CN114906999A - 一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法，属于有机固体废弃物处理与资源化领域。本发明包括如下步骤：(1)首先按照固定接种比在35±2℃下启动完全混合式反应器(CRTS)；(2)在初始温度35±2℃平稳运行一个水力停留时间(HRT)后，以系统的单位VS产甲烷率变化为判别标准，按3℃的梯度不断升温，使中温和高温厌氧微生物群落结构得到优化。采用本发明方法，即进行多次梯度升温，能够显著提高牛粪序批式厌氧系统的产甲烷效率和物质转化效率。相比于中温厌氧消化(35℃‑38℃)，产甲烷效率和VS降解率提高了22.9％‑44.7％和23.6％‑40.1％；相比于一步式升温法，产甲烷效率和VS降解率提高了36.2％和16.4％。

Description

一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法

技术领域

本发明属于有机固体废弃物处理与资源化技术领域，具体涉及一种通过梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法

背景技术

利用厌氧消化技术处理畜禽粪便，可有效改善农村土壤、空气和水体污染，厌氧消化产生的沼气可有效补充城乡清洁能源，同时消化后的沼渣还田还能大幅减少化肥使用量，对于改善城乡生活环境、促进人畜健康和谐发展有重要意义。

厌氧消化过程的影响因素有很多，其中，温度是最重要的因素之一。温度变化会显著影响厌氧消化工艺的产甲烷效率、反应器处理能力、物质转化程度和稳定性参数等指标。按照工艺运行温度，厌氧消化可分为常温厌氧消化(15℃-25℃)、中温厌氧消化(30℃-40℃)和高温厌氧消化(50℃-60℃)，工程上通常使用中温(35±2℃)和高温(55±2℃)厌氧消化。一般认为中温厌氧系统内的微生物多样性更高，稳定性更好，但产气效率低于高温系统；高温条件下产气速率更快、基质消化率更高，但系统稳定性较差，更易受到氨抑制。

Hupfauf等报道了在牛粪和秸秆批式厌氧消化过程中，45℃条件下的沼气产量比35℃时提高了12.8％(HUPFAUF S,PLATTNER P,WAGNER A O,et al.Temperature shapesthe microbiota in anaerobic digestion and drives efficiency to a maximum at45℃[J].Bioresource Technology,2018,269:309-18.)。宫亚斌等在餐厨垃圾序批式厌氧消化过程中，采用一步式升温法用中温厌氧消化出料接种反应器，并直接在44℃条件下运行，得到的日产沼气量较38℃提升了11.1％-13.7％(宫亚斌,姚建刚,谭婧.餐厨垃圾中温与中高温过渡区厌氧产沼效率研究[J].环境工程,2022,40(03):132-138.)。这说明在一定范围内提高运行温度可以促进厌氧消化过程。但厌氧微生物对于温度的适应往往需要一个较长的过程，基于此，本发明提出了一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法，通过阶梯式提升运行温度的方式驯化微生物，使系统内的中温和高温厌氧微生物能够协同发挥作用，显著提高系统的产甲烷性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法：首先按照固定接种比(以挥发性固体(VS)质量计)在35±2℃条件下启动完全混合式反应器(CSTR)；随后在初始温度35±2℃至少平稳运行一个HRT后，以系统的单位VS产甲烷率变化为判别标准，按3℃的梯度不断升温，使中温和高温厌氧微生物的群落结构得到优化，最终获得中温与高温厌氧微生物协同作用的高效厌氧产甲烷体系。采用本发明所述的最佳运行方法，能够显著提高牛粪厌氧系统的产甲烷效率和物质转化效率。

本发明通过以下技术方案实现：

1、原料准备：厌氧消化原料为牛粪，最好是新鲜牛粪，使用前需测定其总固体(TS)、挥发性固体(VS)等基本性质。为保持原料新鲜度，可将牛粪用自封袋分装密封，然后放入-20℃冰箱备用，每次使用时提前1-3天放入4℃冰箱进行解冻，解冻后的牛粪在4℃冰箱中可储存两周左右；接种物为有机废物厌氧消化后的出料(可以是餐厨垃圾、畜禽粪便、秸秆、污泥等有机物厌氧消化后的出料，也可以是污水处理厂的消化污泥)，TS在4％-12％范围内，TS低于4％的接种物中厌氧微生物数量太少，TS高于12％的接种物中含有大量未消化完全的物质，均不适合用作接种物。接种物取回后在常温条件下静置数日后倒去上清液，测定其TS和VS等基本性质。

2、反应器启动：将牛粪和接种物按固定接种比投加到完全混合式反应器(CSTR)中，以挥发性固体(VS)质量计接种比在1:3到1:1/2范围内，反应器内的总浓度建议控制在60-100gVS·L^-1范围内，高于这两个范围时系统容易发生酸化而导致启动失败，低于这两个范围时系统内的营养物质不充足，不利于启动。投料完毕后，向反应器内补充自来水直至形成液封，保证内部的厌氧环境。反应器温度设定为35±2℃，每天记录系统产气量和室温，测定甲烷含量。启动期间不进出料，直至系统日产气高峰结束，同时每天收集到的气体中甲烷含量高于50％并能连续一周保持甲烷含量波动在5％以内，视为反应器启动成功。

3、反应器运行：设置系统初始运行温度T₀为35±2℃，水力停留时间(HRT)为30天，根据公式(1)计算得到系统的有机负荷率，根据公式(2)计算得到每天的进料量，根据公式(3)计算得到每天的进出料体积，每天按进料量将牛粪投加到反应器中，按出料体积排出出料，并补充自来水使每天的液位保持不变。每天记录日产气量和室温，测定甲烷含量，每5天测定出料的TS、VS、pH、氨氮含量、总碱度(TAC)和总挥发性脂肪酸(TVFAs)含量。运行过程中系统pH在6.8-7.8之间，总挥发性脂肪酸含量在0-1000mg·L^-1之间，当pH和TVFAs超出给定范围时，说明系统面临酸化风险，此时可向反应器内加入体积为反应器有效容积10％的出料，系统将在1-5天内恢复正常状态。

4、梯度升温：系统在初始状态稳定运行至少一个HRT后，不断进行梯度升温。这里所说的系统稳定运行是指：在一段时间内(至少5-7天)，系统的日产气量和甲烷含量变化小于5％，pH保持在6.8-7.8之间，氨氮浓度不超过1200mg·L^-1，总碱度不低于4000mgCaCO₃·L^-1，总挥发性脂肪酸含量不超过1000mg·L^-1，当各指标均满足条件时方可视为系统稳定。升温梯度为3℃，升温次数用n表示，升温后系统的运行温度由公式(4)计算。判定系统何时升温的方法为：当系统在当前温度稳定运行至少一个HRT后，可升温进入下一阶段。判定是否停止升温的标准为：计算当前温度阶段系统的单位VS产甲烷率是否显著低于上一阶段，其中，当前温度阶段的单位VS产甲烷率根据公式(5)计算，这里的显著性低于上一阶段是指系统的单位VS产气率比上一阶段下降10％以上。若当前温度阶段系统单位VS产甲烷率显著低于上一阶段，即f(n)<f(n-1)，则停止升温，并可确定系统最佳运行方式，即进行n-1次梯度升温，在T(n-1)条件下运行；反之，即f(n)≥f(n-1)，则持续按3℃的梯度进行升温。

T(n)＝T₀+3℃·n， (4)

其中，n表示梯度升温的次数；

T₀表示系统的初始运行温度，为35℃；

T(n)表示经过n次梯度升温后系统的运行温度，℃；

f(n)表示第n次梯度升温后系统的单位VS产甲烷率，mLCH₄·g^-1VS·d^-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、产甲烷效率明显提升：采用本发明所述方法经过4次梯度升温后，在47℃条件下运行时，系统的单位VS产甲烷率和容积产甲烷率分别为181.6mLCH₄·g^-1VS·d^-1和363.3mLCH₄·L^-1·d^-1，较初始运行状态提高了44.7％，较其它梯度升温方式也提高了10.2％-28.2％。这就意味着每吨干牛粪(TS)最多可多产生89立方米沼气，系统生产效益大大提高。另外，相较于传统的一步式升温法，即用中温厌氧消化出料进行接种，并直接在高温条件下运行的方法，本方法得到的产甲烷效率提高了36.2％。文献宫亚斌,姚建刚,谭婧.餐厨垃圾中温与中高温过渡区厌氧产沼效率研究[J].环境工程,2022,40(03):132-138.中采用一步式升温法将中温厌氧消化出料接种到餐厨垃圾厌氧消化反应器中，并直接在44℃条件下运行，得到的日产沼气量较38℃提升了11.1％-13.7％，本发明的提高率是该文献的4倍。这说明相较于一步式升温法，梯度升温法可使系统中的厌氧微生物更好地适应反应温度，升温过程中中温和高温厌氧微生物的群落结构得到优化，使得系统的产甲烷效率显著提高。

2、物质转化率明显提升：采用本发明所述方法进行4次梯度升温后，在47℃运行时牛粪VS降解率可达41.9％，相较于传统中温厌氧(35℃-38℃)可提高23.6％-40.1％，相较于一步式升温法可提高16.4％，使系统内的有机物转化更彻底。

附图说明

图1梯度升温法实施流程

图2不同温度阶段系统的日产气量和甲烷含量变化

图3不同温度阶段系统的TS和VS降解率

具体实施方式

1、原料准备：新鲜牛粪取回后用自封袋分装密封，然后放入-20℃冰箱备用，使用时提前3天放入4℃冰箱进行解冻并储存，测定其TS和VS等基本性质；接种物为餐厨垃圾中温沼气站的厌氧消化出料，TS含量为8％，取回后在常温条件下静置数日后倒去上清液，测定其TS和VS等基本性质。

2、反应器启动：装置采用容积为10L的CSTR反应器，有效容积为8L。将牛粪和接种物按1:1的接种比(以VS质量计)投加到CSTR反应器中，反应器内的总浓度为60gVS·L^-1，投料完毕后，向反应器内补充自来水直至形成液封，保证内部的厌氧环境。反应器温度设定为35±2℃，每天记录系统产气量和室温，测定甲烷含量。启动期间不进出料，直至系统日产气高峰结束，同时甲烷含量高于50％，并能连续一周保持甲烷含量波动在5％以内，视为反应器启动成功。同时，设置对照组，除反应器温度设定为47±2℃外，其余启动方法均相同。

3、反应器运行：设置系统初始运行温度T₀为35±2℃，水力停留时间(HRT)为30天，根据公式(1)计算得到系统的有机负荷率＝60gVS·L^-1÷30d＝2gVS·L^-1·d^-1，根据公式(2)计算得到每天的进料量＝(2gVS·L^-1·d^-1×8L)÷12.51％＝127.9g，根据公式(3)得到每天的出料体积＝8L÷30d＝0.267L·d^-1，每天将127.9g牛粪投加到反应器中，同时排出0.267L的出料，并补充自来水使得每天的液位保持不变。每天记录日产气量和室温，测定甲烷含量，每5天测定出料的TS、VS、pH、氨氮含量、TAC和TVFAs含量，运行过程中系统pH保持在7.2-7.5之间，氨氮浓度在690-1110mg·L^-1之间，TAC在6300-6650mgCaCO₃·L^-1之间，TVFAs含量在136-661mg·L^-1之间，系统运行良好，未发生酸化。同时，设置对照组，除反应器温度设定为47±2℃外，其余运行方法均相同。

4、梯度升温：当系统在初始温度下平稳运行一个HRT后，进行第1次梯度升温，根据公式(4)，升温后系统的温度T(1)＝35℃+1×3℃＝38℃，系统在此温度下平稳运行一个HRT后，根据公式(5)可计算得到该阶段的单位VS产甲烷率f(1)＝147.8mLCH₄·g^-1VS·d^-1，相比于初始阶段的125.5mLCH₄·g^-1VS·d^-1提高了17.8％，即f(1)>f(0)，判定系统应继续升温；第2次梯度升温后系统运行温度T(2)＝35℃+2×3℃＝41℃，此阶段的单位VS产甲烷率f(2)＝168.6mLCH₄·g^-1VS·d^-1，f(2)>f(1)，判定系统应继续升温；第3次梯度升温后系统运行温度T(3)＝35℃+3×3℃＝44℃，此阶段的单位VS产甲烷率f(3)＝161.5mLCH₄·g^-1VS·d^-1，f(3)<f(2)但下降幅度在10％以内，判定系统应继续升温；第4次梯度升温后系统运行温度T(4)＝35℃+4×3℃＝47℃，此阶段的单位VS产甲烷率f(4)＝181.6mLCH₄·g^-1VS·d^-1，f(4)>f(3)，判定系统应继续升温；第5次梯度升温后系统运行温度T(5)＝35℃+5×3℃＝50℃，此阶段的单位VS产甲烷率f(5)＝149.1mLCH₄·g^-1VS·d^-1，f(5)<f(4)，比上一阶段下降了17.9％，判定此时应停止升温，得出系统最佳运行方法为：进行4次梯度升温，使系统最终在47℃条件下运行。对照组不进行梯度升温。

各阶段系统的产气情况和物质转化情况如图2和图3所示；经计算得出各阶段的产气和产甲烷效率见表1；各阶段系统的稳定性指标见表2。

表1 不同温度阶段系统的产气和产甲烷效率

表2 不同温度阶段系统的稳定性指标

由上述图表可知：按照本实施方式所述最佳运行方式，即进行4次梯度升温后在47℃条件下运行时，系统的单位VS产气量和产甲烷量分别由初始温度时的219.3mL·g^-1VS·d^-1和125.5mLCH₄·g^-1VS·d^-1提升至337.4mL·g^-1VS·d^-1和181.6mLCH₄·g^-1VS·d^-1，容积产气率和容积产甲烷率分别由438.6mL·L^-1·d^-1和251.0mLCH₄·L^-1·d^-1提升至674.9mL·L^-1·d^-1和363.3mLCH₄·L^-1·d^-1，系统产气效率和产甲烷效率分别提高了53.6％和44.7％。梯度升温也使系统的物质转化更加彻底，该方法下系统的VS降解率可达41.9％，比传统中温厌氧(35℃-38℃)提高了23.6％-40.1％。相较于一步式升温方法，采用梯度升温法使得系统的产气和产甲烷效率分别提高了38.7％和36.2％，TS和VS降解率也分别提高了19.4％和16.4％。这说明梯度升温法有利于微生物更好地适应反应温度，使序批式厌氧消化性能显著提高。

Claims (1)

1.一种梯度升温法提高牛粪序批式厌氧消化性能的方法，其特征在于：

1)、原料准备：厌氧消化原料为牛粪，为新鲜牛粪或冷冻牛粪；接种物为有机废物厌氧消化后的出料，总固体TS含量在4％-12％范围内，接种物取回后在常温条件下静置数日后倒去上清液；

2)、启动：将牛粪和接种物按固定接种比投加到完全混合式反应器CSTR中，以挥发性固体VS质量计接种比在1:3到1:1/2范围内，完全混合式反应器CSTR以下简称反应器；反应器内的液体总浓度建议控制在60-100gVS·L^-1范围内，投料完毕后，向反应器内补充自来水直至形成液封，保证内部的厌氧环境；反应器温度设定为35±2℃，每天记录系统产气量和室温，测定甲烷含量；启动期间不进出料，直至系统日产气高峰结束，同时每天收集到的气体中甲烷体积百分含量高于50％并能连续一周以上保持甲烷含量波动在5％以内，视为反应器启动成功；

3)、运行：设置系统初始运行温度T₀为35±2℃，水力停留时间HRT为30天，根据公式(1)计算得到系统的有机负荷率，根据公式(2)计算得到每天的进料量，根据公式(3)计算得到每天的进出料体积，每天按进料量将牛粪投加到反应器中，按出料体积排出出料，并补充自来水使每天的液位保持不变；每天记录日产气量和室温，测定甲烷含量，每5天测定出料的TS、VS、pH、氨氮含量、总碱度和总挥发性脂肪酸TVFAs含量；运行过程中系统pH在6.8-7.8之间，总挥发性脂肪酸含量在0-1000mg·L^-1之间，

当pH和TVFAs超出给定范围时，说明系统面临酸化风险，此时可向反应器内加入体积为反应器有效容积10％的出料，将在1-5天内恢复；

4)、梯度升温：系统在初始状态稳定运行至少一个HRT后，不断进行梯度升温；这里所说的系统稳定运行是指至少5天，系统的日产气量和甲烷含量变化小于5％，pH保持在6.8-7.8之间，氨氮浓度不超过1200mg·L^-1，总碱度不低于4000mgCaCO₃·L^-1，总挥发性脂肪酸含量不超过1000mg·L^-1；

升温梯度为3℃，升温次数用n表示，升温后系统的运行温度由公式(4)计算；判定系统何时升温的方法为：当系统在当前温度稳定运行至少一个HRT后，可升温进入下一阶段；判定是否停止升温的标准为：计算当前温度阶段系统的单位VS产甲烷率是否显著低于上一阶段，其中，当前温度阶段的单位VS产甲烷率根据公式(5)计算，这里的显著性低于上一阶段是指系统的单位VS产气率比上一阶段下降10％以上；若当前温度阶段系统单位VS产甲烷率显著低于上一阶段，即f(n)<f(n-1)，则停止升温，并可确定最佳运行方式，即进行n-1次梯度升温，在T(n-1)条件下运行；反之，即f(n)≥f(n-1)，则持续按3℃的梯度进行升温；

T(n)＝T₀+3℃·n (4)

其中，n表示梯度升温的次数；

T₀表示系统的初始运行温度，为35℃；

T(n)表示经过n次梯度升温后系统的运行温度，℃；

f(n)表示第n次梯度升温后系统的单位VS产甲烷率，mLCH₄·g^-1VS·d^-1。

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