进料浓度对鸡粪长期高温甲烷发酵的影响

乔 玮,毕少杰,熊林鹏 ,任征然,董仁杰* (1.中国农业大学工学院,北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发实验中心(中国农业大学),北京 100083；3.中国农业大学烟台研究院,山东 烟台 264670)

随着我国经济发展和人民生活水平的提高,规模化畜禽养殖业快速发展[1].据统计,2010年我国鸡粪产生量高达2.5亿t[2].鸡粪富含有机质,易降解,产甲烷潜力高达296～377mL/g VS[3],采用甲烷发酵处理鸡粪具有回收能源和保护环境的双重意义,受到普遍欢迎[4].

鸡粪中存在大量致病菌,如 Salmonella,Campylobacter jejuni和Listeria monocytogenes等[5].与中温厌氧发酵相比,高温发酵灭杀病原菌的效率更高[6].研究发现高温发酵处理牛粪,市政污泥和餐厨垃圾获得的甲烷产量也较中温条件下高[7-8].但是高温发酵对pH值,氨氮,挥发性脂肪酸(VFAs)和其他有毒物质的变化更加敏感[9].

鸡粪的含氮量约为5.0%(基于干重,下同)[10],远超过牛粪的2.3%,猪粪的4.2%和餐厨垃圾3.6%[11].鸡粪含氮量高,易降解为氨氮,甲烷发酵过程经常面临着氨抑制问题.虽然适量的氨氮可促进微生物的生长,但是当氨氮浓度超过一定范围,将对微生物的代谢产生抑制.目前,普遍认为氨氮抑制甲烷发酵的下限浓度为 3.0～4.0g/L[12].但也有研究发现氨氮达到 2.5g/L,猪粪高温甲烷发酵就受到抑制[13].有研究表明,1.7g/L的氨氮浓度也会抑制牛粪甲烷发酵的进行[14].

厌氧微生物经过长时间的高浓度氨氮条件驯化后,其耐受氨氮的能力将得到增强[15].研究发现,经过70d驯化,脱水污泥甲烷发酵能够在 5.0～6.0g/L的氨氮浓度下进行[16].目前关于长期驯化对单独鸡粪高温甲烷发酵影响的研究较少[12].不同进料浓度对鸡粪长期甲烷发酵的影响需要进一步研究.尤其是随着进料浓度的增加,氨氮浓度是否会等比例的增加还不清楚.为此,本研究开展高温条件下鸡粪连续发酵的长期实验,通过梯度提高进料浓度,探索不同进料浓度下的发酵特性,考察工艺的稳定性.

1 材料和方法

1.1 试验材料及处理方法

鸡粪取自中国农业大学西校区蛋鸡养殖基地,取回后放置于 4℃冷藏室中保存.使用之前,用自来水将鸡粪稀释至总固体浓度(TS) 5.0%,7.5%和 10.0%.接种污泥为北京密云石匣村秸秆高温沼气工程的出料,该沼气工程常年连续运行,运行温度为 50～60℃.鸡粪和接种污泥的性质见表1.

表1 鸡粪和接种污泥的性质Table 1 Characteristics of chicken manure and inoculum

1.2 连续发酵试验设计

在高温(55±1)℃条件下,采用 1个连续搅拌反应器(CSTR)进行鸡粪连续发酵试验,试验装置如图1所示.反应器总体积为15L,有效体积为12L.反应器设有水浴夹层,利用水浴(HX-15,北京)在夹层内循环流动加热,维持(55±1)℃的恒定温度.基质罐体积为 8.0L,温度控制在(4±1)℃.反应器采用连续机械搅拌(USM540-402W2,日本),转速设置为 50～90r/min.水力停留时间(HRT)为 20d,通过梯度提高进料浓度增加有机负荷(OLR),进料TS为5.0%,7.5%和10.0%,对应的OLR为2.5,3.8,5.0g TS/(L·d).每个阶段的运行时间分别为93,87和87d,均超过4个HRT,经过2个HRT之后的数据用来计算系统的效率,见图3的阴影部分.采用蠕动泵(BT100N,保定)自动进出料,通过定时器(DJ-B14M,深圳)控制每天 4次进料,每次进料量为150.0mL.每天测定产气量,pH 值和沼气成分,每 4天测定VFAs,碱度和氨氮.

图1 试验装置Fig.1 Scheme of experimental device

1.3 污泥比产甲烷活性测试

以乙酸钠为基质,采用批次试验进行污泥比产甲烷活性(SMA)测试.取鸡粪连续发酵试验稳定运行阶段(第75,160和240d)的出料,去除溶解性成分并恢复活性后用作接种污泥,具体方法见参考文献[17].接种污泥的 VSS浓度分别为 10.0,24.0,和52.0g VSS/L.

批次试验流程见图2.试验共3批,每批6组,每组3个重复.取120.0mL血清瓶,加入接种污泥 10.0mL,添加乙酸钠和营养液至 100.0mL,分别形成终浓度为0,1.0,2.0,4.0,6.0,10.0,15.0g-COD/L的乙酸钠溶液.采用NH4Cl调节氨氮浓度为2.5,5.5和7.0g/L,使血清瓶中的氨氮浓度与反应器运行阶段的相同.向血清瓶中冲入氮气 2min,形成厌氧环境.水浴(HH-60,常州)保持(55±1)℃恒温,每天手动震荡 3次混合料液.发酵过程中测定产气量和沼气成分.SMA的计算采用Wandera等[18]研究中的方法,计算公式如下:

式中:V(CH4)为累积产甲烷量,mL;VR为血清瓶中添加的污泥量,L;f为化学需氧量(COD)与甲烷产量的转化系数,350.0mL/g-COD;VSS是所用污泥的悬浮性挥发固体含量,g-VSS/L;t为时间,d.

图2 污泥比产甲烷活性试验流程Fig.2 Procedure of SMA test

1.4 分析方法

1.4.1 化学分析方法 TS,VS,SS和VSS采用重量法测定[19].其中,SS和 VSS的具体测定方法是称取约 30.0g鸡粪置入三角瓶中,加入蒸馏水 150.0mL,加盖密封后,于室温下手动连续振荡 30min,弃去上清液(分离溶解性固体),再用烘干法测定.采用Orion 5-Star pH计直接测定出料pH值,原料鸡粪经浸提后测定浸提液的pH值.测定过程为:称取10.0g鸡粪置入三角瓶中,加入去除二氧化碳的蒸馏水25.0mL,加盖密封,于室温下连续振荡 30min,静置 30min后测上层清液的pH值.鸡粪中的碳,氢,氧,硫和氮的元素质量百分含量采用Vario Macro型元素分析仪测定.氨氮采用水杨酸-次氯酸盐光度法测定.碳酸氢盐碱度用盐酸滴定法测定.发酵出料经九阳豆浆机(JYLC012,杭州)匀浆 1.0～2.0min,用蒸馏水稀释,采用重铬酸钾法测定COD.沼气成分由GC-8A气相色谱仪测定,色谱柱为Φ10m×2mm不锈钢色谱柱.甲烷检测条件:氢气分压为 0.6MPa,流速为 30mL/min,进样口,柱温及检测器(TCD)温度分别为 120,50和120℃,进样量为 0.5mL.VFAs用GC-2010Plus气相色谱测定,色谱柱为RTX-WAX毛细色谱柱,载气为氮气,分压为 0.4MPa,流速为 40.0mL/min,分流比为30.进样器和检测器(FID)温度分别为 230和 250℃,进样体积为20.0uL.1g乙酸,丙酸,丁酸(异丁酸),戊酸(异戊酸)和己酸分别折算为 1.07,1.51,1.63,2.04,2.25g COD.

1.4.2 统计分析方法 发酵过程中 VFAs,碱度,氨氮和产气率等以SPASS 20.0软件进行单因素方差分析(P＜0.05).

2 结果与讨论

2.1 鸡粪高温连续发酵的产气性能

鸡粪高温甲烷发酵试验一共进行了267d,发酵性能随进料TS不断增加的变化情况见图3和表2.发酵开始至第 93d,进料 TS为 5.0%,出料氨氮浓度为(2.5±0.3)g/L.此时产气率,甲烷浓度和 VFAs分别为(267.2±12.5)mL/g TSin, (67.2±1.3)% 和 (0.4±0.1)g/L,pH 为值(8.3±0.2).各参数无明显波动,发酵系统运行平稳.从第94d开始,进料TS由5.0%升至7.5%,氨氮浓度迅速增加并稳定在(5.5±0.3)g/L,VFAs浓度增至(19.2±1.3)g/L.产气率比进料TS5.0%的减少了38.2%,为(166.5±11.3)mL/g TSin.第 181d后,进料 TS提升至10.0%,氨氮浓度进一步增至(6.1±0.2)g/L,VFAs提升至(26.1±1.5)g/L,pH 值 降 至(6.9±0.1).产 气 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 鸡粪高温连续发酵试验的运行情况Table 2 Performance of methane fermentation during a long term operation

根据表 1中鸡粪的元素组成可将其表达成化学式 C7.9H12.2O4.8N.通过 Buswell发酵方程建立鸡粪甲烷发酵的化学计量,方程如下:

根据上述方程,1g鸡粪完全降解理论上可以产生564.1mL沼气,甲烷浓度为60.3%,同时产生53.0mg氨氮.本研究采用进料 TS5.0%的鸡粪进行连续发酵,产气率为(267.2±12.5)mL/g TSin,TS 去除率为(43.9±2.7)%,即降解1g鸡粪约产生608.1mL沼气,与理论结果相近.进料TS7.5%和10.0%阶段的产气率明显下降,此时更多的有机质转化为VFAs.

在厌氧发酵过程中,较高浓度的料液可为微生物提供充足的营养物质,但浓度过高会阻碍传热传质过程,抑制发酵微生物生长代谢,导致基质利用率降低[20].刘德江等[21]研究了不同 TS浓度(6.0%,8.0%和10.0%)对牛粪沼气发酵的影响,发现 TS8.0%的产气效果最佳.反应器内的有害物质(如氨氮等)经常伴随进料浓度的增加而增加,从而导致甲烷发酵体系的不稳定[22].

表3 甲烷发酵氨抑制情况分析Table 3 Analysis of ammonia inhibition in anaerobic fermentation

鸡粪高温发酵过程中,随着进料TS增加,氨氮和有 机酸出现明显累积(图 3c和图 3e),前人对此多有报道(表 3).Niu等[12]研究表明氨氮浓度达到 4.0g/L,鸡粪高温产甲烷量降低 17.0%.Borja等[23]发现氨氮浓度达到5.0g/L,鸡粪高温产甲烷量降低 80.0%.本研究发现(5.5±0.3)和(6.1±0.2)g/L氨氮浓度导致鸡粪的产气率分别减少37.8%和81.4%.目前研究认为甲烷发酵过程中产气量的变化不是由某一特定因素决定,而是受进料TS,氨氮和 VFAs等多种因素共同影响[22].目前各因素之间以及各因素对发酵微生物代谢的影响尚不明确.

图3 连续发酵试验在不同进料TS条件下的运行情况Fig.3 Performance of methane fermentation during a long term operation

关于氨氮抑制高温甲烷发酵的研究已有大量报 道[22-28].由于鸡粪含氮量高,甲烷发酵过程中易降解为氨氮,造成氨抑制(图 3e和图 3g).氨氮浓度由(2.5±0.3)g/L 增至(6.1±0.2)g/L,VFAs 浓度由 0.4±0.1g/L 增至 26.1±1.5g/L,产气率显著降低(P＜0.05).氨氮积累对鸡粪甲烷发酵产生明显抑制,造成产酸菌和产甲烷菌之间的代谢失衡.

作为水解酸化主要产物和产甲烷菌所利用底物,VFAs是评价水解酸化过程和产甲烷过程是否平衡的重要指标.在稳定运行的反应器中,产甲烷菌能够迅速利用水解酸化菌产生的VFAs,使VFAs浓度保持在较低的水平[29].当VFAs大量积累时,产甲烷菌的活性将会受到抑制.任南琪等[30]研究发现当厌氧发酵体系中乙酸浓度高于2.3g/L,丙酸浓度高于0.3g/L或丁酸浓度高于 2.0g/L时,产甲烷菌的活性将受到抑制.VFAs的累积通常还会导致pH值的降低,进而影响产甲烷菌的活性.进料TS7.5%和10.0%,VFAs浓度分别为(19.2±1.3)和(26.1±1.5)g/L,均超过了报道的酸抑制浓度.

试验过程中,随着进料 TS的提升,氨氮和 VFAs逐渐累积,导致了产气率显著下降.由于鸡粪的特性,采用进料 TS浓度大于 7.5%的鸡粪进行高温甲烷发酵时势必会产生氨抑制.

2.2 鸡粪连续发酵过程物料平衡分析

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

通过长期连续甲烷发酵试验,基于物料平衡分析不同进料 TS条件下鸡粪水解,酸化和甲烷化程度的变化(图4).进料TS为5.0%时,由于进出料的波动,样品破碎不充分,造成测定的 COD 存在较大误差,为15.0%;进料TS为7.5%和10.0%时,样品充分破碎后,误差所占的比例分别下降到 1.7%和 3.6%.连续发酵过程中水解,酸化和甲烷化程度的计算方法参考文献[22].进料TS由5.0%升至7.5%和10.0%,水解率分别为30.5%,37.8%和15.3%,酸化率分别为28.6%,30.2%和12.0%,甲烷转化率为44.6%,23.2%和4.5%.鸡粪高温发酵的甲烷转化率较低.即使进料TS为5.0%,甲烷转化率仅为44.6%,与Niu等[22]报道结果一致,但远低于餐厨垃圾高温发酵 75.0%的转化率[31].随着进料浓度增加,水解,酸化和甲烷化程度均呈现明显下降趋势.当进料 TS浓度达到 10.0%,PCOD,VFA-COD和CH4-COD 依次为(54.6±8.9)%,(24.2±1.3)%和(4.5±0.7)%. COD去除率明显降低,VFAs所占比例大幅度提高,比正常情况下高出33倍,VFAs与氨氮共同抑制甲烷发酵进行,导致产气率明显降低.

2.3 固体的去除率分析

采用甲烷发酵处理畜禽粪便具有回收能源和保护环境的双重意义.TS,VS,SS和 VSS去除率通常用于表示有机污染物的去除效果.图5是鸡粪连续发酵试验过程中进料和出料中TS,VS,SS和VSS的变化,并在表2中进行了总结.进料TS为5.0%,TS,VS,SS和VSS的去除率分别为 43.9%,59.1%,41.3%和 55.4%,处于Nizami等[32]报道的CSTR处理能源作物40.0～70.0%VS去除率范围内.随着进料TS升至10.0%,TS,VS,SS和 VSS去除率均发生显著下降(P＜0.05),分别降至 23.8%,30.0%,19.7%和 25.2%,下降率分别为45.8%,49.3%,52.3%和 54.5%.氨氮浓度随进料 TS增加而提高,抑制水解,酸化和甲烷化进行,造成鸡粪中有机质的去除率明显下降.

2.4 氨氮对VFAs累积和产气率的影响

采用线性回归分析了鸡粪高温发酵过程中氨氮累积对VFAs累积和产气率的影响(图6).图6a对氨氮和 VFAs累积进行了线性回归分析,R2为 0.9,经推算氨氮浓度超过 2.0g/L,VFAs开始累积,即鸡粪高温发酵产生抑制的氨浓度.图 6b对氨氮和产气率进行了线性回归分析,R2为0.8,经推算氨氮浓度达到8.2g/L,反应器产气停止,即鸡粪高温发酵完全抑制的氨浓度.大量研究就氨氮对甲烷发酵的影响进行了论证,但是不同原料不同温度下产生抑制的氨浓度不同,研究发现 1.7g/L的氨氮浓度就可能会抑制甲烷发酵[14].Andrew等[13]发现氨氮达到 2.5g/L时,牛粪高温甲烷发酵才受到抑制.本研究通过鸡粪长期甲烷发酵试验发现,氨氮浓度低于3.0g/L,VFAs浓度在1.0g/L以内,产气率波动不明显.氨氮浓度在3.5g/L左右,VFAs浓度在 5.0～15.0g/L范围波动,产气率出现明显降低.氨氮浓度提升至5.0g/L,VFAs累积至20.0g/L,产气率比氨氮浓度 3.0g/L时下降约 50.0%.氨氮浓度达到7.5g/L,VFAs浓度高达(26.1±1.5)g/L,产气率仅为(49.8±8.2)mL/g TSin.综合长期试验结果与线性回归分析,本研究中氨氮抑制鸡粪高温甲烷发酵产气的浓度在 2.5～3.0g/L,与 Wang等[33]报道的结果相似,但低于Niu等[12]报道的氨抑制起始浓度(4.0g/L).烷菌的最主要前体物质.本研究采用乙酸钠为基质进行SMA测试.图7是进料TS5.0%,7.5%和10.0%阶段SMA试验中的累积甲烷产量,Gomperzt拟合曲线(图 7a,b,c)和不同乙酸浓度下的比产甲烷活性(图7d,表4).

图5 连续发酵试验运行过程中TS,VS,SS和VSS去除率的变化Fig.5 TS, VS, SS and VSS removal rates of methane fermentation during a long term operation

图6 氨氮对VFAs累积和产气率的影响Fig.6 Effect of TAN on VFA accumulation and gas production

2.5 污泥比产甲烷活性分析

SMA指污泥所能具有的去除COD或生成甲烷的能力,是反映污泥品质的重要参数之一[34].乙酸是产甲

由图7和表4可以看出,进料TS为5.0%时,污泥SMA随乙酸浓度增高而增加,15.0g COD/L浓度下获得最大产甲烷活性(246.3±5.7)mg COD/(g VSS·d),反应器内的VSS为10.0g VSS/L,对应的反应器最大的产甲烷能力为0.9L CH4/(L·d),远超过此时反应器容积产甲烷率 0.5L CH4/(L·d).进料 TS 为 7.5%时,污泥SMA随乙酸浓度增高呈先升高后降低的趋势,在10.0g COD/L浓度下获得最大产甲烷活性(108.8±2.9)mg COD/(g VSS·d),反应器内的 VSS 为 24.0g VSS/L,对应的反应器最大的产甲烷能力为 0.9L CH4/(L·d),远超过反应器的容积产甲烷率 0.4L CH4/(L·d).因此,在 TS5.0%和 7.5%的进料浓度下,发酵系统的产甲烷能力仍有提高的潜力.在5.5g/L氨氮浓度下,污泥最高SMA降低了60.0%.进料TS为10.0%,氨氮浓度为7.0g/L时,各浓度处理均未观察到明显的产气.可见,氨氮浓度对污泥乙酸产甲烷活性影响显著(P＜0.05),氨氮浓度达到 7.0g/L时,利用乙酸产甲烷活动被完全抑制.

图7 各进料TS浓度下不同乙酸浓度的累积甲烷产量和对应的比产甲烷活性Fig.7 Cumulative methane yield and corresponding SMA of different acetate concentrations under different feed

表4 进料浓度5.0%和7.5%条件下的比产甲烷活性Table 4 SMA under different feed TS

3 结论

3.1 鸡粪高温甲烷发酵能够在进料TS为 5.0%下稳定运行,进料TS超过7.5%,氨氮和VFAs均明显升高,对甲烷发酵水解,酸化和产甲烷产生抑制,导致产气率和降解程度的降低.

3.2 综合长期试验结果与线性回归分析获得氨抑制鸡粪高温甲烷发酵起始浓度为 2.5～3.0g/L,完全抑制浓度为8.2g/L.

3.3 氨氮浓度的提高导致发酵体系利用乙酸产甲烷的能力降低,氨氮浓度为5.5g/L,污泥最高乙酸产甲烷活性降低 60.0%,达到7.0g/L,污泥利用乙酸产甲烷活动几乎停止.