一定時（攪拌間隔=2 h），平均日產氣量隨著HRT和攪拌轉速變化的三維曲面和等高線圖。從圖6（a）可以看出，隨著HRT和攪拌轉速的增加，平均日產氣量先增加后減小。由圖6（b）可知，HRT比攪拌轉速對平均日產氣量的影響更為顯著。此結論與表5中HRT的F值大于攪拌轉速F值的結果相一致。

圖7（a）、（b）為HRT=16 d時平均日產氣量隨攪拌間隔和攪拌轉速變化的三維曲面和等高線圖。從圖7（a）可以看出，隨著攪拌間隔和攪拌轉速的增大，平均日產氣量變化不明顯。由圖7（b）可知，等高線圖大致呈圓形，說明攪拌轉速與攪拌間隔對平均日產氣量的影響基本相當，與表5中攪拌轉速F值與攪拌間隔F值大致相同的結果一致。

（2）對VS降解率的影響分析。

基于回歸模型對VS降解率的方差分析，利用Design Expert 8.0.6軟件對回歸模型進行響應面分析。圖8（a）、（b）為攪拌轉速一定時（攪拌轉速=30 r/min），VS降解率隨著HRT和攪拌間隔變化的三維曲面和等高線圖。由圖8（a）可知，VS降解率隨著HRT的增大而增大。從8（b）可以看出，當HRT處于合適范圍內，攪拌間隔的大幅變化對VS降解率的影響不大，反之當攪拌間隔處于合適范圍時，HRT小幅變化會對VS降解率產生較大影響，所以HRT比攪拌間隔對VS降解率的影響要更為顯著，此結論與表6中HRT的F值大于攪拌間隔F值的結果相一致。

圖9（a）、（b）為攪拌間隔一定時（攪拌間隔=2 h），VS降解率隨著HRT和攪拌轉速變化的三維曲面和等高線圖。由圖9（a）可知，VS降解率隨著HRT的增大而增大。從圖9（b）可以看出，HRT對VS降解率的影響要比攪拌轉速對VS降解率的影響更顯著，此結論可從表6中HRT的F值大于攪拌轉速F值得到驗證。

圖10（a）、（b）為HRT一定時（HRT=16 d），VS降解率隨著攪拌間隔和攪拌轉速變化的三維曲面圖和等高線圖。由圖10（b）可知，等高線圖大致呈圓形，說明攪拌轉速與攪拌間隔對VS降解率的影響基本相當，從表6中攪拌轉速F值與攪拌間隔F值大致相同，可以得到驗證。

2.3最佳條件的確定及試驗驗證

在干清豬糞半干法連續厭氧發酵試驗中，平均日產氣量和VS降解率越高越好，因此利用Design Expert 8.0.6軟件的優化模塊將試驗指標都調至最大值，根據相關回歸模型分析得到以下參數：HRT為18.59d、攪拌間隔為2.11h、攪拌轉速為29.51r/min。預測最佳平均日產氣量為23.89 L、VS降解率為56.09%。

在進行最佳試驗條件的驗證時，考慮到實際應用的簡便性，將干清豬糞半干法連續厭氧消化條件調整為HRT19 d、攪拌間隔2 h、攪拌轉速30 r/min，結果表明干清豬糞連續厭氧發酵的平均日產氣量實際值為23.48 L，VS降解率56.47%，實測值與理論值基本一致。

3結論

通過研究干清豬糞半干法連續厭氧發酵中HRT對平均日產氣量和VS降解率的影響，并利用響應面分析法優化干清豬糞半干法連續厭氧發酵中的最優工藝條件，得到以下結論：

固定發酵溫度、攪拌參數、發酵料液濃度等條件不變，研究當HRT為25、20、15、10 d時對干清豬糞半干法連續厭氧發酵的影響，發現在一定范圍內HRT越長，降解效果越好；縮短HRT，日產氣量會有所提高，但降解效果有所下降；若HRT過短時則會引起發酵系統酸化，形成病態池，因此在干清豬糞半干法連續厭氧發酵中HRT宜控制在20 d。

通過采用Design Expert 8.0.6的Box-Behnken 中心組合設計原理，在發酵溫度、料液濃度等其他因素一致的條件下，研究HRT、攪拌間隔和攪拌轉速3個因素對干清豬糞半干法連續厭氧發酵平均日產氣量和VS降解率的影響，發現各因素對日產氣量和VS降解率的影響重要性排序均為HRT＞攪拌間隔＞攪拌轉速，并通過模型尋優與驗證，得到最優參數組合為HRT 19 d、攪拌間隔2 h、攪拌轉速30 r/min，實際平均日產氣量23.48 L，VS降解率56.47%，平均容積產氣率2.35 L/（L·d）。

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