摘 要：在浓度为8%的猪粪水厌氧消化器内，分别加入活性炭纤维、活性炭颗粒作为微生物载体，试验对不同载体反应器料液的TS、VS、CODcr、SsCOD以及产气量进行了监测、对比。试验结果显示：加入活性炭纤维和加入活性炭颗粒的总产气量（30d）比空白对照样总产气量分别高出5.67%、6.77%；同时，加入载体材料也有助于对畜禽粪污水CODcr的去除。
关键词：载体 厌氧消化 猪粪
1 前言
1.1畜禽粪污对环境污染严重
畜禽粪污对环境的污染主要表现在对大气、水源、土壤等的污染，畜禽场周围环境的恶化，造成疫病流行，严重影响人们生产生活的正常秩序。目前我国畜禽粪便化学需氧量的排放量已达到9118万吨[1]，远远超过工业废水和生活废水的排放量，而绝大多数畜禽粪便没有被作为一种资源利用，随意丢弃或者排放到环境中，使其变为污染源，对生态环境造成了极大的影响。因此，实现农业废弃物变“废”为“宝”，消除环境污染，改善农村生态环境，对我国建设小康社会和实现农业可持续发展具有重大意义。
1.2.畜禽粪污处理技术
我国对畜禽粪便资源化利用技术主要包括物理法、化学法和生物法三大类[2]。物理法和化学法由于能耗大，投入大等原因，没有得到广泛地应用。生物消化处理法则是近年来国内外研究较多的一种方法。该法具有成本低、消化产物生物活性强、肥效高、易于推广等特点，同时可达到除臭、灭菌的目的，因而被认为是最有前途的一种畜禽粪便处理方法。消化主要可分为厌氧法、好氧法两种方法。厌氧消化法是利用厌氧微生物在缺氧条件下，将有机物转化为二氧化碳与甲烷气。此法将能源、环保、生态有机地结合，通过处理废弃物，产生清洁能源——甲烷。厌氧消化过程是由许多种细菌和一些中间步骤组成的复杂过程[3]。除了温度、pH值等影响因素以外，产甲烷菌的种类和密度是影响厌氧消化效率和甲烷产量的重要因素[4]，因此优化产甲烷菌的种类、提高反应器内产甲烷菌的密度、实现反应器内微生物的高密度保持至关重要。在畜禽有机废弃物厌氧消化过程中，添加某些物质作为微生物载体材料，利用载体的表面积、粗糙性、极性、电荷、结构等影响厌氧微生物的附着，从而增加产甲烷菌的数量，提高产气效率。本试验选用活性炭纤维和活性炭颗粒作为载体材料，来探究载体材料在猪粪厌氧消化过程中的作用。
2 试验原料与方法
2.1 载体材料的选择
2.1.1活性炭颗粒
活性炭颗粒（GAC）是一种黑色粉状，粒状或丸状的无定形具有多孔的炭，主要成分为炭，还含少量氧、氢、硫、氮、氯。也具有石墨那样的精细结构，只是晶粒较小，层间不规则堆积。具有较大的比表面积(500~1000m2/g) [5]，有很强的吸附性能。
2.1.2活性炭纤维
活性炭纤维（ACF）是一种高科技、新颖、高效、性能稳定、用途多种多样的吸附材料。它具有丰富的微孔，吸附性能优良；活性炭纤维的直径一般为10~30μm，主要由C、H、O三种元素组成。活性炭纤维与活性炭颗粒有显著的不同，其直径小，孔隙直接开口于纤维表面，是一种典型的微孔炭，具有较大的吸附力。
2.2试验原料和接种物
两组试验采用的猪粪厌氧接种物均取自北京蟹岛度假村，测其各项指标如表1所示。本试验采用成批投料的方式与载体材料同时加入2L的消化器，载体材料分别选用活性炭纤维和活性炭颗粒。加入活性炭纤维4片，总表面积约为400cm2，活性炭纤维分别位于反应器的各个层面，每个活性炭纤维之间间隔约5cm。加入活性炭颗粒13g，反应器中活性炭颗粒浓度约为6.5g/L。两组试验的配料见表2。
表1 发酵原料各项指标
Tab.1 Indicators of fermentation materials
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原料 |
接种物 | |||||
|
TS |
VS |
pH |
TS |
VS |
pH | |
|
第一组试验 |
20.45±0.70% |
81.75±0.80% |
6.90～7.18 |
3.0±0.30% |
74.50±0.80% |
7.23～7.46 |
|
第二组试验 |
20.16±0.26% |
79.32±0.80% |
6.80～7.15 |
3.08±0.30% |
77.30±0.50% |
7.21～7.42 |
表2 试验发酵原料
Tab.2 Experimental materials of fermentation
|
载体名称 |
鲜猪粪（g） |
稀释水（g） |
接种物（g） |
TS浓度（%） |
|
活性炭纤维 |
733 |
767 |
500 |
8.04 |
|
对照样一 |
733 |
767 |
500 |
8.08 |
|
活性炭颗粒 |
745 |
755 |
500 |
8.16 |
|
对照样二 |
745 |
755 |
500 |
8.13 |
2.3试验装置
图1 试验装置图
Fig.1 The scheme of the experiment
试验采用水浴控制消化温度在35±2℃，一天两次人工搅拌，试验装置如图1所示，由恒温水浴锅、厌氧消化器和集气瓶三部分组成。试验所选厌氧消化器为2L的三角瓶，用排水集气法计量产气量。试验中需要采取样品从取样管中取出，使消化器内部保持厌氧环境。
2.4试验方法和试验仪器
本试验分为两组，在高浓度猪粪水厌氧消化的过程中加入了活性炭纤维和活性炭颗粒作为载体材料，通过对TS、VS、CODcr、SsCOD和产气量等参数的测定，来探讨两种载体材料在高浓度猪粪水厌氧消化过程中的作用机理。试验开始和结束各取一次样，每次取样都做两次重复试验，取平均值。试验用烘干法监测厌氧消化过程料液TS含量变化，用焚烧法来监测VS含量。利用重铬酸钾氧化分光光度计法来测定化学需氧量（CODcr）和溶解性化学需氧量（SsCOD）。试验采用排水法每日定时测定产气量。试验共进行30d。
3 试验结果与讨论
3.1不同载体作用下TS的变化规律
添加活性炭纤维和活性炭颗粒的两组试验消化料液的TS去除率比相应对照样的去除率高（见表3）。在第一组试验中，添加活性炭纤维的消化料液的TS去除率为60.56%，比对照样（55.30%）高出9.5%。在第二组试验中，添加活性炭颗粒的消化料液的TS去除率为60.40%，比对照样（54.74%）高出10.3%。试验数据表明，加入两种载体材料对于高浓度猪粪的消化具有促进作用，但两种载体材料在对消化料液TS的去除效果方面相差不大。
表3 不同载体作用下TS的去除率
Tab.3 The remove rate of the TS with different carriers
|
组别 |
消化前TS (%) |
消化后TS (%) |
TS去除率(%) |
|
活性炭纤维
对照样一
活性炭颗粒
对照样二 |
8.04
8.08
8.16
8.13 |
3.17
3.61
3.23
3.68 |
60.56
55.30
60.40
54.74 |
3.2不同载体作用下VS的变化规律
添加活性炭纤维和活性炭颗粒的两组试验消化料液的VS去除率比相应对照样的去除率高（见表4）。在第一组试验中，添加活性炭纤维的消化料液的VS去除率为22.15%，比对照样（18.83%）高出17.6%。在第二组试验中，添加活性炭颗粒的消化料液的VS去除率为23.84%，比对照样（20.32%）高出17.3%。数据表明，加入两种载体材料对于高浓度猪粪水的消化具有促进作用，两种载体材料在对消化料液VS的去除效果方面相差不大，添加活性炭纤维的效果稍好于活性炭颗粒。
表4 不同载体作用下VS的去除率
Tab.4 The remove rate of the VS with different carriers
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组别 |
消化前VS (%) |
消化后VS (%) |
VS去除率(%) |
|
活性炭纤维
对照样一
活性炭颗粒
对照样二 |
80.65
80.89
80.42
80.10 |
62.79
65.65
61.25
63.82 |
22.15
18.83
23.84
20.32 |
3.3不同载体作用下CODcr的变化规律
从总体来看，添加活性炭纤维和活性炭颗粒的CODcr去除率都比相应的对照样高（见表5），说明加入两种载体材料都可以促进猪粪厌氧消化的进行，促进厌氧消化细菌利用CODcr。在第一组试验中，添加活性炭纤维的CODcr去除率为79.87%，比相应对照样（77.30%）高出3.3%；而在第二组中添加活性炭纤维的CODcr去除率为78.48%，比相应对照样（76.79%）高出2.2%，两者的作用效果基本相同。但在实际工程中，活性炭纤维可能会对厌氧消化料液的流动存在堵塞的问题，而活性炭颗粒不存在这一现象，所以在效果相差不大的前提下，活性炭颗粒能够更好的应用于沼气工程实际运行中。
表5 不同载体CODcr、SsCOD的去除率
Tab.5The remove rate of the CODcr、SsCOD with different carriers
|
组别 |
活性炭纤维 |
对照样一 |
活性炭颗粒 |
对照样二 |
|
CODcr去除率 |
79.87% |
77.30% |
78.48% |
76.79% |
|
SsCOD去除率 |
69.44% |
66.06% |
68.81% |
65.90% |
3.4不同载体作用下SsCOD的变化规律
通过对两组试验数据分析（见表5），添加活性颗粒和活性炭颗粒都有助于对SsCOD的去除。在第一组试验中，添加活性炭纤维的CODcr去除率为69.44%，比相应对照样（66.06%）高出5.1%；而在第二组中添加活性炭纤维的CODcr去除率为68.81%，比相应对照样（65.90%）高出4.4%，两者的作用效果相差不大。
3.5不同载体作用下产气量的变化规律
图2 不同载体作用下总产气量情况
Fig.2 The total biogas production with carriers
在第一组试验中，添加活性炭纤维反应器的总产气量为46590mL，比对照样的44090mL高出5.67%。在第二组试验中，添加活性炭颗粒样的总产气量为45910mL，比对照样的42800mL高出6.77%。可见，两者效果相差不大，添加活性炭颗粒的效果略好。同时，在厌氧消化中添加活性炭颗粒，可以使产气高峰提前到来，从而可以减小消化器的池容，节约建造成本，缩减水力滞留期，加快消化速度，提高产气量，增大经济效益，有很好的实际应用的价值。
4 试验结论
通过试验发现：添加活性炭纤维和活性炭颗粒两种载体材料有利于猪粪的厌氧消化。因为这两种载体材料都利用其良好的特性，为各种菌群提供生长和附着空间，增加了菌种数量，提高了菌群密度，从而提高了厌氧消化的效率和产气率，促进了厌氧发酵的顺利进行。从理论上看，活性炭纤维由于其丰富的微孔，它的吸附作用比活性炭颗粒大，从而富集厌氧微生物的效果也比活性炭颗粒好，所以，它对猪粪厌氧消化的效果应该要比活性炭颗粒好。但是，从试验数据看，虽然活性炭纤维能够对猪粪的厌氧处理有一定的作用，但效果却并不明显。因为活性炭纤维的孔隙小，易被高浓度粪污水堵塞，从而影响厌氧反应的效果。同时，由于活性炭纤维的在工程应用上难以固定等因素，所以活性炭纤维作为填料在沼气工程应用上，还有待于探讨。活性炭颗粒作为吸附载体具有很好的作用，但其工程应用的技术经济比较也有待于更深入的研究。
作者：陈伟旻 林 聪 段 娜 汪卫东
文章来源： www.chinaswine.org.cn
