溫度和青貯對(duì)雜交狼尾草和餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵的影響

沃德芳， 孫永明， 余德才， 郭 磊， 孔曉英， 蔣恩臣

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院， 生物基材料與能源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642； 2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所， 廣州 510640)

雜交狼尾草是由美洲狼尾草(Pennsetu-mameicanum)Tift23A不育系和象草(P．Purpureum)N51雜交而得的三倍體雜種多年生草本C4植物，具有產(chǎn)量高、再生能力強(qiáng)及抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮骩1-3]。同時(shí)，雜交狼尾草作為一類(lèi)木質(zhì)纖維素類(lèi)原料，其內(nèi)在頑抗性強(qiáng)，導(dǎo)致原料水解速率慢及轉(zhuǎn)化率低等問(wèn)題[4-6]。青貯是在厭氧條件下，利用乳酸菌將原料中的碳水化合物轉(zhuǎn)化為乳酸、乙酸等，并降低原料pH值，從而抑制有害微生物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)原料高效存儲(chǔ)的一種處理方式[7-8]。青貯已作為青綠植物主要的存儲(chǔ)方法，也影響原料的厭氧發(fā)酵性能，在歐洲和北美等地青貯能源作物已用于厭氧發(fā)酵[9-10]。盛凱[11]等研究表明延長(zhǎng)青貯時(shí)間會(huì)顯著降低厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力。青貯處理對(duì)原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響受運(yùn)行工藝及青貯品質(zhì)等的影響，因此有必要開(kāi)展青貯處理對(duì)原料產(chǎn)氣性能的影響研究。

餐廚垃圾作為市政垃圾的一部分，約占其總量的30%～50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)量不低于9000萬(wàn)t，且由于人口增多等因素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)[12]。餐廚垃圾有機(jī)物含量豐富，是一種優(yōu)質(zhì)的厭氧發(fā)酵用原料。但由于其富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等組分，易引起厭氧發(fā)酵過(guò)程酸化，從而抑制發(fā)酵過(guò)程[13]。雜交狼尾草和餐廚垃圾作為富碳原料和富氮原料，將兩者混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，即可緩解餐廚垃圾本身厭氧發(fā)酵過(guò)程中較黏稠、易酸化等狀況，又可補(bǔ)充雜交狼尾草厭氧消化過(guò)程中氮源缺乏問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)改善發(fā)酵環(huán)境、平衡營(yíng)養(yǎng)成分、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，綜合提高系統(tǒng)產(chǎn)氣量、原料產(chǎn)氣率和固體去除率[14]。

溫度是影響厭氧發(fā)酵性能的重要因素之一。賈麗娟[15]等研究表明當(dāng)發(fā)酵溫度為35℃時(shí)，牛糞厭氧發(fā)酵系統(tǒng)微生物區(qū)系中各類(lèi)功能微生物數(shù)量與比例最佳；李軼[16]等研究表明當(dāng)發(fā)酵溫度為50 ℃時(shí)，餐廚垃圾與牛糞混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)性能較好；郭建斌[17]等指出豬糞厭氧發(fā)酵的適宜溫度為28 ℃，可達(dá)到節(jié)省能源、提高沼氣工程經(jīng)濟(jì)效益的目的?？梢?jiàn)由于原料及運(yùn)行工藝不同，系統(tǒng)適宜的發(fā)酵溫度不同，而對(duì)于雜交狼尾草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)的適宜溫度仍需研究。

本文以雜交狼尾草和餐廚垃圾為原料，對(duì)比分析了溫度和青貯處理對(duì)其混合發(fā)酵系統(tǒng)厭氧發(fā)酵性能的影響，并采取修正的Gompertz方程、Logistic方程和Transference方程分析厭氧發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

雜交狼尾草取自廣東省廣州市增城寧西實(shí)驗(yàn)基地(23o24' N，113o64' E)[18]。刈割后的鮮草首先切至2～3 cm左右，其中一部分放于-20 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?，另一部分放?00 L塑料密封罐中室溫下青貯處理90 d后備用。實(shí)驗(yàn)前原料通過(guò)高速粉碎機(jī)粉碎后使用。原料的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中原料的性質(zhì)

餐廚垃圾取自中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所食堂。原料收集后，首先將骨頭、餐巾紙、垃圾袋等雜物撿出，通過(guò)高速粉碎機(jī)粉碎成漿狀，攪拌均勻后裝入封口袋，放于-20℃冰箱備用。

厭氧發(fā)酵用接種物取自中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所連續(xù)攪拌反應(yīng)系統(tǒng)(CSTR)，用葡萄糖和蛋白胨于37℃培養(yǎng)而得。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，接種物經(jīng)網(wǎng)篩過(guò)濾后使用。接種物的總固體(Total solid，TS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和揮發(fā)性固體(Volatile solid，VS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.62%和0.91%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置為500 mL的玻璃反應(yīng)器，有效體積為400 mL[19](見(jiàn)圖1)。反應(yīng)器上部有3個(gè)出口，分別用于安裝定時(shí)攪拌裝置、收集氣體(通過(guò)膠管與氣袋相連)和用于取樣分析過(guò)程參數(shù)。每個(gè)反應(yīng)器中分別加入300 mL的接種物，按發(fā)酵固體濃度為15.0 g VS·L-1加入原料。封口前通入高純度氮?dú)庖匀コ拗锌諝狻７磻?yīng)器分別置于37℃±0.5℃和55℃±0.5℃的水浴鍋中，攪拌頻率為每3 min攪拌1 min。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。當(dāng)日產(chǎn)氣量低于總產(chǎn)氣量的1%時(shí)，停止試驗(yàn)。

圖1 批式厭氧發(fā)酵裝置示意圖

1.3 測(cè)定指標(biāo)

TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別通過(guò)烘箱(105℃，24 h)和馬弗爐(55 0℃，2 h)測(cè)定[19]；C和N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)Vario EL元素分析儀測(cè)定；pH值采用雷磁pHS-3C型pH計(jì)測(cè)定；COD濃度和總氨氮濃度(total ammonia nitrogen，TAN)利用分光光度計(jì)(Hach，USA)分析；總堿度(total alkalinity，TA)，碳酸氫鹽堿度(bicarbonate alkalinity，PA)和揮發(fā)酸堿度(volatile alkalinity，IA)采用堿度自動(dòng)滴定儀測(cè)定并計(jì)算得出，其中TA=(VpH 4.3+ VpH 5.7)×N×5000/V，PA=VpH 5.7×N×5000/V，IA=VpH 4.3×N×5000/V，N和V分別為酸濃度和樣品量[20-21]。

日產(chǎn)氣量采用針筒測(cè)量體積，并換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下；氣體中CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)采用島津GC 2014型高效氣相色譜測(cè)定，該儀器配有TCD檢測(cè)器和Porapak Q色譜柱，Ar作為載氣，進(jìn)樣口、柱箱和檢測(cè)器溫度分別為50℃，100℃和120℃，測(cè)樣時(shí)間7 min[22-23]。

1.4 動(dòng)力學(xué)分析

為更好的了解各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣情況，所以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。已有研究證明，修正的Gompertz方程、Logistic方程和Transference方程對(duì)于厭氧發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)力擬合效果較好[1, 24](見(jiàn)表2)。R2代表各實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣率曲線(xiàn)與Gompertz方程、Logistic方程和Transference方程的擬合程度。

表2 動(dòng)力學(xué)函數(shù)及其方程

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖及數(shù)據(jù)擬合。

式中：P為t時(shí)刻的產(chǎn)氣率， mL·g-1VS；P0為最大產(chǎn)氣潛能， mL·g-1VS；Rm為最大產(chǎn)氣速率，mL·g-1VS·d-1； λ為遲滯期，d； e為常數(shù)，取值2.713。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和青貯對(duì)混合系統(tǒng)厭氧發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的影響

混合發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中pH值，TAN，COD和IA/PA變化如圖2～圖10。由圖2和圖3可見(jiàn)，對(duì)于鮮草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，運(yùn)行期間系統(tǒng)pH值分別為7.04～8.17(中溫)和7.02～8.49(高溫)；對(duì)于青貯樣品和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，運(yùn)行期間系統(tǒng)pH值分別為6.84～8.02(中溫)和7.08～8.42(高溫)。發(fā)酵系統(tǒng)的適宜pH值為6.8～7.2，從本研究的pH值可見(jiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[25]?；旌习l(fā)酵系統(tǒng)在運(yùn)行3 d后高溫系統(tǒng)pH值均高于中溫系統(tǒng)，這可能是由于：1)發(fā)酵促進(jìn)了氨氮等堿性物質(zhì)生成和釋放，導(dǎo)致高溫發(fā)酵系統(tǒng)pH值提高； 2)青貯后產(chǎn)生大量乳酸菌，其最適生長(zhǎng)溫度為37℃，所以中溫條件下更利于乳酸菌產(chǎn)酸，導(dǎo)致系統(tǒng)pH值降低[26-27]。

圖2 溫度對(duì)鮮草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程pH值的影響

圖3 溫度對(duì)青貯草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程pH值的影響

氨氮主要是由蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮有機(jī)物降解產(chǎn)生，是厭氧發(fā)酵主要抑制物之一[28-29]。許之揚(yáng)[30]等研究表明氨氮對(duì)餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程的半抑制濃度為7860 mg·L-1。對(duì)于本文中的不同發(fā)酵系統(tǒng)(見(jiàn)圖4和圖5)，運(yùn)行過(guò)程中TAN濃度低于1000 mg·L-1，該值低于文獻(xiàn)報(bào)道的氨氮抑制閾值，故混合發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中未產(chǎn)生氨氮抑制。各實(shí)驗(yàn)組COD含量隨著底物的分解和利用呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。溫度升高和青貯處理后發(fā)酵液COD濃度分別提高了460 mg·L-1和320 mg·L-1(見(jiàn)圖6和圖7)。

圖4 溫度對(duì)鮮草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程TAN值的影響

圖5 溫度對(duì)青貯草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程TAN值的影響

圖6 溫度對(duì)鮮草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程COD值的影響

圖7 溫度對(duì)青貯草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程COD值的影響

IA代表?yè)]發(fā)酸堿度，PA代表碳酸氫鹽堿度，當(dāng)IA/PA值低于1時(shí)，代表發(fā)酵系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于不同發(fā)酵系統(tǒng)，IA/PA值具有相同的趨勢(shì)(見(jiàn)圖8和圖9)。IA/PA值首先隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而升高，并在第3～6 天達(dá)到最高值，之后逐漸降低，并在第7 天穩(wěn)定在0.25～1.0。IA/PA值的變化與系統(tǒng)運(yùn)行階段有關(guān)，在發(fā)酵前期主要是發(fā)酵產(chǎn)酸階段，揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)的濃度增加，所以IA值增加，導(dǎo)致IA/PA值升高；隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌協(xié)同作用將產(chǎn)生VFAs轉(zhuǎn)化為甲烷，VFAs濃度逐漸降低，故IA值降低，IA/PA值降低。本研究中青貯和溫度對(duì)系統(tǒng)IA/PA值無(wú)顯著影響。

圖8 溫度對(duì)鮮草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程IA/PA值的影響

圖9 溫度對(duì)青貯草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程IA/PA值的影響

2.2 溫度和青貯對(duì)混合系統(tǒng)厭氧發(fā)酵性能的影響

如圖10和圖11，對(duì)于混合發(fā)酵系統(tǒng)，中溫和高溫下的日產(chǎn)氣量變化較大。混合發(fā)酵系統(tǒng)在高溫條件下運(yùn)行時(shí)，日產(chǎn)氣量隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)先增加，并在第4 天達(dá)到最高值(109.75～109.92 mL·g-1VS)，之后日產(chǎn)氣量逐漸降低；而當(dāng)混合發(fā)酵系統(tǒng)在中溫條件下運(yùn)行時(shí)，日產(chǎn)氣量前7 d變化幅度較小，隨著底物的不斷分解，發(fā)酵第14天獲得最高日產(chǎn)氣量。同時(shí)發(fā)酵溫度也影響了氣體中甲烷含量，高溫系統(tǒng)的最高甲烷量為66.73%～68.80%，而中溫系統(tǒng)最高甲烷含量為53.44%～65.20%，可見(jiàn)溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能影響較大。相對(duì)而言，青貯處理對(duì)日產(chǎn)氣量無(wú)顯著影響。如表3中所示，中溫條件下，雜交狼尾草青貯后，原料產(chǎn)氣率由鮮草組的217.03±38.38 mL·g-1TS提高至422.15±44.66 mL·g-1TS，提高了94.51%，與盛凱[11]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，說(shuō)明青貯處理對(duì)產(chǎn)氣量有一定的促進(jìn)的作用；高溫條件下，青貯組原料產(chǎn)氣率低于鮮草組，原因可能是青貯后高溫條件條件下，雜交狼尾草青貯后，原料產(chǎn)氣率由鮮草組的217.03±38.38 mL·g-1TS提高至422.15±44.66 mL·g-1TS，提高了94.51%，同盛凱[11]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，說(shuō)明青貯處理對(duì)產(chǎn)氣量有一定的促進(jìn)的作用；高溫條件下，青貯組原料產(chǎn)氣率低于鮮草組，原因可能是青貯后高溫條件影響了產(chǎn)甲烷菌等相關(guān)菌群的活性。對(duì)于鮮草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，高溫時(shí)原料產(chǎn)氣率由217.03±38.38 mL·g-1TS增加到379.47±94.66 mL·g-1TS，提高了74.85%，郭香麟[31]等餐廚垃圾與秸稈混合厭氧消化過(guò)程中同樣得出，高溫可以提升物料產(chǎn)甲烷能力；對(duì)于青貯草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，中溫時(shí)原料產(chǎn)氣率更高，其值為422.15±44.66 mL·g-1TS，溫度升高后降低了21.57%。綜上所述，鮮草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)在高溫條件下具有更好的產(chǎn)氣性能，而青貯草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)在中溫條件下產(chǎn)氣性能更優(yōu)。

圖10 溫度對(duì)鮮草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程日產(chǎn)氣率的影響

圖11 溫度對(duì)青貯草+餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵過(guò)程日產(chǎn)氣率的影響

表3 溫度和青貯對(duì)產(chǎn)氣率的影響

2.3 不同條件下混合系統(tǒng)厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特性分析

修正的Gompertz方程，Logistic方程和Transference方程能較好地預(yù)測(cè)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性[32]。原料產(chǎn)氣率曲線(xiàn)的擬合結(jié)果和模型參數(shù)分別如圖12～14和表4所示。由R2值可以判定，各實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)甲烷量與修正的Gompertz模型擬合程度最高，可準(zhǔn)確反映厭氧發(fā)酵過(guò)程中的延滯期和累積產(chǎn)氣率的變化，與Ripley L E[33-34]等得出的結(jié)論相同。Transference函數(shù)的擬合性較差，尤其是高溫組青貯草與餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，這與LI Lianhua[1]和 Donoso-bravo A[35]的研究結(jié)果不同，這可能是由于發(fā)酵原料和運(yùn)行溫度的差異造成的。根據(jù)修正的Gompertz模型擬合情況，鮮草與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)延滯期為0.17～0.89 d，雜交狼尾草經(jīng)青貯處理后，中高溫條件下延滯期(0.94～1.44 d)都有所增加，可能是青貯過(guò)程中產(chǎn)生的大量乳酸菌需要更長(zhǎng)的時(shí)間適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境。溫度升高后，鮮草組和青貯組延滯期分別縮短了0.77 d和0.55 d，可見(jiàn)溫度升高可提高系統(tǒng)內(nèi)生化反應(yīng)速率。由P0值和Rm值可知，其中鮮草與餐廚垃圾在高溫條件下混合厭氧發(fā)酵時(shí)具有最大的產(chǎn)氣潛能和產(chǎn)氣率，其值分別為364.25±2.46 mL·g-1VS和109.85±5.29 mL·g-1VS·d-1，青貯草與餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)在中溫條件下獲得最大產(chǎn)氣潛能為363.47±10.65 mL·g-1VS。

圖12 不同條件下原料產(chǎn)氣率的Gompertz方程動(dòng)力學(xué)模擬

圖13 不同條件下原料產(chǎn)氣率的Logistic方程動(dòng)力學(xué)模擬

圖14 不同條件下原料產(chǎn)氣率的Transference動(dòng)力學(xué)模擬

3 結(jié)論

(1)中溫條件下，雜交狼尾草經(jīng)青貯處理后，混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的原料產(chǎn)氣率由鮮草組的217.03±38.38 mL·g-1TS提高至422.15±44.66 mL·g-1TS，提高了94.51%；

(2)對(duì)于鮮草和餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)，高溫時(shí)原料產(chǎn)氣率由217.03±38.38 mL·g-1TS增加到379.47±94.66 mL·g-1TS，提高了74.85%；

(3)通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，修正的Gompertz模型與原料產(chǎn)氣率擬合程度最高，其中高溫條件下雜交狼尾草與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵時(shí)具有最大的產(chǎn)氣潛能和產(chǎn)氣率，其值分別為364.25±2.46 mL·g-1VS和109.85±5.29 mL·g-1VS·d-1。