沼液回流对厌氧发酵产气性能的影响

鲁文霞，丑三涛，2，徐 攀，2，朱晓利，赵玉祝

（1.潍坊理工学院，山东 潍坊 261000；2.山东禄禧大盛环保科技有限公司，山东 潍坊 261000）

我国是一个农业生产大国，农业废弃物如秸秆、畜禽粪污等年总产量约48×108t，其中畜禽粪污年产量39×108t。大量的农业废弃物经过资源化利用后，可以生产出大量高效、绿色、节能的沼气，既能回收大量生活垃圾，又可以作为我国能源缺口的重要补充。厌氧发酵技术为实现节能减排提供了一种解决方案，但很多大型沼气工程由于后端产生大量沼液不能及时还田利用，存放的沼液出现二次污染的问题较为严重，在运行几年之后就处于停滞状态。因此，从厌氧发酵产沼气工艺角度考虑，实现沼液回流二次利用对降低污染、提高有机物利用率具有重要意义，但不同原料沼液回流过程中出现pH 值变化大、氨氮含量超标导致厌氧发酵内部微生物系统失调、产气量及甲烷浓度下降等问题，严重制约着沼气工程提产增效的发展。基于此，本文展开了沼液回流对厌氧发酵产气性能影响的研究，以期为沼气工程提产增效提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原料

发酵原料为鸡粪、牛粪和沼液。鸡粪取自潍坊立华牧业股份有限公司，牛粪取自山东合力牧业有限公司，沼液取自山东禄禧大盛环保科技有限公司。发酵原料理化属性见表1。

表1 发酵原料理化属性Tab.1 Physical and chemical properties of fermentation raw materials

1.2 厌氧发酵试验装置

厌氧发酵试验设备见图1。

图1 厌氧发酵试验设备Fig.1 Anaerobic fermentation test equipment

1.3 试验方法

本试验采用中型厌氧发酵试验设备进行连续试验，试验周期为31 d。试验设为两组，分别为A1、A2。以鸡粪为原料，沼液做接种物，料液中10%的鸡粪作为A1组；以牛粪为原料，沼液做接种物，料液中10%的牛粪作为A2组，进行厌氧发酵试验。试验过程中严格控制厌氧发酵温度（37±1）℃，每天对厌氧发酵料液取样检测pH 值、FOS/TAC、NH4-N、产沼气量、甲烷浓度等指标。测量pH 值采用pH-25 型酸度计；测量FOS/TAC采用酸式滴定法；测量NH4-N值采用纳氏试剂分光光度法；测量气体产量采用湿式气体流量计；分析气体成分采用便携式Biogas 5 000沼气分析仪。

2 试验结果与分析

2.1 两组发酵料液pH值变化分析

两组试验pH 值变化趋势见图2。由图2 可知，两组不同原料厌氧发酵反应过程中发酵料液pH 值得变化趋势均有不同，A1组pH 值变化曲线波动较大，最大值为8.58，最小值为7.95，均值8.27；A2组pH 值变化曲线相对比较平稳，数值变化波动比A1组较小，其中A2组pH 值最大值8.04，最小值7.69，均值7.87；从两组pH 值数据变化来看，A2组pH 值变化较A1组pH 值变化趋势稳定。水解产酸目前是厌氧发酵产沼气化的限速步骤之一，pH 值是影响厌氧发酵水解酸化的重要条件[1]，调节发酵料pH值在7.6～8有助于促进厌氧发酵产沼气。

图2 两组试验pH值变化趋势图Fig.2 Trend chart of pH value change in two groups

2.2 两组发酵料液FOS/TAC数值变化分析

两组发酵料液FOS/TAC 数值变化趋势见图3。由图3 可知，两组不同原料厌氧发酵反应过程中发酵料液FOS/TAC 比值变化趋势均有不同，A1组FOS/TAC 比值变化曲线波动较大，最大值为0.55，最小值为0.42，均值0.47；A2组FOS/TAC 比值变化普遍较低，A2最大比值0.3，最小比值0.07，均值0.2；从两组pH 值数据变化来分析，A2组pH 值变化较A1组pH 值变化趋势稳定。A1组随着试验的进行，发酵料液的水解酸化速率降低，有机酸的积累量开始下降，发酵料液氧化还原电位下降，为甲烷菌的生存和繁殖提供条件，同时产酸菌受到抑制。可能是沼液回流原因使发酵液的有机酸大量积累出现比值升高[2]。

图3 2组试验FOS/TAC比值变化趋势图Fig.3 FOS/TAC ratio trend chart for the two groups

2.3 两组发酵料液NH4-N含量变化分析

两组发酵料液NH4-N 含量变化趋势见图4。由图4 可知，两组不同原料厌氧发酵反应过程中发酵料液NH4-N值变化趋势均有不同，A1组NH4-N值变化曲线呈现上升趋势，最大值为6 458 mg/kg，最小值为4 899 mg/kg，平均值5 764.3 mg/kg；A2组NH4-N 值变化普遍较平稳，最大值3 342.9 mg/kg，最小比值2 924.1 mg/kg，均值3.83.9 mg/kg；从两组NH4-N 值数据变化趋势来分析，A2组NH4-N 值变化较A1组NH4-N 值变化趋势稳定。氨氮值一直上升，一方面是沼液回流造成的，回流沼液中营养元素丰富，例如氮磷钾，沼液不断经过回流装置进行回流，从而营养元素也会不断累积；另一方面是原材料本身的自带的，A1组发酵原材料是以鸡粪为主，鸡粪中含有较高的氨氮。发酵料液中氨氮值大幅度增加会抑制产甲烷菌的生存和繁殖，从而产气效率下降，严重时厌氧发酵停止进行，破坏发酵系统。

图4 两组试验NH4-N比值变化趋势图Fig.4 Trend chart of NH4-N ratio in two groups

2.4 两组甲烷浓度变化分析

两组试验甲烷浓度变化趋势见图5。由图5 可知，以两组不同原料沼液回流厌氧发酵反应过程中甲烷浓度变化趋势均有所不同，A1组甲烷浓度变化曲线呈现上升趋势，最大值为59.8%，最小值为44.4%，均值53.44%；A2甲烷浓度变化曲线普遍较平稳，最大值71%，最小值62.3%，均值66.96%；从两组甲烷浓度数据变化趋势来分析，A2甲烷浓度较A1组甲烷浓度均值提高了25.3%。从两组试验结果对比分析中看出不同原料在等量沼液回流条件下的甲烷浓度也有所不同，适宜的pH 值、有机酸比值、氨氮含量对厌氧发酵过程微生物的生长繁殖能够起到促进作用。作为厌氧发酵优势菌群均有利于调控产酸菌与产甲烷菌之间平衡关系，抑制酸化现象发生，利于甲烷菌的生长繁殖[3]。

图5 两组试验甲烷浓度变化趋势图Fig.5 Trends of methane concentration in two groups

2.5 两组日产气量变化分析

两组试验日产气量变化趋势见图6。由图6 可知，两组不同原料沼液回流厌氧发酵反应过程中日产气量变化趋势均有不同，A1组日产气量变化曲线略微呈上升趋势发展，日产气最大值为379.85 m³/d，最小值为139.93 m³/d，均值266.69 m³/d；A2组日产气量变化曲线上升浮动比较大，最大值681.25 m³/d，最小值168.8 m³/d，均值428.23 m³/d；从两组日产气量数据变化趋势来分析，A2日产气量均值较A1组日产气量均值提高了60.6%。A1组在整个厌氧发酵试验周期内出现反应速度慢、甲烷浓度低，产气量少的情况，说明在发酵过程受沼液回流条件影响较大，出现pH 值过高，有机酸累积，氨氮浓度高的因素而导致发酵反应速度滞后，产气效率低。A2组在整个厌氧发酵试验周期内反应正常、在甲烷浓度和产气量方面均比A1组提高了很多。说明A2原料在发酵过程受沼液回流条件影响不大，并且能够快速适应并化解沼液回流带来的高氨氮值抑制及不利于微生物生长的否面影响，这对于沼液在沼气工程中的循环利用提供了理论支撑。

图6 两组试验日产气量变化趋势图Fig.6 Variation trend of daily gas production in two groups

3 结语

在两组不同种类厌氧发酵试验中，通过试验数据得知A2在pH 值为7.6～8、FOS/TAC 比值范围在0.07～0.3、NH4-N 值在3 000 mg/kg 范围内未出现因沼液回流而导致的产沼气受抑制的情况，也不影响厌氧发酵反应系统。

从两组厌氧发酵产气试验数据得出，A2组在试验中甲烷浓度与日产气量普遍较高，甲烷浓度较A1组提高了25.3%，日产气量较A1组提高了60.6%。