不同物料厭氧共發(fā)酵產甲烷特性研究

張國華，徐鵬程，田汝康

(1.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266237)

單一底物由于自身性質的局限性，在厭氧發(fā)酵過程中常常會出現(xiàn)營養(yǎng)不平衡、缺乏多樣化的微生物以及易受操作條件影響的問題，進而導致發(fā)酵過程抑制物積累、產氣率低。相關的研究表明，厭氧共發(fā)酵能夠克服單一原料厭氧發(fā)酵的缺陷，厭氧共發(fā)酵是指將兩種或多種具有互補特性發(fā)酵底物混合消化以提高生物轉化率以及甲烷產量的技術[1]。厭氧共發(fā)酵可以達到1+1>2的促進效果，維持發(fā)酵體系穩(wěn)定，平衡微生物生長所需的營養(yǎng)，進而加快并提高甲烷產量，實現(xiàn)混合厭氧消化的協(xié)同作用[2]。近年來，國內外研究學者對厭氧共發(fā)酵平進行了大量研究，同樣地，法國和英國對其沼氣產業(yè)采取了類似的策略：逐步開發(fā)以多種底物和有限使用能源作物為原料的共發(fā)酵技術[3]。

本研究通過批式厭氧發(fā)酵實驗，選取了典型有機廢棄物脫水污泥、玉米秸稈和牛糞，研究了它們在不同比例下兩兩混合厭氧發(fā)酵產甲烷特性，以期獲得最佳物料混合比例和更高的產甲烷效率，為混合物料厭氧發(fā)酵產甲烷的工程實踐提高理論依據(jù)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

各底物及接種物的理化性質及來源見表1。污泥、牛糞取回后放在冰箱4℃儲存?zhèn)溆茫衩捉斩捜』睾蠓鬯檫^10目篩，密封保存。

1.2 實驗方法

本實驗設置了實驗組和對照組，實驗組分A、B、C三組，分別對應脫水污泥與秸稈厭氧共發(fā)酵、脫水污泥與牛糞厭氧共發(fā)酵和玉米秸稈與牛糞厭氧共發(fā)酵，每個實驗組以揮發(fā)性固體進行計算設置四種比例。對照組包括以脫水污泥、玉米秸稈和牛糞作為單一底物進行厭氧發(fā)酵，接種物作為空白對照，每組設置3個平行，取得的樣品存于-20℃冰箱保存。發(fā)酵體系揮發(fā)性固體濃度為10 g·VS/L，接種比為底物揮發(fā)性固體的25%，發(fā)酵溫度為37℃，搖床轉速為150 r/min，發(fā)酵周期為30天。具體實驗設計如表2。

表2 混合發(fā)酵實驗混合比例

注：以上比例基于揮發(fā)性固體。

1.3 分析項目及方法

分析項目包括溶解性化學需氧量(SCOD)、氨氮、pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、甲烷含量和甲烷產量，其中SCOD采用重鉻酸鉀法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，pH采用德國賽多利斯公司產Pb-10型pH計測定，VFAs采用島津SPD-20A型液相色譜儀測定，氣體組成采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司產GC-7820型氣相色譜儀，沼氣產量采用排飽和氯化鈉溶液法收集。

2 結果與討論

2.1 混合比例對厭氧共發(fā)酵產甲烷性能影響

各實驗組的日產甲烷量與累計產甲烷量如圖1所示。日產甲烷量可以形象直觀地反映混合物料的產甲烷性能，是厭氧消化過程中重要監(jiān)測指標。日產氣量整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，日產氣高峰值主要集中出現(xiàn)在10～20 d之間。對于污泥和秸稈共發(fā)酵組，A1、A2和A4組在整個發(fā)酵階段均出現(xiàn)了2個產甲烷峰值，A3組只出現(xiàn)1個產甲烷峰值，最大日產甲烷量為A4在16天的162 mL。污泥與牛糞的2個產甲烷峰值均出現(xiàn)在10～12 d之間，且B1組和B2組的最大產甲烷峰值要明顯高于B3組和B4組，這可能是因為前者組合物料中高比例牛糞造成的。牛糞和污泥中含有的大量溶解性有機物被迅速地降解，達到第一個產甲烷峰值，隨后，牛糞中含有的粗蛋白，纖維素、木質素等難降解物質[4]，在后續(xù)的發(fā)酵過程中實現(xiàn)分解產氣，從而產生了第二個較大的峰值。通過對比單一脫水污泥作為發(fā)酵物料的實驗組來說，牛糞的添加大大提高了日產甲烷量，說明協(xié)同發(fā)酵體系更能均衡營養(yǎng)成分，促進產甲烷過程。C2組與其他組的趨勢顯著不同，在整個厭氧發(fā)酵過程中一共出現(xiàn)了4個峰值，最高日產甲烷產量為160.5 mL，比單一牛糞和單一秸稈厭氧消化最高產甲烷峰值分別提高了333.8%和60.5%，這與任海偉[5]等的研究結果是一致的。在本實驗中，混合物料發(fā)酵使原料的碳氮比處于均衡的狀態(tài)，提供了更加適宜的微生物生存條件，其次，由于各種原料在營養(yǎng)組分、物理結構等方面有一定的互補，保證了產甲烷過程高效穩(wěn)定的進行。

圖1 不同厭氧共發(fā)酵體系日甲烷產量圖

Fig.1 Daily methane yields for different anaerobic co-digestion

污泥和秸稈協(xié)同發(fā)酵體系累積甲烷產量見圖2。當污泥與秸稈以3∶1比例的混合時具有最高的累積甲烷產量，為933 mL。在厭氧發(fā)酵過程中底物的配比制約著甲烷的產量，除A3外，隨著污泥比例的增加，產氣量逐漸增加，這可能是因為污泥中含有較多的營養(yǎng)物質，同時含有的多種微生物使得秸稈中的細胞破壁，有機物得到釋放。當?shù)孜锊捎妹撍勰唷门＜S=1∶2的比例時，所產生的累計產甲烷量最高，為260 mL。相比較而言，當添加高比例的牛糞作為發(fā)酵物料時，可以獲得較高的累計產甲烷產量。在30 d 厭氧發(fā)酵結束后，各試驗組最終累積甲烷產量中 C1 表現(xiàn)出最佳的產氣性能，643.64 mL，分別比 C2、C3 和 C4 試驗組提高了173.6%、28.6%、35.5%，其最終甲烷產量比單一秸稈厭氧消化提高了51.16%。發(fā)酵過程中16～30 d為快速產甲烷時間段，這期間累計甲烷產量分別為最終甲烷產量的 89.2%、76.2%、87.4%、88.3%。厭氧微生物利用有機物質生產甲烷主要集中厭氧消化中期 16～30 d內，之后系統(tǒng)中產氣的有機物質基本消耗完畢。試驗組 C1甲烷產量曲線明顯表現(xiàn)出更快的發(fā)酵產甲烷速率，具有最高的甲烷生產潛力。

圖2 不同厭氧共發(fā)酵體系累計甲烷產量圖

Fig.2 Cumulative methane yields for different anaerobic co-digestion

多底物共發(fā)酵能夠產生協(xié)同效應，Labatut等人[6]表明可以比較混合物料的產甲烷潛力與單個底物產甲烷潛力加權總和的大小來作為判斷協(xié)同或抑制作用的依據(jù)。共發(fā)酵協(xié)同效應指數(shù)主要計算公式[7]如下所示：

(1)

式中：Bi,n-混合物料產甲烷潛力；

Bo,i-單一物料產甲烷潛力；

Boi,n-單一物料的產甲烷潛力加權平均值(%VS)；

底物i到n為共發(fā)酵，∑in%VSi=1，所以CPI值>1表明產生了協(xié)同作用，反之則產生了抑制作用。物料以不同比例混合進行厭氧發(fā)酵會產生內部反應，一種是混合發(fā)酵甲烷產量要多于單個底物計算的理論產量，即為協(xié)同效應，CPI值>1；反之即為拮抗效應，CPI值<1?；旌衔锪瞎舶l(fā)酵的協(xié)同效應指數(shù)如圖3所示。對于秸稈與污泥混合的情況來說，A4組(污泥∶秸稈=3∶1)CPI值最高，為4.84；對于污泥和牛糞混合的情況來說，各組的CPI值均大于1，B4組(污泥∶牛糞=3∶1)CPI值最高，為3.4。對于牛糞與秸稈混合，除A2組外，其余CPI值均超過1，最高值為C4組(牛糞∶秸稈=3∶1)的1.56。這些結果表明不同底物以及不同的混合比例對厭氧發(fā)酵的進行會產生不同的影響。

圖3 厭氧共發(fā)酵協(xié)同效應指數(shù)圖

2.2 混合比例對厭氧共發(fā)酵SCOD變化的影響

SCOD的變化情況如圖4所示。從不同比例的脫水污泥和秸稈作為混合物料時SCOD的變化情況來看，前12天各組的SCOD值有顯著的上升，這主要是因為厭氧發(fā)酵水解菌將底物中大分子物質分解成溶解性的小分子物質，造成體系中SCOD濃度上升。A1和A3組的SCOD濃度在第16天后開始下降，且下降速度較快，這主要是厭氧發(fā)酵后期微生物數(shù)量多而導致的。A4組SCOD濃度在整個發(fā)酵過程中都維持在相對較低的水平，其最高值只有1149 mg/L，結合其高產氣來看，可能是分解出來的SCOD被迅速的轉化為了揮發(fā)性脂肪酸和沼氣。實驗組B1、B3、B4的SCOD濃度在發(fā)酵初始均有所上升，其中B1和B4組的上升趨勢最為明顯，并在發(fā)酵開始第6天達到最大值，分別為839 mg/L和919 mg/L，然后開始下降。但是B2組的SCOD濃度最大值出現(xiàn)在第12天，為459 mg/L，而且在整個發(fā)酵階段的變化趨勢不明顯，與B3組一起，保持在相對較低的水平。其中C1、C2、C3組顯示出了類似的變化趨勢：在第6天三組達到SCOD峰值分別為3080，1700，2200 mg/L；而C4組先以最大的SCOD增長率不斷增長，在12天達到峰值4138 mg/L一直持續(xù)到第18天，隨后SCOD速率迅速下降。

圖4 不同厭氧共發(fā)酵體系溶解性COD變化圖

Fig.4 Variety of SCOD for different anaerobic co-digestion

2.3 混合比例對厭氧共發(fā)酵氨氮變化的影響

氨氮變化情況見圖5。含氮的有機質分解成小分子，然后在氨化細菌的作用下轉化成為氨氮，氨氮可作為微生物生長的營養(yǎng)源，還可以為系統(tǒng)提供一定的酸堿緩沖能力，但是當其濃度超過1700 mg/L時，會對體系中的微生物生長產生抑制作用[8]。污泥與秸稈實驗組A1、A2和A4的氨氮濃度穩(wěn)定在150～250 mg/L之間，而A3組的氨氮濃度在經歷短暫的下降后又出現(xiàn)了顯著上升，達到338 mg/L，結合產氣情況發(fā)現(xiàn)，升高后的氨氮濃度對微生物造成了氨抑制，從而影響了產氣效果。實驗B組中的氨氮濃度均隨著時間的增加而逐漸增加，Baris等[9]研究結果表明，厭氧消化過程中，當氨氮濃度適當時具有調節(jié)酸堿度、防止酸積累的作用。牛糞與秸稈不同混合比例C1、C4組中氨氮含量變化較大，而C2、C3組氨氮含量較為平穩(wěn)。

圖5 不同厭氧共發(fā)酵體系氨氮變化圖

Fig.5 Variety of NH4+for different anaerobic co-digestion

2.4 混合比例對厭氧共發(fā)酵pH值變化的影響

表3 厭氧共發(fā)酵pH值隨時間變化表

各實驗組的pH值變化見表3。為了保證厭氧協(xié)同發(fā)酵的順利啟動，在厭氧發(fā)酵前期對各自體系的pH進行了調節(jié)，即以碳酸氫鈉溶液調節(jié)體系pH值為7.2。從表中看出，pH值均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，這可能是由于前期來自污泥或者牛糞中的易降解物質水解，形成VFA，使pH值降低，而后隨著水解的進行，大分子或者難降解的有機氮等被微生物分解成氨氮等，對體系進行了調節(jié)，起到緩沖作用。在穩(wěn)定產氣過程中，pH值維持在6.5～7.2之間，組別之間無明顯差異，說明發(fā)酵體系能夠正常進行，協(xié)同厭氧發(fā)酵為其提供了更好的緩沖能力。

2.5 混合比例對厭氧共發(fā)酵VFAs變化的影響

圖6描述了VFAs的變化情況。由圖可知，總VFAs濃度整體呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在發(fā)酵前期，發(fā)酵底物中的可降解有機物就在產酸菌的作用下被分解為各種有機酸(小分子鏈)，隨著時間的增加，其分解的有機酸的量就越來越多，所測得的VFAs濃度也就越大。當發(fā)酵底物中的可降解有機物被分解完以后，VFAs的數(shù)值便不會再增加，而是隨著時間逐漸減小[10]。B組的VFAs濃度最大值分別為730、533、636和1250 mg/L，與其他底物含秸稈的實驗組相比處于較低水平，可能是由于加入的秸稈較難分解(會在后期產生揮發(fā)性脂肪酸)，且產酸菌要比產甲烷菌代謝速率快，所以經歷較長時間的厭氧發(fā)酵之后，積累了較多的VFAs。周海東等人[11]研究了污泥與秸稈作為共同底物在中溫環(huán)境下的厭氧發(fā)酵特性，也指出秸稈在發(fā)酵前期水解不完全，后期仍在進行水解產生VFAs，產甲烷菌利用不及時就會造成積累。當污泥與秸稈比例為1∶2時，總VFAs在第18天達到最高值5783 mg/L，同時這也是整個厭氧發(fā)酵過程四個實驗組中出現(xiàn)的最高總VFAs值，高的VFAs并沒有得到長時間的積累，而是在第26天降為2543 mg/L，但這樣的濃度可能會對產甲烷造成抑制作用[12]。A4組在本實驗過程中總VFAs濃度較低，最高值僅為2249 mg/L，隨后又降至2000 mg/L以下，較低的VFAs水平可能與較高的產氣和高效的產甲烷菌有關。

圖6 不同厭氧共發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸變化圖

Fig.6 Variety of VFAs for different anaerobic co-digestion

3 結論

(1)不同底物厭氧共發(fā)酵較單物料發(fā)酵甲烷產量顯著提高，底物的混合比例能夠明顯影響厭氧發(fā)酵的產甲烷特性，確定了不同物料進行厭氧共發(fā)酵的最佳混合比例：當脫水污泥與玉米秸稈比例(以揮發(fā)性固體質量計)為3∶1時；污泥與牛糞的最佳混合比例為1∶2；牛糞與秸稈的最佳混合比例為1∶1，30天的累計甲烷產量最高。不同底物及不同混合比例對厭氧共發(fā)酵產生不同影響，絕大多數(shù)共發(fā)酵產生了協(xié)同效應。

(2)農業(yè)廢棄物厭氧共發(fā)酵使發(fā)酵體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，混合底物使得體系的緩沖能力增強，溶解性化學需氧量、氨氮處在正常范圍，沒有發(fā)生氨抑制，揮發(fā)性脂肪酸在厭氧發(fā)酵過程中沒有出現(xiàn)積累造成酸抑制。