雞糞與果蔬廢棄物混合基質(zhì)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫特性

宋梓梅，裴夢富，宋亞楠，強(qiáng) 虹

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

氫能具有清潔無污染、熱值高、可再生等優(yōu)點(diǎn)，被人類認(rèn)為是化石能源的理想替代品，開發(fā)利用氫能也是人類能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。相比于傳統(tǒng)的制氫方法，生物法制氫能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源再利用和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。生物制氫技術(shù)包括光發(fā)酵和暗發(fā)酵2種方法，其中后者由于不需要光、反應(yīng)迅速、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)而具有更好的實(shí)用價(jià)值[1]。

現(xiàn)實(shí)中的有機(jī)廢棄物大多由2種或2種以上成分組成，其復(fù)雜性和多樣性為厭氧發(fā)酵制氫提供了可行性，也給利用厭氧發(fā)酵技術(shù)獲取氫氣帶來了更多的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外已有一些利用2種甚至多種有機(jī)廢棄物混合厭氧發(fā)酵制氫的報(bào)道[2-11]。劉爽等[11]探究了豬糞與馬鈴薯皮渣混合比例對(duì)其厭氧發(fā)酵制氫的影響，發(fā)現(xiàn)隨著豬糞比例的減小產(chǎn)氫量遞增；Lateef等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牛糞與奶制品加工廢棄物質(zhì)量比為30∶70時(shí)，得到的揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)氫率最大，為38.2 mL/g；Tenca等[7]在研究豬糞與果蔬廢棄物混合發(fā)酵特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，豬糞起到了增加系統(tǒng)堿度的作用，而果蔬廢棄物起到了提高碳氮比(C/N)的作用，兩者在適宜的質(zhì)量比下獲得的VS最大產(chǎn)氫率高達(dá)126 mL/g。由于雞攝入的飼料無法被完全消化，其中有40%～70%的營養(yǎng)物質(zhì)被排出體外，因此雞糞在所有畜禽糞便中營養(yǎng)最為豐富。雞糞中含有大量的粗蛋白，其作為厭氧發(fā)酵原料具有兩個(gè)特點(diǎn)：(1) C/N較低；(2) pH值較高。而果蔬廢棄物的普遍特點(diǎn)是含水率高，易酸化，固體成分中以糖類、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等碳水化合物為主。因此以雞糞和果蔬廢棄物的混合物為底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵可以改善發(fā)酵系統(tǒng)的營養(yǎng)分布，調(diào)節(jié)C/N值從而獲得更有利于產(chǎn)氫細(xì)菌生存的環(huán)境。

近年來，隨著我國養(yǎng)雞業(yè)和果蔬種植業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，產(chǎn)生了大量的雞糞和果蔬廢棄物，每年產(chǎn)生的雞糞和果蔬廢棄物分別高達(dá)87萬t和1.0億t[12]。利用厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)可以有效處理雞糞和果蔬廢棄物，達(dá)到變廢為寶的目的，對(duì)推動(dòng)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義。本研究以雞糞與香蕉皮、白菜廢棄物、油麥菜廢棄物、筍葉、土豆皮渣的混合基質(zhì)為發(fā)酵原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫，探究雞糞與不同果蔬廢棄物混合對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫特性和發(fā)酵路徑的影響，以期為利用混合物料厭氧發(fā)酵制氫提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1 發(fā)酵原料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

1.2 接種物的培養(yǎng)

接種物取自實(shí)驗(yàn)室長期穩(wěn)定運(yùn)行的處理雞糞的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷CSTR反應(yīng)器。為了富集產(chǎn)氫菌，接種前向500 mL血清瓶中加入300 mL(20 g/L)葡萄糖培養(yǎng)基[13]和100 mL接種物，在中溫((35±1) ℃)恒溫水浴振蕩槽中培養(yǎng)至顯著產(chǎn)氫(判斷標(biāo)準(zhǔn)為氫氣含量達(dá)到40%(體積分?jǐn)?shù)))。培養(yǎng)結(jié)束后靜置倒去上清液，收集沉淀作為本試驗(yàn)所用種污泥，其TS含量為30.10 g/L，懸浮揮發(fā)性固體(VSS)含量為19.00 g/L。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將雞糞分別與香蕉皮、白菜廢棄物、油麥菜廢棄物、筍葉和土豆皮渣按照VS比1∶1配制成混合基質(zhì)(分別記為A～E組)，加水調(diào)節(jié)其初始化學(xué)需氧量(COD)為40 g/L備用。以100 mL的血清瓶作為反應(yīng)器(有效容積為60 mL)，為了確保發(fā)酵過程中產(chǎn)生氫氣而不產(chǎn)生甲烷氣體，將經(jīng)過馴化的污泥作為種污泥，將混合基質(zhì)與種污泥按照體積比3∶1(45 mL混合基質(zhì)，15 mL種污泥)加入，初始的S/X[S/X=混合基質(zhì)體積(mL)×混合基質(zhì)COD質(zhì)量濃度(g/L)/(種污泥體積(mL)×種污泥VSS質(zhì)量濃度(g/L))]值為每g VSS 6.3 g COD，用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH為5.5，空白對(duì)照組只添加15 mL種污泥，以扣除試驗(yàn)背景值，每組重復(fù)2次，在中溫((35±1) ℃)、振蕩頻率為120 r/min的恒溫水浴振蕩槽中培養(yǎng)。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0和Origin 8.0軟件進(jìn)行處理與分析，每10 h產(chǎn)氫量按下式計(jì)算:

VH2=VH·ΔCH2+VS·CH2。

(1)

式中：VH2為每10 h產(chǎn)氫量(mL)，VH為血清瓶頂空體積(本試驗(yàn)中為40 mL)，ΔCH2為相鄰兩次測定間隔內(nèi)氫氣含量的變化值(%)，VS為每隔10 h測定的氣體產(chǎn)生量(mL)，CH2為氫氣含量(%，體積分?jǐn)?shù))。

累積產(chǎn)氫量(mL)=處理組累積產(chǎn)氫量(mL)-對(duì)照組累積產(chǎn)氫量(mL)。

(2)

COD產(chǎn)氫率按下式計(jì)算:

(3)

用Modified Gompertz模型對(duì)累積產(chǎn)氫量進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其方程形式為：

(4)

式中：H為累積產(chǎn)氫量(mL)，Hm為最大產(chǎn)氫潛力(mL)，Rm為最大產(chǎn)氫速率(mL/h)，t為發(fā)酵時(shí)間(h)，λ為停滯時(shí)間(h)。

揮發(fā)性固體、碳水化合物和蛋白質(zhì)降解率按下式計(jì)算：

(5)

(6)

(7)

式中：DRVS、DRCarbs、DRPro分別表示揮發(fā)性固體、碳水化合物和蛋白質(zhì)的降解率(%)，VSa和VSb分別表示發(fā)酵前、后發(fā)酵液中揮發(fā)性固體含量(g/L)，Ca和Cb分別表示發(fā)酵前、后發(fā)酵液中碳水化合物含量(g/L)，Pa和Pb分別表示發(fā)酵前、后發(fā)酵液中蛋白質(zhì)含量(g/L)，V為發(fā)酵液體積(L)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混合基質(zhì)累積產(chǎn)氫量的比較

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同底物通過厭氧發(fā)酵制備的生物氣體組成均為CO2和H2，整個(gè)發(fā)酵過程中未檢測到甲烷，證明未經(jīng)預(yù)處理的甲烷發(fā)酵流出物在經(jīng)過一定時(shí)間的馴化后可以用作氫發(fā)酵的接種物[14]。雞糞與不同果蔬廢棄物混合基質(zhì)(45 mL)厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氫量的變化見圖1。

圖1 雞糞與不同果蔬廢棄物混合基質(zhì)(45 mL)厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氫量的變化Fig.1 Variation of cumlative hydrogen production of mixed substrates (45 mL) of chicken manure with different fruit and vegetable wastes during anaerobic fermentation

由圖1可以看出，在發(fā)酵初期(0～30 h)，除雞糞+白菜廢棄物組(B組)不產(chǎn)生氫氣外，其余4組的累積產(chǎn)氫量均緩慢增加；雞糞+香蕉皮組(A組)、雞糞+油麥菜廢棄物組(C組)和雞糞+土豆皮渣組(E組)在30～60 h累積產(chǎn)氫量迅速增加；雞糞+白菜廢棄物組(B組)從發(fā)酵40 h開始產(chǎn)氫，在40～80 h累積產(chǎn)氫量增加較快，80 h后停止產(chǎn)氫。由圖1還可看出，在給定菌種來源且其他條件都一致的情況下，不同混合基質(zhì)的產(chǎn)氫能力差異明顯，其中以雞糞+土豆皮渣組(E組)的累積產(chǎn)氫量最高(87.5 mL)，雞糞+香蕉皮組(A組)次之(62.5 mL)，再次是雞糞+白菜廢棄物組(B組)(42.1 mL)，雞糞+油麥菜廢棄物組(C組)與雞糞+筍葉組(D組)相當(dāng)，均在34 mL左右。

2.2 不同混合基質(zhì)COD產(chǎn)氫率的比較

Han等[15]認(rèn)為，COD濃度是影響生物制氫效果的最重要因素之一。為了比較在相同的COD質(zhì)量濃度下，不同混合基質(zhì)之間的產(chǎn)氫能力是否存在差異，調(diào)節(jié)5組混合基質(zhì)的初始COD質(zhì)量濃度均為40 g/L。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同混合基質(zhì)的COD產(chǎn)氫率依次為：雞糞+土豆皮渣 (46.04 mL/g)>雞糞+香蕉皮(34.00 mL/g)>雞糞+白菜廢棄物(22.24 mL/g)>雞糞+油麥菜廢棄物(18.64 mL/g)>雞糞+筍葉(18.57 mL/g)。在SPSS 19.0中對(duì)不同混合基質(zhì)的COD產(chǎn)氫率進(jìn)行多重比較分析，結(jié)果表明，除雞糞+油麥菜廢棄物組(C組)與雞糞+筍葉組(D組)兩組之間無顯著差異(P=0.841>0.05)外，其余組別兩兩之間均呈現(xiàn)極顯著差異(P=0.000<0.01)。

2.3 不同混合基質(zhì)的Modified Gompertz模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為了更好地比較不同混合基質(zhì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，在Origin 8.0中對(duì)各組的累積產(chǎn)氫量利用Modified Gompertz模型進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，5種混合基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2都在0.92 以上，說明Modified Gompertz模型能夠較好地?cái)M合不同混合基質(zhì)的厭氧產(chǎn)氫過程，獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 雞糞與不同果蔬廢棄物混合基質(zhì)的Modified Gompertz模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of Modified Gompertz models for mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes

結(jié)合表2和圖1可知，A～E組累積產(chǎn)氫量分別是最大產(chǎn)氫潛力Hm的85%，97%，95%，92%和95%。E組的最大產(chǎn)氫速率最高(2.59 mL/h)，然而這個(gè)值與文獻(xiàn)[5]的結(jié)果相比仍然較低，這是由于雞糞與土豆皮渣混合物中易降解的有機(jī)質(zhì)含量較高，在水解階段基質(zhì)中大量的非水溶性蛋白質(zhì)、糖、脂肪等被水解為溶解性的蛋白質(zhì)、糖、脂肪等，產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群來不及分解利用不斷累積的SCOD，從而造成營養(yǎng)物質(zhì)過剩導(dǎo)致產(chǎn)氫速率下降。B組的停滯時(shí)間最長(45.87 h)，最大產(chǎn)氫速率相較其他組大，說明發(fā)酵初期水解酸化菌群活性較弱，導(dǎo)致發(fā)酵滯后，但當(dāng)微生物發(fā)酵環(huán)境逐漸變?yōu)樗嵝詴r(shí)，水解酸化菌群活性增強(qiáng)，產(chǎn)氫速率迅速增大。

2.4 不同混合基質(zhì)的發(fā)酵途徑

氫發(fā)酵過程中會(huì)伴隨著揮發(fā)性有機(jī)酸的生成，因此掌握發(fā)酵結(jié)束時(shí)液相代謝產(chǎn)物的組成及各組分濃度被認(rèn)為是監(jiān)測產(chǎn)氫過程的有力手段。從圖2可以看出，不同混合基質(zhì)發(fā)酵結(jié)束時(shí)液相代謝產(chǎn)物包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，其中以乙酸和丁酸為主。對(duì)于A組和E組，丁酸是主要的液相代謝產(chǎn)物，所占比例分別為65.1%和53.6%，說明這2組屬于丁酸型發(fā)酵。對(duì)于B、C和D組，乙酸是主要成分，所占比例分別為62.7%，65.5%和63.9%，說明這3組屬于乙酸型發(fā)酵。

由圖2可知，發(fā)酵結(jié)束時(shí)A～E組的丁酸質(zhì)量濃度分別為2 349.9，776.2，571.9，305.7，4 160.7 mg/L，結(jié)合圖1可知，累積產(chǎn)氫量與發(fā)酵結(jié)束時(shí)的丁酸質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，說明丁酸的產(chǎn)生有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，這與Guo等[16]的研究結(jié)果一致。

圖2 雞糞與不同果蔬廢棄物混合基質(zhì)發(fā)酵結(jié)束時(shí)的液相代謝產(chǎn)物組成及質(zhì)量濃度Fig.2 Charateristics of final metabolic content at mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes during anaerobic fermentation

2.5 不同混合基質(zhì)降解率的比較

圖3結(jié)果表明，不同混合基質(zhì)的揮發(fā)性固體降解率差異明顯，在16.20%～51.82%，以E組的揮發(fā)性固體降解率最大(51.82%)，這是由于土豆皮渣含有大量淀粉，具有SCOD含量高、可生物降解性好的特點(diǎn)，故E組揮發(fā)性固體降解率最大。由圖3還可以得出，各混合發(fā)酵組均以碳水化合物的降解率最高(36.11%～62.43%)，蛋白質(zhì)降解率較低(12.92%～28.90%)，各組的碳水化合物和蛋白質(zhì)降解率大小規(guī)律與最大產(chǎn)氫潛力一致。

圖3 雞糞與不同果蔬廢棄物混合基質(zhì)厭氧發(fā)酵的揮發(fā)性固體、碳水化合物、蛋白質(zhì)降解率比較Fig.3 Degradation rates of volatile solid, carbohydrate and protein of mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes

3 討 論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在混合基質(zhì)初始COD質(zhì)量濃度相同的條件下，各組的COD產(chǎn)氫率差異明顯，以雞糞+土豆皮渣混合物料的COD產(chǎn)氫率最高，其次是雞糞+香蕉皮混合物料，再次是雞糞+白菜廢棄物混合物料，之后是雞糞+油麥菜廢棄物混合物料，雞糞+筍葉混合物料最低。證實(shí)對(duì)于復(fù)雜有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫，底物組成是影響產(chǎn)氫效果的重要因素[17]。造成這一現(xiàn)象的原因可能有以下4點(diǎn)：其一，雖然各組的COD質(zhì)量濃度一樣，但是SCOD質(zhì)量濃度不同，其中雞糞+土豆皮渣混合組SCOD最高(21.05 g/L)，而雞糞+筍葉混合組SCOD最低(8.95 g/L)。其二，不同混合基質(zhì)的揮發(fā)性固體含量有所不同。其三，不同混合基質(zhì)的C/N值不同。其四，生長因子、輔酶、微量元素等均能影響微生物的生長和代謝，底物組成的差異決定了上述指標(biāo)水平參差不齊。雞糞和土豆皮渣混合物料、雞糞和香蕉皮混合物料均獲得了較高的產(chǎn)氫潛力，說明土豆皮渣和香蕉皮中含有大量易被生物降解的碳水化合物，例如淀粉和單糖。Boni等[18]在研究食品廢物和屠宰場廢物混合發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，食品廢棄物中由于含有大量易水解的碳水化合物因而可提高產(chǎn)氫效率。C/N值是影響微生物分解利用有機(jī)質(zhì)的重要因素之一，Zhou等[19]認(rèn)為，當(dāng)C/N值在26～31時(shí)能夠獲得較好的產(chǎn)氫效果。本研究中，發(fā)酵底物自身理化性質(zhì)的差異導(dǎo)致各組的C/N值相差較大，在以雞糞+香蕉皮和雞糞+土豆皮渣的混合物為底物的發(fā)酵系統(tǒng)中，碳水化合物含量豐富的香蕉皮和土豆皮渣對(duì)提高混合基質(zhì)的C/N值做出了貢獻(xiàn)，其C/N值分別達(dá)到33.1和28.4，因此這2組獲得了較為理想的氫氣產(chǎn)量，而其他3組的C/N值均小于20，較低的C/N無法滿足產(chǎn)氫菌對(duì)氮源和碳源的需求，因此不利于產(chǎn)氫。

發(fā)酵過程中水解產(chǎn)物發(fā)生酸化產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸的同時(shí)產(chǎn)生氫氣，在本研究中，乙酸和丁酸為各混合基質(zhì)發(fā)酵結(jié)束時(shí)產(chǎn)物中主要的揮發(fā)性有機(jī)酸，2種酸含量之和占總有機(jī)酸的比例為76%～94%。在以往的報(bào)道中，有研究者認(rèn)為，發(fā)酵結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的乙酸和丁酸越多越有利于產(chǎn)氫[20-21]；也有研究者認(rèn)為，獲得生物氫氣最有效的路徑包括形成以乙酸型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵為主的酸性厭氧發(fā)酵途徑[22]。然而，在本研究中，雖然雞糞+香蕉皮組(A組)發(fā)酵結(jié)束時(shí)液相中產(chǎn)生的乙酸質(zhì)量濃度(1 403.7 mg/L)，低于雞糞+白菜廢棄物組(B組)(1 671.9 mg/L)，但A組的累積產(chǎn)氫量卻大于B組，可能原因是：(1)乙酸可能與氫氣發(fā)生反應(yīng)形成乙醇從而造成產(chǎn)氫量下降[23]； (2)系統(tǒng)中存在同型產(chǎn)乙酸過程：2CO2+4H2→CH3COOH+H2O[24]。由此說明乙酸的產(chǎn)生并非一定有利于產(chǎn)氫，因此B組累積產(chǎn)氫量較低。

5組混合基質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)均主要是碳水化合物和蛋白質(zhì)，厭氧發(fā)酵過程中顆粒態(tài)的有機(jī)高分子(碳水化合物和蛋白質(zhì))在水解酶作用下被水解為他們各自的單體，水解產(chǎn)物再經(jīng)產(chǎn)酸產(chǎn)氫細(xì)菌利用產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸和氫氣。本研究結(jié)果顯示，碳水化合物降解率均大于蛋白質(zhì)降解率，說明混合基質(zhì)中難以降解的顆粒態(tài)蛋白質(zhì)含量較高，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的降解率整體偏低。

4 結(jié) 論

1)5種混合物料均能產(chǎn)氫，不同混合基質(zhì)的累積產(chǎn)氫量依次為：雞糞+土豆皮渣(87.5 mL)>雞糞+香蕉皮(62.5 mL)>雞糞+白菜廢棄物(42.1 mL)>雞糞+筍葉(34.4 mL)>雞糞+油麥菜廢棄物(34.2 mL)。

2)在混合基質(zhì)初始COD質(zhì)量濃度相同的條件下，其COD產(chǎn)氫率依次為雞糞+土豆皮渣(46.04 mL/g)>雞糞+香蕉(34.00 mL/g)>雞糞+白菜廢棄物(22.24 mL/g)>雞糞+油麥菜廢棄物(18.64 mL/g)>雞糞+筍葉(18.57 mL/g)。Modified Gompertz模型能夠很好地?cái)M合不同混合基質(zhì)的累積產(chǎn)氫量隨時(shí)間變化的過程，動(dòng)力學(xué)分析表明，雞糞+土豆皮渣的最大產(chǎn)氫潛力最大(91.64 mL)，最大產(chǎn)氫速率也最大(2.59 mL/h)；雞糞+筍葉的停滯時(shí)間最短(9.88 h)。

3)不同混合基質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫以乙酸型和丁酸型發(fā)酵為主，其中雞糞+香蕉皮組(A組)和雞糞+土豆皮渣組(E組)屬于丁酸型發(fā)酵，雞糞+白菜廢棄物組(B組)、雞糞+油麥菜廢棄物組(C組)和雞糞+筍葉組(D組)3組屬于乙酸型發(fā)酵。

4)雞糞+土豆皮渣組的揮發(fā)性固體、碳水化合物和蛋白質(zhì)降解率在5組混合基質(zhì)中均最大，分別是51.82%,62.43%和28.90%。