温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响

水解酸化

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第24卷第11期2008年11月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.24No.11Nov.2008

温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响

王忠江1,2，李文哲1，石铁2，王丽丽1

（1．东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2．黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨150081）摘要：该文在室温为20℃的实验室条件下，对牛粪进行了批量式高浓度厌氧发酵试验，在以往研究的基础上进一步探讨发酵物料温度为32℃、35℃和40℃，料液浓度为9%和10%，发酵时间为12d时，温度和料液浓度对牛粪高浓度水解酸化的影响情况，找出较优的厌氧水解酸化条件。结果表明,当温度分别为32℃、35℃和40℃时，水解酸化产物各主要成份的含量差异较小，但在日均挥发性脂肪酸CODVFA产率方面32℃要远高于35℃和40℃，32℃和40℃之间的差值最大可达452mg/(L·d)，约占最大日均CODVFA产率1227.00mg/(L·d)的37%；当料液浓度为9%和10%时，水解酸化产物各主要成份的含量差值较小，而在日均CODVFA产率方面9%组要远高于10%，差值最大可达463.38mg/(L·d)，约占最大日均CODVFA产率1227.00mg/(L·d)的37.77%，因此牛粪高浓度厌氧水解酸化过程的较优工艺条件为温度32℃，料液浓度9%，发酵时间6d。

关键词：牛粪，厌氧发酵，水解，温度，酸化，料液浓度中图分类号：X713文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-11-0212-05王忠江，李文哲，石铁，等.温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响[J].农业工程学报，2008，24(11)：212－216.

WangZhongjiang,LiWenzhe,ShiTie,etal.Effectsoftemperatureandliquorconcentrationonthehigh-concentrationanaerobichydrolysisandacidogenesisofdairymanure[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(11)：212－216.(inChinesewithEnglishabstract)

0引

言

两相厌氧发酵是将厌氧发酵分为产酸相和产甲烷相两步进行，并将产酸相和产甲烷相分别控制在各自最佳的条件下[1-5]，因而具有提高容积负荷率，增加系统的运行稳定性等优点。两相厌氧发酵的水解酸化相的评价指标主要包括两方面，一方面，产酸速率要快，并尽可能消除由于挥发性脂肪酸的大量产生而抑制或阻遏产酸细菌的代谢活性；另一方面，产酸细菌为产甲烷细菌提供尽可能多的易于降解的产物，保证产甲烷阶段高效、稳定运行。因此本论文以畜禽粪便中水解酸化速度较慢，处理难度较大的奶牛粪便为原料，在以往研究的基础上[6-8]，进一步研究牛粪高浓度厌氧水解酸化试验过程中发酵物料的温度、料液浓度和发酵时间[9-13]对牛粪水解酸化特性的影响，找出较优的发酵条件。

一些主要性质见表1。新取来的牛粪除去大的纤维后经小型搅碎机粉碎，粉碎时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，TS）和挥发性固体（Volatilesolid，VS），之后将物料放入4℃冰箱内储存待用。

Table1

性质牛粪

表1新鲜牛粪的主要成分

Maincomponentsoffreshdairymanure

碳氮比26.10

总固体含量挥发性固体含量有机碳含量总氮含量

/%/%/%/%14～17

12.06

44.01

1.37

1.2

1

1.1

材料与方法

材料

试验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），新鲜牛粪的

收稿日期：2008-03-24修订日期：2008-06-18

基金项目：国家自然科学基金（50376009）；国家十一五科技支撑项目（2006BAD07A10）；黑龙江省科技攻关项目（GB06B502）；黑龙江省留学归国人员科学技术专项资金（LC06C03）；黑龙江省博士后基金项目（LBH-Z8001）；东北农业大学科学研究基金

作者简介：王忠江（1978－），男，黑龙江人，博士，主要从事生物质能转化与利用的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:wangzj-wang@http://doc.guandang.net

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。此系统简图见文献[14]。

本试验以发酵物料的温度、料液浓度和发酵时间为参数，各参数的取值为：温度为32℃、35℃和40℃，料液浓度为9%和10%，发酵时间为12d。由先前试验的研究可知各指标取得较优值时的料液浓度均包含9%，所以这里先研究当料液浓度为9%时，不同温度对水解酸化过程各指标的影响规律，之后在得出的较优温度条件下再比较料液浓度为9%和10%时水解酸化状况的优劣。以总挥发性脂肪酸的化学需氧量、日平均挥发性脂肪酸产率的化学需氧量（以下简称为日均CODVFA产率）、丙酸的百分含量和乙酸与丁酸之和的百分含量作为评价指标，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

水解酸化

第11期王忠江等：温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响213

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。在试验过程中，每天取一次样，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挥发性脂肪酸总量始终在增加，由最初的3500mg/L增加到13000mg/L，氧化还原电位均介于-250～-290mv之间,由此可知在整个发酵过程中发酵物料始终处于厌氧水解酸化阶段。1.3测试仪器及方法

TS、VS采用烘干法[15]测定,料液的pH值由HI9224便携式酸度计测定。挥发性脂肪酸（VFA）通过安捷伦GC-6890型气相色谱仪测定。

气相色谱条件：色谱柱HP-INNowax（0.25μm×0.25mm×30m）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℃；进样口温度为220℃，分流式进样，分流比为20︰1；载气为氮气。

2

2.1

结果与分析

温度对水解酸化各指标的影响

1）温度对日均CODVFA产率和pH值的影响当料液浓度为9%时，温度对日均CODVFA产率和pH值的影响如图1和图2

所示。

但它们达到各自日均CODVFA产率最大值的时间及最大值存在较大差异，32℃的日均CODVFA产率最大值出现在第6d，最大值为1227mg/(L·d)；35℃和40℃的日均CODVFA产率最大值都出现在第4d，最大值分别为953mg/(L·d)和775mg/(L·d)；这说明在其它条件相同时32℃具有较高的水解酸化速率，利用SAS6.12统计软件对4～12d的日均CODVFA产率进行显著性分析，32℃和40℃相比，差异极显著（p＜0.01）；32℃和35℃相比存在一定差异，但差异不显著；35℃和40℃相比也存在一定差异，但差异不显著。

由图2可以看出在发酵周期内，当温度为32℃、35℃和40℃，料液浓度为9%时，三组试验的pH值的整体变化趋势基本一致，即随着发酵时间的增加pH值先随之快速下降，当下降到各自的最低点后便基本保持稳定，而不再随着发酵时间的增加继续下降，并且pH值下降主要集中在前7d，第7d以后pH值基本保持稳定，这说明挥发性脂肪酸的产生主要集中在前7d，第7d以后的产酸量便维持在一个较低水平。由图中还可以看出在发酵的前5d，32℃组的pH值高于35℃组和40℃组的pH值，而在第5～7d之间32℃组的pH值快速地由5.75下降到5.43，第7d时32℃组的pH值略低于35℃组和40℃组的pH值，这与图1中的日均CODVFA产率的变化规律相吻合。利用S …… 此处隐藏：9330字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……