序批式秸稈牛糞混合厭氧干發(fā)酵過程物料理化及滲濾特性

于佳動，趙立欣，馮 晶，姚宗路，申瑞霞，黃開明，陳建坤，張 迎

·農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用工程·

序批式秸稈牛糞混合厭氧干發(fā)酵過程物料理化及滲濾特性

于佳動1，趙立欣1※，馮 晶1，姚宗路2，申瑞霞1，黃開明1，陳建坤1，張 迎1

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)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實驗室，北京 100125；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

序批式厭氧干發(fā)酵技術(shù)在規(guī)?；幚磙r(nóng)業(yè)廢棄物方面具備優(yōu)勢，通過工藝調(diào)控優(yōu)化使產(chǎn)氣效率得到明顯改善，但對其物質(zhì)轉(zhuǎn)化特性的綜合研究尚待深入。該文在發(fā)酵溫度和秸稈粒徑交互因素下，對不同干發(fā)酵環(huán)境理化特性及微生物群落進行比較，探尋提高物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率機制、物料形態(tài)及滲濾液流動特性。結(jié)果表明，高溫和細粒徑條件顯著改善生物轉(zhuǎn)化效率，通過加速有機酸轉(zhuǎn)化，使物料降解率和沼氣產(chǎn)量提升了22.61%和56.17%。發(fā)酵10 d，細粒徑物料結(jié)構(gòu)-滲濾液流動規(guī)律基本穩(wěn)定，形成滲濾液由反應(yīng)器中區(qū)向外區(qū)流動趨勢，并與、、、豐度呈正相關(guān)（＜0.05），形成最佳轉(zhuǎn)化狀態(tài)。該研究可為評價和改善不同序批式厭氧干發(fā)酵體系運行效率提供理論依據(jù)。

秸稈；糞；序批式厭氧干發(fā)酵；生物轉(zhuǎn)化；物料結(jié)構(gòu)；滲濾液流動

0 引 言

序批式厭氧干發(fā)酵是多個厭氧發(fā)酵反應(yīng)器并聯(lián)，按時間順序間歇式運行，初始進料含固率大于25%的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程，具有原料處理量大、容積產(chǎn)氣率高、沼液排放量少等特點，并且操作簡單、故障率低，易于處理纖維質(zhì)含量高、難降解的農(nóng)業(yè)固體廢棄物，如作物秸稈、畜禽糞便[1]。德國厭氧干發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用走在世界前列，農(nóng)業(yè)序批式厭氧干發(fā)酵沼氣工程占德國沼氣工程總數(shù)的1%，運行能耗與濕法厭氧發(fā)酵相比可節(jié)約1/3～1/2[2-3]。在中國，集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量大且相對集中，含水率低且纖維化程度高[4]，加之近年來政策導(dǎo)向提高農(nóng)業(yè)廢棄物全量化和資源化利用水平，使序批式厭氧干發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，市場潛力大。但是，序批式厭氧干發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用尚處于工藝小試、中試優(yōu)化階段，物質(zhì)轉(zhuǎn)化機制還需深入探明。

在過去的研究中，以玉米秸稈-牛糞為混合原料，篩選出影響序批式厭氧干發(fā)酵甲烷產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[5]，進一步結(jié)合中國規(guī)?；N養(yǎng)業(yè)分布特點，研發(fā)了基于不同物料配比的噴淋頻率-接種物濃度高效調(diào)控方法，甲烷產(chǎn)量可提高12.4%～121.3%，并揭示了主要微生物群落與甲烷生產(chǎn)的相互作用關(guān)系[6]。Zhu等[7]采用物料與接種物分層混配方式，在定時噴淋條件下，有效防止高料泥比（ratio of feedstock and inoculum，F(xiàn)/I）引起的反應(yīng)體系過快酸敗，日產(chǎn)氣量增加了210%。Meng等[8]延長噴淋過程滲濾液（沼液）與物料的接觸時間，有效提高了干發(fā)酵啟動和產(chǎn)氣高峰階段的產(chǎn)氣速率（＜0.05）。以上研究從生物轉(zhuǎn)化的角度揭示了促進序批式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣的方法，明確了多因素交互作用下產(chǎn)氣規(guī)律及調(diào)控機制，但是，對干發(fā)酵過程物料與滲濾液流動相互作用機制，特別是產(chǎn)氣高峰階段與生物轉(zhuǎn)化協(xié)同促進特性尚需進一步研究。

因此，本文以發(fā)酵溫度和秸稈粒徑為環(huán)境因素搭建不同干發(fā)酵體系，通過體系間對比探索有利于物質(zhì)轉(zhuǎn)化的干發(fā)酵性質(zhì)及物料、滲濾液特性。創(chuàng)新以微生物群落組成為紐帶，建立物料發(fā)酵、結(jié)構(gòu)以及滲濾液流動特性協(xié)同提高物質(zhì)傳遞效率作用關(guān)系，為進一步提升序批式厭氧干發(fā)酵質(zhì)量及運行效率提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以玉米秸稈、牛糞為原料，取自河北省三河市農(nóng)田及某大型奶牛養(yǎng)殖場，試驗啟動前，測定含固率（total solid, TS）分別為83.87%±0.03%、26.15%±0.11%，揮發(fā)性固體含量（volatile solid, VS）分別為80.37%±0.34%、64.38%±0.46%（基于干物質(zhì)質(zhì)量）。接種物采用上輪玉米秸稈-牛糞混合原料序批式厭氧干發(fā)酵已培養(yǎng)至不產(chǎn)氣的出料沼渣，TS、VS為25.34%±0.28%、66.23%±0.31%（基于干物質(zhì)質(zhì)量）。

1.2 試驗裝置

本研究使用2套序批式厭氧干發(fā)酵裝置，均為玻璃材質(zhì)制成，有效容積20 L。反應(yīng)器1為厭氧濾床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，濾床布滿3 mm圓孔，物料放于濾床上方，其下方連接有效容積為5 L的滲濾液儲存裝置。噴淋時，依靠蠕動泵將滲濾液儲存裝置中的滲濾液沿管道抽送至反應(yīng)器頂部噴淋裝置，均勻噴灑物料。反應(yīng)器保溫依靠水浴鍋循環(huán)加熱（圖1a）；反應(yīng)器2在反應(yīng)器1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加裝滲濾液收集裝置，將滲濾液收集區(qū)按照半徑均勻分隔為3個區(qū)域，即內(nèi)區(qū)、中區(qū)和外區(qū)，每個區(qū)域用量筒連接滲濾液儲存裝置，用于評價滲濾液流動特性（圖1b）。

圖1 序批式厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器

1.3 試驗設(shè)計

建立4組基于秸稈粒徑、發(fā)酵溫度不同的厭氧干發(fā)酵體系，即細粒徑高溫（ST）、細粒徑中溫（SM）、長粒徑高溫（LT）、長粒徑中溫（LM）。秸稈粒徑設(shè)定為細粒徑2～3 cm（S），長粒徑5～6 cm（L）；發(fā)酵溫度設(shè)定為高溫55 ℃（T）、中溫35 ℃（M）。

其他運行參數(shù)設(shè)定采用先前研究的工藝優(yōu)化結(jié)果[6]，即4組干發(fā)酵體系統(tǒng)一設(shè)定噴淋頻率為間隔4 h、噴淋量與物料質(zhì)量比為0.2、秸稈-牛糞干物質(zhì)物料配比為6:4、接種物濃度為物料質(zhì)量的20%，發(fā)酵周期為40 d，物料初始含固率為30%。

每組干發(fā)酵體系平行啟動8組反應(yīng)器監(jiān)測產(chǎn)氣性質(zhì)，每5 d減少一組反應(yīng)器進行開罐破壞取樣分析物料降解、中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化、微生物群落性質(zhì)。另外，沿物料縱向方向平均分為3層，橫向平均分為2個區(qū)域（中區(qū)、外區(qū)），共形成6個區(qū)域（圖1a），取樣檢測發(fā)酵過程物料孔隙度、容重；將物料縱向分為3層，橫向平均分為3區(qū)（內(nèi)區(qū)、中區(qū)、外區(qū)），共形成9個區(qū)域（圖1b），利用示蹤劑探測不同物料區(qū)域滲濾液流動軌跡并監(jiān)測反應(yīng)器底部流出滲濾液總體積和物料高度的變化。

進一步將生物發(fā)酵特性、滲濾液沿物料流動特性、物料結(jié)構(gòu)特性相耦合，分析干發(fā)酵體系各要素高效產(chǎn)氣協(xié)同作用機制。

1.4 分析方法

TS、VS參照美國APHA測試標準測定[9]，使用濕式氣體流量計（型號：LMF-1）監(jiān)測沼氣產(chǎn)量。并用氣袋收集沼氣，使用便攜式沼氣分析儀（Biogas check，Geotech，英國）測定甲烷含量。沼氣和甲烷產(chǎn)量以單位物料VS產(chǎn)氣量表示（L/kg），計算方法參照文獻[10]。

物料降解率為取樣天數(shù)的物料TS與初始物料TS的百分比[11]，中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化以總有機酸生成規(guī)律及氨氮濃度表征，其中，總有機酸含量通過氣相色譜儀測定，樣品制備與檢測方法參照文獻[5]。氨氮濃度測定使用水楊酸-紫外分光光度計法測定[6]。

微生物群落測定采用Mi-seq高通量測序方法，測定細菌、古菌多樣性，對抽平后的數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)分析，并聯(lián)合環(huán)境因子進行冗余度分析（redundancy analysis, RDA法）[6]。

物料孔隙度（總孔隙度、持水孔隙度、通氣孔隙度）、容重測定依據(jù)土壤基本性質(zhì)檢測方法測定[12]。滲濾液體積通過反應(yīng)器2（圖1b）安裝的量筒讀數(shù)獲得（mL）。采用氯化鋰示蹤法對滲濾液流動后反應(yīng)器各區(qū)域的物料取樣，通過電感耦合等離子體光譜儀測定氯化鋰殘留濃度[13]。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、顯著性差異分析使用Microsoft Office 2019軟件平臺，使用Canoco v4.5進行RDA分析[6]。

2 結(jié)果分析

2.1 生物學(xué)轉(zhuǎn)化特性

厭氧干發(fā)酵是物料降解、中間產(chǎn)物生成與轉(zhuǎn)化、沼氣生成的過程，如圖2所示，高溫條件顯著提高了秸稈-牛糞混合原料的降解效率，與中溫條件相比平均提高了22.61%。細粒徑條件對物料降解也有一定的促進作用，與長粒徑條件相比提高了5.19%，高溫及細粒徑條件促進微生物水解酶分泌，與底物接觸面積增大，可提高生物轉(zhuǎn)化速率[14]。

厭氧發(fā)酵過程物料降解產(chǎn)物主要以有機酸、氨氮為主，有機酸作為沼氣生產(chǎn)的重要可溶性物質(zhì)用于轉(zhuǎn)化沼氣，氨氮向微生物提供氮源，促進生長[1]。圖2b所示，有機酸積累濃度在發(fā)酵前5 d達到高峰并迅速消耗利用，高溫條件第10天有機酸利用率比中溫條件提高78.64%，達到51.27%，同時，細粒徑比長粒徑條件提高39.98%，15 d后有機酸逐漸消耗殆盡；氨氮受物料蛋白質(zhì)成分的降解在發(fā)酵前5天迅速增加（圖2c），細粒徑條件更有利于氨氮濃度的積累，25 d后，高溫條件更有利于氨氮轉(zhuǎn)化，利用率為33.28%。物料降解、中間產(chǎn)物生成與消耗存在動態(tài)平衡關(guān)系[15]，本研究中，高溫及細粒徑條件在促進底物分解的同時，也增加了中間可溶性物質(zhì)的生成與轉(zhuǎn)化效率。

沼氣的生成進一步反映厭氧發(fā)酵的最終物質(zhì)轉(zhuǎn)化效果。如圖2d所示，產(chǎn)沼氣高峰期平均為20 d，高溫和細粒徑條件分別比中溫和長粒徑條件沼氣產(chǎn)量提高了65.31%和41.77%，發(fā)酵結(jié)束時，高溫和細粒徑條件沼氣產(chǎn)量提高了59.60%和52.74%，平均為418.9和435.8 L/kg。序批式厭氧干發(fā)酵物質(zhì)轉(zhuǎn)化受到溫度和粒徑因素影響顯著（＜0.01），在不同因素的影響下，底物降解形成的有機酸、氨氮產(chǎn)物迅速累積并轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致發(fā)酵初期，特別是前15天沼氣產(chǎn)量迅速提升，發(fā)酵溫度對生物轉(zhuǎn)化效率的促進作用顯著大于秸稈粒徑（＜0.05）。

溫度對甲烷和氮氣含量的變化無明顯影響（＞0.05），粒徑對氮氣含量變化也無明顯影響，但在細粒徑條件下，特別是第5～20 d甲烷含量比長粒徑條件提高13.14%（圖2e、圖2f）。Cai等[16]研究表明，甲烷含量高說明厭氧發(fā)酵體系有利于碳素的高效轉(zhuǎn)化，而物料粒徑較細，微生物可利用物質(zhì)含量增加，促進物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率，符合圖2a物料降解率的分析結(jié)果。

因此，序批式厭氧干發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化特性受到高溫和細粒徑條件影響顯著，物料降解速率的提高使有機酸快速積累并轉(zhuǎn)化，氨氮積累濃度保持相對穩(wěn)定。Francisci等[17]曾報道，每個厭氧發(fā)酵體系均維持一定的微生物數(shù)量，使氨氮的生成與轉(zhuǎn)化達到動態(tài)平衡，而沼氣的不斷生成加速了碳素的轉(zhuǎn)化效率。

注：ST為細粒徑高溫，LT為長粒徑高溫，SM為細粒徑中溫，LM為長粒徑中溫。下同

2.2 物料結(jié)構(gòu)及滲濾液流動特性

2.2.1 物料孔隙度和容重性質(zhì)

對序批式厭氧干發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化過程中物料孔隙度和容重的變化進行監(jiān)測，反應(yīng)器縱向、橫向共劃分6區(qū)域，如圖3所示，以高溫細粒徑條件為例（圖3a），發(fā)酵初始總孔隙度為28.43%，發(fā)酵第10天，總孔隙度下降至24.57%，而持水孔隙度提高了25.05%，10 d后，總孔隙度變化趨于穩(wěn)定。Shewani等[18]對秸稈原料序批式厭氧干發(fā)酵過程研究發(fā)現(xiàn)，滲濾液回流噴淋以及微生物降解使干發(fā)酵過程物料結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。本文進一步對物料各區(qū)域的孔隙度變化定量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，中區(qū)物料孔隙度隨著發(fā)酵時間的延長，呈現(xiàn)上、中、下層逐漸下降，而外區(qū)孔隙度逐漸上升的趨勢，發(fā)酵結(jié)束時，總孔隙度上升至27.51%，其中，外區(qū)通氣孔隙度比中區(qū)提高了210%，持水孔隙度相應(yīng)降低。

從圖3可以看出，秸稈粒徑增加導(dǎo)致物料總孔隙度顯著升高，高溫長粒徑條件下（圖3b），總孔隙度平均比細粒徑條件提高了24.75%，并且通氣孔隙度在發(fā)酵前20 d顯著增加（＜0.05）。發(fā)酵過程中，物料各區(qū)域孔隙度的變化無明顯規(guī)律，可能是由于秸稈粒徑增加導(dǎo)致物料均勻程度降低所致。發(fā)酵30 d后，持水孔隙度平均增加77.75%，隨著噴淋次數(shù)的增加，有利于物料吸水，含水率增加[18]。

中溫細粒徑與高溫細粒徑條件孔隙度變化趨勢基本相同，中區(qū)、外區(qū)孔隙度隨發(fā)酵時間的延長分別呈下降和上升趨勢，其中，與第10天相比，發(fā)酵結(jié)束時，外區(qū)通氣孔隙度平均提高了46.97%，持水孔隙度降低了36.43%；中溫長粒徑（圖3d）與細粒徑條件相比總孔隙度提高了35.52%，發(fā)酵30 d后，各區(qū)域持水孔隙度平均增加61.79%，與高溫長粒徑條件變化規(guī)律相同，中區(qū)和外區(qū)孔隙度無明顯差異。

注：UM, MM, LM為上中區(qū)、中中區(qū)、下中區(qū)；UO, MO, LO為上外區(qū)、中外區(qū)、下外區(qū)。

上述研究表明，不同發(fā)酵條件下，物料孔隙度及變化規(guī)律主要受秸稈粒徑的影響顯著（＜0.05），細粒徑條件總孔隙度下降23.17%，特別在發(fā)酵第10天，在相同發(fā)酵條件下物料各區(qū)域孔隙度與發(fā)酵啟始狀態(tài)相比明顯不同，每天的滲濾液回流噴淋和微生物作用均對物料結(jié)構(gòu)造成一定程度的影響[19]。另外，容重與持水孔隙度呈正相關(guān)性，物料區(qū)域含水量高促進容重的增加，細粒徑條件與長粒徑相比容重增加14.64%。

2.2.2 滲濾液收集體積和物料高度性質(zhì)

進一步按照反應(yīng)器直徑將物料橫向平均分為3份，形成內(nèi)區(qū)、中區(qū)、外區(qū)（圖1b），每天定時在一次噴淋后收集各區(qū)域滲濾液體積，由于發(fā)酵溫度對物料基本結(jié)構(gòu)，即孔隙度和容重?zé)o明顯影響，本研究在中溫下基于秸稈粒徑進一步對滲濾液收集體積進行評價。在細粒徑條件下（圖4a），外區(qū)滲濾液收集體積為中區(qū)和內(nèi)區(qū)的5.5和10.8倍，內(nèi)區(qū)、中區(qū)在發(fā)酵前25 d滲濾液體積逐漸下降，而外區(qū)體積相應(yīng)增加，25 d后趨于穩(wěn)定。長粒徑條件（圖4b）發(fā)酵初期（1～15 d），中區(qū)滲濾液收集體積出現(xiàn)高峰，內(nèi)區(qū)和外區(qū)滲濾液體積無明顯差異（＞0.05）。發(fā)酵25 d后，外區(qū)滲濾液收集體積開始積累，與發(fā)酵初期相比增加了58.64%。第2.2.1節(jié)中，細粒徑條件物料總孔隙度和通氣孔隙度在物料內(nèi)區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢、外區(qū)孔隙度增加，可能導(dǎo)致滲濾液在穿過物料時，隨物料孔隙度大小由中心向兩側(cè)滲流，形成內(nèi)區(qū)、中區(qū)滲濾液體積＜外區(qū)的現(xiàn)象。長粒徑條件物料各區(qū)域孔隙度大小不均，并且與細粒徑相比增加明顯，滲濾液在各區(qū)域內(nèi)根據(jù)孔隙大小區(qū)域平均分配。

圖4 序批式厭氧干發(fā)酵滲濾液收集體積與物料高度變化

隨著滲濾液流動，物料高度在細粒徑條件下變化明顯，下降速率平均為長粒徑條件的81.22%。噴淋和滲濾液流動的沖刷作用使細粒徑物料，特別是中區(qū)位置發(fā)生下沉，導(dǎo)致第2.2.1節(jié)細粒徑條件物料中區(qū)孔隙度下降、外區(qū)孔隙度相對提高的現(xiàn)象，使?jié)B濾液外區(qū)體積顯著增加。噴淋-滲濾作用雖然沖刷部分牛糞，但長粒徑秸稈具有一定的支撐作用，維持了物料孔隙，使?jié)B濾液在各區(qū)域流動并無明顯規(guī)律可尋。

2.2.3 示蹤劑表征滲濾液沿物料孔隙流動性質(zhì)

使用氯化鋰示蹤劑進一步對滲濾液流動特性進行分析，揭示物料固相與滲濾液流動相間的相互作用關(guān)系。圖5a、圖5b為不同發(fā)酵階段及細、長粒徑條件下一次噴淋后滲濾液通過物料各區(qū)域示蹤劑在物料內(nèi)的殘留濃度，可反映滲濾液流動規(guī)律。在細粒徑條件下，內(nèi)區(qū)、中區(qū)、外區(qū)各層物料氯化鋰濃度隨發(fā)酵時間呈上升趨勢，發(fā)酵10 d后，內(nèi)區(qū)上升幅度比中區(qū)、外區(qū)分別增加16.31%和170.70%，說明帶有氯化鋰示蹤劑的滲濾液在流經(jīng)內(nèi)區(qū)物料時發(fā)生一定程度的積累，導(dǎo)致所取樣品中含水率增加、氯化鋰濃度升高[13]。第2.2.1節(jié)、2.2.2節(jié)對細粒徑條件孔隙度和滲濾液收集情況的研究也表明，外區(qū)物料的孔隙度明顯大于內(nèi)區(qū)，且隨發(fā)酵時間的增加，外區(qū)滲濾液積累顯著大于內(nèi)區(qū)和中區(qū)，滲濾液流動由物料中心逐步向兩側(cè)滲流。

長粒徑條件下，物料氯化鋰示蹤劑濃度普遍低于細粒徑條件（＜0.01），發(fā)酵10 d后，氯化鋰濃度增幅外區(qū)＜中區(qū)＜內(nèi)區(qū)，平均僅為細粒徑條件的61.22%，特別是內(nèi)區(qū)增幅下降了41.89%，滲濾液流經(jīng)內(nèi)區(qū)的含量增加。結(jié)合第2.2.1和2.2.3節(jié)分析結(jié)果，粗粒徑條件下滲濾液的流動規(guī)律為沿物料孔隙趨于平均分布豎直向下滲流。

圖5c、圖5d為依據(jù)氯化鋰在細粒徑、長粒徑條件下物質(zhì)轉(zhuǎn)化高峰階段（10～20 d）物料中的殘留濃度表征滲濾液流動規(guī)律示意圖。細粒徑條件下，外區(qū)各層物料氯化鋰濃度普遍低于內(nèi)區(qū)及中區(qū)，說明滲濾液通過相對順暢，分析滲濾后的物料中氯化鋰濃度平均比中區(qū)及內(nèi)區(qū)低24.4%，氯化鋰殘留更集中在中區(qū)及內(nèi)區(qū)，并在物料底部發(fā)生累積，而長粒徑物料各區(qū)域氯化鋰濃度無明顯差異，隨孔隙自由分布流動。

2.3 微生物群落與物料、滲濾液性質(zhì)相互作用關(guān)系

物料降解、中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化、沼氣生產(chǎn)在發(fā)酵第10天達到高峰，物料結(jié)構(gòu)與滲濾液流動規(guī)律逐漸形成，對物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率高峰階段微生物發(fā)酵與物料結(jié)構(gòu)及滲濾液流動性質(zhì)協(xié)同作用關(guān)系分析，可進一步探明序批式厭氧干發(fā)酵最佳轉(zhuǎn)化狀態(tài)，達到精準調(diào)控的目的。本研究對主要微生物群落特性進行分析，并以其為紐帶進一步探尋生物轉(zhuǎn)化與物料及滲濾液特性動態(tài)變化的相互作用關(guān)系。

圖6a所示，高效干發(fā)酵產(chǎn)沼氣體系，沼氣產(chǎn)量與底物降解（material digestion，MD）、氨氮積累量（NH4+-N）和甲烷含量（methane content，MC）具有顯著正相關(guān)性（＜0.05），有機酸轉(zhuǎn)化效率在一定程度上限制了沼氣生產(chǎn)，是影響序批式厭氧干發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化效率的限速環(huán)節(jié)。提高發(fā)酵溫度和縮小秸稈粒徑可為微生物轉(zhuǎn)化提供良好的適應(yīng)環(huán)境[20]，其中，發(fā)酵溫度對生物轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)系數(shù)達到0.668 5，對促進生物轉(zhuǎn)化影響顯著（＜0.05）。對干發(fā)酵體系細菌相對豐度達到5%以上、古菌相對豐度達到1%以上的微生物群落進行分析表明，細菌Clostridiales（a）、Bacillales（e），以及古菌（f）、（g），對促進生物轉(zhuǎn)化效率及沼氣生產(chǎn)具有顯著正相關(guān)性（<0.05）。Haruta 等[21]研究表明，Bacillales分解能力強，可分泌纖維素、半纖維素酶進一步加強底物轉(zhuǎn)化速率，而Clostridiales豐度提高可加速可溶性物質(zhì)生產(chǎn)有機酸，而與均為嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌，可進一步促進沼氣生產(chǎn)過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的提高[20]。

注：PS、FM為秸稈粒徑、發(fā)酵溫度；MD、VFA、NH4+-N、BY、MC為物料降解率、有機酸積累濃度、氨氮積累濃度、沼氣產(chǎn)量和甲烷含量；TP、VW為總孔隙度和容重；IZ、MZ、OZ分別為反應(yīng)器內(nèi)區(qū)、中區(qū)、外區(qū)；a~h為主要微生物群落Clostridiales, Marinilabiliales, Bacteroidales, Anaerolineales, Bacillales,Methanosarcina,Methanoculleus,Methanobacterium.

在生物轉(zhuǎn)化高峰階段，物料結(jié)構(gòu)、滲濾液流動特征與主要微生物群落的相關(guān)性分析如圖6b所示，當(dāng)外區(qū)滲濾液體積和物料整體容重增加，有利于物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的提高，與沼氣生產(chǎn)具有顯著正相關(guān)性（＜0.05）。可見，當(dāng)滲濾液流動變?yōu)橛煞磻?yīng)器中區(qū)向兩側(cè)滲流時，物料形態(tài)具備最佳物質(zhì)轉(zhuǎn)化特性，并且形成了促進生物轉(zhuǎn)化效率的、、、菌群結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

1）通過改變發(fā)酵溫度和秸稈粒徑可顯著促進序批式厭氧干發(fā)酵生物轉(zhuǎn)化效率（＜0.05），發(fā)酵40 d高溫條件使秸稈降解率提高了22.61%并加快了有機酸轉(zhuǎn)化和氨氮生成速率，沼氣產(chǎn)量為418.9 L/kg，秸稈粒徑改變可顯著促進碳轉(zhuǎn)化率的提高（＜0.05）。

2）秸稈粒徑是影響物料結(jié)構(gòu)和滲濾液流動性質(zhì)的主要因素，細粒徑條件總孔隙度下降23.17%，容重提高14.64%，并且中區(qū)（內(nèi)區(qū)）持水孔隙度、外區(qū)通氣孔隙度增加明顯，導(dǎo)致滲濾液收集體積外區(qū)為中區(qū)和內(nèi)區(qū)的5.5倍和10.8倍。粗粒徑條件物料孔隙度及滲濾液流動規(guī)律則無明顯改變。

3）發(fā)酵10 d，物料結(jié)構(gòu)與滲濾液流動特性趨于穩(wěn)定，細粒徑條件下，滲濾液沿物料孔隙呈現(xiàn)由中心向兩側(cè)滲流規(guī)律，與粗粒徑條件差異顯著（＜0.05），并且與、、、的豐度呈顯著正相關(guān)性（＜0.05），是促進生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的最佳狀態(tài)。

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Physicochemical and percolating characteristics of sequencing batch dry anaerobic digestion of straw-cow manure mixture

Yu Jiadong1, Zhao Lixin1※, Feng Jing1, Yao Zonglu2, Shen Ruixia1, Huang Kaiming1, Chen Jiankun1, Zhang Ying1

(1.,,100125,; 2.,,100081,)

The sequencing batch dry anaerobic digestion (SBD-AD) technology has advantages in large-scale treatment of agricultural wastes. SBD-AD project has the characteristics of large processing capacity of raw materials, high volumetric biogas production rate and less biogas slurry emission. Moreover, it is easy to operate and has low failure rate, and easy to handle agricultural solid wastes with high fiber content and difficult to degrade, such as crop straw, livestock manures. In the previous research, the key influencing factors of promoting methane yield were screened, the efficient control methods and operation processes were summarized, and the mechanism of methanogenesis was revealed. However, the mechanism of interaction between materials and leachate flow in dry fermentation process, especially the synergistic promotion of biogas production peak stage and biotransformation, needs further study. Therefore, the different dry fermentation systems were established based on the environmental factors of fermentation temperature and straw particle size, and the properties of dry fermentation, materials and leachate were explored by comparing the systems. In order to provide theoretical guidance for further improving the quality and operation efficiency of the SBD-AD, the relationship among material fermentation, structure and percolation fluid flow characteristics was established. In this paper, under the interaction of fermentation temperature and particle size, different dry fermentation environments were launched to compare biotic and abiotic characteristics, and to explore the fermentation mechanism, material morphology and leachate flow characteristics of improving mass transfer efficiency. The results show that changing the fermentation temperature and particle size of the straw can significantly promote the SBD-AD bioconversion efficiency (<0.05), high temperature conditions make the straw degradation rate increased by 22.61% and accelerate the transformation of organic acid and ammonia nitrogen generating rate, the ultimate methane yield increased by 29.56%, straw particle size change can significantly promote the improvement of carbon conversion rate (<0.05). In addition, straw particle size is the main factor affecting the material structure and the flow properties of leachate. Under the condition of short particle size, the total porosity decreases by 23.17% and the bulk density increases by 14.64%, and the water holding porosity and aeration porosity in the middle zone (inner zone) increase significantly, resulting in the outer area of leachate collection volume being 5.5 times and 10.8 times of that in the middle zone and inner zone. Under the condition of long particle size, the porosity of materials and the flow rule of percolate have no obvious change. Furthermore, the first 10 d of fermentation, material structure and the leachate flow characteristics tend to be stable, short particle size under the condition of leachate along the sides of their present material porosity from the center to the seepage rule, and long particle size significant difference (<0.05), and the Clostridiales, Bacillales,,abundance was significantly positive correlation (<0.05), which is the best state to promote biomass conversion efficiency. This study can provide a theoretical basis for evaluating and improving the operating efficiency of different SBD-AD systems.

straw; manure; sequencing batch dry anaerobic digestion; biotransformation; material morphology; leachate flow

于佳動，趙立欣，馮 晶，姚宗路，申瑞霞，黃開明，陳建坤，張 迎. 序批式秸稈牛糞混合厭氧干發(fā)酵過程物料理化及滲濾特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(20)：228－234.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028 http://www.tcsae.org

Yu Jiadong, Zhao Lixin, Feng Jing, Yao Zonglu, Shen Ruixia, Huang Kaiming, Chen Jiankun, Zhang Ying. Physicochemical and percolating characteristics of sequencing batch dry anaerobic digestion of straw-cow manure mixture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 228－234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028 http://www.tcsae.org

2019-08-11

2019-10-07

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0800100）資助；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2017M620717)

于佳動，工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵技術(shù)裝備研究。Email：yujiadong010@163.com

趙立欣，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物能源化研究。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028

X712

A

1002-6819(2019)-20-0228-07