王黎偉王黎明方瀟陳家杰

(1.武漢致遠建設(shè)集團有限公司,湖北 武漢 430000;2.中船重工環(huán)境工程有限公司,湖北 武漢 430000;3.黃石市環(huán)境投資有限責(zé)任公司,湖北 黃石 435000)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展。中國畜牧業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，截至2022年8月我國蛋雞存欄量為11.83億只，比2020年的高峰減少了8.9%，但是雞蛋產(chǎn)量和蛋雞存欄量仍是全球第1[1]。養(yǎng)雞養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展同時帶來了雞糞經(jīng)濟的發(fā)展。

目前蛋雞雞糞多采用直接施用和好氧堆肥處理方式，這些處理方式極易將大量氨氣釋放到空氣和水體，造成環(huán)境污染，且從雞糞處理過程中獲取的直接經(jīng)濟價值微乎其微。厭氧處理是處理有機污染物行之有效的技術(shù)之一[2]。雞糞進行厭氧處理是一種可同時獲取清潔生物質(zhì)能源和高質(zhì)量液態(tài)有機肥的處理方式，為雞糞經(jīng)濟提供了思路。

目前，越來越多的學(xué)者通過對禽畜糞便進行厭氧處理研究，為沼氣工程應(yīng)用與發(fā)展提供了大量的技術(shù)支撐[3-9]。蛋雞雞糞的性質(zhì)依據(jù)雞齡、飼料、季節(jié)、身體狀況等因素不同存在差異。但蛋雞雞糞的有機氮含量均較高，極易被微生物降解為氨氮。氨氮濃度較低的環(huán)境可促進厭氧微生物的代謝生長，但是，當(dāng)游離的氨氮濃度達到一定范圍后將對厭氧微生物的代謝產(chǎn)生強烈的抑制作用[10]。畜禽糞污厭氧產(chǎn)沼氣工程實例大多選擇在中溫(35～40℃)條件下運行[11,12]。

目前，研究多集中于蛋雞雞糞厭氧反應(yīng)的相關(guān)工藝參數(shù)，關(guān)于雞糞厭氧反應(yīng)產(chǎn)沼氣的本質(zhì)和雞糞最經(jīng)濟處理負荷的研究少有報道。為此，本研究在中溫(38±2℃)條件下開展，并通過反應(yīng)特征數(shù)學(xué)模型研究確定工藝設(shè)計參數(shù)與運行參數(shù)，并通過計算得到反應(yīng)器最經(jīng)濟進料負荷，為雞糞經(jīng)濟提供半經(jīng)驗半理論計算公式。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理方法

本實驗蛋雞雞糞取自湖北省浠水縣蛋雞養(yǎng)殖廠，取回后手工剔除新鮮雞糞中肉眼可見的雜物，放置于0℃冷藏室中保存?zhèn)溆?。試驗所用反?yīng)器進料料漿：取原料雞糞用蒸餾水稀釋為總固體含量為10±1%，隨后用破壁機破壁6min。

1.2 實驗裝置

本文雞糞中溫低固厭氧實驗反應(yīng)器采用具有保溫夾套的CSTR厭氧反應(yīng)器，有效容積為10L，高徑比為1∶1。反應(yīng)器頂部設(shè)有攪拌器、進料口及沼氣排放口、側(cè)壁設(shè)有取樣口、循環(huán)水進回水口及pH計接口。循環(huán)水進回水接口與恒溫水箱鏈接。配備的可調(diào)速攪拌裝置，最大轉(zhuǎn)速為200r·min-1，轉(zhuǎn)速可調(diào)，CSTR反應(yīng)器所產(chǎn)的沼氣由反應(yīng)器頂部出氣口流出，經(jīng)過濾器后，由濕式流量計計量每天的沼氣產(chǎn)量。實驗裝置的搭設(shè)詳見圖1，實驗用到的主要設(shè)備詳見表2。

表1 原料和接種污泥的性質(zhì)

圖1 中溫低固CSTR厭氧反應(yīng)器裝置

表2 實驗設(shè)備清單

1.3 實驗方法

以餐廚垃圾厭氧消化污泥作為接種物。接種污泥和水混合后使厭氧反應(yīng)器初始TS濃度約為2.37%。試驗初始，添加雞類料漿100mL，系統(tǒng)各項參數(shù)如反應(yīng)器產(chǎn)氣量、沼液pH、沼液堿度、沼液揮發(fā)性脂肪酸等趨于穩(wěn)定后，保持該進料有機負荷運行10～20d。之后逐步增加進料負荷，在各進料有機負荷均保持穩(wěn)定運行10～20d。

試驗過程中，進料頻率為每天1～4次，每天將準(zhǔn)備好的物料裝入到進料器中，由自動開關(guān)循環(huán)控制進料器按設(shè)置的時間參數(shù)周期進料。同時按設(shè)置周期在出料口排出等量的物料。試驗期間每天測量pH值、產(chǎn)氣量和甲烷含量，每隔2d測量反應(yīng)器排料的TS和VS含量、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量和堿度。記錄厭氧反應(yīng)器產(chǎn)氣量的同時，記錄環(huán)境溫度和壓強，通過理想狀態(tài)方程將所產(chǎn)沼氣體積換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。

1.4 化學(xué)分析方法

雞糞原料與厭氧反應(yīng)器沼液的總固體含量(TS)采用105±5℃烘干法；揮發(fā)性固體(VS)采用550±20℃灼燒法；沼氣產(chǎn)量通過濕式流量計計量。TS產(chǎn)氣效率計算方法：當(dāng)日沼氣總產(chǎn)氣量除以當(dāng)日總固體進料質(zhì)量；VS產(chǎn)氣效率計算方法：當(dāng)日沼氣總產(chǎn)氣量除以當(dāng)日總揮發(fā)性固體進料質(zhì)量。

1.5 統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003和SPASS 18.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器啟動反應(yīng)特性分析

2.1.1 反應(yīng)器沼液的pH

啟動前，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的pH為7.70；CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷較低時，隨著負荷的提高，當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器pH達到7.9后，隨著反應(yīng)器有機負荷的提高，反應(yīng)器內(nèi)沼液的pH降低；當(dāng)CSTR反應(yīng)器有機負荷達到設(shè)計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的pH穩(wěn)定在7.7；繼續(xù)提高CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷，反應(yīng)器內(nèi)沼液的pH仍有下降趨勢，但較緩慢。

2.1.2 反應(yīng)器沼液的堿度

圖2 厭氧反應(yīng)器進料負荷與沼液平均pH

圖3 厭氧反應(yīng)器進料負荷與沼液平均堿度

啟動時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的堿度為14800mg·L-1；隨著CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷較低時，隨著負荷的提高，反應(yīng)器內(nèi)沼液的堿度升高；當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷達到設(shè)計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的堿度穩(wěn)定在18500mg·L-1左右。隨著有機負荷的繼續(xù)提高，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的堿度隨之增加。

2.1.3 反應(yīng)器沼液的VFA

圖4 厭氧反應(yīng)器進料有機負荷與VFA

啟動時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的VFA為800mg·L-1；隨著CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷較的提高并在各負荷下穩(wěn)定20d，反應(yīng)器內(nèi)沼液的VFA平均值升高。當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷達到設(shè)計負荷，約3.12kgVS·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的VFA穩(wěn)定在1500mg·L-1左右。隨著有機負荷的繼續(xù)提高，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的VFA隨之增加。

2.1.4 反應(yīng)器沼氣甲烷成分

圖5 有機負荷與甲烷含量

CSTR厭氧反應(yīng)器在不同有機負荷下達到穩(wěn)定時，將便攜式沼氣分析儀接入CSTR厭氧反應(yīng)器與濕式流量計的中間位置，測得沼氣成分：CH4含量為57%～62%，甲烷含量隨有機負荷的提高，有上升趨勢。

2.1.5 反應(yīng)器沼液固體含量

啟動時，CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)沼液的TS為2.37%，VS為53.09%；隨著負荷的提高，反應(yīng)器內(nèi)沼液的TS與VS均升高；逐步提高CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷，且每次逐步提高CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷，均保存該負荷下穩(wěn)定運行20d以上，持續(xù)檢測反應(yīng)器內(nèi)沼液的TS*VS與CSTR厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率的變化情況，如圖6所示。

圖6 反應(yīng)器揮發(fā)性有機物含量與厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率

隨著CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性有機物的含量的增加，CSTR反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率隨著增加。如需反應(yīng)器獲得大于1.5m3·m-3·d-1的容積產(chǎn)氣率，需確保CSTR反應(yīng)器沼液的揮發(fā)性有機物含量大于0.275%。

如需CSTR厭氧反應(yīng)器獲得大于2.0m3·m-3·d-1的容積產(chǎn)氣率，需確保CSTR反應(yīng)器沼液的揮發(fā)性有機物含量大于0.3%。

當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性有機物的含量大于0.04%時，CSTR反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率獲得較大容積產(chǎn)氣率2.5m3·m-3·d-1。

2.2 產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣潛能分析

CSTR厭氧反應(yīng)器在不同進料負荷下穩(wěn)定運行時，CSTR反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率、雞糞平均VS產(chǎn)氣率如圖7、圖8所示。

圖7 日進料量與厭氧反應(yīng)器平均容積產(chǎn)氣率

圖8 進料有機負荷與厭氧反應(yīng)器平均容積產(chǎn)氣率

當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷小于3.12kg·m-3·d-1，有機負荷與容積產(chǎn)氣率呈現(xiàn)線性關(guān)系，方程：

v=0.5505×S

當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷大于3.12kg·m-3·d-1，有機負荷與容積產(chǎn)氣率呈現(xiàn)線性關(guān)系，但斜率降低，方程：

v=0.1598×S+1.6156

式中，S為厭氧反應(yīng)器有機負荷，kg·m-3·d-1；v為容積產(chǎn)氣率，m3·m-3·d-1。

圖9 進料有機負荷與雞糞VS產(chǎn)氣率

當(dāng)反應(yīng)器有機負荷小于1.1kg·m-3·d-1時，雞糞平均VS產(chǎn)氣率數(shù)值為0.5m3·kg-1·d-1，與反應(yīng)器有機負荷沒明顯函數(shù)關(guān)系；當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷在1.1～2.0kg·m-3·d-1區(qū)間時，雞糞平均VS產(chǎn)氣率與反應(yīng)器有機負荷呈現(xiàn)線性下降函數(shù)；當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷在2.0～5.36kg·m-3·d-1區(qū)間時，雞糞平均VS產(chǎn)氣率與反應(yīng)器有機負荷呈現(xiàn)下拋物線函數(shù)關(guān)系Z=-0.0502×S2+0.3459×S，并存在最佳反應(yīng)器有機負荷值S=3.45kg·m-3·d-1，可獲得雞糞平均最大VS產(chǎn)氣率0.6m3·kg-1VS。

2.3 產(chǎn)氣與經(jīng)濟效益分析

通過中溫低固CSTR厭氧工藝，每處理1t總固體含量為30%，其中揮發(fā)性有機含量占77%的新鮮蛋雞雞糞，獲得的沼氣用于提純生產(chǎn)生物天然氣，獲得的厭氧沼渣進行好氧堆肥處理生產(chǎn)有機肥。

則獲得的收益：

W=Q×TS1×VS1×Z×η1×η2×A+q×TS2×B

(1)

式中，W為銷售天然氣和生物肥的收入估算值，元·d-1；Q為CSTR反應(yīng)器日進料量，t·d-1；TS1為進料料漿總固體含量，%；VS1為進料料漿有機物含量，%；Z為平均雞糞VS沼氣產(chǎn)氣率，m3·kg-1VS;η1為沼氣中甲烷含量，%；η2為生物天然氣有效利用率，%；A為生物天然氣價格，元·m-3；TS2為CSTR反應(yīng)器沼液總固體含量，%；B為有機肥價格，元·t-1；V為CSTR反應(yīng)器有效反應(yīng)容積，m3。

將式(1)兩邊同時除以反應(yīng)器有效反應(yīng)容積V，可以獲得反應(yīng)器單位容積經(jīng)濟效益：

化簡并將公式Z=-0.0502×S2+0.3459×S，其中S取值范圍為2～6kg·m-3·d-1，帶入可獲得公式：

3 結(jié)論

采用中溫低固體厭氧CSTR反應(yīng)器進行反應(yīng)，反應(yīng)器不同進料有機負荷下雞糞的VS產(chǎn)氣效率不同。

在CSTR反應(yīng)器正常運行時，隨著CSTR反應(yīng)器進料負荷的增加，反應(yīng)器內(nèi)沼液的VFA、堿度、甲烷含量隨之增加，pH隨之降低。

如需CSTR厭氧反應(yīng)器獲得大于1.5m3·m-3·d-1的容積產(chǎn)氣率，需確保CSTR厭氧反應(yīng)器沼液的揮發(fā)性有機物含量大于0.275%；如需CSTR厭氧反應(yīng)器獲得大于2.0m3·m-3·d-1的容積產(chǎn)氣率，需確保CSTR厭氧反應(yīng)器沼液的揮發(fā)性有機物含量大于0.3%。

當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷取S=3.45kg·m-3·d-1時，可獲得雞糞平均VS產(chǎn)氣率0.6m3·kg-1VS；當(dāng)CSTR厭氧反應(yīng)器有機負荷取S=4.6kg·m-3·d-1時，CSTR厭氧反應(yīng)器單位容積經(jīng)濟效益最大。