序批式秸稈牛糞混合厭氧干發(fā)酵影響因素研究

于佳動，趙立欣，馮 晶，姚宗路，黃開明，羅 娟

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點試驗室，北京 100125）

0 引 言

厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是中國綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展過程處理農(nóng)業(yè)廢棄物的重要手段。隨著中國沼氣工程轉(zhuǎn)型升級工作的深入推進，規(guī)?；笮驼託夤こ毯鸵?guī)?；锾烊粴夤こ坛蔀檎託夤こ探ㄔO的主流[1]。目前，中國農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程普遍采用濕法厭氧發(fā)酵技術，工藝較為成熟，運行過程容積產(chǎn)氣率保持在0.8～1.0 m3/(m3·d)[2]。隨著原料收集方式的改變，特別是養(yǎng)殖場干清糞收集方式的普遍應用，提高了原料的含固率，為干法厭氧發(fā)酵技術的推廣創(chuàng)造了條件，高效、穩(wěn)定的產(chǎn)氣工藝是干法厭氧發(fā)酵推向規(guī)?；瘧玫年P鍵。

干法厭氧發(fā)酵具有提高廢棄物處理量、降低能耗、提高容積產(chǎn)氣率等優(yōu)點。而且，發(fā)酵過程沼液產(chǎn)量少，沼渣可直接用于有機肥的生產(chǎn)，大大提升了農(nóng)業(yè)種養(yǎng)結(jié)合的良性循環(huán)能力[3]。國外發(fā)展干法厭氧發(fā)酵技術起步較早，20世紀90年代，歐洲干法厭氧發(fā)酵沼氣工程占有率近50%，法國Valorga、比利時Dranco、瑞典Kompogas等公司的連續(xù)干發(fā)酵工藝，以及德國BEKON、Bioferm、GICON公司的序批式厭氧干發(fā)酵工藝已產(chǎn)業(yè)化[4-5]。隨著工程建設技術的不斷完善，序批式厭氧干發(fā)酵技術在處理富含纖維的農(nóng)業(yè)廢棄物方面具有獨特的優(yōu)越性，通過鏟車等機械設備一次性進出料，在密封空間內(nèi)實現(xiàn)高效產(chǎn)氣，操作簡單、自動化程度高，運行成本低[5]。然而，中國對序批式干法厭氧發(fā)酵技術研究雖然起步較早，但發(fā)展緩慢，特別是利用序批式厭氧發(fā)酵處理農(nóng)業(yè)廢棄物方面，還未見有落地工程報道，其中最主要的原因是對影響序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性的關鍵因素尚不明確，影響了工藝優(yōu)化效率。

含固率、物料配比、接種物濃度等是影響序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效率的重要因素[6]，已有研究對影響序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效率的研究僅集中在 1～2個因素，并缺乏有效關聯(lián)[7-8]。而且，噴淋是序批式厭氧發(fā)酵增加傳質(zhì)的主要方式，對噴淋頻率、噴淋量的研究卻很少考慮其他因素的影響[9]。因此，本研究提出將影響序批式厭氧干發(fā)酵效率的因素相結(jié)合，整體探究影響序批式厭氧干發(fā)酵性質(zhì)的關鍵因素，并對微生物群落進行分析，揭示其與各因素間的相互作用關系，為下一步準確研究序批式厭氧干發(fā)酵沼氣生產(chǎn)工藝提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用農(nóng)業(yè)廢棄物為玉米秸稈和牛糞。玉米秸稈來自河北省張家口市崇禮縣農(nóng)田，放置室溫（25 ℃）通風處保存，混料前測得TS、VS分別為90.71% ± 0.06%、76.28% ± 0.09%；牛糞取自河北省廊坊市三河市內(nèi)牛場，取回后進行風干處理，以調(diào)節(jié)試驗設定的含固率。并且，前期通過預試驗證明，風干后的牛糞不會對物質(zhì)組分造成顯著性影響。牛糞TS為56.78% ± 0.25%，VS為46.32%±0.13%；接種污泥取自北京市順義區(qū)趙全營鎮(zhèn)北郎中村沼氣廠，混料前，取適量污泥在（38 ± 0.5）℃的厭氧條件下培養(yǎng)至不產(chǎn)氣，測得TS為31.15% ± 0.15%，VS為17.46% ± 0.18%。

1.2 反應裝置

序批式厭氧干發(fā)酵反應器為有機玻璃材質(zhì)，有效體積10 L，物料填裝在孔徑5 mm的篩網(wǎng)盤上，垂直物料上方中心處設有噴淋頭，噴孔孔徑為0.3 mm，向物料表面噴灑滲濾液，滲濾液延滲濾管流入5 L的滲濾液收集罐；反應器有循環(huán)水夾層，通過熱水浴循環(huán)維持反應器發(fā)酵溫度；收集的滲濾液經(jīng)回流管道由蠕動泵控制回流噴淋；產(chǎn)生的沼氣流經(jīng)濕式氣體流量計計數(shù)，并用集氣袋進行收集。

1.3 試驗設計

以秸稈和牛糞為混合原料，含固率、物料配比、接種物濃度、秸稈粒徑，以及噴淋頻率、噴淋量為因素，采用Plackett-Burman設計法[10]，共設計12組試驗，因素內(nèi)的最低值和最高值是根據(jù)國內(nèi)外報道的序批式厭氧干發(fā)酵各因素試驗參數(shù)范圍設定的[6,8-9]，如表1所示。玉米秸稈粉碎至1、5 cm兩種粒徑，進料后，密封反應器，發(fā)酵溫度為（38 ± 0.5）℃，滲濾液回流噴淋頻率和噴淋量由時間繼電器自動控制，12組序批式厭氧干發(fā)酵反應裝置同時運行，試驗周期為40 d。

表1 12組序批式厭氧干發(fā)酵試驗設計表Table 1 Experimental design for 12 groups of batch dry anaerobic digestion

1.4 分析方法

TS、VS測定參照美國 APHA方法[11]。試驗運行過程中，每天記錄氣體流量計讀數(shù)，即沼氣產(chǎn)量（L）。使用便攜式沼氣成分分析儀（Biogas check，Geotech，英國）測定沼氣中的甲烷含量（CH4%）。使用便攜式 pH計（SX-610，上海三信，中國）和ORP計（SX-630，上海三信，中國）監(jiān)測發(fā)酵過程的pH值和ORP（氧化還原電位）。采用氣相色譜法分析發(fā)酵周期結(jié)束時反應器內(nèi)物料乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸共 6種有機酸組分，測試前樣品需12 000 r/min離心30 min，取上清過0.22 μm濾膜，過濾后的液體與甲酸1:1混合后上機測試，測定程序及方法參照文獻[12]。采用Miseq高通量測序技術，對發(fā)酵周期內(nèi)物料細菌、古菌特征進行測序評價，在Majorbio有限公司（中國上海）對抽平后的測序結(jié)果進行微生物屬水平進行群落結(jié)構(gòu)分析[13]。

基礎數(shù)據(jù)處理、顯著性差異分析基于Microsoft Office 2016軟件平臺，對不同因素貢獻度的計算分析使用Design-Expert v8.0軟件[10]，使用Canoco v4.5對不同因素作用下測定的發(fā)酵指標進行典型相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性

不同因素組合條件下的12組序批式厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)沼氣性質(zhì)如圖1a、b所示，發(fā)酵第1天，產(chǎn)氣出現(xiàn)高峰，第5天時，反應器A、C、D、E的容積產(chǎn)氣率開始不同程度回升，平均容積產(chǎn)氣率（L/(L·d)）排序為E（1.52）＞D（1.02）＞C（0.88）＞A（0.80），反應器L在發(fā)酵第7天后容積產(chǎn)氣率不再下降，維持在(0.70 ± 0.20) L/(L·d)，而其他反應器均無明顯的產(chǎn)氣現(xiàn)象。從多因素組合中可以看出，除反應器L外，反應器A、C、D、E、L反應器產(chǎn)氣明顯，噴淋頻率均為間隔2 h噴淋，反應器A、E在發(fā)酵6～13 d產(chǎn)氣呈升高趨勢，隨后A開始逐漸下降，而E在前27天均可維持較高的產(chǎn)氣水平，與反應器A相比，反應器E原料中牛糞含量高，間接增加了接種物數(shù)量[14]，秸稈粒徑增大，降低了秸稈快速水解產(chǎn)酸對反應體系的沖擊[15]。反應器C和D在經(jīng)歷5～15 d的延滯期后容積產(chǎn)氣率上升，隨后反應器C容積產(chǎn)氣率逐漸平穩(wěn)，而反應器D持續(xù)上升，在發(fā)酵30 d后出現(xiàn)第2次產(chǎn)氣高峰，與反應器C相比，反應器D含固率、牛糞比例高，秸稈粒徑小，且接種物濃度為反應器C的5倍，雖然干發(fā)酵過程中含固率過高易引起沼氣產(chǎn)量的下降，但若保證充足的接種物數(shù)量有助于反應體系恢復產(chǎn)氣[16]。噴淋頻率高可顯著促進序批式厭氧干發(fā)酵容積產(chǎn)氣效率的提升（P＜0.01），增加噴淋頻率可提高序批式干發(fā)酵體系接種物的流動性，通過潤濕物料，促進微生物的傳質(zhì)效率，有利于沼氣生產(chǎn)[9]。

甲烷含量如圖1c、d所示，發(fā)酵前10天，不同反應器的甲烷體積分數(shù)均在50%以下，反應器A、E的甲烷體積分數(shù)升高明顯，10 d后保持在50%以上，穩(wěn)定在54.17%± 2.50%和57.50% ± 3.24%，反應器C、D甲烷含量升高緩慢，到發(fā)酵第15和18天甲烷體積分數(shù)上升到50%以上，反應器 L雖然也有甲烷生成，但整個發(fā)酵過程甲烷體積分數(shù)不超過42.40%，其他反應器在前5天可檢測到少量甲烷，但由于干發(fā)酵初期甲烷菌活性低、生長速率慢[14]，伴隨著體系不產(chǎn)氣，甲烷含量為0。

圖1e、f顯示了多因素組合下序批式厭氧干發(fā)酵反應器日產(chǎn)甲烷特性，反應器A、C、D、E和L甲烷生成明顯，與日產(chǎn)沼氣變化規(guī)律相比，發(fā)酵初期由于甲烷體積分數(shù)低，并不存在產(chǎn)甲烷高峰，發(fā)酵5 d后，甲烷產(chǎn)量上升明顯，其中反應器E高效產(chǎn)甲烷一直維持到第27天，其他反應器甲烷產(chǎn)量變化趨勢與日產(chǎn)沼氣規(guī)律相同，容積產(chǎn)甲烷率（L/(L·d)）為 E（0.70）＞D（0.36）＞C（0.33）＞A（0.30）＞L（0.26）。噴淋頻率高、接種物濃度高、原料中牛糞比例增加均促進甲烷產(chǎn)量的提升。

圖1 序批式厭氧干發(fā)酵容積產(chǎn)氣率和甲烷含量Fig. 1 Volumetric biogas and methane production rate and methane content of batch dry anaerobic digestion

2.2 不同因素對序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的貢獻度分析

多因素影響序批式厭氧干發(fā)酵容積產(chǎn)氣率的貢獻度如圖 2所示，噴淋頻率對甲烷生產(chǎn)的貢獻度最大，為30.84% ± 1.89%，是序批式厭氧干發(fā)酵工藝優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。滲濾液的循環(huán)噴淋可帶回大量微生物，通過噴淋可減少接種物的用量，并且為微生物提供主動的轉(zhuǎn)移機制，有助于干發(fā)酵體系微生物快速生長及群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高微生物的活性，進而增加有機物降解效率，促進甲烷生產(chǎn)[17]。由于干發(fā)酵反應器不適合安裝攪拌裝置，所以，歐洲目前運行的大型序批式厭氧干發(fā)酵沼氣工程普遍裝有噴淋設施提升傳質(zhì)能力，促進沼氣的高效穩(wěn)定生產(chǎn)[4]。另外，其他因素對序批式厭氧干發(fā)酵甲烷生產(chǎn)貢獻度的排序依次為接種物質(zhì)量分數(shù)（24.96% ± 1.16%）＞含固率（9.95% ± 0.89%）＞物料配比（7.00% ±2.34%）＞秸稈粒徑（5.16% ± 0.89%）＞噴淋量（0.1% ± 0.03%），可見，圍繞序批式厭氧干發(fā)酵高效產(chǎn)甲烷工藝的研究，應首先設法通過直接增加接種量或間接調(diào)節(jié)噴淋頻率以促進接種物與底物間的接觸，提高接種效率和甲烷產(chǎn)量[7,9]。從本研究可以看出，提升接種效率并促進甲烷生產(chǎn)最有效的方法是直接添加接種物和調(diào)節(jié)噴淋頻率。而且，各因素間存在一定的交互作用關系，含固率和物料配比以及含固率和接種物濃度的共同作用對甲烷產(chǎn)量的提高也具有明顯的貢獻。所以，在對以農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便混合原料進行序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝優(yōu)化時，噴淋頻率和接種物濃度應是首先被考慮的優(yōu)化因素。當干發(fā)酵體系含固率為25%、秸稈-牛糞TS配比為3:7、接種物質(zhì)量分數(shù)（TS質(zhì)量分數(shù)）為50%、秸稈粒徑為1 cm、噴淋頻率為間隔2 h，噴淋量為4 L時，可顯著提高容積產(chǎn)氣效率（P＜0.05）

圖2 不同因素對序批式厭氧干發(fā)酵甲烷生產(chǎn)的貢獻度Fig. 2 Contribution rate of different factors to methane production in batch dry anaerobic digestion

2.3 不同因素作用下序批式厭氧干發(fā)酵有機酸分布特性

序批式厭氧干發(fā)酵運行周期結(jié)束時，有機酸濃度及組成如表2所示，除了反應器B、F，在其他噴淋頻率高的反應器中有機酸質(zhì)量濃度均不超過 1.84 g/L，Siegert等研究了有機酸累積對厭氧發(fā)酵體系甲烷生產(chǎn)的影響指出，當體系有機酸累積超過2.0 g/L，開始抑制產(chǎn)甲烷菌的生長，有發(fā)生酸敗的風險[18]。本研究中，高噴淋頻率反應器（A～F），高接種物濃度及牛糞比例的反應器可及時將體系的有機酸轉(zhuǎn)化為沼氣（甲烷）。從有機酸組分濃度上看，發(fā)酵過程發(fā)生酸敗的反應器B、F、G、H、I、J、K，丙酸濃度顯著高于其他有機酸組分（P＜0.05），并且丁酸濃度也發(fā)生一定的積累。研究表明，丙酸積累引起厭氧發(fā)酵體系pH值降低，影響產(chǎn)甲烷活性，在沖擊負荷或超負荷情況下會使發(fā)酵由丁酸型向丙酸型轉(zhuǎn)化，從生物學角度分析，較高的有機負荷條件下丁酸型發(fā)酵的代謝加快，這伴隨著較高的NADH(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的還原態(tài))產(chǎn)量，如果這些NADH不能及時的被細胞合成所利用，則導致NADH的積累，必須通過產(chǎn)丙酸途徑加以緩解。在本研究中，發(fā)生酸敗的反應器總酸產(chǎn)量高使體系pH值降低，導致乙酸代謝受到抑制，丙酸和丁酸發(fā)生積累[19]。另外，鄧玉營等[20]在研究秸稈干發(fā)酵過程沼液回流比和有機負荷對厭氧發(fā)酵特性的影響中發(fā)現(xiàn)，嚴重酸敗的干發(fā)酵反應器中，丙酸、丁酸發(fā)生明顯的積累，其中丙酸累積質(zhì)量濃度高達6.54 g/L。

表2 序批式厭氧干發(fā)酵有機酸及其組分質(zhì)量濃度Table 2 Organic acid and their component concentration in batch dry anaerobic digestion mg·L-1

2.4 不同因素作用下序批式厭氧干發(fā)酵細菌、古菌組成特性

為了更加深入的揭示序批式厭氧干發(fā)酵關鍵因素對甲烷生產(chǎn)的影響，依托高通量測序技術對各反應器中的關鍵細菌、古菌群落進行分析，如圖3a所示（細菌），屬水平 Ruminofilibacter、Hydrogenispora、Ruminiclostridium豐度隨著反應器甲烷產(chǎn)量的提高而顯著增加，在反應器A、C、D、E、L中的豐度分別為 9.30%～33.70%、6.30%～11.00%、8.50～14.90%。3種細菌均為木質(zhì)纖維素分解菌，經(jīng)常出現(xiàn)在以秸稈為原料的厭氧發(fā)酵體系中，特別是Ruminofilibacter、Ruminiclostridium，通過分泌大量纖維素、半纖維素酶水解木質(zhì)纖維素，生成以乙酸、丁酸為主的適合產(chǎn)甲烷菌利用的酸化產(chǎn)物，促進產(chǎn)甲烷效率[13,21]。另外，在本研究中，Clostridium豐度升高不利于甲烷生產(chǎn)，Clostridium在低pH值環(huán)境依然有較強的水解產(chǎn)酸能力，在中溫環(huán)境中，Clostridium的過多出現(xiàn)預示著反應體系的酸敗[21-22]。在2.2節(jié)中，揭示了增加噴淋、提高接種物濃度是序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷的關鍵因素，含固率、物料配比（牛糞多）、接種物濃度間也具有一定的協(xié)同作用關系，導致了序批式厭氧干發(fā)酵體系細菌群落的變化，表現(xiàn)為Clostridium的生長受到抑制，提 高 了 Ruminofilibacter、 Hydrogenispora、Ruminiclostridium豐度水平。另外，一種具有高效分解木質(zhì)纖維素能力的 Paeniclostridium[21]，在噴淋頻率低的反應器中略有升高。在圖3b顯示的不同反應器的產(chǎn)甲烷菌豐度中，Methanosarcina為優(yōu)勢古菌，豐度為 62.4% ±12.8%，幾乎不受各因素的影響。Methanosarcina為嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌，抗逆性較強，是干發(fā)酵體系的優(yōu)勢古菌，可高效利用有機酸轉(zhuǎn)化為甲烷[23]。此外，另一種嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus的平均豐度為9.6% ± 5.1%，體系內(nèi)嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的平均豐度達到72.0% ± 17.9%?？梢?，各因素作用于序批式厭氧干發(fā)酵體系主要通過改變細菌群落影響產(chǎn)甲烷潛力，對古菌的影響較弱。

圖3 序批式厭氧干發(fā)酵細菌、古菌群落特征Fig. 3 Characteristics of bacteria and archaea community in batch dry anaerobic digestion

2.5 序批式厭氧干發(fā)酵影響因素與發(fā)酵性質(zhì)及微生物群落間的相互作用關系

如圖 4所示，各反應器在不同因素作用下，噴淋頻率和接種物濃度與沼氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量存在顯著的正相關協(xié)同作用關系（P＜0.01），秸稈粒徑也與產(chǎn)氣呈正相關性，但影響較小，反應器A、C、D、E隨著噴淋頻率、接種物濃度的提高容積產(chǎn)氣率明顯提升（2.1節(jié)），pH值為7.0 ± 0.1，受到噴淋頻率低的影響，反應器L的pH值僅為 6.7，產(chǎn)氣效率下降（2.1節(jié)）。Ruminofilibacter、Hydrogenispora、Ruminiclostridium豐度的提高，有利于序批式厭氧干發(fā)酵體系的甲烷生產(chǎn)，并與噴淋頻率和接種物濃度呈正相關性。當體系含固率增加，物料配比中秸稈比例高、提高噴淋量將不利于甲烷生產(chǎn)，易引起反應體系的酸敗，與有機酸產(chǎn)量保持正相關性，但三者與噴淋頻率間存在正相關協(xié)同作用關系，特別是物料配比與噴淋量，提高物料配比中牛糞的比例和噴淋量有利于甲烷產(chǎn)量的提升。Degueurce 等研究牛糞序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性中證實，提高體系的含固率需縮短噴淋間隔、提高噴淋量，以便及時去除體系中積累的有機酸，防止產(chǎn)氣抑制的發(fā)生[24]。另外，pH值和氧化還原電位（ORP）呈負相關性，當體系有機酸發(fā)生積累，ORP增加，預示著體系傳質(zhì)能力受到了抑制[21]，在本研究中，噴淋頻率低的反應器中ORP值普遍較高，也反映出噴淋對提高序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣能力的重要性。Methanosarcina對提高產(chǎn)氣效率具有正相關性，提高含固率和物料中秸稈的比例可促進Methanoculleus生長，但2.4節(jié)中研究表明，古菌在序批式厭氧干發(fā)酵過程對發(fā)酵性質(zhì)的影響較小，維持甲烷的高效生產(chǎn)，細菌群落起關鍵作用。通過RDA分析，進一步明確了各因素間的相互作用關系以及給發(fā)酵體系帶來的影響，可為今后序批式厭氧干發(fā)酵工藝優(yōu)化提供參考。

圖4 微生物與環(huán)境因子間的RDA分析Fig.4 RDA analysis between microorganism and environment

3 結(jié) 論

1）噴淋頻率、接種物濃度對促進序批式厭氧干發(fā)酵容積產(chǎn)甲烷率的貢獻度最大，分別為30.84%和24.96%，適當?shù)奶岣邍娏茴l率、接種物濃度和原料配比中牛糞的比例都有利于促進序批式厭氧干發(fā)酵體系產(chǎn)甲烷效率，高效產(chǎn)氣可持續(xù)27 d，容積產(chǎn)甲烷率達0.70 L/（L·d）。

2）細菌群落對序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性影響顯著（P＜0.05），在產(chǎn)氣效果良好的反應器中Ruminofilibacter，Hydrogenispora，Ruminiclostridium 豐度明顯提高，而古菌不受噴淋頻率、接種物濃度和秸稈牛糞配比的影響，Methanosarcina為優(yōu)勢古菌。

3）適當提高噴淋頻率、接種物濃度均可提高Ruminofilibacter，Hydrogenispora，Ruminiclostridium 豐度和體系容積產(chǎn)甲烷率，三者具有協(xié)同作用關系，對改善序批式厭氧干發(fā)酵條件具有重要的調(diào)節(jié)作用。