沼液回流对牛粪高温厌氧发酵产气性能的影响

沼液回流对牛粪高温厌氧发酵产气性能的影响苏小红;刘伟;王欣淳B广亮;徐晓秋;高德玉【摘 要】Reflux device using biogas, the biogas reflux after fermentation to anaerobic fermentation device,and is used for high-temperature anaerobic fermentation experiments under different reflux ratios with fresh cow dung, study on the impact of the properties of anaerobic fermentation to produce biogas under biogas slurry reflux. The results showed,biogas slurry reflux had a great effect on performance of cow dung high temperature anaerobic fermentation to produce biogas, but it has less effect on the pH and ammonia nitrogen.When the reflux ratio is 60%, biogas production reaches to 109.3 L/d on average, and increased by 20.8 %compared to control group with noreturn of biogas slurry Less than 60 %of the biogas slurry reflux ratio has a little effects on the COD removal efficiency of the system, but relatively high reflux ratio affect on removal of COD, when the reflux ratio reached 100%, the removal rate of COD decreased by 11%compared with the control group.% 采用沼液回流装置，将 发酵后的沼液回流至厌氧发酵装置中，并与新鲜牛粪混合，进行不同回流比率的高 温厌氧发酵试验，研究沼液回流对厌氧发酵产气性能的影响。

结果表明，沼液回流 对牛粪高温厌氧发酵产气性能影响显著，对pH和氨氮的影响较小当回流比率为 60%时，日均产气量可达109.3 L/d，与未进行沼液回流的对照组相比，提高了 20.8%相对较低的沼液回流比率，对系统的COD去除效果影响不大；相对较高 的回流比率，影响COD的去除当回流比率达到100%时，COD的去除率相对 于对照组减少了 11%期刊名称】《黑龙江科学》 【年(卷)，期】2015(000)001 【总页数】3页(P1-3) 【关键词】沼液回流;高温厌氧发酵;产气性能 【作者】苏小红;刘伟;王欣;郭广亮;徐晓秋;高德玉 【作者单位】黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090;黑龙江省科学院科 技孵化中心，哈尔滨150090;黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090;黑 龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090;黑龙江省科学院科技孵化中心，哈 尔滨150090;黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090【正文语种】中文［中图分类】TQ920近年来，随着畜禽养殖业的数量和规模不断扩大，集约化程度逐年增高，随之而来 产生了越来越多的有机固体废弃物和高浓度有机废水，对环境造成了严重污染［1-2］。

畜禽粪污虽是一种污染物，但也是一种有价值的资源，因其含有大量有 机物质以及氮、磷、钾等多种营养成分，经过适当处理后不仅能减少其对环境的污 染，而且得到的副产物还增加了其经济价值［3］畜禽粪便经过厌氧消化技术处 理后，产生沼气、沼渣和大量的沼液［4］沼液中含有丰富的氮磷钾等营养元素， 但其氨氮、有机污染物等浓度过高，一般不能直接用于灌溉农田，需进一步进行处 理，不仅增加了工程成本，技术上也增加了难度，制约了沼气工程的推广和应用［5-7］沼液是沼气工程的产物之一［8］，由于厌氧发酵工艺及条件的限制，沼液中仍含 有部分未经完全发酵的有机物及氮磷等物质若将部分沼液进行二次发酵，既可充 分利用有机物进行厌氧发酵产沼气，又可将部分沼液回收，减少沼液后处理的负担 本试验将厌氧发酵产生的沼液进行二次利用，即通过回流装置将沼液回流到厌氧发 酵装置中，通过改变沼液回流比率，对牛粪进行高温厌氧发酵试验，既提高了发酵 基质的有机质含量，又减小沼液的大量排放造成的环境二次污染，提高沼气产量， 对沼气厌氧发酵技术的掌握和工程应用具有重要意义1材料与方法1.1试验材料本试验选用的发酵原料是奶牛新鲜粪便，取自哈尔滨松北周边养殖场。

1.2试验装置试验装置采用自制的厌氧发酵沼液回流系统，即发酵原料经过厌氧发酵后，经固液 分离产生的沼液通过泵运送到沼液储存罐，再通过回流管线定量地回流到进料装置 试验装置示意图如图1所示：图 1 试验装置示意图 Fig.1 Experimente quipment1.3试验方法本试验回流沼液的量由原料中加入水的量决定根据沼液与水的替换比率确定回流 沼液的量设定沼液回流比率分别为0%、20%、60%、100%，即替换掉的水的 量分别为 0 kg、0.66 kg、1.98 kg、3.3 kg通过监测牛粪高温厌氧发酵过程中的pH、COD、氨氮浓度等理化指标，利用沼气 流量计记录不同回流比率下的沼气产量，分析得出最佳沼气产量下的沼液最佳回流 比率1.4试验指标测定酸碱度通过发酵装置上的pH传感器测得，化学需氧量采用重铬酸钾消解法测定，氨氮指标采用纳氏试剂分光光度法测定，具体方法参照国标法［9］2结果与分析本试验所采用的牛粪的理化性质见表1 :表1牛粪基本性质Tab.1 The basic properties of cow dung项目牛粪 TS/%18.9 VS/%15.2 T OC/%11.1 TN/%0.45 C/N 24.7 S/%0.1 P ( P2O5 ) /%0.22.1沼液回流对牛粪厌氧消化pH的影响pH是厌氧消化过程中的重要参数，厌氧发酵的最适pH在7.0 ~ 7.4。

图2不同沼液回流比率下不同发酵时间内pH的变化Fig.2 Different pH biogas reflux ratio change on different fermentation time图2表明了不同沼液回流比率下厌氧发酵过程中pH值的变化趋势0%为未进行 沼液回流的实验对照组，发酵第一天pH约为6.9，系统稳定后其pH值未出现明 显的变化，均维持在7.17附近，符合各阶段优势菌群的最适pH范围要求随着 沼液回流试验的进行，各沼液回流试验组的pH值均略高于对照组，且回流比率越 大，pH越高；当回流比率为100%时，其pH值随着发酵时间的延长而略有增加， 主要是由于进料时回流了较高沼液的缘故总体来看，4个实验组的pH分别维持在7.17、7.21、7.25、7.35左右，相差在 0.1左右，但都在较适合的pH范围内，可见沼液回流对系统的pH的影响不大2.2沼液回流对牛粪厌氧消化COD去除的影响COD的去除率代表消化系统中产甲烷菌对底物的利用率将沼液按不同比率进行 回流试验，通过测定不同回流比率下每5d厌氧发酵前后消化液中COD的含量， 分析不同的沼液回流比率对牛粪厌氧消化COD去除率的影响。

部分试验结果见表 2:表2不同的沼液回流比率下厌氧消化前后COD消减量Tab.2 Different re flux ratio COD reduction amount before and after the anaerobic digestion biogas5 出料天数（d ）进料 0%20%60%100%33012 8823 8995 9249 10186 10 33303 8779 9341 9713 10114 15 33427 8995 9955 9957 10497 20 33309 9015 10019 9993 10698 25 33341 9190 10124 10289 10823 30 33027 9224 10246 10794 11318 35 33017 9314 10556 11177 11765 图3不同沼液回流比率下90 d内的COD消减量Fig.3 COD reduction in the amount of90 d undera reflux ratio of different biogas图4不同沼液回流比率下90d内的COD去除率Fig.4 COD rem ova l90d within the next4 different biogas reflux ratio由数据可知，系统的进料COD有所差别，但4个试验组的出料COD基本稳定。

发酵原料的COD最大值为33 470m g/L，最小值为33 012m g/L，平均值为33 278 m g/L ； 4个试验组出料COD平均值分别为9 489m g/L、10 520m g/L、 10 997m g/L、12 107m g/L与进料相比，出料的COD消减显著，说明本试验 装置对有机物有较好的去除作用，其中0%、20%、60%试验组的出料COD差别 不显著，去除率分别能达到71.4%、68.4%、67.0%，随着发酵过程的进行，出料 COD均表现出先缓慢增加后趋于平稳的变化趋势而100%回流的试验组，随着 发酵时间的延长，出料COD值呈逐渐升高的趋势，去除率下降显著，相对于对照 组下降了 11%，这说明本系统能承受的最大沼液回流比率为60%较低的回流比率对系统的性能影响不大，但当沼液回流比率增加到100%时，系统 对有机物的处理效果就会受到影响，原因可能是随着高浓度沼液的不断回流，进入 系统的COD负荷增大，当达到一定程度时，系统内逐渐累积的不可降解的物质不 能及时地排除，系统内微生物的活性会受到不同程度的影响，而使COD去除率降 低2.3沼液回流对牛粪厌氧发酵氨氮浓度的影响 氮平衡是厌氧发酵系统中一个非常重要的影响因素，在厌氧发酵系统中大部分可生 物降解的有机氮都被还原为消化液中的铵态氮，因此消化液中氨氮的浓度很高，如 图5所示。

图5不同回流比率下不同发酵时间内的氨氮浓度Fig.5 Ammonia concentration under different fermentation time in 5 different re flux ratio从图中可以看出，不同的沼液回流比率下厌氧消化系统内氨氮的浓度均较未进行沼 液回流的对照组有所增加，且氨氮的浓度随发酵时间的延长而逐渐升高100%的 回流比率下的氨氮浓度最高，这是由于随着沼液的不断回流，进料中除新鲜牛粪中 的氮源外又增加了回流沼液中的氮素组分，使得整个发酵系统的氨氮含量不断增加 从理论上分析可知，消化系统中氨氮浓度会持续累积下去，直至发酵终止2.4沼液回流比对牛粪厌氧发酵的沼气产量的影响通过沼气流量计记录了不同回流比率下不同时期的累积产气量，具体结果如表3 所示表3不同沼液回流比率下不同时期累积产气量(L)Tab.3 Accumulate different times under three different biogas slurry reflux ratio(L)回流比率 0%20%60%100%15d 1419 1484 1604 1428 30d 2797 3012 3252 2862 45d 4134 4577 4910 4298 60d 5430 6144 6570 5742 75d 6789 7733 8318 7125 90d 8146 9180 9936 8568图6不同沼液回流比率下不同发酵时间累积产气量的变化Fig.6 Different fermentation time the cumulative gas production changes under a reflux ratio of different biogas由表3可以看出，沼液回流的试验组累积产气量均比对照组高，且当回流比率为 60%时，在第90 d的累积产气量达9 936 L，比对照组多出1 790 L，增加了 22%，回流效果显著。

累计产气量的大小顺序为60% > 20% >100% > 0% 表4不同沼液回流比下日均产气量的变化(L ) Tab.4 Different biogas reflux ratio changes daily gas production(L)回流比日产气量 0 90.5 20 101.4 60 109.3 100 95.3图7不同沼液回流比下日均产气量的变化Fig.7 Different biogas reflux ratio changes daily gas production由以上数据可知，不同的沼液回流比率对日均产气量影响显著有回流的试验组， 沼气产气量均比未进行沼液回流的对照组高，说明采用回流装置将沼液进行回流， 在一定程度上增加了消化系统内有机质含量，对增加产气量有促进作用在沼液回 流比率为0%时，产气量为90.5L/d随着沼液回流比率的增加，直至回流比率为 60%时，平均产气量达到了 109.3L/d，与对照组相比，产气量增加了 20.8%，增 加显著当回流比率为100%时，日均产气量为95.3L，产气量下降明显，这可能 是由于沼液中含有较高浓度的氨氮及高温条件下游离氨浓度较高，随着沼液的不断 回流，氨氮和游离氨的累积量也随之增加，当达到一定数量时，就会产生氨毒害， 对厌氧微生物有一定的抑制作用，继而影响厌氧发酵过程，产生的沼气量也随之减 少。

3结论本试验利用畜禽粪便进行厌氧发酵产沼气，沼液回流对pH和氨氮的影响较小当 回流比率为60%时，日均产气量可达109.3L/d，与未进行沼液回流的对照组相比 提高了20.8%相对较高的回流比率对系统COD的去除效果有一定的影响，当回 流比率达到100%时，COD的去除率相对于对照组减少了 11%，相对较低的沼液 回流比率对系统的COD去除效果影响不大，因此沼液回流比率达到60%时有利 于牛粪厌氧发酵产沼气，是本试验的最佳沼液回流比率可见，利用沼液回流装置 将沼液进行回流，减少了进料中加入热水所消耗的热能，而且沼液本身含有的未完 全降解的有机质及成熟微生物都有利于沼气产量的提高，从源头上减少沼液的大量 排放造成的环境二次污染，为大型沼气工程沼液处理提供了参考参考文献：[1]陈超，阮志勇，吴进，等.规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展[J ].中国沼气,2013,31 ( 1 ) :25-28,43.[2 ]徐秀银.规模化养猪场沼液的利用现状与对策[J].江苏农业科学,2010,( 06 ):521-522.[3 ]陶秀萍，董红敏，尚斌.新鲜猪沼液和牛沼液对农作物病原真菌抑制作用的 比较研究[J].农业环境科学学报，2011,(07 ) ：1443-1449.[4] LU JIANBO,ZHU LEI,HU GUOLIANG,etal.Integrating animalmanurebased bioenergy production with invasive species control:A case study at Tongren Pig Farm in China [ J ] .Biomass and Bioenergy,2010,34 ( 6 ) :821.[5 ]靳红梅，常志州,叶小梅，等.江苏省大型沼气工程沼液理化特性分析[J].农业 工程学报,201I,27 ( 1 ) :291-296.[6 ]王远远,刘荣厚.沼液综合利用研究进展[J].安徽农业科学,2007,35(4) :1089-1091.[7 ] RN.GARG,HPATHAK,DK.DAS,et a1.Use of flyash and biogas slurry for improving wheat yield and physical properties of soil [ J ] .Environmental Monitoring and Assessment,2005, ( 107 ) :1-9.[8 ] QINW,EGOLFOPOULOSFN,TSOTSIST T.Fundamental and environmental aspects of landfi II gas utilization for power generation[J ] .Chemical Engineering Journal,2001, ( 82 ) :157-172.[9]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M ].北京:中国环境科学 社,2002.。