沼液回流对牛粪高温厌氧发酵产气性能的影响

苏小红，刘 伟，王 欣，郭广亮，徐晓秋，高德玉

（黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090）

近年来，随着畜禽养殖业的数量和规模不断扩大，集约化程度逐年增高，随之而来产生了越来越多的有机固体废弃物和高浓度有机废水，对环境造成了严重污染［1-2］。畜禽粪污虽是一种污染物，但也是一种有价值的资源，因其含有大量有机物质以及氮、磷、钾等多种营养成分，经过适当处理后不仅能减少其对环境的污染，而且得到的副产物还增加了其经济价值［3］。畜禽粪便经过厌氧消化技术处理后，产生沼气、沼渣和大量的沼液［4］。沼液中含有丰富的氮磷钾等营养元素，但其氨氮、有机污染物等浓度过高，一般不能直接用于灌溉农田，需进一步进行处理，不仅增加了工程成本，技术上也增加了难度，制约了沼气工程的推广和应用［5-7］。

沼液是沼气工程的产物之一［8］，由于厌氧发酵工艺及条件的限制，沼液中仍含有部分未经完全发酵的有机物及氮磷等物质。若将部分沼液进行二次发酵，既可充分利用有机物进行厌氧发酵产沼气，又可将部分沼液回收，减少沼液后处理的负担。本试验将厌氧发酵产生的沼液进行二次利用，即通过回流装置将沼液回流到厌氧发酵装置中，通过改变沼液回流比率，对牛粪进行高温厌氧发酵试验，既提高了发酵基质的有机质含量，又减小沼液的大量排放造成的环境二次污染，提高沼气产量，对沼气厌氧发酵技术的掌握和工程应用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用的发酵原料是奶牛新鲜粪便，取自哈尔滨松北周边养殖场。

1.2 试验装置

试验装置采用自制的厌氧发酵沼液回流系统，即发酵原料经过厌氧发酵后，经固液分离产生的沼液通过泵运送到沼液储存罐，再通过回流管线定量地回流到进料装置。试验装置示意图如图1所示：

图1 试验装置示意图Fig.1 Experimente quipment

1.3 试验方法

本试验回流沼液的量由原料中加入水的量决定。根据沼液与水的替换比率确定回流沼液的量。设定沼液回流比率分别为0%、20%、60%、100%，即替换掉的水的量分别为 0 kg、0.66 kg、1.98 kg、3.3 kg。

通过监测牛粪高温厌氧发酵过程中的pH、COD、氨氮浓度等理化指标，利用沼气流量计记录不同回流比率下的沼气产量，分析得出最佳沼气产量下的沼液最佳回流比率。

1.4 试验指标测定

酸碱度通过发酵装置上的pH传感器测得，化学需氧量采用重铬酸钾消解法测定，氨氮指标采用纳氏试剂分光光度法测定，具体方法参照国标法［9］。

2 结果与分析

本试验所采用的牛粪的理化性质见表1：

表1 牛粪基本性质Tab.1 The basic properties of cow dung

2.1 沼液回流对牛粪厌氧消化pH的影响

pH是厌氧消化过程中的重要参数，厌氧发酵的最适pH在7.0～7.4。

图2 不同沼液回流比率下不同发酵时间内pH的变化Fig.2 Different pH biogas reflux ratio change on different fermentation time

图2表明了不同沼液回流比率下厌氧发酵过程中pH值的变化趋势。0%为未进行沼液回流的实验对照组，发酵第一天pH约为6.9，系统稳定后其pH值未出现明显的变化，均维持在7.17附近，符合各阶段优势菌群的最适pH范围要求。随着沼液回流试验的进行，各沼液回流试验组的pH值均略高于对照组，且回流比率越大，pH越高；当回流比率为100%时，其pH值随着发酵时间的延长而略有增加，主要是由于进料时回流了较高沼液的缘故。

总体来看，4个实验组的pH分别维持在7.17、7.21、7.25、7.35左右，相差在0.1左右，但都在较适合的pH范围内，可见沼液回流对系统的pH的影响不大。

2.2 沼液回流对牛粪厌氧消化COD去除的影响

COD的去除率代表消化系统中产甲烷菌对底物的利用率。将沼液按不同比率进行回流试验，通过测定不同回流比率下每5d厌氧发酵前后消化液中COD的含量，分析不同的沼液回流比率对牛粪厌氧消化COD去除率的影响。部分试验结果见表2：

表2 不同的沼液回流比率下厌氧消化前后COD消减量Tab.2 Different re flux ratio COD reduction amount before and after the anaerobic digestion biogas

图3 不同沼液回流比率下90 d内的COD消减量Fig.3 COD reduction in the amount of90 d undera reflux ratio of different biogas

图4 不同沼液回流比率下90d内的COD去除率Fig.4 COD rem ova l90d within the next4 different biogas reflux ratio

由数据可知，系统的进料COD有所差别，但4个试验组的出料COD基本稳定。发酵原料的COD最大值为33 470m g/L，最小值为33 012m g/L，平均值为33 278 m g/L；4个试验组出料COD平均值分别为9 489m g/L、10 520m g/L、10 997m g/L、12 107m g/L。与进料相比，出料的COD消减显著，说明本试验装置对有机物有较好的去除作用，其中0%、20%、60%试验组的出料COD差别不显著，去除率分别能达到71.4%、68.4%、67.0%，随着发酵过程的进行，出料COD均表现出先缓慢增加后趋于平稳的变化趋势。而100%回流的试验组，随着发酵时间的延长，出料COD值呈逐渐升高的趋势，去除率下降显著，相对于对照组下降了11%，这说明本系统能承受的最大沼液回流比率为60%。

较低的回流比率对系统的性能影响不大，但当沼液回流比率增加到100%时，系统对有机物的处理效果就会受到影响，原因可能是随着高浓度沼液的不断回流，进入系统的COD负荷增大，当达到一定程度时，系统内逐渐累积的不可降解的物质不能及时地排除，系统内微生物的活性会受到不同程度的影响，而使COD去除率降低。

2.3 沼液回流对牛粪厌氧发酵氨氮浓度的影响

氮平衡是厌氧发酵系统中一个非常重要的影响因素，在厌氧发酵系统中大部分可生物降解的有机氮都被还原为消化液中的铵态氮，因此消化液中氨氮的浓度很高，如图5所示。

图5 不同回流比率下不同发酵时间内的氨氮浓度Fig.5 Ammonia concentration under different fermentation time in 5 different re flux ratio

从图中可以看出，不同的沼液回流比率下厌氧消化系统内氨氮的浓度均较未进行沼液回流的对照组有所增加，且氨氮的浓度随发酵时间的延长而逐渐升高。100%的回流比率下的氨氮浓度最高，这是由于随着沼液的不断回流，进料中除新鲜牛粪中的氮源外又增加了回流沼液中的氮素组分，使得整个发酵系统的氨氮含量不断增加。从理论上分析可知，消化系统中氨氮浓度会持续累积下去，直至发酵终止。

2.4 沼液回流比对牛粪厌氧发酵的沼气产量的影响

通过沼气流量计记录了不同回流比率下不同时期的累积产气量，具体结果如表3所示。

表3 不同沼液回流比率下不同时期累积产气量（L）Tab.3 Accumulate different times under three different biogas slurry reflux ratio(L)

图6 不同沼液回流比率下不同发酵时间累积产气量的变化Fig.6 Different fermentation time the cumulative gas production changes under a reflux ratio of different biogas

由表3可以看出，沼液回流的试验组累积产气量均比对照组高，且当回流比率为60%时，在第90 d的累积产气量达9 936 L，比对照组多出1 790 L，增加了22%，回流效果显著。累计产气量的大小顺序为60%＞20%＞100%＞0%。

表4 不同沼液回流比下日均产气量的变化（L）Tab.4 Different biogas reflux ratio changes daily gas production(L)

图7 不同沼液回流比下日均产气量的变化Fig.7 Different biogas reflux ratio changes daily gas production

由以上数据可知，不同的沼液回流比率对日均产气量影响显著。有回流的试验组，沼气产气量均比未进行沼液回流的对照组高，说明采用回流装置将沼液进行回流，在一定程度上增加了消化系统内有机质含量，对增加产气量有促进作用。在沼液回流比率为0%时，产气量为90.5L/d。随着沼液回流比率的增加，直至回流比率为60%时，平均产气量达到了109.3L/d，与对照组相比，产气量增加了20.8%，增加显著。当回流比率为100%时，日均产气量为95.3L，产气量下降明显，这可能是由于沼液中含有较高浓度的氨氮及高温条件下游离氨浓度较高，随着沼液的不断回流，氨氮和游离氨的累积量也随之增加，当达到一定数量时，就会产生氨毒害，对厌氧微生物有一定的抑制作用，继而影响厌氧发酵过程，产生的沼气量也随之减少。

3 结论

本试验利用畜禽粪便进行厌氧发酵产沼气，沼液回流对pH和氨氮的影响较小。当回流比率为60%时，日均产气量可达109.3L/d，与未进行沼液回流的对照组相比提高了20.8%。相对较高的回流比率对系统COD的去除效果有一定的影响，当回流比率达到100%时，COD的去除率相对于对照组减少了11%，相对较低的沼液回流比率对系统的COD去除效果影响不大，因此沼液回流比率达到60%时有利于牛粪厌氧发酵产沼气，是本试验的最佳沼液回流比率。可见，利用沼液回流装置将沼液进行回流，减少了进料中加入热水所消耗的热能，而且沼液本身含有的未完全降解的有机质及成熟微生物都有利于沼气产量的提高，从源头上减少沼液的大量排放造成的环境二次污染，为大型沼气工程沼液处理提供了参考。

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