存储时间和固体含量对水泡粪甲烷发酵性能的影响

张 永， 孙振举， 刘冬梅， 李建政

(哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090)

随着规模化养猪业的发展，越来越多的猪舍粪污对环境生态和人体健康造成了严重威胁[1-2]。除了发酵床养殖外，规模化养猪场须采取干清粪、水冲粪或水泡粪工艺对猪舍进行清理[3]。其中，水泡粪工艺具有节省人力、管理方便、用水适中和受季节影响小等优点，得到了广泛应用[4]。水泡粪工艺就是通过漏粪地板收集猪舍内的猪粪、尿液以及清洗废水等，暂存于其下方的储粪池中，待生猪转栏或出栏后集中排出并进行后续处理[4-5]。对于水泡粪的处理，一般是先进行固液分离，固体部分经堆肥后还田，液体部分则需要净化处理并达到相关要求的标准后排放或用于农田灌溉[6-7]。该处理方式虽然可以实现水泡粪固体物质的资源化利用，但也存在堆肥占地多、周期长和运行环境差，以及废水处理成本高等缺点，成为其推广应用的制约因素[7,9-10]。自2014年实施《畜禽规模养殖污染防治条例》以来，畜禽废弃物的甲烷发酵技术得到了迅速发展和应用[6,10]。水泡粪在储粪池的存储过程中，会发生有机物的降解和气体释放，对此国内外已有大量研究[11-16]。目前国内关于水泡粪甲烷发酵的研究较少，梅凯[17]等研究了固体和氨氮含量对水泡粪厌氧消化产气特性的影响，结果表明，氨氮对厌氧发酵有显著抑制作用，水泡粪总固体物(TS)含量越高其VS甲烷产率和累计产甲烷量均降低。由于不同的生猪转栏或出栏时间导致水泡粪存储时间长短不一，另外，生猪生长阶段及猪舍用水量的季节性变化使得水泡粪TS含量差异显著，二者均会对后续的甲烷发酵性能产生较大影响[17-20]。然而，关于存储时间和TS含量对水泡粪甲烷发酵过程中有机物降解及产甲烷特征的研究，未见报道。本文依照规模化养猪场的生猪转栏和出栏周期，对比研究了存储时间和TS含量对水泡粪甲烷发酵性能的影响，以期为水泡粪甲烷发酵工程的设计和运行提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 猪粪与废水

1.2 水泡粪

模拟水泡粪工艺收集猪舍粪尿及废水的运行方式，每日一次向5 L的广口瓶内投加鲜猪粪和猪舍废水，直至设定的存储时间期满为止。依据生猪转栏和出栏周期，将水泡粪的存储时间设定为14 d或28 d。固定废水投加量为250 mL·d-1，改变每日鲜猪粪投加量，每日向广口瓶内添加的猪粪水混合物的TS含量分别为3%,5%和7%左右。此外，水泡粪存储后的特征还会受猪舍储粪池深度、大小及原剩余污泥量等的影响，但均影响不大。用于甲烷发酵的水泡粪准备方式如表1所示，25℃下经14 d或28 d存储的水泡粪性质如表2所示。

由表2看出，相对于水泡粪模拟过程中每日添加的猪粪水混合物的TS含量而言，水泡粪存储结束时其TS含量略有降低，且存储时间越长，TS含量的降低程度越大。这是因为在水泡粪存储过程中，部分固体物质水解酸化，转化为溶解性COD及VFAs，表现为TS含量的降低。因此，使用水泡粪模拟过程中每日添加的猪粪水混合物的TS含量表示水泡粪的TS含量。

表1 水泡粪样品的准备方式

表2 水泡粪在存储时间结束时的特征

注：a为溶解性化学需氧量;b为总挥发性脂肪酸

1.3 接种物

1.4 发酵装置与方法

如图1所示，水泡粪的甲烷发酵装置主要由水浴箱、发酵反应器及集气系统3部分组成。其中，反应器坐落于水浴箱中，水温由温控仪控制在35℃±1℃；发酵反应器是容积为3 L的广口瓶，广口瓶以胶塞密封；发酵反应器产生的发酵气，由导管导出，经水封瓶后采用排水法收集和测量。

将准备好的如表2所示的水泡粪移入发酵反应器，装载量为1 L，接种0.5 L微生物富集培养物，通入N2驱氧5 min，封口，35℃±1℃下持续发酵，每日摇匀2～3次，直至发酵产气停止。

发酵过程中，每隔两日用50 mL注射器吸取发酵混合液10 mL，用于水质分析。每日记录产生的气体体积一次，并用1 mL注射器吸取气体样品用于气体组分分析。

1.5 分析项目及方法

图1 水泡粪甲烷发酵装置示意图

2 结果与讨论

2.1 水泡粪甲烷发酵的产甲烷特征

存储时间为14 d或28 d的水泡粪，其甲烷发酵过程的累积甲烷产量变化如图2所示。结果表明，水泡粪的存储时间和TS含量对其甲烷发酵性能均有显著影响，总体而言，水泡粪的甲烷发酵性能随着存储时间的延长而增加。存储时间为14 d时，TS含量分别为3%(A1)，5%(A2)和7%(A3)的水泡粪的甲烷发酵完成时间均为17 d左右，其最终的累积甲烷产量分别为0.64,0.43和0.40 L·L-1。当存储时间增加到28 d后，TS含量分别为3%(B1),5%(B2)和7%(B3)的水泡粪的甲烷发酵完成时间分别延长到了23，35和47 d，最终的累积甲烷产量分别为3.02,4.16和5.52 L·L-1。在发酵周期内，存储时间为14 d和28 d的水泡粪，其比产甲烷速率均随着TS含量的增加而降低，在TS为3%时分别为0.04和0.13 L·L-1d-1(见图3)。可见，较长的存储时间和较低的TS含量更有利于提高水泡粪的甲烷发酵性能，而存储时间的影响要显著大于TS含量的影响。

图2 水泡粪甲烷发酵的甲烷累积产量

图3 水泡粪甲烷发酵的比产甲烷速率(T为存储时间)

2.2 甲烷发酵对水泡粪SCOD和VS的去除

对于存储时间和TS含量不同的水泡粪，在甲烷发酵过程中所表现出的SCOD变化规律也有显著差异。如图4所示，在TS为3%～7%的范围内，存储时间为14 d的水泡粪，其甲烷发酵系统的SCOD均呈现上升趋势。而对于存储时间为28 d的水泡粪发酵系统，其SCOD则随着甲烷发酵的进行而降低，在发酵周结束时，在TS为3%(B1)，5%(B2)和7%(B3)系统中的去除率分别达到了63%，71%和72%。VS的去除率也是评价厌氧消化系统效能的重要指标之一[24]。如图5所示，存储时间为28 d的水泡粪在厌氧消化过程中表现出了更高的VS去除率，对B1，B2和B3的VS去除率分别为55%，48%和42%，呈现出随TS含量增加而降低的规律。存储时间为14 d的水泡粪在甲烷发酵过程中，也表现出了一定的VS去除能力，发酵结束时，对A1，A2和A3的VS去除率分别为39%,25%和18%。SCOD的逐渐升高(见图4)，说明A1，A2和A3的发酵系统，水解酸化作用较强，而产甲烷作用较弱。

2.3 水泡粪甲烷发酵过程中pH和VFAs变化特征

如图2～图5所示，存储时间为14 d和28 d的水泡粪，其甲烷发酵特征存在较大差异。这一差异在pH值变化规律上得到了进一步反映。如图6所示，存储时间为14 d的水泡粪A1，A2和A3，其pH值在甲烷发酵前期均呈现迅速下降趋势，并在第11天后分别稳定在了6.4，6.1和6.3左右。而存储时间为28 d的水泡粪B1，B2和B3，其pH值在甲烷发酵前期均表现为上升趋势，并最终稳定在8.0左右。分析认为，pH值的这一变化规律与发酵系统中的VFAs的产生与消耗有关。如图7～图12所示的检测结果表明，水泡粪甲烷发酵过程产生的VFAs以乙酸、丙酸和丁酸为主。存储时间为14 d的水泡粪A1，A2和A3，其总VFAs在甲烷发酵前期均呈现上升趋势，但在第19天以后分别稳定在了10.9,14.0和16.2 g·L-1左右。VFAs的积累导致了发酵系统的pH值下降，并随着总VFAs的稳定而不再有明显变化(见图6)。而存储时间为28 d的水泡粪B1，B2和B3，在发酵之初其总VFAs即呈现出迅速下降趋势。虽然在第11天以后，总VFAs的降解有所放缓，但在发酵结束时均已消耗殆尽。VFAs的不断消耗使系统的pH值表现出了逐渐上升趋势(见图6)。

图4 水泡粪甲烷发酵过程中的SCOD变化

图5 水泡粪甲烷发酵的VS去除率(T为存储时间)

研究表明，参与甲烷发酵的微生物类群主要包括产酸发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群等，它们的代谢平衡是甲烷发酵得以顺利进行的基础[25]。其中，产氢产乙酸菌群可将产酸发酵菌群产生的丙酸和丁酸等VFAs转化为乙酸和H2/CO2，为产甲烷菌群提供营养底物。而丙酸和丁酸的产氢产乙酸作用受氢分压(PH2)的影响显著[26-27]。相对于丁酸而言，丙酸的产氢产乙酸反应更加困难，需要更低的PH2。如图7～图12所示，在B1,B2和B3的甲烷发酵系统中，乙酸和丁酸自发酵之初即得到了迅速转化，而丙酸出现了一定程度的积累，其积累程度随着水泡粪TS含量的升高而增加，最高浓度分别达到了2.1(第13 天),4.2(第19 天)和6.1 g·L-1(第19 天)。这一结果表明，TS的增加强化了产酸发酵菌群的代谢能力，而产氢产乙酸菌群的生长速率较产酸发酵菌群缓慢，不能及时转化增加了的丙酸，进而形成了积累[28]。尽管乙酸和丁酸的浓度不断下降，由于丙酸的持续积累，使总VFAs浓度在第11 天以后的一定时期内表现为相对稳定。随着发酵时间的延续，丙酸浓度在达到峰值后开始下降。这一先上升后下降的丙酸浓度变化规律在TS含量分别为5%(B2)和7%(B3)的发酵系统中表现得尤为突出。在B2和B3的发酵系统中，伴随丙酸浓度的下降，乙酸浓度呈增加趋势，说明产氢产乙酸菌群的丙酸转化能力得到了提升。由此产生的乙酸也很快得到了降解，并最终消耗殆尽，反映了嗜乙酸产甲烷菌群在发酵系统中的良好代谢能力。

图6 水泡粪甲烷发酵过程中的pH值变化

图7 水泡粪A1(TS 3%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

图8 水泡粪A2(TS 5%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

图9 水泡粪A3(TS 7%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

图10 水泡粪B1(TS 3%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

图11 水泡粪B2(TS 5%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

图12 水泡粪B3(TS 7%)甲烷发酵过程中的VFAs变化特征

3 结论

(1)较长的存储时间和较低的TS浓度可使水泡粪甲烷发酵表现出更好的产甲烷和污染物去除性能，存储时间较TS浓度对水泡粪甲烷发酵性能的影响更大。

(2)对于存储时间为28 d、TS浓度为3%的水泡粪，其甲烷产量和比产甲烷速率分别可达3.02 L·L-1和0.13 L·L-1d-1，SCOD和VS的去除率分别达到63%和55%。

(3)对于存储时间为14 d的水泡粪，由VFAs积累导致的较低pH值，会严重抑制产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的生长代谢，是限制其甲烷发酵性能的主要因素。