張超君 潘建剛 張艾艾 蔣海明 季祥 蔡祿
摘要:采用響應面中心組合設計,研究了pH和C/N對污泥厭氧發(fā)酵產沼氣的影響,并利用回歸方程對其產氣量進行模擬。結果表明, 當pH 6.50~8.00時,C/N 20~30之間變化時,產氣量隨之發(fā)生明顯變化,當pH 7.25和C/N 25時,污泥單位產氣量最高;以pH為因素A,C/N為因素B,單位產氣量為響應值R1,進行響應面分析,建立模型得到二次系數(shù)方程,根據方程預測,當pH 7.09和C/N 25時,其理論最高產氣量可達345 mL/g,而實際驗證試驗的產氣量結果為(348±6) mL/g,與預測值相差僅0.8%,可見該方法確定的最佳條件合理,可以很好地用于污泥厭氧發(fā)酵條件的優(yōu)化。
關鍵詞:中心組合設計;厭氧發(fā)酵;pH;C/N;產氣量
中圖分類號:X703 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2016)06-1422-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.015
污泥是一種成分復雜,含有大量病原微生物和寄生蟲卵的極易腐化的膠體物質,如不進行正確的處理將對環(huán)境造成嚴重的二次污染[1,2]。因此,對于污泥的處理已經成為了環(huán)境治理的新難題。當前污泥處理多采用焚燒、填海和厭氧發(fā)酵等方法,相比之下,厭氧發(fā)酵法能耗低,穩(wěn)定性高,病原微生物和寄生蟲卵在發(fā)酵過程中近乎除去,同時還可以產生清潔能源沼氣,更符合當今社會對環(huán)境與能源的需求[3]。然而厭氧發(fā)酵受溫度、pH、C/N、金屬離子、TS等多種因素的影響[4-10],尤其是pH和C/N對厭氧發(fā)酵的影響最為直接,眾多研究表明,適合的C/N與初始pH對厭氧發(fā)酵產氣量有很大的影響,在一定程度上決定著厭氧發(fā)酵產氣量的高低[11-14]。然而目前關于利用CCD研究pH和C/N對污泥厭氧發(fā)酵的影響尚鮮有報道。
CCD(Central Composite Design),即中心組合設計,多用于在已知范圍內的條件優(yōu)化,它可以連續(xù)地對研究條件的各個水平進行分析,并通過數(shù)學模型進行理論預測,目前已廣泛應用于各個領域的條件優(yōu)化,如物質提取和牛糞厭氧發(fā)酵等[15-17],基于此,本試驗利用CCD研究初始pH和C/N對污泥厭氧發(fā)酵產沼氣的影響,以期為污泥厭氧發(fā)酵效率的提高提供一定的理論依據。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
本試驗所用污泥均取自內蒙古包頭市北郊污水處理廠,污泥取回后保存于4 ℃的冰箱中待用,使用前置于35 ℃培養(yǎng)箱中活化24 h。試驗藥品包括葡萄糖,尿素,試劑均為分析純,鹽酸0.1 mol/L,NaOH 0.1 mol/L溶液。
1.2 試驗方法
1.2.1 試驗裝置 本試驗采用實驗室制作的小型簡易厭氧發(fā)酵裝置,由發(fā)酵瓶、集氣瓶和集水瓶組成,為了方便觀察瓶內情況和防止漏氣,整個裝置均選用玻璃磨口錐形瓶作為容器;發(fā)酵瓶瓶口用雙孔橡膠塞密封,設為取樣口和排氣口,排氣口通過玻璃管和橡膠管與集氣瓶相連,集氣瓶通過排水集氣法收集氣體,排出的水進入集水瓶中。發(fā)酵過程中將發(fā)酵瓶置于恒溫水浴裝置(常州人和恒溫水浴鍋)內維持溫度,裝置圖如圖1。
1.2.2 測定方法 本試驗主要測定指標有:①TS(總固體含量),取一定量污泥(質量為M1),放入烘箱(105±1) ℃烘至恒重后測定質量(M2),TS=■×100%;②VS(揮發(fā)性固體含量),(105±1) ℃烘至恒重的污泥用馬弗爐600 ℃灼燒2 h,測定質量(M3),VS=■×100%;③pH,使用pH計(柯迪達CT-6023型pH計)測量,總碳的測量采用重鉻酸鉀容量法[18],總氮采用堿性過硫酸鉀法[19],氣體體積通過排水法測定。
1.2.3 試驗設計 本試驗以剩余污泥為原料進行厭氧發(fā)酵,發(fā)酵溫度(35±1) ℃,每罐中添加污泥200 g,調節(jié)TS=8%, pH 6.50~8.00,C/N 20~30之間變化,試驗中C/N與pH的組合均由Design-expert.V8.0.6.1軟件設計完成,詳見表2。使用葡萄糖和尿素(均為分析純)調節(jié)C/N比,由于試驗組設立兩組平行,發(fā)酵周期30 d。
2 結果與分析
2.1 pH和C/N對產氣量的影響
經過30 d的厭氧發(fā)酵,試驗各組單位產氣量見表2。由表2可知,當C/N為17.93~32.07時,pH 6.19~8.31之間時,污泥厭氧發(fā)酵均能正常產氣。1~5號試驗組初始條件完全相同互為平行試驗,試驗結果為(338±6) mL/g,1~7號試驗組的初始pH相同均為7.25,分析可知,當初始pH 7.25時,C/N為25.00的試驗組單位產氣量最高。其次是C/N為17.93的試驗組,C/N為32.07的試驗組單位產氣量最低;8號和10號C/N均為30.00,初始pH分別是8.0和6.5,9號和11號的C/N均為20,初始pH分別是8.0和6.5,由此分析可知,C/N為30或者20時,初始pH 6.5的試驗組單位產氣量大。試驗組1~5、11、13的C/N相同均為25,初始pH分別是7.25、6.19和8.31,分析發(fā)現(xiàn)當C/N均為25時,初始pH為7.25的試驗組單位產氣量最大。
2.2 產氣量模型的建立
設pH為因子A,C/N為因子B,以單位產氣量為響應值R1,將表2的試驗數(shù)據輸入Design-expert.V8.0.6.1軟件,對試驗結果進行回歸分析,去除沒有顯著影響的B、AB因子,得到以下回歸方程:R1=-2 118.31+695.156 89A-49.236 90A2-0.033 365B2,以及3D響應面圖2。由圖2可以直觀看出,因子A和因子B與單位產氣量R1的關系,圖2中最高點表示最高產氣量,出現(xiàn)在pH 6.8~7.4,C/N為 24~26的條件下,存在于試驗所設范圍內,試驗選取的范圍無誤。模型P<0.000 1對于試驗呈現(xiàn)極顯著相關,表明模型選擇正確可以用于試驗預測,方程失擬項P為0.640 9>0.050 0不顯著,模型擬合正常且不失擬,表明試驗設計中不存在缺少變量因子的情況。由表3分析可知,R2表示從試驗樣本中得到的調整R2表示擬合度,該方程的擬合度為0.902 7>0.900 0,表明該方程的樣本擬合度較高;Adj R2為校正擬合度,Pre R2為預測R2表示預測擬合度,當Adj R2-Squared與Pre R-squared相差較小時,說明兩者存在于合理的協(xié)議中,正如表3中Adj R2與Pre R2分別為0.870 2與0.775 3兩者存在于合理的協(xié)議中,Adeq prec表示噪聲率,當該值大于4的時候表示模型結果令人滿意可以用于預測,本試驗Adeq prec=10.504>4說明該模型可以用于本試驗的預測。模型P<0.000 1表明回歸方程達到極顯著,說明該模型擬合程度較好,試驗誤差小,可以用于研究pH和C/N對污泥厭氧發(fā)酵單位產氣量的影響,并進行分析和預測。
2.3 模型符合性分析和驗證
將二次系數(shù)方程所得的預測值和試驗實際值進行比較,結果見表4,由表4數(shù)據可知,方程的預測值均在實際試驗值范圍內,說明該方程的符合性較高,可以用于該試驗的預測和分析。根據此方程預測,當 pH 7.09,C/N為25時,有最大單位產氣量345 mL/g。為了驗證方程預測結果,又進行了驗證試驗,取200 g污泥調節(jié)至pH 7.09,C/N為25,TS 8%,溫度維持在(35±1) ℃,進行厭氧發(fā)酵,設立3組平行,經過30 d厭氧發(fā)酵之后得到結果為(348±6) mL/g,與預測值345 mL/g相差不大,證明試驗結果與模型預測基本相符。該試驗結果與趙洪等[20]所研究的pH對厭氧發(fā)酵產氣量的影響,以及李玉春等[13]進行的C/N對稻稈厭氧發(fā)酵產氣量影響的研究結果基本相同。
3 小結
當pH 6.50~8.00,C/N在20~30之間變化時,產氣量隨之發(fā)生明顯變化,在pH 7.25和C/N 25時,污泥單位產氣量達到最高值(338±6) mL/g。
建立二次系數(shù)方程理論模型:R1=-2 118.31+695.156 89A2-0.033 365B2,根據該模型預測當pH 7.09,C/N 25時,產氣量達最大值,且經過試驗驗證,證明該模型可很好地用于pH和C/N對污泥厭氧發(fā)酵產氣量影響的條件優(yōu)化。
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