自攪拌厭氧折流板反應器連續處理豬場廢水的效果

喬 瑋，任征然，李晨艷，熊林鵬，李玉友，董仁杰,4

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自攪拌厭氧折流板反應器連續處理豬場廢水的效果

喬 瑋1,2，任征然1,2，李晨艷1,2，熊林鵬1,2，李玉友3，董仁杰1,2,4※

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 國家能源生物燃氣高效制備及綜合利用技術研發（試驗）中心，北京 100083； 3. 日本東北大學土木與環境工程系環境保全研究室，仙臺 980-8579； 4. 中國農業大學煙臺研究院，煙臺 264670）

該研究以豬場廢水為處理對象，采用自攪拌厭氧折流板反應器（self-agitation anaerobic baffled reactor，SaABR）開展200 d的連續中溫厭氧消化試驗，考察在水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）3、2、1和0.5 d梯度縮短的過程中，SaABR截留微生物的效果以及反應器的產氣性能、穩定性和污泥比產甲烷活性（specific methanogenic activity，SMA）。同時，該研究還開展了全混式反應器（completely stirred tank reactor，CSTR）78 d的連續對比試驗。試驗發現，SaABR具有良好的截留微生物的作用，在HRT 3 d時SaABR第1至第4取樣口污泥揮發性固體（volatile solid，VS）濃度分別為10.2、4.1、44.2和2.5 g/L，而CSTR污泥VS質量濃度僅為2.6 g/L。較高的微生物量顯著提高了有機物的降解率并降低了出水的有機酸濃度。隨著HRT的縮短，SaABR的降解率也呈現下降。在HRT 1 d時，SaABR的單位VS產甲烷率為0.43 L/g，即使在HRT 縮短到0.5 d時，仍然可實現穩定的發酵產氣（單位VS產甲烷率為0.24 L/g），而CSTR反應器由于微生物洗出不能在HRT 1 d時連續產氣。該研究的結果顯示，SaABR反應器所具有截留微生物的良好特性，為養殖糞水的處理提供參考。

廢水；發酵；厭氧折流板反應器；自攪拌

0 引 言

養豬業是中國養殖業中的重要產業之一，2016年全國肉豬出欄頭數為68 502萬頭[1]。據統計，一個年出欄萬頭的規模化豬場年排泄糞尿量為400萬t，若采用水沖清糞的方式，則豬場廢水年排量達到550多萬t[2]。豬場廢水COD 質量濃度高達6.9～18.1 g/L[3-5]，若不能有效處理，將會對環境造成嚴重的危害。厭氧消化處理豬場廢水在降解有機物的同時產生沼氣[6]，是一種經濟有效的廢水處理方法。

在眾多厭氧反應器中，厭氧折流板反應器（anaerobic baffled reactor，ABR）能夠分離水解酸化和產甲烷階段，反應器具有兩相系統的優點，同時能夠截留微生物，大幅度的縮短水力停留時間（HRT）[7]。然而，折流板反應器沒有攪拌系統，反應器內微生物和有機物不能很好的混合接觸，傳質較差[8]。為強化反應器的混合和傳質，研究者們在ABR內部設置可實現反應器氣體循環的U型管，使反應器可以實現無動力攪拌[9-11]。這種自攪拌厭氧折流板反應器（self-agitation anaerobic baffled reactor，SaABR）已在餐廚垃圾的厭氧處理中被發現有良好的性能[12-13]。目前，關于SaABR在養殖廢水的厭氧處理的研究還鮮有報道。

為此，本研究開展SaABR處理豬場糞水的連續試驗，考察反應器連續運行下逐級縮短HRT下的性能。為研究SaABR截留微生物的作用，采用與全混式反應器（completely stirred tank reactor，CSTR）進行比較。本研究結果將為SaABR反應器處理養殖廢水的研究和應用提供有意義的借鑒。

1 材料方法與試驗設計

1.1 試驗材料與裝置

豬場廢水取自北京市北郎中種豬場，取回后過40目篩去除大顆粒和樹葉等雜質后備用；接種污泥取自該養殖場運行良好的豬糞中溫厭氧發酵罐新鮮出料。豬場廢水和接種污泥的基本性質如表1所示。

SaABR反應器結構由日本東北大學環境保全研究室設計，反應器的運行方案參考該試驗室以往研究發表的論文[9-12]。試驗裝置如圖1所示，圖1a為SaABR裝置系統，圖1b為CSTR裝置系統。SaABR系統主要包括基質罐和發酵罐兩部分，發酵罐總容積16 L，有效容積10 L。SaABR從左至右設置有4個隔室，第1隔室和第2隔室之間設置1個U形管，第2隔室上部完全密封，產生的沼氣儲存在第1隔室并將第1隔室液面壓低，當液面低于U形管底部時迅速完成一次攪拌；第2到第4隔室上方連通，產生的沼氣可以直接排出后經氣袋收集。該反應器設有4個取樣口，從左到右為取樣口1至取樣口4（如圖1a所示）。進、出料口與蠕動泵（申辰BT100N）連接，通過定時器每天自動進出料，HRT為5和3 d時每天進出料2次，HRT為2 d時每天進出料4次，HRT為1和0.5 d時每天進出料8次。CSTR總容積為3 L，有效容積為2 L，HRT為5和3 d時該反應器每天進出料1次，HRT為2 d時每天進出料2次，HRT為1 d時每天進出料4次。2個反應器浸置于(37±1)℃恒溫水箱中。產生的沼氣使用氣袋收集。反應器啟動期HRT均為5 d，反應器的運行方案如表2和表3所示。

表1 豬場廢水與接種污泥的基本性質

注：TS：總固體；VS：揮發性固體；SS：懸浮固體；VSS：揮發性懸浮固體；TCOD：總化學需氧量；/：未檢測。

Note: TS: Total solid; VS: Volatile solid; SS: Suspended solids; VSS: Volatile suspended solid; TCOD: Total chemical oxygen demand; /: No detect.

圖1 SaABR和CSTR試驗裝置

表2 SaABR運行方案

表3 CSTR運行方案

1.2 指標測試方法

TS，VS，SS和VSS采用烘干法測定[14]；COD采用重鉻酸鉀法[14]；堿度采用滴定法[14]；氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法[15]。pH值采用玻璃電極(Orion 5-Star pH)pH計測定。VFAs采用島津GC-2010Plus氣相色譜儀測定，采用30 m ×0.25 mm ×0.25m 的毛細柱 Rtx-wax色譜柱和FID檢測器，載氣（氮氣）分壓為0.4 MPa，流速40 mL/min，氫氣流速為20～30 mL/min，進樣口、色譜柱和檢測口溫度分別為230、60和250 ℃。沼氣成分（N2、CH4與CO2）采用島津GC-8A氣相色譜儀測定，色譜柱采用10 m×2 mm不銹鋼的，載氣（氫氣）分壓為0.38 MPa，流速為20～30 mL/min，進樣口、色譜柱和檢測口溫度分別為120、50和120 ℃。每3 d取SaABR和CSTR反應器出料測試各項指標。沼氣量采用濕式氣體流量計（LML-1）測量。

1.3 污泥產甲烷活性測試

在反應器穩定運行3個HRT后，開始進行產甲烷活性試驗（specific methanogenic activity，SMA）[16]。每個血清瓶中加入90 mL營養液[17]并置于水浴鍋中預加熱至37 ℃，然后向血清瓶中加入10 mL從SaABR各取樣口取出的污泥；再向血清瓶中加入1 mL質量濃度為240 g/L的乙酸鈉溶液，血清瓶中的乙酸質量濃度為2 000 mg/L。立即向血清瓶中充入氮氣30 s排出空氣，蓋上硅膠塞，用鋁蓋密封。每組試驗設置2個平行。根據產氣量每1～3 d用玻璃注射器測沼氣產量，并分析沼氣成分。實際的SMA通過將線性甲烷積累速率的初始斜率除以血清瓶中加入的揮發性固體來計算[18]。

2 結果與討論

2.1 反應器連續運行的產氣性能

SaABR反應器的運行性能如圖2和圖3所示，CSTR反應器性能如圖4所示。本試驗的啟動期較長，SaABR反應器在第40天時產氣逐漸穩定至0.56 L/(L·d)，隨著HRT縮短容積產甲烷率逐漸升高，單位VS產氣率逐漸降低（如圖3所示）。在HRT為3和2 d時甲烷容積產氣率分別為0.85和1.14 L/(L·d)。當HRT縮短至1和0.5 d時，甲烷容積產氣率分別達到1.62和1.71 L/(L·d)。

圖2 SaABR連續運行系統性能

如圖3所示，SaABR在HRT由3 d縮短到0.5 d的過程中，單位VS的甲烷產率分別是0.69、0.58、0.43和0.24 L/g。隨著HRT的縮短有機物降解率呈明顯的降低。本研究啟動HRT為5 d，沒有測試更長HRT下的甲烷產率。有研究報道，折流板反應器處理TS質量濃度為50 g/L的豬糞在HRT為14 d時VS甲烷率產為0.59 L/g[19]，與本研究HRT 3 d時的結果相近。

圖3 SaABR不同HRT條件下產甲烷情況

據此推測，在中溫條件下SaABR在較短的HRT下即可取得較好的有機降解效果。CSTR隨著HRT由3 d縮短到2 d，容積產甲烷率從0.25 L/(L·d)提高至0.44 L/(L·d)。在HRT為1 d時CSTR產氣不穩定，在運行了14 d后，反應器趨近于不產氣。CSTR停止產氣時pH值為7.51，VFAs質量濃度為2 022 mg/L，反應器未出現酸化現象。這個濃度的VFAs也不會對甲烷菌產生顯著的抑制作用[20]。產甲烷菌的倍增期為25 h[21]，倍增期為65 h[22]。有研究發現HRT短于1 d時，由于大部分產甲烷菌生長緩慢[23]，反應器內微生物會被洗出而導致發酵失敗[24]。據此推測HRT為1 d時CSTR內的微生物由于停留時間過短而被洗出，導致發酵失敗。表4對本研究及關于豬糞厭氧發酵產氣情況進行了對比。

文獻報道的氨氮抑制濃度差異很大為1 700～14 000 g/L[25]，大多數產甲烷菌最適pH值范圍為6.5～8.2[26]，堿度需要在1～5 g/L以下[26]。如圖2e至g和f至h，本研究中SaABR出料氨氮質量濃度在474～1 158 mg/L之間波動，CSTR氨氮質量濃度在741～1 234 mg/L波動，沒有達到文獻中的抑制濃度。兩反應器pH值均在7～8之間波動，在適合產甲烷菌生長范圍內。兩反應器堿度也在合適范圍內，均具有一定的緩沖能力。

表4 本研究的結果與文獻的對比

注：SPAG為懸浮顆粒附著生長反應器。

Note: SPAG is suspended particle-attached growth reactor.

2.2 HRT對有機酸變化的影響

如圖2c，當HRT為3、2、1 d時，SaABR出液VFAs質量濃度分為143、195和388 mg/L。當HRT為0.5 d時VFAs質量濃度達到了1 610 mg/L。CSTR反應器中VFAs濃度在HRT為3、2和1 d時VFAs質量濃度分別為793、1370和2 022 mg/L（圖4c）。圖5為HTR 3 d時SaABR各取樣口和CSTR出料污泥的VFAs和TS質量濃度。SaABR反應器從第1至第4取樣口取樣測得VFAs質量濃度分別為375、327、64和70 mg/L。SaABR反應器內污泥大部分被截留在第3隔室，第3取樣口污泥TS質量濃度最高為86.2 g/L，VFAs質量濃度最低。CSTR污泥TS質量濃度僅為5.4 g/L，VFAs質量濃度為786 mg/L。

圖5 HRT 3 d時SaABR和CSTR內VFAs和TS質量濃度

有研究報道，采用SaABR反應器處理TS質量濃度為99 g/L的餐廚垃圾時，HRT為15 d時取樣測試前3隔室VFAs質量濃度逐漸從1 156 mg/L逐漸降低到708 mg/L，第三隔室底部VFAs質量濃度降低至239 mg/L[12]，與本研究變化趨勢相近。

2.3 SaABR和CSTR污泥濃度分布和污泥活性

圖6a至6e別為不同HRT條件下，SaABR反應器內各取樣口污泥TS和VS濃度，圖6f為CSTR反應器不同HRT條件下出料污泥TS和VS濃度以及VS去除率。SaABR反應器的取樣口如圖1a所示。SaABR反應器內污泥分布不均勻。隨著HRT縮短，SaABR下部2個取樣口（第1和第3取樣口）污泥的濃度呈現降低的趨勢，上部2個取樣口（第2和第4取樣口）污泥的濃度呈現上升的趨勢。HRT為5、3、2、1和0.5 d時SaABR污泥的TS平均質量濃度分別為34.1、30.1、27.2、23.6和19.7 g/L。這說明HRT的縮短降低了SaABR截留微生物的能力。CSTR反應器的VS去除率隨著HRT縮短逐漸降低，HRT為5、3和2 d時VS去除率分別為49.4%、35.7%和33.7%。HRT為1 d時，試驗進行14 d后，CSTR進出料的濃度基本相同，說明微生物被洗出，已經沒有微生物降解作用。SaABR相比于CSTR可以有效的截留微生物。

表5為HRT 3 d時SaABR各取樣口污泥在乙酸濃度為2 000 mg/L時的產甲烷活性。SaABR 4個取樣口的污泥SMA分別為116、97、44和85 mL/(g·d)。由于第3取樣口污泥VS濃度較高，為44.2 g/L，大量微生物被截留在第3取樣口，但可提供其降解的VFAs有限，所以其SMA最低僅為44 mL/(g·d)。

圖6 SAABR和CSTR反應器內污泥TS和VS濃度

表5 HRT 3 d污泥產甲烷活性對比

3 結 論

SaABR具有良好的微生物截留能力，污泥主要分布在第3和第4隔室之間。SaABR在較短HRT條件下有較高的產氣率，HRT 0.5 d時SaABR仍可以正常產氣，單位VS產甲烷率為0.24 L/g，而CSTR在HRT 1 d時由于微生物被洗出而停止產氣。隨著HRT縮短，SaABR內污泥濃度逐漸降低，同時有機物降解率逐漸降低，出水VFAs質量濃度增加。本研究的結果顯示，SaABR反應器處理豬場廢水可以在較短HRT條件下取得良好的運行效果。

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Continuous anaerobic treatment of swine wastewater by using self-agitation anaerobic baffled reactor

Qiao Wei1,2, Ren Zhengran1,2, Li Chenyan1,2, Xiong Linpeng1,2, Li Yuyou3, Dong Renjie1,2,4※

(1.100083; 2.,,(),100083; 3.,,980-8579; 4.,264670)

With the development of pig industry in China, environmental pollution from such development has become more and more serious. One of the most important problems of pig breeding is the wastewater treatment. Swine wastewater is characterized by the high concentrations of organic matters. Anaerobic digestion has been regarded as a promising technology for swine wastewater treatment to remove the high-concentration organic materials. At the same time, renewable energy in the form of biogas was produced through anaerobic degradation. Previous studies have reported that anaerobic baffled reactor (ABR) can achieve good performance in treating swine wastewater. However, due to the absence of agitation system, the mass transfer is an ABR is unsatisfactory. In order to improve the performance of an ABR, the self-agitation anaerobic baffled reactor (SaABR) was proposed. In the SaABR, a U tube was assembled inside the reactor. SaABR is previously studied in the anaerobic treatment. However, fewer its application in treating swine wastewater was found. The current study therefore investigated the performance of a long term operated SaABR in treating swine wastewater. The total and working volume of SaABR in this study were 16 and 10 L, respectively. Anaerobic treatment of swine wastewater for a period of 200-day was continuously conducted. Mesophilic condition was maintained at 37 ℃ while hydraulic retention time (HRT) was gradual shortening from 5, 3, 2, 1, to 0.5 days. The effects of HRT on the biomass retaining, biogas gas production, process stability, and specific methanogenic activity (SMA) was investigated. At the same time, in this study, we also conducted a 78-day continuous experiment by using a parallel continuous stirred tank reactor (CSTR) as control test. The results derived from this study indicated that SaABR significantly retained high biomass concentration. At the HRT 3 d period, the volatile solid (VS) concentration of the first to fourth sampling ports of SaABR was 10.2, 4.1, 44.2 and 2.5 g/L, respectively. The concentration of VS in the CSTR was as low as 2.6 g/L. The higher microbial biomass significantly increased the degradation efficiencies of organic and reduced the VFAs concentration of SaABR effluent. The degradation efficiency of SaABR also decreased with the shortening of HRT. The specific methane yield of the SaABR was 0.43 L/g at the HRT 1 d period. At the HRT 0.5d period stable biogas production can still be achieved. Through the long term experiment, an increase of volumetric gas production rate was observed: 0.85, 1.14, 1.62 and 1.71 L/(L·d) at HRTs 3, 2, 1 and 0.5 days, respectively. Specific methane gas yield decreased from 0.69 to 0.24 L/g when HRT was reduced from 3 to 0.5 d. These values were slightly higher than results of a previous study using ABR treating swine manure at 40 ℃, which reported specific methane yield was 0.59 L/g. The CSTR ceased to produce biogas at HRT 1 d due to the washout of biomass. At HRT 3 d period, the sludge SMA from the first to the fourth sampling port were 116, 97, 44 and 85 mL/(g·d), respectively. Conclusively, the results obtained in this study showed that SaABR had the advantages of retaining high biomass and would be a promising technology for the anaerobic treatment of swine wastewater.

wastewater; fermentation; anaerobic baffled reactor; self-agitation

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.027

X712

A

1002-6819(2018)-20-0210-06

2010-04-26

2018-08-17

“十三五”國家重點研發計劃課題（2016YFD0501403）、北京市自然科學基金（6182017）和北京市科技計劃課題（D1611000016003；D1611000016001）

喬 瑋，副教授，博士，博士生導師，主要從事廢水和廢棄物的厭氧生物處理研究。Email：qiaowei@cau.edu.cn

董仁杰，教授，博士，博士生導師，主要從事生物質能源與環境保護方面研究。Email：rjdong@cau.edu.cn

喬 瑋，任征然，李晨艷，熊林鵬，李玉友，董仁杰. 自攪拌厭氧折流板反應器連續處理豬場廢水的效果[J]. 農業工程學報，2018，34(20)：210－215. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.027 http://www.tcsae.org

Qiao Wei, Ren Zhengran, Li Chenyan, Xiong Linpeng, Li Yuyou, Dong Renjie. Continuous anaerobic treatment of swine wastewater by using self-agitation anaerobic baffled reactor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 210－215. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.027 http://www.tcsae.org