牛粪高浓度水解酸化过程丙酸含量的影响因素研究

万方数据364李文哲等：牛粪高浓度水解酸化过程丙酸含量的影响因素研究2008年1月往往导致丙酸积累，进而引起厌氧产甲烷相反应器内pH降低并影响产甲烷细菌滑陛，所以往往导致产甲烷相因丙酸积累而运行失败。因此丙酸占总挥发性脂肪酸的百分含量多少直接影响到后续的产甲烷相能否稳定运行。但是迄今为止，关于牛粪高浓度水解酸化过程丙酸含量的系统性研究未见报道．所以本文将对这一问题进行探讨。1材料与方法1．1材料本试验所用的牛粪取自哈尔滨市完达山奶牛养殖基地，牛饲料的主要成分为青储饲料(玉米秸秆)。新取来的牛粪除去大的纤维后经小型搅碎机粉碎，粉碎时适当添加一定量的水以提高粉碎的质量和速度，粉碎后测定物料的总固体(Totalsolid)和挥发性固体(Volatilesolid)，之后将物料放入4℃冰箱内储存待用。1．2试验装置与方法本试验所采用的试验装置为自制的小型水解酸化反应系统，水浴加热，液体循环搅拌，水解酸化罐是容积为5L的带下口的玻璃瓶．内装4L物料，料液中不添加接种物。此系统简图如图1所示。本试验以温度、料液浓度和停留时间为参数，以丙酸占总挥发酸的比例为指标进行试验研究。因素水平编码表见表1。试验各组的温度均在设定温度的±2．5℃内波动，各反应器的温度先随室温缓慢下降，当温度低于下限时开始对反应器加热，直至温度升至上限。室温为20℃，每组样品做3个重复，每天取一次样检测pH值，每次取样前摇动发酵罐对其进行搅拌，通过对pH值的监测可知在整个发酵过程中pH值始终介于5．5。6．4之间，并且在整个发酵过程中1．控制柜2．温度传感器3．加热器4．发酵罐5．集气罐6．量筒7．恒温水箱8．电磁阀9．家用增压泵图1水解酸化反应系统Figure1Hydrolysisandacidogenesissystem表1因素水平编码表Table1Experimentalvariables&levels挥发性脂肪酸总量始终在增加，由最初的3500mg·L-，增加到13000mg·L～，由此可知在整个发酵过程中发酵物料始终处于水解酸化阶段。1．3测试仪器及方法rI’S、Vs采用烘干法【u】测定，料液的pH值由H19224便携式酸度计测定。挥发性脂肪酸(VFA)通过安捷伦GC一6890型气相色谱仪测定。气相色谱条件：色谱柱为HP—INNowax(0．25I．Lmx0．25mmx30m)石英毛细管柱：柱温60℃保持2min．然后以5℃·min。升至85℃，再以15℃·min。升至130℃：迸样口温度为220℃，分流式进样，分流比为20：1；载气为氮气。2结果与分析2．1模型的建立与检验采用三因素二次回归正交旋转组合试验优化厌氧发酵条件，将温度、料液浓度和停留时间分别用“彤，”，“恐”，“钧”表示，根据表1中的因素水平制备不同因素搭配的23组试验，试验数据通过F检验后得出三因素对水解酸化后丙酸含量影响的回归方程如下：2／=一25．55+3．05xl+0．54恐一1．26x3—0．034x1一O．12xl恐+0．02xlx3+0．13气2+O．15X2X3—0．02屯2由回归方程的方差分析可知，方程拟合良好(F，F㈣)。2．2单因素分析通过降维分析方法，将多元问题转化为一元问题，分析各因素对丙酸含量的影响规律。2．2．1温度对丙酸含量的影响将模型中的料液浓度和停留时间分别固定在“一l”、“0”、“+1”三个不同的水平上(对应的实际值见表1)，可以得到温度对丙酸含量的单因子模型及曲线图f如图2)。戢1，-1，一1)编码=取1，6．81，4)实际=-17．12+2．313xl-0．034x，舷1，v'00)躺=舷1，8，7)实e=-14．31+2．23xl-0．034x，万方数据第27卷第l期农业环境科学学报2526272829303132333435温度／℃图2温度对丙酸含量的影响Figure2Effectoftemperatureonthecontentofpropionicacid“茁1，+1，+1)编码=“石l，9．19，10)实际=一10．42+2．147x1-0．034x1由图2可知当料液浓度和停留时间分别固定在“一1”、“0”、“+1”3个不同的水平上时，它们的整体趋势一致，都是随着温度的升高丙酸的含量先逐渐上升，达到一个最大值后又开始逐渐下降，只不过是它们达到各自最高点的温度以及起始点的丙酸含量有所不同，并且料液浓度和停留时间处于较低水平时的丙酸含量要低于它们处于较高水平时。由图中还可看出当料液浓度和停留时间处于较低水平时，丙酸的含量受温度的影响较大．随着温度的升高，丙酸的增长速率明显高于较高水平。此外由图可知在同样的温度条件下当料液浓度和停留时间处于--1”水平和“0”水平时丙酸百分含量的差值较小，并且当温度高于33℃以后，在同样的温