以活性炭纤维为载体厌氧处理牛粪的实验研究

2008年2月农机化研究第2期-207-10111234567896以活性炭纤维为载体厌氧处理牛粪的实验研究王真真，李文哲，公维佳（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）摘要：以活性炭纤维为载体，在10%、7.5%和5%等3个载体填充率水平下，对反应器的容积产气率、COD去除率以及所能达到的最佳效果做了比较试验，并用扫描电镜观察了载体挂膜前后的微观结构。实验结果显示：添加载体的反应器内的物料，经过一段时间的启动运行以后，其内容积产气率逐渐增大，并超过了不加载体的反应器。当进料量为3.2L/d时，7.5%填充率的反应器达到最高产气率1.15m3/m3·d，比空白对照提高了20%，vs产气率为1.5L/g[vs],COD去除率达到70%以上，效果最佳。关键词：畜牧学；厌氧处理牛粪；实验研究；填充率；生物膜；容积产气率中图分类号：S879.9文献标识码：A文章编号：1003—188X(2008)02—0207—040引言近年来，社会经济和城市建设的发展带来了日益严重的环境问题和能源危机。因此，人们对厌氧处理法进行了比较深入的研究，不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，使这一处理技术的理论和实践有了很大的进步。所谓厌氧消化，就是在厌氧环境适宜的温度和营养等条件下，使厌氧微生物大量繁殖，并利用它们的生命活动将有机废物中的有机物转化为简单有机物（如CH4CO2等）的过程。活性炭纤维是20世纪70年代发展起来的第2代纤维状炭质活性吸附材料。当用于水处理时，它不仅可以作为一种优良的吸附材料净化水中的多种分类化合物和卤代烃，而且具有优异的生物相容性，可用于废水处理中的生物膜载体材料。它不仅比表面积大，孔径分布集中在微孔范围内，还具有很好的生物相容性，更利于厌氧微生物的附着。本实验就是应用了活性炭纤维的这一优良特性，将其作为牛粪厌氧发酵的载体。结果表明，它可以很大程度地提高厌氧发酵的效果。此外，本文就载体投放量对发酵效果的影响做了对此分析研究。1材料和方法1.1实验材料接种污泥取自哈尔滨市168中学养鱼池池底的污泥,其总固体含量：TS为38%～42%；挥发性固体VS为4%～6%。污泥自池底部取出后,经过初步筛选除去树叶和泥砂等杂质,放入有盖塑料桶内,在室温下保存。实验用牛粪取自哈尔滨完达山奶牛养殖基地的新鲜牛粪，其TS为18%～22%,VS为14%～18%，pH值为6.8～7.2。实验用载体框架为自己制作的圆柱形聚丙烯框架，载体所用材料为鞍山森鑫活性炭厂生产的粘胶基活性炭纤维，其各项指标如下：比表面积/m2·g-1：1600苯吸附值/%：20~70碘吸附值/mg·g-1：700~1500亚甲基兰脱色值/mg·g-1：100~300厚度/mm：41.2实验装置实验装置为4个完全相同的全混合式反应器，材料为有机玻璃，有效容积为13.6L，高为36cm，内径为24cm。实验采取中温发酵方式，利用恒温水浴控制发酵温度为(35±1)℃。反应器的示意图如图1所示。1.排气口2.进料口3.气体取样口4.载体5.料液取样口6.载体取样口7.循环出料口8.恒温水槽9.循环进料口10.集气瓶11.排水口图1反应器示意图1.3实验条件和方法本实验为两相厌氧发酵实验，分有4组反应器，收稿日期：2007-04-17作者简介：王真真（1982-），女，山东济宁人，研究生，（E-mail）wangzhenzhen123@sohu.com.2008年2月农机化研究第2期-208-0510152025303540159131721252933374145495357发酵时间/d产气量/L1号反应器2号反应器3号反应器4号反应器在同一条件下同时启动，系统的温度利用水浴控制在33～38℃（这也是目前普遍采用的中温厌氧工艺温度）。反应器启动后，开始每天的进出料实验，并逐渐提高其容积负荷，直到各反应器均达到最大的容积负荷。实验运行60d，分别测定各性能参数并进行对比。在实验期间，各反应器每天利用料液回流搅拌两次，每次20min，间隔12h。2结果与讨论2.1活性炭纤维载体对反应器pH值的影响4个反应器流动后的pH值变化见图2所示。图2不同载体填充率下反应器的pH值变化当4个反应器在水力停留时间为10d和8d（即每天进出料量为1.3L/d和1.625L/d）时，pH值的变化大致相同；在流动开始时，pH值有较大的波动，波动范围在6.8~7.0之间；随后趋于稳定，pH值在7.0左右变化；当水力停留时间为6天（即每天的进出料量为2.16L/d）时,3号与4号反应器的pH值开始呈下降的趋势，并且随着进料量的增加pH值越来越小；水力停留时间为3d（即每天进出料为4.2L/d）时，2号反应器的pH值开始下降，反应器进出料开始超过最大负荷；水力停留为2.6天时，1号反应器pH值也开始下降，说明在水力停