随着规模化养猪业的发展,越来越多的猪舍粪  污对环境生态和人体健康造成了严重威胁-21。除  了发酵床养殖外,规模化养猪场须采取干清粪、水冲  粪或水泡粪工艺对猪舍进行清理。其中,水泡粪  工艺具有节省人力、管理方便、用水适中和受季节影  响小等优点,得到了广泛应用1。水泡粪工艺就是  通过漏粪地板收集猪舍内的猪粪、尿液以及清洗废  水等,暂存于其下方的储粪池中,待生猪转栏或出栏后集中排出并进行后续处理  对于水泡粪的处

理,一般是先进行固液分离,固体部分经堆肥后还田,液体部分则需要净化处理并达到相关要求的标准后排放或用于农田灌溉6-7。该处理方式虽然可以实现水泡粪固体物质的资源化利用,但也存在堆肥占地多、周期长和运行环境差,以及废水处理成本高等缺点,成为其推广应用的制约因素9-0。自2014年实施《畜禽规模养殖污染防治条例》以来,畜  禽废弃物的甲烷发酵技术得到了迅速发展和应  用6:0。水泡粪在储粪池的存储过程中,会发生有

机物的降解和气体释放,对此国内外已有大量研究  目前国内关于水泡粪甲烷发酵的研究较  少,梅凯等研究了固体和氨氮含量对水泡粪厌氧  消化产气特性的影响,结果表明,氨氮对厌氧发酵有显著抑制作用,水泡粪总固体物(TS)含量越高其Vs甲烷产率和累计产甲烷量均降低。由于不同的生猪转栏或出栏时间导致水泡粪存储时间长短不

,另外,生猪生长阶段及猪舍用水量的季节性变化使得水泡粪TS含量差异显著,二者均会对后续的甲烷发酵性能产生较大影响20。然而,关于存储时间和TS含量对水泡粪甲烷发酵过程中有机物降解及产甲烷特征的研究,未见报道。本文依照规模化养猪场的生猪转栏和出栏周期,对比研究了存储时间和T含量对水泡粪甲烷发酵性能的影响,以期为水泡粪甲烷发酵工程的设计和运行提供指导。1试验材料与方法

1.1猪粪与废水

试验所用的新鲜猪粪及猪舍废水,均取自哈尔滨市郊某养猪场,4℃保存。其中,鲜猪粪的pH值化学需氧量(COD)、氨氮(NH4N)、TS和挥发性固体(VS)含量分别为6.8-7.2,250~350gL-1,1.5

2.0g·L,21.5%-2.4%和17.6%~18.4%;猪舍废水的pH值、COD和NH4N分别为7.8~8.2,0.3~0.8g·L和0.3-0.5g:L。

1.2水泡粪  

模拟水泡粪工艺收集猪舍粪尿及废水的运行方  式,每日一次向5L的广口瓶内投加鲜猪粪和猪舍废水,直至设定的存储时间期满为止。依据生猪转栏和出栏周期,将水泡粪的存储时间设定为14d或28d。固定废水投加量为250mL,d-1,改变每日鲜猪粪投加量,每日向广口瓶内添加的猪粪水混合物的TS含量分别为3%,5%和7%左右。此外,水泡粪存储后的特征还会受猪舍储粪池深度、大小及原剩余污泥量等的影响,但均影响不大。用于甲烷黑膜沼气池发酵的水泡粪准备方式如表1所示,25℃下经14d或28d存储的水泡粪性质如表2所示。

由表2看出,相对于水泡粪模拟过程中每日添加的猪粪水混合物的TS含量而言,水泡粪存储结束时其T含量略有降低,且存储时间越长,TS含量的降低程度越大。这是因为在水泡粪存储过程中,部分固体物质水解酸化,转化为溶解性COD及VFAs,表现为TS含量的降低。因此,使用水泡粪模拟过程中每日添加的猪粪水混合物的TS含量表示水泡

1.3接种物  

用于水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵的接种物,是水泡数在  温下经自然厌氧黑膜沼气池发酵而获得的微生物富集培养物  其pH值,COD,NH4-N,Ts和Vs分别为8.1-8  150-2~1-1,0.8-1.0gL-1,4.6%-4.8%1  2.7%~2.9%。  

1.4黑膜沼气池发酵装置与方法  

如图1所示,水泡粪的甲烷黑膜沼气池发酵装置主要由  浴箱、黑膜沼气池发酵反应器及集气系统3部分组成。其中  应器坐落于水浴箱中,水温由温控仪控制在30  1℃;黑膜沼气池发酵反应器是容积为3L的广口瓶,广口瓶以胶塞密封;黑膜沼气池发酵反应器产生的黑膜沼气池发酵气,由导管导出  经水封瓶后采用排水法收集和测量

将准备好的如表2所示的水泡粪移入黑膜沼气池发酵反器,装载量为1L,接种0.5L微生物富集培养物通入N2驱氧5min,封口,35℃±1℃下持续黑膜沼气池发酵,每摇匀2~3次,直至黑膜沼气池发酵产气停止。

黑膜沼气池发酵过程中,每隔两日用50mL注射器吸取黑膜沼气池发酵混合液10mL,用于水质分析。每日记录产生气体体积一次,并用1mL注射器吸取气体样品气体组分分析

1.5分析项目及方法  

水样的pH值、TS和Vs,均采用中国环保总局

发布的标准方法2。其中,pH值采用pH计( Switze  erland Mettler Toledo, DELTA320)测定,TS和VS采  用恒重法测定,NHN测定采用纳氏试剂光度法。  产气量采用排水法测得(室温,0.1MPa)。溶解性  化学需氧量(SCOD)测定方法为:将黑膜沼气池发酵罐内的物  料混合均匀,用注射器吸取液体样品10m,5000  mm离心10min,取上清液采用重铬酸钾法测定其  COD2。以注射器采集的液体样品,离心,取上清  液,用SP6800A型(TCD检测器)气相色谱仪(山东  鲁南)测定挥发性脂肪酸(VFAs)3。黑膜沼气池发酵气中的  H2、CH4和CO2采用SP6890型(FD检测器)气相  色谱仪(山东鲁南)测定2。

2结果与讨论

2.1水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵的产甲烷特征

存储时间为14d或28d的水泡粪,其甲烷黑膜沼气池发酵过程的累积甲烷产量变化如图2所示。结果表明,水泡粪的存储时间和TS含量对其甲烷黑膜沼气池发酵性能均有显著影响,总体而言,水泡粪的甲烷黑膜沼气池发酵性能随着存储时间的延长而增加。存储时间为14d时,TS含量分别为3%(A1),5%(A2)和7%(A3)的水泡粪的甲烷黑膜沼气池发酵完成时间均为17d左右,其最终的累积甲烷产量分别为0.64,0.43和0.40LL。当存  储时间增加到28d后,TS含量分别为3%(B1)  5%(B2)和7%(B3)的水泡粪的甲烷黑膜沼气池发酵完成时间  分别延长到了23,35和47d,最终的累积甲烷产量  分别为3.02,4.16和5.52L·L。在黑膜沼气池发酵周期内,  存储时间为14d和28d的水泡粪,其比产甲烷速率

均随着TS含量的增加而降低,在TS为3%时分别为0.04和0.13L·Ld-(见图3)。可见,较长的存储时间和较低的TS含量更有利于提高水泡粪的甲烷黑膜沼气池发酵性能,而存储时间的影响要显著大于TS含量的影响。

2.2甲烷黑膜沼气池发酵对水泡粪SCOD和VS的去除  

对于存储时间和TS含量不同的水泡粪,在甲  烷黑膜沼气池发酵过程中所表现出的SCOD变化规律也有显著  差异。如图4所示,在TS为3%~7%的范围内,存  储时间为14d的水泡粪,其甲烷黑膜沼气池发酵系统的SCOD  均呈现上升趋势。而对于存储时间为28d的水泡  粪黑膜沼气池发酵系统,其SCOD则随着甲烷黑膜沼气池发酵的进行而降低,在黑膜沼气池发酵周结束时,在TS为3%(B1),5%(B2)和7%(B3)系统中的去除率分别达到了63%,71%和72%。VS的去除率也是评价厌氧消化系统效能的重要指标之  如图5所示,存储时间为28d的水泡粪在厌氧消化过程中表现出了更高的VsS去除率,对B1,B2和B3的VS去除率分别为55%48%和42%,呈现出随TS含量增加而降低的规律。存储时间为14d的水泡粪在甲烷黑膜沼气池发酵过程中,也表现出了一定的VS去除能力,黑膜沼气池发酵结束时,对A1,A2和A3的VS去除率分别为39%,25%和18%。SCOD的逐渐升高(见图4),说明A1,A2和A3的黑膜沼气池发酵系统,水解酸化作用较强,而产甲烷作用较弱。2.3水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵过程中pH和VFAs变化特征

如图2~图5所示,存储时间为14d和28d的  水泡粪,其甲烷黑膜沼气池发酵特征存在较大差异。这一差异

在pH值变化规律上得到了进一步反映。如图6所  示,存储时间为14d的水泡粪A1,A2和A3,其pH值在甲烷黑膜沼气池发酵前期均呈现迅速下降趋势,并在第11  天后分别稳定在了6.4,6.1和6.3左右。而存储时  间为28d的水泡粪B1,B2和B3,其pH值在甲烷发  酵前期均表现为上升趋势,并最终稳定在8.0左右  分析认为,pH值的这一变化规律与黑膜沼气池发酵系统中的  VFAs的产生与消耗有关。如图7-图12所示的检测结果表明,水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵过程产生的VFAs以  乙酸、丙酸和丁酸为主。存储时间为14d的水泡粪A1,A2和A3,其总VFAs在甲烷黑膜沼气池发酵前期均呈现上升趋势,但在第19天以后分别稳定在了10.9,14.0和16.2gL-左右。VFAs的积累导致了黑膜沼气池发酵系统的pH值下降,并随着总VFAs的稳定而不再有明显变化(见图6)。而存储时间为28d的水泡粪B1,B2和B3,在黑膜沼气池发酵之初其总ⅤFAs即呈现出迅速下降趋势。虽然在第11天以后,总VFAs的降解有所放缓但在黑膜沼气池发酵结束时均已消耗殆尽。VFAs的不断消耗使系统的pH值表现出了逐渐上升趋势(见图6)

研究表明,参与甲烷黑膜沼气池发酵的微生物类群主要包括产酸黑膜沼气池发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群等,它们的代谢平衡是甲烷黑膜沼气池发酵得以顺利进行的基础23。其中,产氢产乙酸菌群可将产酸黑膜沼气池发酵菌群产生的丙酸和丁酸等VFAs转化为乙酸和H2/CO2,为产甲烷菌群提供营养底物。而丙酸和丁酸的产氢产乙酸作用受氢分压(Pm)的影响显著20-2。相对

China u  于丁酸而言,丙酸的产氢产乙酸反应更加困难  更低的P如图7-图12所示,在B1,w2和m  甲烷黑膜沼气池发酵系统中,乙酸和丁酸自黑膜沼气池发酵之初即得  迅速转化,而丙酸出现了一定程度的积界,其积  度随着水泡粪7S含量的升高而增加,最高  别达到了2.1(第13天),4.2(第19天)和6  gL.(第19天)。这一结果表明,Ts的增加强化  产酸黑膜沼气池发酵菌群的代谢能力,而产氢产乙酸菌的  长速率较产酸黑膜沼气池发酵菌群缓慢,不能及时转化增的  的丙酸,进而形成了积累21。尽管乙酸和工酸  所度不断下降,由于丙酸的持续积累,使总NN  在第11天以后的一定时期内表现为相对稳定。  蓄黑膜沼气池发酵时间的延续,丙酸浓度在达到峰值后开始下  降。这一先上升后下降的丙酸浓度变化规律在  含量分别为5%(B2)和7%(B3)的黑膜沼气池发酵系统中彰  得尤为突出。在B2和B3的黑膜沼气池发酵系统中,伴随丙  浓度的下降,乙酸浓度呈增加趋势,说明产氢L  菌群的丙酸转化能力得到了提升。由此产生的乙酸  也很快得到了降解,并最终消耗殆尽,反映了嗜乙  产甲烷菌群在黑膜沼气池发酵系统中的良好代谢能力。  如图2-图4和图7~图12所示,相对于存  时间为28d的水泡粪,存储时间为14d的水泡粪  其甲烷黑膜沼气池发酵特征微弱,始终呈现为产酸黑膜沼气池发酵状态  由表2可见,对于TS含量相同的水泡粪,较短的存  储时间会产生显著的NHN积累。NHN在M  和A3中的浓度分别高达656,1034和19mgL,显著高于Ts含量相同的B(3mgL-),B2(772mg·L)和B3(815mgL)。研究表明,NHN浓度为200~1500mg:L时不会对厌氧消化系统的产甲烷作用产生显著影响,而  存储时间为14d的水泡粪,其最高NH4N浓度也不过1390mg·L。因此,NH4-N浓度不是限制A1,A2和A3甲烷黑膜沼气池发酵性能的主要因素。厌氧微  物生理生态学研究发现,参与甲烷黑膜沼气池发酵过程的主  菌群,在pH值生态位上存在较大差别”。其  中,产酸黑膜沼气池发酵菌群在pH值4.0-110范围内均生  长良好而产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群则桥息

于中性偏碱的环境中,且最适pH值范围非常狭窄  均为6.8-7.2),酸性环境对其生长代谢有严重的  抑制作用。由图5可知,存储时间为14d的水泡粪  (A1,A2和A3),在甲烷黑膜沼气池发酵之初,其pH值为7.0  左右,适宜于产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的生长  代谢,因此表现出了良好的产甲烷代谢活性(见图

2)。然而,随着黑膜沼气池发酵时间的延续,A1,A2和A3黑膜沼气池发酵  系统内的VFAs持续增加(见图7-图9),导致pH  值迅速下降到了6.5以下(见图6),严重抑制了产  氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的代谢活性,使系统的  产甲烷能力逐渐丧失(见图2),SCOD逐渐上升(见  图4),VS的去除率也因此受到极大限制(见图5)。  存储时间为28d的水泡粪,其甲烷黑膜沼气池发酵系统的pH  值自始至终维持在7.1~8.1之间(见图6),保证了  产乙酸菌群和产甲烷菌群生长代谢所需要的中性偏  碱环境,使其甲烷黑膜沼气池发酵得以顺利进行并最终完成,因  而表现出了更高的产甲烷能力(见图2~图3)和Vs  去除率(见图5)。可见,存储时间较短时,水泡粪在  甲烷黑膜沼气池发酵过程中,会发生较强烈的产酸黑膜沼气池发酵作用,破  坏产酸黑膜沼气池发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群之  间的代谢平衡,使黑膜沼气池发酵系统的产甲烷效能和污染物去除能力低下。

3结论

(1)较长的存储时间和较低的TS浓度可使水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵表现出更好的产甲烷和污染物去除性能,存储时间较TS浓度对水泡粪甲烷黑膜沼气池发酵性能的影响更大。

(2)对于存储时间为28d、T浓度为3%的水泡粪,其甲烷产量和比产甲烷速率分别可达3.02LL-和0.13L·Ld-,SCOD和s的去除率分别达到63%和55%

(3)对于存储时间为14d的水泡粪,由VFAs积累导致的较低pH值,会严重抑制产氢产乙酸菌  群和产甲烷菌群的生长代谢,是限制其甲烷黑膜沼气池发酵性能的主要因素。

摘自《中国沼气》第三期 张永 孙振举 刘冬梅 李建政 

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