温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响_郭建斌

第27卷第12期农业工程学报Vol.27No.122011年12月TransactionsoftheCSAEDec.2011217温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响郭建斌1，董仁杰2，程辉彩2,3，JoachimClemens4，庞昌乐2※（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；2.中国农业大学工学院，北京100083；3.河北省科学院生物研究所，石家庄050081；4.德国波恩大学，波恩53115）摘要：为提高畜禽养殖场沼气工程能源利用效率，降低工程运行成本。该文通过全混式半连续试验，以猪粪为发酵原料，研究不同温度（20、28、38℃）和有机负荷（0.3、1.3、2.3、3.3、4.3kg/(m3·d)）条件下，甲烷产率、挥发性脂肪酸（volatilefattyacid，VFA）及总无机碳（totalinorganiccarbon，TIC）的变化特征。结果表明：20℃条件下，反应器启动缓慢，甲烷产率低。当有机负荷增加至1.3kg/(m3·d)以上时，反应器运行不稳定，需外加NaHCO3调节pH值；在28℃与38℃条件下，各有机负荷甲烷产率无明显差异，但是在较高有机负荷3.3和4.3kg/(m3·d)下运行时，28℃条件下产生挥发性脂肪酸积累的现象，系统缓冲能力缺乏，VFA/TIC值分别达到0.4和0.6。当实际沼气工程低负荷率运行时，可选择28℃作为发酵温度，以达到节省能源、提高沼气工程经济效益的目的。该研究可为实际沼气工程运行管理提供数据参考。关键词：温度，负荷，厌氧发酵，粪，有机负荷doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.041中图分类号：S216.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-12-0217-06郭建斌，董仁杰，程辉彩，等.温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响[J].农业工程学报，2011，27(12)：217－222.GuoJianbin,DongRenjie,ChengHuicai,etal.Effectoftemperatureandorganicloadingratesonanaerobicdigestionofpigmanure[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(12):217－222.(inChinesewithEnglishabstract)0引言中国大中型沼气工程是处理规模化养殖场粪污的有效手段，具有能源生产和环境保护的双重效益。与欧洲国家利用能源作物中温混合发酵不同，中国畜禽养殖场沼气工程发酵原料单一，发酵温度差异大（低温、常温、中温），有机负荷（organicloadingrate，OLR）低[1-2]。因此，研究不同温度与有机负荷条件下反应器相应性能的变化，对于提高畜禽养殖场沼气工程能源利用效率，降低工程运行成本具有重要意义。温度是影响厌氧过程的重要因素之一。一般来说，大多数甲烷菌在10～30℃（低温）、30～40℃（中温）和50～60℃（高温）条件下均能生存，相应的厌氧处理工艺也得到广泛研究[3]。一系列研究者利用批式实验研究了温度对于畜禽粪便厌氧发酵过程的影响并建议利用中温发酵。如：魏荣荣等[4]研究表明，猪粪低温厌氧发酵不利于甲烷的生产，收稿日期：2011-03-19修订日期：2011-04-18基金项目：国家“十一五”科技支撑计划课题（2008BADC4B17）；中德合作项目（德国联邦教育与研究部：0330847D，中国科技部：2009DFA32710）；北京市教育委员会科学研究与科研基地建设项目《规模化养殖场粪污双向清洁处理与利用研究》.作者简介：郭建斌（1982－），男，山东莱州人，博士生，研究方向为可再生资源利用与环境。北京中国农业大学水利与土木工程学院，100083。Email:jianbinguo@gmail.com※通信作者：庞昌乐（1963－），男，广西北海人，副教授，博士，博士生导师，研究方向为能源工程与低碳技术。北京中国农业大学工学院，100083。Email:pangcl@cau.edu.cn.温度升高能较大幅度地提高甲烷产量。以35℃中温条件，31d为发酵周期，对规模化养殖场较为适宜。李金平等[5]为了研究发酵温度对厌氧发酵产沼气成分影响，以牛粪为发酵原料，进行了恒温19、30、37和52℃的鲜牛粪批式厌氧发酵实验。结果表明，37℃恒温厌氧发酵的产气量和产甲烷量为最大。刘荣厚等[6]的研究结果也表明，在发酵初、中期，中温（37℃）试验组显现了明显的优势，日产气量和累积产气量都高于高温（52℃）和室温试验组。陈智远等[7]研究发现猪、鸡、牛粪便厌氧发酵在35℃下具有明显优势，随着发酵温度的降低，日产沼气达到高峰的时间随之延长，总沼气产量及总固体（dryma