不同載體材料對牛糞固定床厭氧發(fā)酵的影響

白 巖,洪秀杰,劉金力 ,王彥杰 ,楊宏志,周兆芳

(1.黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點實驗室，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 大慶 163411；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；4.黑龍江省集賢縣二九一農(nóng)場農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 雙鴨山 155923 )

目前我國市場經(jīng)濟提高，人民生活水平富足，從而畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展[1]，產(chǎn)生大量的畜禽糞便。畜禽糞便堆放沒有處理設(shè)施，導(dǎo)致我國畜禽糞便環(huán)境污染日益嚴(yán)重[2]。牛糞在畜禽養(yǎng)殖糞便中約占為70%，但與其他糞便相比，牛糞產(chǎn)氣率不高[3]。為提高牛糞的產(chǎn)氣率，采用傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵連續(xù)攪拌式反應(yīng)器工藝，具有能耗低、設(shè)備簡單、滅菌效果好等優(yōu)點[4]，但發(fā)酵時間長、沼氣產(chǎn)量低、微生物易隨發(fā)酵產(chǎn)物排出而浪費等缺點[5]。林長松[6]等采用炭纖維載體固定床厭氧發(fā)酵工藝，研究表明COD去除率和產(chǎn)氣效果較好。

作為載體材料需具有比表面積大、多孔[7]，為微生物固定和生長提供良好條件[8]，增加微生物與載體之間的接觸面積，有利于微生物附著在載體上，形成生物膜，減少了料液中被沖走的微生物的數(shù)量，保持較多的生物量，增加了反應(yīng)器中微生物的密度[9-10]，同時減緩水力剪切的影響，使生物膜難以脫落[11]，從而增加了底物、氣體、微生物的接觸機會，提高傳質(zhì)效果[12]，促進厭氧發(fā)酵。與普通厭氧發(fā)酵相比，固定床發(fā)酵產(chǎn)廢水量少，降低了后續(xù)處理的負擔(dān)；微生物固定床載體可以循環(huán)使用、而且大多數(shù)載體材料成本較低；與微生物懸浮生長相比，提高反應(yīng)器中的微生物濃度，保護微生物，縮短HRT，從而提高反應(yīng)器效率；微生物固定化對有毒有害物質(zhì)有較強的承受能力，具有一定的穩(wěn)定性；簡化了工藝，節(jié)省成本等優(yōu)勢[13]。

本試驗以牛糞為發(fā)酵原料，采用不同載體固定床厭氧發(fā)酵，優(yōu)化發(fā)酵參數(shù)，提高牛糞的產(chǎn)氣率。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與反應(yīng)器裝置

發(fā)酵原料：新鮮牛糞取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動物科技學(xué)院實驗基地，其主要性質(zhì)為：pH值 7.3，總固體含量(TS)18.1%，揮發(fā)性固體含量(VS)11.8%，碳氮比(C/N)30.6∶1。試驗前通過過篩去除牛糞中的雜物，并粉碎大塊牛糞。用自來水稀釋至所需濃度，通過攪拌使牛糞和水混合均勻。

酸化階段：所采用的酸化裝置為1 L的無蓋螺口瓶，每次攪拌前安裝攪拌裝置進行攪拌[14]；產(chǎn)甲烷階段：試驗所采用的全混式固定床厭氧發(fā)酵反應(yīng)器：圓柱形結(jié)構(gòu)，有效面積為10.5 L，罐高31.0 cm、半徑為10.4 cm，主要材料為不銹鋼材質(zhì)。發(fā)酵罐頂部設(shè)有排氣管和進料口，底部設(shè)有排料裝置和電機攪拌裝置，通過隔層水浴加熱控制恒溫。氣體收集裝置：圓柱形容器，主要材料為有機玻璃材質(zhì)。反應(yīng)器裝置如圖1所示。

1.溫控儀；2.進料口；3.攪拌電機；4.排氣口；5.攪拌槳；6.固定床骨架；7.保溫隔層；8.取樣口；9.導(dǎo)氣管；10.點氣口；11.集氣筒；12.配重。圖1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)裝置示意圖

1.2 載體材料與載體骨架

本試驗選用竹纖維膜、碳纖維膜和塑膠網(wǎng)作為載體材料，這3種材料都具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)、較大的比表面積、較低的成本價格等特點。碳纖維、竹纖維膜、塑膠網(wǎng)的比表面積分別為2321,5282和1135m2·g-1。載體骨架：圓柱臺結(jié)構(gòu)，主要材料為不銹鋼質(zhì)，該骨架結(jié)構(gòu)具有機械強度高，不易變型，以防被微生物腐蝕，利于多次使用的特點。骨架頂部半徑6.5 cm，底部半徑12.0 cm，高度25.0 cm，骨架側(cè)面的八根不銹鋼棒起支撐和使載體附著的作用，把骨架分成8個面，被平分的8個面中的兩個對立面不固定載體材料，其余的面通過使用耐磨抗腐的漁線把載體材料固定在骨架上。使用該骨架固定載體材料有利于較多的物料接觸到載體，從而有利于微生物的附著和固定[15]。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 固定床載體材料篩選試驗

根據(jù)牛糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果和COD去除率對載體材料進行篩選。試驗所選用的3種載體材料表面積相同，固定在相同大小和樣式的骨架上，置入?yún)捬醴磻?yīng)器中。在有效體積10.5 L的反應(yīng)器中裝料9.0 L，濃度為8%的牛糞，初始pH值 7.3，通過隔層水浴控制發(fā)酵溫度35℃±1.5℃。每24 h放料600 mL，同時進料600 mL。所進料液為同濃度的經(jīng)酸化相酸化的牛糞料液。每次進料之后進行機械攪拌30 min(約120 r·min-1)。穩(wěn)定運行10 d后記為發(fā)酵開始，發(fā)酵周期30 d。每處理3次重復(fù)，以不加載體材料的處理作對照。

1.3.2 固定床發(fā)酵參數(shù)對產(chǎn)氣效果的影響

在圖1的裝置中，加入篩選獲得的載體材料，經(jīng)酸化相酸化96 h得到的牛糞料液作為原料進行厭氧發(fā)酵[14]，穩(wěn)定運行10 d后，以產(chǎn)氣效果和COD去除率為指標(biāo)，研究攪拌間隔、料液濃度、溫度和HRT對牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響，每個處理3次重復(fù)。

1.3.2.1 攪拌間隔對產(chǎn)氣效果的影響

在發(fā)酵溫度為35℃±1.5℃，初始料液濃度為8%，HRT為10 d時，攪拌間隔(攪拌30 min，攪拌頻率120 r·min-1，下同)設(shè)置為12 h，24 h，36 h。

1.3.2.2 料液濃度對產(chǎn)氣效果的影響

發(fā)酵溫度為35℃±1.5℃，攪拌間隔為18 h，HRT為10 d時，初始料液濃度設(shè)置為4%，6%，8%，10%。

1.3.2.3 發(fā)酵運行溫度對產(chǎn)氣效果的影響

初始料液濃度為8%，攪拌間隔為18 h，HRT為10 d時，設(shè)置發(fā)酵溫度30℃，35℃和40℃。

1.3.2.4 HRT對產(chǎn)氣效果的影響

發(fā)酵溫度為35℃±1.5℃，初始料液濃度為8%，攪拌間隔為18 h時，設(shè)置HRT為6，9，12，15 d和18 d。

1.3.3 優(yōu)化條件下全混式固定床運行對比試驗

以經(jīng)酸化相酸化96 h得到的牛糞料液為原料，以碳纖維膜為載體，以單因素優(yōu)化出最佳的攪拌間隔、進料濃度、運行溫度、固定床為發(fā)酵參數(shù)，采用全混式固定床進行厭氧發(fā)酵，以全混式發(fā)酵反應(yīng)器為對照。通過沼氣總產(chǎn)量、甲烷含量、甲烷總產(chǎn)量、VS去除率和COD去除率進行對比。

1.4 測定指標(biāo)及方法

采用排水集氣法來測定沼氣日產(chǎn)率，每日取樣測定一次；通過利用便攜式沼氣分析儀(GA2000)測定沼氣中甲烷含量，發(fā)酵30 d內(nèi)的沼氣日產(chǎn)量總和與甲烷日產(chǎn)量總和，即為該處理沼氣累積產(chǎn)量與甲烷累積產(chǎn)量。采用烘干稱重法測定料液中的TS和VS[16]；采用便攜式pH計(B-712)測定pH值；采用氣相色譜(GC9720)測定揮發(fā)性脂肪酸(VFA)[17]；采用快速消解分光光度法(上海菁華752)測COD[18]；采用全自動比表面分析儀 (TriStarⅡ3020)測定供試原料的比表面積[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固定床載體材料對牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響

2.1.1 不同載體材料對固定床厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量的影響

不同載體材料對沼氣產(chǎn)氣率的影響見圖2，各組沼氣產(chǎn)氣率在整個發(fā)酵過程中都趨于穩(wěn)定，波動不明顯。碳纖維膜載體材料的沼氣產(chǎn)氣率最高，有26 d沼氣日產(chǎn)率高于其他處理。而對照組沼氣日產(chǎn)率相對較低。不同載體材料對沼氣產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)氣率影響見圖3。碳纖維膜載體材料累積沼氣產(chǎn)量為290.5 mL·g-1，累積甲烷產(chǎn)量為154.1 mL·g-1，碳纖維膜的產(chǎn)氣率均高于其他處理，與對照組相比，沼氣總產(chǎn)量提高12.1%，甲烷總產(chǎn)量提高15.6%。夏吉慶[20]等研究表明，添加載體材料，使微生物附著在載體上，形成生物膜，提高產(chǎn)氣效率?？梢?，由產(chǎn)氣效果可以看出，在其他發(fā)酵條件相同的情況下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率反應(yīng)了載體材料對微生物固定化的影響。

圖2 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發(fā)酵VS沼氣產(chǎn)氣率的影響

圖3 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發(fā)酵VS產(chǎn)氣率的影響

2.1.2 不同載體材料對固定床厭氧發(fā)酵COD去除率的影響

不同載體材料對固定床厭氧發(fā)酵COD去除率的影響見圖4，碳纖維膜載體材料的COD去除率為69.2%，明顯高于其他處理(p<0.01)，與對照組相比，COD去除率提高17.5%?？梢?，所選3種載體材料的COD去除率由高到低依次為碳纖維膜、竹纖維膜、塑膠網(wǎng)。

圖4 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發(fā)酵COD去除率的影響

2.2 運行參數(shù)對碳纖維膜載體固定床產(chǎn)氣率的影響

2.2.1 全混式固定床不同攪拌間隔對厭氧發(fā)酵的影響

不同攪拌間隔對沼氣產(chǎn)氣率影響見圖5。各組沼氣產(chǎn)氣率在整個發(fā)酵過程中變化趨勢基本相同，波動不明顯，隨著發(fā)酵時間的延長，發(fā)酵初期產(chǎn)氣率快速升高，發(fā)酵后期產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定，24 h攪拌間隔產(chǎn)氣率最高。不同攪拌間隔對沼氣產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)氣率影響見圖6，24 h攪拌間隔的沼氣累積產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量分別為323.3 mL·mg-1和162.7 mL·mg-1，明顯高于其他處理。

圖5 牛糞固定床不同攪拌間隔對VS沼氣產(chǎn)氣率的影響

圖6 牛糞固定床不同攪拌間隔對VS產(chǎn)氣率的影響

高凱旋[21]認為攪拌能促進物料和溫度的均勻，提高沼氣的產(chǎn)氣效率。但過度攪拌又會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生負作用，影響沼氣發(fā)酵的正常進行。李道義[22]等研究表明，輕度攪拌被證明可以使進料分散，有利于形成一個新的絮凝中心，從而有效提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果和穩(wěn)定性。本試驗中攪拌間隔24 h對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量高于其他處理，說明攪拌間隔為24 h時，牛糞產(chǎn)氣效果最好。

2.2.2 不同處理料液濃度對牛糞固定床厭氧發(fā)酵的影響

不同處理料液濃度對沼氣產(chǎn)氣率影響見圖7。各組沼氣產(chǎn)氣率在整個發(fā)酵過程中呈上升趨勢。隨著發(fā)酵時間的延長，產(chǎn)氣率提高，發(fā)酵后期產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定，8%料液濃度的產(chǎn)氣率最高。不同處理料液濃度對沼氣產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)氣率影響見圖8，8%料液濃度的沼氣累積產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量分別為348 mL·g-1和174.8 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖7 牛糞固定床不同處理料液濃度對VS沼氣產(chǎn)氣率的影響

圖8 牛糞固定床不同處理料液濃度對VS產(chǎn)氣率的影響

賈麗娟[23]等研究表明，在一定范圍內(nèi)，發(fā)酵料液濃度越大，微生物數(shù)量越多，有利于原料有機物的降解，因此發(fā)酵啟動較快。李志忠[24]等認為料液濃度過高，一方面需要的接種量較大，接種物不足導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌數(shù)量相對有限；另一方面由于料液水解速率高，傳質(zhì)不均勻，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性和產(chǎn)氣反應(yīng)。本試驗中8%料液濃度對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量高于其他處理，說明料液濃度為8%時，牛糞產(chǎn)氣效果最好。

2.2.3 牛糞固定床不同運行溫度對厭氧發(fā)酵的影響

不同運行溫度對沼氣產(chǎn)氣率影響見圖9。各組沼氣產(chǎn)氣率在整個發(fā)酵過程中變化趨勢有波動影響，無明顯規(guī)律。隨著發(fā)酵時間的延長，產(chǎn)氣率提高，發(fā)酵后期產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定，運行溫度35℃的產(chǎn)氣率最高。不同運行溫度對沼氣產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)氣率影響見圖10，運行溫度35℃的沼氣累積產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量分別為343.8 mL·g-1和189.1 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖9 牛糞固定床不同運行溫度對VS沼氣日產(chǎn)氣率的影響

圖10 牛糞固定床不同運行溫度對VS產(chǎn)氣率的影響

KuandykDinara[25]等認為采用高溫或中溫發(fā)酵能提高產(chǎn)甲烷菌和其它有益微生物的活性，并隨著溫度的升高提高降解有機物的能力，從而提高產(chǎn)沼量。龐震鵬[26]等研究表明，中溫發(fā)酵產(chǎn)出的甲烷含量比高溫略高。發(fā)酵溫度過低，微生物的繁殖水平會降低，產(chǎn)氣效率低下。本試驗中運行溫度35℃對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量高于其他處理，說明運行溫度為35℃時，牛糞產(chǎn)氣效果最好。

2.2.4 牛糞固定床不同HRT對厭氧發(fā)酵的影響

不同HRT對沼氣產(chǎn)氣率影響見圖11，在發(fā)酵時間1～9 d時，隨著發(fā)酵時間延長，產(chǎn)氣率提高，9 d后產(chǎn)氣率趨于穩(wěn)定。HRT在12 d時產(chǎn)氣率最高。不同HRT對沼氣產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)氣率影響見圖12，運行溫度35℃的沼氣累積產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量分別為308.2 mL·g-1和155.2 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖11 牛糞固定床不同HRT對VS沼氣日產(chǎn)氣率的影響

圖12 牛糞固定床不同HRT對VS產(chǎn)氣率的影響

羅立娜[27]等認為在適宜的HRT條件下，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)酸速率與產(chǎn)甲烷菌利用有機酸的產(chǎn)酸速率達到平衡時，產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)氣效率最高。HRT過長，進入反應(yīng)器中的營養(yǎng)物質(zhì)較少，微生物生長可利用的物質(zhì)少，產(chǎn)氣量較低。喬瑋[28]等研究表明，HRT過短，反應(yīng)體系已經(jīng)不再產(chǎn)氣，表明此階段的HRT不足以維持微生物的生長和代謝平衡，微生物被沖出反應(yīng)器。本試驗中HRT在12 d時對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量高于其他處理，說明HRT為12 d時，牛糞產(chǎn)氣效果最好。

2.3 不同發(fā)酵參數(shù)下的牛糞碳纖維膜載體固定床COD去除率結(jié)果

在每種參數(shù)試驗進料相同條件下，所研究的各參數(shù)COD去除率見表1。攪拌間隔對固定床厭氧發(fā)酵的影響試驗中，攪拌間隔為24 h 時COD去除率最高，料液濃度對固定床厭氧發(fā)酵的影響試驗中，料液濃度為8%時COD去除率最高，發(fā)酵溫度對固定床厭氧發(fā)酵的影響試驗中，運行溫度為35℃時COD去除率最高，HRT對固定床厭氧發(fā)酵的影響試驗中，HRT為12 d時COD去除率最高。

表1 不同參數(shù)下的牛糞碳纖維膜載體固定床COD去除率的變化

2.4 優(yōu)化條件下全混式固定床運行對比試驗

以牛糞為原料，碳纖維膜為載體的全混式固定床進行厭氧發(fā)酵。選取主要發(fā)酵參數(shù)為攪拌間隔12 h,進料濃度8%,運行溫度35℃,HRT 12 d,發(fā)酵30 d，以全混式發(fā)酵反應(yīng)器為對照。將發(fā)酵前后的主要參數(shù)相比較見表2。本試驗可以看出，全混式固定床發(fā)酵與全混式發(fā)酵相比，沼氣總產(chǎn)量、甲烷含量、甲烷總產(chǎn)量、COD去除率、VS去除率分別提高13.69%,6.10%,20.64%,31.27%,15.69%。與對照相比，采用全混式固定床進行發(fā)酵，牛糞產(chǎn)氣效果更好。

表2 全混式固定床與全混式反應(yīng)器厭氧發(fā)酵主要參數(shù)的比較

3 討論

通過改進厭氧發(fā)酵反應(yīng)器類型及工藝可以達到提高反應(yīng)器處理能力和產(chǎn)氣量的效果。本研究采用不同載體固定床厭氧發(fā)酵優(yōu)化了傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的啟動慢、運行不穩(wěn)定的缺點和產(chǎn)氣率低的問題，而生物量流失是厭氧生物工程中急需解決的問題。

李杰[29]等研究表明牛糞厭氧發(fā)酵時添加適合于微生物附著的載體，可以顯著提高沼氣生產(chǎn)效率。將微生物固定于載體上形成附著的生物膜，從而減少料液中的微生物被沖刷出反應(yīng)器，提高了反應(yīng)器內(nèi)微生物的密度，同時使微生物和料液可以長時間的接觸。本試驗中，竹纖維膜、碳纖維膜和塑膠網(wǎng)及對照的產(chǎn)氣量在發(fā)酵的第13天左右達到高峰，碳纖維膜載體材料的沼氣產(chǎn)氣率最高，與對照組相比，沼氣總產(chǎn)量提高12.1%、甲烷總產(chǎn)量提高15.6%；碳纖維膜載體材料的COD去除率與對照組相比提高17.5%。得出加入碳纖維膜載體材料后的骨架加入到牛糞厭氧發(fā)酵固定床，不僅可以提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣率，也可以有效提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的COD去除率。

在厭氧發(fā)酵過程中，通過攪拌，可促進沼氣的擴散效果，可使微生物與料液充分接觸，可破除發(fā)酵罐上層結(jié)殼，可使發(fā)酵罐內(nèi)溫度和濃度均勻，從而影響厭氧發(fā)酵效果[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同攪拌間隔的產(chǎn)氣速率隨著發(fā)酵時間先增加后趨于穩(wěn)定。其原因在于：過度攪拌對厭氧消化的影響主要體現(xiàn)在厭氧互營性菌群的空間位置改變、中間產(chǎn)物的代謝紊亂等方面[31]，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生負作用；不同料液濃度的產(chǎn)氣速率隨著發(fā)酵時間先增加后趨于穩(wěn)定，其原因在于：濃度過高的料液會阻礙傳熱傳質(zhì)過程，使發(fā)酵微生物生長受到影響，導(dǎo)致基質(zhì)利用率降低[32]；同時因為缺水使產(chǎn)酸菌代謝減緩，導(dǎo)致積累過量VFA，造成酸中毒，從而影響發(fā)酵過程[33]；溫度是影響菌體代謝活動重要因素，不同運行溫度的產(chǎn)氣速率隨著發(fā)酵時間先增加后降低，35℃時達到最大值，楚莉莉[34]等采用響應(yīng)面法優(yōu)化牛糞厭氧發(fā)酵的最佳發(fā)酵參數(shù)，結(jié)果表明，發(fā)酵溫度為35℃時，可獲得最大累積產(chǎn)氣量，這與本研究結(jié)果相符；HRT對甲烷含量的影響。甲烷含量是衡量厭氧發(fā)酵過程的一個重要指標(biāo)，能反映出反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵狀態(tài)[35]。不同HRT的產(chǎn)氣速率隨著發(fā)酵時間先增加后趨于穩(wěn)定，其原因在于：HRT的長短影響投料負荷的高低，當(dāng)HRT過短時，微生物大量隨出水流出，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷微生物密度過小，pH值表現(xiàn)出一定的酸敗趨勢，使微生物無法充分利用底物，影響產(chǎn)氣的質(zhì)量，當(dāng)HRT過長時，產(chǎn)甲烷微生物的密度足夠大，但底物可利用營養(yǎng)成分不足，導(dǎo)致產(chǎn)氣量不高，只有當(dāng)HRT適合時，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)酸速率與產(chǎn)甲烷菌利用有機酸的速率達到平衡時，產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)氣效率最高[36-37]。

4 結(jié)論

試驗得出產(chǎn)氣率最高的載體材料是碳纖維膜，以碳纖維膜為載體材料，單因素優(yōu)化出最佳的攪拌間隔、進料濃度、運行溫度、固定床HRT分別為24 h，8%，35℃，12 d。碳纖維膜材料擁有良好的生物相容性，減少甲烷菌的流失，促進微生物附著到載體上，形成生物膜，促進厭氧發(fā)酵。碳纖維膜固定床在最佳發(fā)酵條件下，產(chǎn)氣率明顯提高，COD去除率也顯著提高。因此在最佳發(fā)酵參數(shù)的條件下，牛糞采用碳纖維膜固定床反應(yīng)器進行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣率最高。