秸稈床厭氧發酵產沼氣系統優化試驗

陳廣銀，畢金華，杜　靜，常志州，葉小梅（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，南京210014）

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秸稈床厭氧發酵產沼氣系統優化試驗

陳廣銀，畢金華，杜靜，常志州※，葉小梅
（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，南京210014）

摘要：針對前期研究中發現秸稈床反應器內秸稈在發酵后期上浮、進水短流等問題，采取在秸稈床反應器內增加導氣管、在秸稈捆底部預留緩沖空間以及2種方式組合的方式，研究改進措施對秸稈床反應器及整個發酵系統產氣、化學需氧量（chemical oxygen demand, COD）去除等的效果。結果表明：直接以打捆秸稈為固定相，以豬糞廢水為流動相的處理在豬糞廢水有機負荷為2.13 kg/（m3/d）條件下出現輕度酸化，產氣受到明顯抑制，日產氣量明顯低于其它處理，繼續提高豬糞廢水有機負荷后各處理間無明顯差別；采用增加導氣管、增加緩沖空間以及導氣管+緩沖空間的方式改善了秸稈床反應器內發酵環境，未出現酸化現象，日產氣量穩定性明顯提高。試驗結束時，各處理秸稈床反應器累積產氣量較對照分別提高了18.90%、9.05%和22.48%，累積產甲烷量較對照分別提高了23.02%、9.34%和25.21%；采用該研究提出的改進措施對二級反應器產氣組成無明顯影響，各處理平均甲烷含量均在68%左右，對整個秸稈床發酵系統累積產氣量、平均甲烷體積分數以及COD去除率無明顯影響。以上結果表明，在秸稈床反應器內增加導氣管對提高反應器產氣量、甲烷含量及產氣穩定性有較好的效果，在條件允許的情況下可以考慮在反應器底部增加緩沖空間。

關鍵詞：秸稈；沼氣；優化；秸稈床反應器；導氣；緩沖空間；豬糞廢水：厭氧發酵

陳廣銀，畢金華，杜靜，常志州，葉小梅.秸稈床厭氧發酵產沼氣系統優化試驗[J].農業工程學報，2016，32（01）：250-257.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.035 http://www.tcsae.org

Chen Guangyin, Bi Jinhua, Du Jing, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei.Optimization experiment of straw-bed anaerobic fermentation system for biogas production[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 250－257.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.035 http://www.tcsae.org

中國農業工程學會會員：陳廣銀（E041100020M）

0　引言

滲濾床發酵系統是近年來新興的一種厭氧發酵技術，被廣泛用于畜禽糞便、蔬菜廢物、有機生活垃圾等廢物處理中。Demirer等[1]將滲濾床厭氧反應器用于奶牛糞便厭氧發酵產沼氣，取得了較好的效果，沼氣產量較傳統的漿料發酵提高了25%以上。Browne等[2]采用滲濾床反應器研究了食品廢物水解特性并對相關參數進行了優化。Shewani等[3]用數學模型研究了牛糞固態滲濾床反應器厭氧發酵過程中滲濾液的下滲特征。Koppar和Pullammanappallil[4]采用滲濾床發酵系統處理廢棄甜菜漿，取得了較好的產氣效果，但發酵液在循環使用3次后，第4次試驗對產氣產生明顯抑制，主要是由于氨的累積造成的抑制。此外，一些學者還將該發酵系統用于處理互花米草[5]、餐廚垃圾[6]、有機生活垃圾[7]等。然而，單純以滲濾床反應器處理有機廢物，存在對廢棄物處理時間長、出水化學需氧量（chemical oxygen demand, COD）濃度偏高等問題。Jagadabhi等[8]采用滲濾床+上流式厭氧污泥床反應器（up-flow anaerobic sludge bed/blanket，UASB）反應器組成兩相厭氧發酵系統處理番茄、黃瓜、蘆葦和青貯草產沼氣，取得了較好的產氣效果。Linke等[9]采用滲濾床+厭氧濾器（anaerobic filter，AF）反應器組成兩相厭氧發酵系統處理青貯玉米。可以看出，滲濾床反應器已被廣泛用于固體物料厭氧處理中，作為兩相厭氧發酵的水解相也逐步得到應用，且表現出較好的效果。

然而，滲濾床反應器的提出和應用僅僅滿足于處理固體廢棄物，對廢水無能為力。在廣大農村地區，不僅有農業秸稈等固體廢棄物，還有數量更為龐大且更難處理的畜禽養殖污水。秸稈能源化是秸稈綜合利用的重要方向之一，國內外學者在這方面進行了大量研究[10-11]，但將農業秸稈與畜禽養殖污水聯合處理的研究還不多[12-13]。曹杰等[14]以打捆麥秸為固定相，以豬糞廢水為流動相組成秸稈床反應器作為兩相厭氧發酵系統的水解產酸相，并試圖通過逐漸提高豬糞廢水有機負荷的方式促進水解產酸相酸化，達到“相分離”的目的，結果顯示，較高的豬糞廢水有機負荷對反應器產氣有一定抑制，但25 d后日產氣量和容積產氣量迅速增加，且明顯高于低豬糞廢水有機負荷的處理；對發酵后麥秸水浸提液的變性梯度凝膠電泳（denatured gradient gel electrophoresis，DGGE）檢測表明，豬糞廢水高有機負荷促進了厭氧微生物在麥秸表面定植，微生物種群數量和豐富度均明顯提高，反應器耐高有機負荷沖擊的能力得到增強。在該研究啟發下，我們提出了一個新的思路，即能否以結構疏松多孔的秸稈為固定相，以養殖/生活污水為流動相，組成秸稈床反應器厭氧產甲烷。在該思路下作者設計了秸稈床厭氧發酵系統，并對其可行性進行了研究，詳見文獻[15]。結果表明，秸稈床厭氧發酵系統可同時處理打捆秸稈和豬糞廢水，且不影響發酵物料的厭氧生物轉化率，系統產氣穩定性大幅提高，避免了單一原料日產氣量波動較大的問題，但試驗35 d后，秸稈互相粘結，導氣性下降，造成秸稈上浮、進水短流，反應器出水COD濃度快速增加[15]。通過在厭氧反應器內增加導氣措施可促進物料產氣已有相關研究報道[16]。在秸稈捆與反應器底部預留一定的空間，減少進水對發酵系統的沖擊，大量文獻查閱還未發現這方面的研究報道。因此，研究在秸稈捆中增加導氣管以及在秸稈捆底部預留緩沖空間對秸稈床發酵系統產氣的影響很有必要，但還未見這方面的研究報道。

本研究以打捆麥秸為固定相，以豬糞廢水為流動相，組成秸稈床反應器，并在秸稈床反應器后連接污水深度厭氧反應器，組成秸稈床厭氧發酵系統。通過在秸稈床反應器內增加導氣管、在秸稈捆底部預留緩沖空間的方式，研究這些改進措施對秸稈床發酵系統產沼氣的影響，為秸稈床反應器改進提供技術支持。

1　材料與方法

1.1試驗材料

小麥秸稈取自江蘇省農業科學院小麥試驗田，風干后，人工打成圓柱形捆（質量300 g，高18 cm，Φ16 cm），于干燥陰涼處備用，總固體（total solid，TS）質量分數為87.48%，揮發性固體（volatile solid，VS）質量分數為86.88%，C/N為55.32；豬糞pH值為7.20，TS為24.14%，以豬糞：水質量比1:5混合后過20目篩的液體模擬豬糞廢水；接種污泥由實驗室自行馴化，TS為9.46%，VS為34.63%，COD濃度為13 900 mg/L，pH值為7.65。文中物質含量均為占干物質的百分比。

1.2試驗方法

試驗用秸稈床厭氧發酵系統同文獻[15]。該發酵系統由2套總容積各5 L的升流式固體反應器（uflow slid ractor，USR）串聯而成。首先，將干物質重300 g的打捆秸稈和3 657 g接種物裝入秸稈床反應器（1#）內，將4 000 g接種物裝入二級厭氧反應器（2#）內，豬糞廢水從秸稈床反應器底部進水口進入，排出的發酵液用蠕動泵泵入二級厭氧反應器（2#）繼續發酵產沼氣。每天向一級發酵罐內加入豬糞廢水，每5 d一個周期，逐步提高豬糞廢水進水量，即逐步提高豬糞廢水有機負荷。試驗啟動后第1天豬糞廢水進水量為200 mL，5 d后每天進350 mL豬糞廢水，10 d后為500 mL，以此類推。秸稈床厭氧發酵系統發酵溫度為（37±1）℃。

試驗設4個處理，其中1個對照。對照（CK）：直接將打捆秸稈裝入秸稈床反應器內，無其它措施；處理1（T1），在秸稈捆體豎向方向插入6根導氣管，1根導氣管位于捆體中心，另5根導氣管在離發酵罐壁3 cm左右呈圓形均勻分布，導氣管內徑8 mm，長度20 cm，其它同CK；處理2 （T2），將秸稈捆固定于發酵罐內，捆體底部留出1 L的空間（距罐底約5 cm），其它同CK；處理3（T3），將秸稈捆底部留出約1 L空間，并在捆體中插入導氣管，即將T1和T2的處理措施整合起來，其它同CK。各處理二級反應器分別標記為CK’、T1’、T2’、T3’。每個處理2個平行，取平均值進行分析。試驗第45天時，豬糞廢水日進水量達1 400 mL，之后停止進水，僅測定日產氣量和甲烷含量至試驗第52天。試驗過程中，每日測定日產氣量和甲烷體積分數，測定進出水pH值和COD濃度。

1.3測定指標和方法

以排水集氣法測定產氣量；采用氣相色譜儀（GC-9890A，南京仁華色譜科技應用開發中心，南京）分析產氣中甲烷體積分數（TCD檢測器）；采用105℃烘24 h，差重法測定TS；采用550℃灼燒4 h，差重法測定VS；采用酸度計（pHS-2F型，上海精密科學儀器有限公司，上海）測定發酵液pH值；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[17]；采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定全氮[18]；參照GB1194-89測定COD濃度。

1.4作圖及統計分析

采用Origin 8.0作圖，Excel 2003軟件處理試驗數據，SPSS 13.0軟件進行統計分析，置信水平為95%（P＜0.05）。

2　結果與分析

2.1第1級/1#反應器厭氧發酵特性

2.1.1進出水pH值的變化

試驗過程中，各處理進出水pH值的結果見圖1。由于試驗用豬糞廢水為當天用豬糞現配，故試驗過程中豬糞廢水pH值波動較大，波動范圍在6.0～6.8之間；除CK外，各處理pH值的變化趨勢相似，試驗過程中基本穩定在7.0～7.5之間；CK在試驗啟動后，pH值迅速降低，在試驗第7天達到最低值6.32，之后迅速回升，并穩定在7.0～7.5之間。可以看出，無論是增加導氣措施還是在發酵罐底部預留緩沖空間，對秸稈床反應器出水pH值均無明顯影響。經秸稈床反應器處理后，出水pH值大幅增加，從進水的6.0～6.8之間大幅增加至7.0～7.5之間，這可能與豬糞廢水經厭氧發酵處理后，有機氮大量轉化為銨態氮有關[19]。

圖1　各處理進出水pH值的變化Fig.1 Changes of pH values during experiments

2.1.2進出水COD濃度及有機負荷率（organic loading rate, OLR）的變化

試驗過程中，各處理進出水COD濃度及反應器豬糞廢水OLR的結果見圖2。試驗用豬糞廢水為當天用豬糞現配，故試驗過程中豬糞廢水COD濃度波動較大，波動范圍在10.0～16.6 g/L之間；經秸稈床反應器處理后，出水COD濃度均大幅下降。除CK外，T1-T3在試驗前20 d COD去除率均在40%以上，之后逐漸下降；CK在試驗啟動后，出水COD濃度迅速上升，在試驗第15天時COD去除率達到最低值，為-25.0%，即出水COD濃度高于進水，對照pH值的結果推測該階段反應器出現酸積累，造成COD累積，之后COD在8.0～12.0 g/L之間波動，COD去除率穩定在20%～40%之間；T1-T3發酵液COD濃度的變化趨勢相似，均為緩慢增加的趨勢，COD去除率則呈緩慢降低的趨勢，分別從試驗起始的73.91%、69.57%和69.57%降低至第45 d時的30.32%、16.77%和27.74%。

試驗過程中，豬糞廢水COD濃度相對穩定，通過逐步提高豬糞廢水添加量的方式提高豬糞廢水OLR，各處理秸稈床反應器OLR從試驗第1天時的0.644 kg/（m3/d）增加到試驗第45天時的4.34 kg/（m3/d）。試驗過程中，隨著豬糞廢水添加量逐漸增加，豬糞廢水發生短流的風險增加，表現為出水COD濃度快速增加，T2在試驗27 d后出水COD濃度快速增加，且明顯高于T1和T3，表明在發酵罐底部預留一定空間對緩沖進料的沖擊有一定作用，但當進料量大于預留的空間容積時，這種緩沖作用逐漸降低；在試驗前21 d，T3出水COD濃度最低，表明在發酵罐底部預留緩沖空間結合秸稈捆中增加導氣管的方式對促進COD在秸稈床反應器內分解轉化有積極作用，但隨著豬糞廢水添加量逐漸增加，這種促進作用逐漸降低。

圖2　各處理進出水化學需氧量（COD）濃度及有機負荷（OLR）變化Fig.2 Changes of chemical oxygen demand（COD）content of influent and effluent and organic loading rate（OLR）during experiments

2.1.3產氣特性

各處理試驗過程中日產氣量的變化見圖3a。可以看出，除CK外，T1-T3日產氣量的變化趨勢相似，均為試驗啟動后迅速增加，分別在試驗第6、6和4天日產氣量達到第一個高峰，峰值分別為6 863、7 044和6 306 mL，之后有一個短暫的穩定期。對照圖2的結果可知，該階段豬糞廢水OLR較低，在1.5 kg /d以下，故推測該階段的產氣主要來自秸稈。12 d后，隨著豬糞廢水有機負荷逐漸增加，產氣主要來自每日添加的豬糞廢水，產氣量快速增加，T1-T3分別在試驗第26、26和25天出現第2個產氣高峰，峰值分別為8 230、7 180和7 165 mL，之后產氣逐漸下降，對應的豬糞廢水COD去除率逐漸降低。日產量的結果表明，將增加導氣管和在發酵罐底部預留緩沖空間相結合對提高日產氣量有較好的效果。CK在試驗啟動后，日產氣量迅速增加，在試驗第4天達到第一個產氣高峰，峰值為4 400 mL，之后產氣迅速降低，并在第6天達到谷值，僅為350 mL，這與pH值的結果一致，之后產氣量迅速回升，并在第32天達到第2個產氣高峰，峰值為8 120 mL，之后產氣逐漸降低，但該階段日產氣量明顯高于其它處理。

試驗30 d后，豬糞廢水進水量達到1 L以上，對反應器的沖擊作用增大，發生短流的風險進一步增大，T2和T3盡管在發酵罐底部預留了1 L的緩沖空間，但未能發揮明顯作用，各處理日產氣量逐漸下降。通過在發酵罐底部預留一定緩沖空間的方式，在進水量低于預留空間時對緩沖進水對發酵系統的沖擊有較好的效果，但當進水量大于預留體積時無明顯影響；在反應器內增加導氣管可以將發酵罐內產生的氣體及時排出，促進物料產氣，但在豬糞廢水負荷進一步增大后，這種促進作用被逐步減弱甚至消失。日產氣量的結果表明，對于秸稈床反應器，豬糞廢水每次進水量不宜過高，控制在1 L以內為宜，進水量過大導致出水COD較高，COD轉化率偏低，建議工程中采取分次進水的方式。

圖3　試驗過程中日產氣量和產氣中甲烷體積分數的變化Fig.3 Changes of daily biogas yield and methane content during experiments

各處理試驗過程中產氣中甲烷體積分數的變化見圖3b。可以看出，與日產氣量的結果相似，T1-T3產氣中甲烷體積分數的變化趨勢相似，CK略有不同。試驗啟動后，T1-T3產氣中甲烷體積分數迅速降低，均在試驗第3天達到最低，分別為34.78%、33.68%和34.16%，之后迅速增加，13 d后達到相對穩定，在57%～65%之間波動；CK在試驗啟動后產氣中甲烷體積分數迅速增加，在第2天達到第一個高峰，峰值為33.05%，之后迅速降低，在第5天達到最低，僅為23.17%，這與pH值及日產氣量的結果一致，之后產氣中甲烷體積分數迅速回升，在第22天達到峰值，為64.28%，之后穩定在60%左右。秸稈床反應器的優化措施對產氣中甲烷含量未表現出明顯影響。

2.2第2級（2#）反應器厭氧發酵特性

將第1級反應器出水作為二級厭氧反應器進水繼續發酵產沼氣，二級厭氧反應器即為本試驗第2級。

2.2.1試驗過程中各處理進水OLR及出水COD濃度的變化

試驗過程中，各處理進水OLR及出水COD濃度的變化見圖4。在該階段，反應器OLR受進水（即1#反應器出水）體積和COD濃度的雙重影響，進水COD濃度則受1#反應器運行狀況的影響。從圖4a可知，試驗過程中，CK’、T1’-T3’進水OLR呈逐漸增加趨勢，各處理分別從試驗初始的0.16、0.17、0.20和0.20 kg/（m3/d）增加到第45天時的3.00、3.02、3.61和3.14 kg/（m3/d）。可以看出，隨著豬糞廢水進水量逐漸增大，很大一部分豬糞廢水的COD未能在1#反應器中分解，而是進入2#反應器中，這從1#反應器COD去除率相對較低也可得到印證，該結果與作者之前的研究結果一致[15]。

試驗過程中各處理出水COD濃度的變化見圖4b。可以看出，CK’、T1’-T3’出水COD濃度的變化趨勢基本相似，均為先增加，保持相對穩定后降低，在試驗后期又增加的趨勢。出水COD濃度可以反映厭氧反應器的運行狀況。試驗啟動后，隨著進水量增加，出水COD濃度隨之增加，在11天左右達到峰值，在13～31 d達到一個相對穩定期，表明該階段反應器進入穩定運行階段。31 d后，由于進水COD濃度降低，出水COD濃度隨之降低。但是，隨著進水量逐步增加，對發酵系統的沖擊增大，試驗結束時，出水COD濃度有增加趨勢。對比進水COD濃度（第1#反應器出水）的結果可知，進水COD濃度對出水COD濃度的影響較大。將進出水COD濃度折換成COD去除率可以看出，各處理COD去除率均呈先降低后增加的趨勢。試驗啟動后，由于厭氧發酵系統尚不穩定，隨著進水量增加，出水COD去除率有降低趨勢，但隨著發酵系統內厭氧微生物對發酵環境逐漸適應，對COD的去除率隨之增加。試驗結束時，CK’、T1’-T3’出水COD去除率分別為76.82%、72.59%、83.26%和72.14%。

試驗過程中，各處理出水pH值相對穩定（結果未列出），基本穩定在7.50～8.00之間，且各處理間無明顯差別，表明在秸稈床反應器內增加的兩種改進措施對發酵系統最終出水pH值無明顯影響。

圖4　試驗過程中各處理出水COD濃度及反應器OLR隨發酵時間的變化Fig.4 Changes of chemical oxygen demand（COD）content of effluent and organic loading rate（OLR）of bioreactor during experiments

2.2.2產氣特性

試驗過程中各處理日產氣量和產氣中甲烷體積分數隨實驗時間變化的結果見圖5。由圖5a可以看出，各處理日產氣量的變化趨勢相似，均為試驗啟動后逐漸增加，分別在第35、36、36和37 d達到第一個產氣高峰，為6 600、4 965、6 800和5 400 mL，之后產氣迅速降低，38 d后達到相對穩定，43 d后逐漸增加，第45天達到第二個產氣高峰，之后迅速降低。在本試驗中，產氣量受進水量及進水COD濃度的雙重影響，由于2#反應器進水來自1#反應器出水，故各處理2#反應器進水COD濃度是該階段各處理日產氣量存在差別的主要原因。對比圖2各處理1#反應器出水COD濃度的結果可以看出，2#反應器日產氣量與進水COD負荷保持較好的相關性。在試驗前22 d，CK 的1#反應器出水COD濃度明顯高于其它處理，對應的2#反應器在該階段日產氣量高于其它處理；試驗35～42 d，各處理1#反應器出水COD濃度出現較大幅度降低，導致2#反應器日產氣量在該階段大幅下降，但隨著進水量進一步提高，日產氣量隨之增加；45 d后，1#反應器停止進水，2#隨之停止進水，導致45 d后日產氣量迅速降低。試驗46～50 d的產氣主要是殘留在2#反應器內的COD進一步轉化而來。但是，從2#反應器日產氣量并不能評判本試驗改進措施的效果，需結合1#反應器對整個發酵系統的產氣效果進行綜合評價，具體見2.3部分。

試驗過程中各處理產氣中甲烷體積分數隨實驗時間的變化結果見圖5b。可以看出，各處理變化趨勢極其相似，均為試驗啟動后迅速增加，10 d后穩定在60%～70%之間，各處理無明顯差別。從產氣中甲烷含量的結果看，盡管各處理進水COD濃度不同，日產氣量不同，但對產氣中甲烷體積分數并無明顯影響，且產氣中甲烷體積分數高于1#反應器，這與作者之前的研究結果一致[15]。

圖5　試驗過程中各處理日產氣量和產氣中甲烷體積分數的變化Fig.5 Changes of daily biogas yield and methane content during experiments

2.3產氣效果綜合評價

第一、二級反應器日產氣量僅能反映單個反應器的運行狀況，并不能直觀的反映系統的運行狀況，將一、二級反應器日產氣量累加為該發酵系統的日產氣量并折算成容積產氣量，可以更直觀的反映該系統的運行狀況。試驗過程中，各處理發酵系統容積產氣量的結果見圖6。可以看出，各處理容積產氣量的變化與1#反應器日產氣量的變化趨勢極相似，均為先增加后保持相對穩定，最后降低的趨勢。試驗啟動后，各處理容積產氣量迅速增加，但第4天后，CK的容積產氣量迅速降低，并在第6天達到最低，為0.13 m3/（m3/d），之后迅速增加，并在第32天達到最大，為1.44 m3/（m3/d）；試驗4 d后，T1-T3容積產氣量在0.54～0.75之間波動，9 d后T1-T3容積產氣量逐漸增加，并分別在第36、32和37天達到最大，分別為1.14、1.20和1.10 m3/（m3/d）。45 d后，由于停止進豬糞廢水，故各處理容積產氣量均迅速降低。從各處理容積產氣量的結果看，試驗前25 d，T1-T3容積產氣量明顯高于CK，表明在豬糞廢水有機負荷相對較低的前提下，通過在秸稈捆內增加導氣管或者在秸稈床反應器底部預留緩沖空間的方式，對物料產沼氣均有促進作用，但25d后，CK的容積產氣量高于其它處理。在本試驗用發酵系統中，沼氣來自秸稈床反應器內的打捆秸稈和豬糞廢水，豬糞廢水每天添加，秸稈是一次性添加，豬糞廢水中有機物的轉化速度較快，秸稈有機物水解產酸速度較慢，是影響產氣的主要因素。試驗啟動后，CK的1#反應器發生了酸化，影響了秸稈有機物水解溶出，造成25 d前CK容積產氣量低于其它處理，但不影響秸稈最終的生物轉化率，在系統恢復后，秸稈中有機物被厭氧微生物分解轉化為沼氣，結果出現25 d后CK的日產氣量高于其它處理的結果。

圖6　試驗過程中秸稈床發酵系統容積產氣量的變化Fig.6 Changes of volumetric biogas yield of fermentation system during experiments

表1　各處理產氣結果匯總Table 1 Gas datas of experiment

經50 d厭氧發酵處理后，各處理產氣結果匯總見表1。可以看出，采用增加導氣管和發酵罐底部增加緩沖空間的方式均顯著提高了1#反應器和發酵系統的累積產氣量，T1-T3較CK分別提高了18.90%、9.05%、22.48%和3.12%、5.88%和3.11%。從產氣中甲烷含量的結果來看，采用增加導氣管和發酵罐底部增加緩沖空間的方式均提高了1#反應器和發酵系統產氣中平均甲烷含量，但提高幅度均不大，系統平均甲烷含量較CK提高1個百分點以上。容積產氣率是根據各處理累積產氣量除以發酵天數及發酵罐體積后獲得，故其結果與累積產氣量的結果一致。從各處理容積產氣率的結果可以看出，采用本試驗改進措施后，1#反應器容積產氣率達到1 m3/（m3/d），整個發酵系統容積產氣率達到0.75 m3/（m3/d），表明采用該秸稈床發酵系統具有較好的產氣效果。

3　討論

本研究針對前期研究中發現秸稈導氣性下降、秸稈上浮、進水短流等問題，設置了在秸稈床反應器內增加導氣管、在秸稈捆與反應器底部預留緩沖空間以及二者聯合的方式，并對秸稈加以固定，研究該改進措施對秸稈床發酵系統的影響。從試驗產氣的結果看，增加導氣管和增加緩沖空間均改善了秸稈床反應器內厭氧發酵環境，有利于有機物快速分解轉化為沼氣，反應器日產氣量、甲烷含量均明顯高于對照，出水COD濃度遠低于對照，但25 d后各處理間無明顯差別，即無論采用增加導氣管還是增加緩沖空間的方式，均僅對發酵初期（豬糞廢水有機負荷較低）起作用，在豬糞廢水有機負荷達到2.13 kg/（m3·d）后，各處理間未表現出明顯差別。需要說明的是，對照在試驗前25 d日產氣量低于增加改進措施的處理，但25 d后高于增加改進措施的處理，由于各處理進水負荷相同，出現這樣結果的可能原因是，試驗前25 d對照秸稈床反應器內秸稈厭氧生物轉化受到一定程度的抑制，25 d后由于pH值恢復到7以上，微生物活性逐步恢復，該階段CK秸稈床反應器內秸稈中殘留的可被厭氧微生物利用的有機物的量多于其它處理，故出現產氣量高于其它處理的結果（見圖3a和圖6）。何品晶等[20]、張波等[21]研究均認為，發酵液pH=7時最有利于微生物的合成代謝，間接印證了本推理。

試驗結束時，采用增加導氣管與增加緩沖區組合的方式，秸稈床反應器（1#）獲得最大的累積產氣量，較對照提高了22.48%，但二級反應器累積產氣量遠低于對照，僅為對照的68.86%，二者綜合后，改進后的秸稈床發酵系統累積產氣量較對照提高了3.11%。分析可能的原因，由于秸稈床發酵系統由秸稈床反應器+二級反應器組成，秸稈床反應器出水經二級反應器處理后排放，二級反應器對污水有很好的處理效果，從2#反應器進出水COD濃度的變化也可看出（見圖5b），即秸稈床反應器的運行狀況對整個系統產氣并無明顯影響，但對系統產氣穩定性影響較大。由于本試驗采取逐步提高豬糞廢水有機負荷（逐步提高豬糞廢水進水量）的方式，即試驗過程中秸稈有機物分解、結構破壞與逐步增加豬糞廢水進水量同步。在豬糞廢水有機負荷較低（豬糞廢水進水量較小，低于800 mL）時，無論是在秸稈捆中增加導氣管，在發酵罐底部預留緩沖空間還是二者聯合，對改善秸稈床反應器內發酵環境，提高產氣量均有較好的效果，但當豬糞廢水進水量大于800 mL后，增加緩沖空間的方式已經起不到緩沖作用；增加導氣管的方式也因導氣管堵塞、胞外多聚物大量分泌使其未能起到應有的作用。此外，本試驗用秸稈床反應器高徑比偏低，僅為1，能否通過提高厭氧反應器高徑比的方式降低進水對發酵系統的沖擊，需要作進一步研究。

4　結論

1）以打捆秸稈為固定相，以豬糞廢水為流動相的秸稈床厭氧發酵系統是可行的，系統平均容積產氣率為0.74 m3/（m3·d），平均甲烷含量為60.38%。

2）在秸稈床反應器內設置導氣管、在秸稈捆與反應器底部預留緩沖空間以及二者聯合的方式，在豬糞廢水有機負荷低于2.13 kg/（m3·d）條件下明顯提高了秸稈床反應器容積產氣量，繼續提高豬糞廢水有機負荷后各處理容積產氣量間無明顯差別，發酵床反應器累積產氣量較對照分別提高了18.90%、9.05%和22.48%，對整個發酵系統產氣影響不顯著。

3）采用秸稈床反應器+二級反應器組成的秸稈床發酵系統具有較高的穩定性，采用本試驗設計的改進措施僅僅影響秸稈床反應器產氣量、甲烷含量及產氣穩定性，對整個發酵系統產氣無明顯影響。

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Optimization experiment of straw-bed anaerobic fermentation system for biogas production

Chen Guangyin, Bi Jinhua, Du Jing, Chang Zhizhou※, Ye Xiaomei
（East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China）

Abstract:Livestock wastewater and agricultural straw are the two main sources of agricultural nonpoint source pollution, then how to deal with these wastes is becoming more and more important.Anaerobic digestion is an attractive technique for bio-wastes treatment, which can convert bio-wastes into bio-fuel and bio-fertilizer.Straw-bed anaerobic fermentation system is a new anaerobic bioreactor for biogas production, which digests livestock wastewater and agricultural straw in one bioreactor at the same time.The straw-bed anaerobic fermentation system is composed of straw-bed bioreactor and wastewater advanced anaerobic bioreactor（USR）, and effluent of straw-bed bioreactor is added as inlet into wastewater advanced anaerobic bioreactor.In straw-bed bioreactor, baling straw is used as stationary phase, and livestock wastewater is used as mobile phase.Our previous study indicated that co-digested baling straw and swine wastewater in straw-bed anaerobic digestion system was feasible and beneficial for biogas production.However, in straw-bed bioreactor, baling straw floated upward and inlet short flow appeared in the late stage.In order to solve these problems, gas guide tube was added in baling straw and reserve buffer space at the bottom of straw-bed bioreactor and the combination of the two methods were set up.There were four treatments in the study, i.e.CK（No improvement measures）, adding guide tube（GT）, buffer space（BS）and guide tube + buffer space（GT+BS）.Meanwhile, effect of improvement measures on biogas production, and COD （Chemical Oxygen Demand）removal rate of straw-bed fermentation system were conducted.The results showed that daily biogas yield of CK was significantly inhibited during the first 25 days（organic loading rate of swine wastewater was less than 2.13 kg/（m3/d）which was much lower than that of the other treatments.However, after 25 days' reaction, there was no significant difference of daily biogas yield between control and other treatments.By adding improvement measures, fermentation environment was ameliorated and the stability of daily biogas yield was enhanced obviously.After 50 days' reaction, cumulative biogas yield and cumulative methane yield of GT, BS and GT+BS were 18.90%, 9.05%, 22.48%, 23.02%, 9.34% and 25.21% higher than that of CK, respectively.Wastewater advanced anaerobic bioreactor（WAAB）is an important part of straw-bed fermentation system.The gas production results showed that, there was no significant difference for that of CK and the other treatments with the gas composition of WAAB.All treatments had the average methane content of 68%.Meanwhile, there was almost no significant influence on cumulative biogas yield, average methane content and COD removal rate of the straw-bed anaerobic fermentation system by adding improvement measures.The above results indicated that adding gas guide tube to straw-bed bioreactor was beneficial to improve biogas production, methane content and gas stability, adding buffer space can also be considered as conditions permit.

Keywords:straw; biogas; optimization; straw-bed bioreactor; gas guide; buffer space; swine wastewater; anaerobic fermentation

通信作者：※常志州，男，江蘇句容人，研究員，主要從事農業固體廢棄物資源化研究。南京江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，210014。Email：czhizhou@hotmail.com

作者簡介：陳廣銀，男，江蘇大豐人，博士，主要從事生物質能的研究。南京江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，210014。Email：xzcf2004@163.com

基金項目：國家水體污染控制與治理重大專項（2012ZX07101-004）;國家科技支撐計劃（2014BAL02B04）;農業部公益性行業專項（201403019）

收稿日期：2015-08-01

修訂日期：2015-11-30

中圖分類號：X705

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0250-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.035