鸡粪中温低固CSTR厌氧反应特征研究及其应用

王黎伟王黎明方潇陈家杰

(1.武汉致远建设集团有限公司,湖北 武汉 430000;2.中船重工环境工程有限公司,湖北 武汉 430000;3.黄石市环境投资有限责任公司,湖北 黄石 435000)

随着我国经济发展和人民生活水平提高，规模化畜禽养殖业快速发展。中国畜牧业协会数据显示，截至2022年8月我国蛋鸡存栏量为11.83亿只，比2020年的高峰减少了8.9%，但是鸡蛋产量和蛋鸡存栏量仍是全球第1[1]。养鸡养殖业的发展同时带来了鸡粪经济的发展。

目前蛋鸡鸡粪多采用直接施用和好氧堆肥处理方式，这些处理方式极易将大量氨气释放到空气和水体，造成环境污染，且从鸡粪处理过程中获取的直接经济价值微乎其微。厌氧处理是处理有机污染物行之有效的技术之一[2]。鸡粪进行厌氧处理是一种可同时获取清洁生物质能源和高质量液态有机肥的处理方式，为鸡粪经济提供了思路。

目前，越来越多的学者通过对禽畜粪便进行厌氧处理研究，为沼气工程应用与发展提供了大量的技术支撑[3-9]。蛋鸡鸡粪的性质依据鸡龄、饲料、季节、身体状况等因素不同存在差异。但蛋鸡鸡粪的有机氮含量均较高，极易被微生物降解为氨氮。氨氮浓度较低的环境可促进厌氧微生物的代谢生长，但是，当游离的氨氮浓度达到一定范围后将对厌氧微生物的代谢产生强烈的抑制作用[10]。畜禽粪污厌氧产沼气工程实例大多选择在中温(35～40℃)条件下运行[11,12]。

目前，研究多集中于蛋鸡鸡粪厌氧反应的相关工艺参数，关于鸡粪厌氧反应产沼气的本质和鸡粪最经济处理负荷的研究少有报道。为此，本研究在中温(38±2℃)条件下开展，并通过反应特征数学模型研究确定工艺设计参数与运行参数，并通过计算得到反应器最经济进料负荷，为鸡粪经济提供半经验半理论计算公式。

1 材料和方法

1.1 试验材料及处理方法

本实验蛋鸡鸡粪取自湖北省浠水县蛋鸡养殖厂，取回后手工剔除新鲜鸡粪中肉眼可见的杂物，放置于0℃冷藏室中保存备用。试验所用反应器进料料浆：取原料鸡粪用蒸馏水稀释为总固体含量为10±1%，随后用破壁机破壁6min。

1.2 实验装置

本文鸡粪中温低固厌氧实验反应器采用具有保温夹套的CSTR厌氧反应器，有效容积为10L，高径比为1∶1。反应器顶部设有搅拌器、进料口及沼气排放口、侧壁设有取样口、循环水进回水口及pH计接口。循环水进回水接口与恒温水箱链接。配备的可调速搅拌装置，最大转速为200r·min-1，转速可调，CSTR反应器所产的沼气由反应器顶部出气口流出，经过滤器后，由湿式流量计计量每天的沼气产量。实验装置的搭设详见图1，实验用到的主要设备详见表2。

表1 原料和接种污泥的性质

图1 中温低固CSTR厌氧反应器装置

表2 实验设备清单

1.3 实验方法

以餐厨垃圾厌氧消化污泥作为接种物。接种污泥和水混合后使厌氧反应器初始TS浓度约为2.37%。试验初始，添加鸡类料浆100mL，系统各项参数如反应器产气量、沼液pH、沼液碱度、沼液挥发性脂肪酸等趋于稳定后，保持该进料有机负荷运行10～20d。之后逐步增加进料负荷，在各进料有机负荷均保持稳定运行10～20d。

试验过程中，进料频率为每天1～4次，每天将准备好的物料装入到进料器中，由自动开关循环控制进料器按设置的时间参数周期进料。同时按设置周期在出料口排出等量的物料。试验期间每天测量pH值、产气量和甲烷含量，每隔2d测量反应器排料的TS和VS含量、挥发性脂肪酸(VFA)含量和碱度。记录厌氧反应器产气量的同时，记录环境温度和压强，通过理想状态方程将所产沼气体积换算成标准状况下的体积。

1.4 化学分析方法

鸡粪原料与厌氧反应器沼液的总固体含量(TS)采用105±5℃烘干法；挥发性固体(VS)采用550±20℃灼烧法；沼气产量通过湿式流量计计量。TS产气效率计算方法：当日沼气总产气量除以当日总固体进料质量；VS产气效率计算方法：当日沼气总产气量除以当日总挥发性固体进料质量。

1.5 统计分析方法

试验数据处理采用Microsoft Excel 2003和SPASS 18.0。

2 结果与讨论

2.1 反应器启动反应特性分析

2.1.1 反应器沼液的pH

启动前，CSTR厌氧反应器内沼液的pH为7.70；CSTR厌氧反应器有机负荷较低时，随着负荷的提高，当CSTR厌氧反应器pH达到7.9后，随着反应器有机负荷的提高，反应器内沼液的pH降低；当CSTR反应器有机负荷达到设计负荷，约3.12kgVS·m-3·d-1时，CSTR厌氧反应器内沼液的pH稳定在7.7；继续提高CSTR厌氧反应器有机负荷，反应器内沼液的pH仍有下降趋势，但较缓慢。

2.1.2 反应器沼液的碱度

图2 厌氧反应器进料负荷与沼液平均pH

图3 厌氧反应器进料负荷与沼液平均碱度

启动时，CSTR厌氧反应器内沼液的碱度为14800mg·L-1；随着CSTR厌氧反应器有机负荷较低时，随着负荷的提高，反应器内沼液的碱度升高；当CSTR厌氧反应器有机负荷达到设计负荷，约3.12kgVS·m-3·d-1时，CSTR厌氧反应器内沼液的碱度稳定在18500mg·L-1左右。随着有机负荷的继续提高，CSTR厌氧反应器内沼液的碱度随之增加。

2.1.3 反应器沼液的VFA

图4 厌氧反应器进料有机负荷与VFA

启动时，CSTR厌氧反应器内沼液的VFA为800mg·L-1；随着CSTR厌氧反应器有机负荷较的提高并在各负荷下稳定20d，反应器内沼液的VFA平均值升高。当CSTR厌氧反应器有机负荷达到设计负荷，约3.12kgVS·m-3·d-1时，CSTR厌氧反应器内沼液的VFA稳定在1500mg·L-1左右。随着有机负荷的继续提高，CSTR厌氧反应器内沼液的VFA随之增加。

2.1.4 反应器沼气甲烷成分

图5 有机负荷与甲烷含量

CSTR厌氧反应器在不同有机负荷下达到稳定时，将便携式沼气分析仪接入CSTR厌氧反应器与湿式流量计的中间位置，测得沼气成分：CH4含量为57%～62%，甲烷含量随有机负荷的提高，有上升趋势。

2.1.5 反应器沼液固体含量

启动时，CSTR厌氧反应器内沼液的TS为2.37%，VS为53.09%；随着负荷的提高，反应器内沼液的TS与VS均升高；逐步提高CSTR厌氧反应器有机负荷，且每次逐步提高CSTR厌氧反应器有机负荷，均保存该负荷下稳定运行20d以上，持续检测反应器内沼液的TS*VS与CSTR厌氧反应器容积产气率的变化情况，如图6所示。

图6 反应器挥发性有机物含量与厌氧反应器容积产气率

随着CSTR厌氧反应器内挥发性有机物的含量的增加，CSTR反应器容积产气率随着增加。如需反应器获得大于1.5m3·m-3·d-1的容积产气率，需确保CSTR反应器沼液的挥发性有机物含量大于0.275%。

如需CSTR厌氧反应器获得大于2.0m3·m-3·d-1的容积产气率，需确保CSTR反应器沼液的挥发性有机物含量大于0.3%。

当CSTR厌氧反应器内挥发性有机物的含量大于0.04%时，CSTR反应器容积产气率获得较大容积产气率2.5m3·m-3·d-1。

2.2 产气速率和产气潜能分析

CSTR厌氧反应器在不同进料负荷下稳定运行时，CSTR反应器的容积产气率、鸡粪平均VS产气率如图7、图8所示。

图7 日进料量与厌氧反应器平均容积产气率

图8 进料有机负荷与厌氧反应器平均容积产气率

当CSTR厌氧反应器有机负荷小于3.12kg·m-3·d-1，有机负荷与容积产气率呈现线性关系，方程：

v=0.5505×S

当CSTR厌氧反应器有机负荷大于3.12kg·m-3·d-1，有机负荷与容积产气率呈现线性关系，但斜率降低，方程：

v=0.1598×S+1.6156

式中，S为厌氧反应器有机负荷，kg·m-3·d-1；v为容积产气率，m3·m-3·d-1。

图9 进料有机负荷与鸡粪VS产气率

当反应器有机负荷小于1.1kg·m-3·d-1时，鸡粪平均VS产气率数值为0.5m3·kg-1·d-1，与反应器有机负荷没明显函数关系；当CSTR厌氧反应器有机负荷在1.1～2.0kg·m-3·d-1区间时，鸡粪平均VS产气率与反应器有机负荷呈现线性下降函数；当CSTR厌氧反应器有机负荷在2.0～5.36kg·m-3·d-1区间时，鸡粪平均VS产气率与反应器有机负荷呈现下抛物线函数关系Z=-0.0502×S2+0.3459×S，并存在最佳反应器有机负荷值S=3.45kg·m-3·d-1，可获得鸡粪平均最大VS产气率0.6m3·kg-1VS。

2.3 产气与经济效益分析

通过中温低固CSTR厌氧工艺，每处理1t总固体含量为30%，其中挥发性有机含量占77%的新鲜蛋鸡鸡粪，获得的沼气用于提纯生产生物天然气，获得的厌氧沼渣进行好氧堆肥处理生产有机肥。

则获得的收益：

W=Q×TS1×VS1×Z×η1×η2×A+q×TS2×B

(1)

式中，W为销售天然气和生物肥的收入估算值，元·d-1；Q为CSTR反应器日进料量，t·d-1；TS1为进料料浆总固体含量，%；VS1为进料料浆有机物含量，%；Z为平均鸡粪VS沼气产气率，m3·kg-1VS;η1为沼气中甲烷含量，%；η2为生物天然气有效利用率，%；A为生物天然气价格，元·m-3；TS2为CSTR反应器沼液总固体含量，%；B为有机肥价格，元·t-1；V为CSTR反应器有效反应容积，m3。

将式(1)两边同时除以反应器有效反应容积V，可以获得反应器单位容积经济效益：

化简并将公式Z=-0.0502×S2+0.3459×S，其中S取值范围为2～6kg·m-3·d-1，带入可获得公式：

3 结论

采用中温低固体厌氧CSTR反应器进行反应，反应器不同进料有机负荷下鸡粪的VS产气效率不同。

在CSTR反应器正常运行时，随着CSTR反应器进料负荷的增加，反应器内沼液的VFA、碱度、甲烷含量随之增加，pH随之降低。

如需CSTR厌氧反应器获得大于1.5m3·m-3·d-1的容积产气率，需确保CSTR厌氧反应器沼液的挥发性有机物含量大于0.275%；如需CSTR厌氧反应器获得大于2.0m3·m-3·d-1的容积产气率，需确保CSTR厌氧反应器沼液的挥发性有机物含量大于0.3%。

当CSTR厌氧反应器有机负荷取S=3.45kg·m-3·d-1时，可获得鸡粪平均VS产气率0.6m3·kg-1VS；当CSTR厌氧反应器有机负荷取S=4.6kg·m-3·d-1时，CSTR厌氧反应器单位容积经济效益最大。