進(jìn)料配比對(duì)牛糞和玉米秸稈半連續(xù)厭氧發(fā)酵的影響

李云芳，袁海榮，Akiber Chufo Wachemo，2，左曉宇，李秀金

（1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029；2.阿爾巴明奇大學(xué) 供水與環(huán)境工程系，阿爾巴明奇P.O.Box 21）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由固體廢棄物（特別是農(nóng)作物秸稈和集約化牛糞）導(dǎo)致的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。糞便單獨(dú)厭氧消化易出現(xiàn)氨氮抑制甲烷產(chǎn)生的現(xiàn)象，秸稈單獨(dú)厭氧消化會(huì)產(chǎn)生降解率低及厭氧消化時(shí)間長(zhǎng)的問題[1]。當(dāng)兩者混合厭氧發(fā)酵時(shí)，不僅具有提高生物基質(zhì)的產(chǎn)氣量、維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性、稀釋有毒化學(xué)物質(zhì)以及保證系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)平衡等優(yōu)點(diǎn)，而且發(fā)酵后的殘余物處理方便，可直接用作有機(jī)肥，不存在二次污染問題[2]。

目前，在厭氧發(fā)酵領(lǐng)域，有關(guān)牛糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵時(shí)原料配比的研究較少，大部分是關(guān)于分批發(fā)酵的研究，或者是采用分批發(fā)酵進(jìn)行原料混合比的篩選，并將篩選結(jié)果應(yīng)用于半連續(xù)發(fā)酵。在分批發(fā)酵的研究方面，任海偉[3]研究了總固體混合比（Total Solid Mixing Ratios，TSMR）對(duì)牛糞和玉米秸稈混合物中溫厭氧發(fā)酵的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)牛糞和玉米秸稈的TSMR 為7∶3時(shí)，混合物的產(chǎn)氣效果最好，產(chǎn)氣率（以單位TS計(jì)）為359 mL/g。魏珞宇[4]研究了奶牛糞和肉牛糞分別與玉米秸稈以不同的TSMR 混合時(shí)對(duì)中溫混合厭氧發(fā)酵的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)奶牛糞和肉牛糞與玉米秸稈的TSMR 分別為1∶1 和1∶9時(shí)，混合物的產(chǎn)氣效果最好。姜慶宏[5]研究了牛糞和玉米秸稈的 TSMR 分別為 1∶1，1∶2，1∶3 和 2∶1 時(shí)的沼氣發(fā)酵情況，并得出 TSMR 為 1∶1 時(shí)發(fā)酵效果最佳的結(jié)論。在半連續(xù)發(fā)酵方面，Yue Z[6]在牛糞和玉米秸稈的 TSMR 分別為 1∶0 和 4∶1 的情況下，研究了水力滯留時(shí)間 （Hydraulic Retention Time，HRT）和物料成分對(duì)厭氧發(fā)酵微生物群落的影響，但沒有給出選擇該TSMR 的研究過程和解釋。Li Y Q[7]以雞糞和玉米秸稈為原料研究了不同有機(jī)負(fù)荷對(duì)發(fā)酵底物產(chǎn)氣性能的影響。孫志巖[8]研究了牛糞和玉米秸稈的TSMR 對(duì)發(fā)酵底物分批發(fā)酵性能影響，并將分批發(fā)酵所得的最佳 TSMR（3∶7）作為半連續(xù)厭氧發(fā)酵研究的基礎(chǔ)，而并未采用半連續(xù)厭氧發(fā)酵進(jìn)行原料混合比的篩選。與半連續(xù)發(fā)酵相比，分批發(fā)酵具有對(duì)無菌環(huán)境要求更高、有毒物質(zhì)會(huì)不斷累積以及易出現(xiàn)阻遏效應(yīng)等缺點(diǎn)[9]，因此，將分批發(fā)酵所獲得的最佳原料配比參數(shù)直接應(yīng)用于半連續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵效果可能會(huì)存在較大差異。

本文以牛糞和玉米秸稈為原料，采用半連續(xù)發(fā)酵的方式研究牛糞和玉米秸稈的TSMR 對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣量、甲烷產(chǎn)量、氨氮濃度、堿度、pH 值、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度、總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS） 去除率的影響，確定發(fā)酵效果最佳時(shí)的TSMR，以期為沼氣的工程化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括玉米秸稈、 牛糞和接種物，各原料的基本性質(zhì)見表1。其中，玉米秸稈取自北京延慶地區(qū)，自然風(fēng)干后剪成3～4 cm 的小段，再用粉碎機(jī)粉碎過20 目篩備用。進(jìn)料前采用KOH溶液對(duì)玉米秸稈進(jìn)行常溫預(yù)處理（KOH、玉米秸稈的 TS 以及水的質(zhì)量比為 4∶100∶600），處理時(shí)間為3 d。牛糞取自北京順義地區(qū)，去除雜質(zhì)并攪拌均勻后放入-20 ℃冰箱中冷凍備用。接種物取自北京順義地區(qū)的中溫沼氣站，取回的接種物在靜置數(shù)日后倒去上清液，將沉淀物放入4 ℃冰箱中備用。

表1 原料的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of raw materials

1.2 試驗(yàn)裝置

采用全混合式反應(yīng)器 （Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 厭氧消化試驗(yàn)裝置Fig.1 Test facility diagram of anaerobic digestion

CSTR 主要由發(fā)酵罐、水箱、控制柜、控制系統(tǒng)和肺活量計(jì)等組成。其中，發(fā)酵罐的體積為10 L，有效容積為8 L，發(fā)酵罐為雙層設(shè)計(jì)，外層為保溫層，內(nèi)層為反應(yīng)釜，發(fā)酵罐內(nèi)有上、中、下3 層攪拌槳；水箱具有加熱水、控制水循環(huán)的作用，研究所用CSTR 由同一個(gè)水箱進(jìn)行循環(huán)保溫；控制柜控制整個(gè)系統(tǒng)的電源；控制主機(jī)為電腦，使用集中式序批厭氧消化反應(yīng)器控制軟件系統(tǒng)對(duì)每個(gè)CSTR 的攪拌頻率和溫度等進(jìn)行監(jiān)控；采用肺活量計(jì)測(cè)量沼氣的體積。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用 5 個(gè)CSTR 反應(yīng)器，分別編號(hào)為C10，C31，C11，C13 和 C01，對(duì)應(yīng)的牛糞與玉米秸稈的 TSMR 分別為 1∶0，3∶1，1∶1，1∶3 和 0∶1。5 個(gè)反應(yīng)器按照相應(yīng)的TSMR，在有機(jī)負(fù)荷（以TS 計(jì)）為80 g/L，接種物添加量（以 MLSS 計(jì)）為 25 g/L 的條件下啟動(dòng)，當(dāng)日產(chǎn)氣量小于最大日產(chǎn)氣量的1%時(shí)，開始進(jìn)出料[10]。上料參數(shù)：有機(jī)負(fù)荷（以TS 計(jì)）為 80 g/L、HRT 為 40 d、發(fā)酵溫度為 35±1 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為80 r/min，每2 h 攪拌10 min。以每天進(jìn)出料2 次的半連續(xù)發(fā)酵方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)料時(shí)按照配比將預(yù)處理好的玉米秸稈與牛糞加水混合均勻后投入系統(tǒng)，同時(shí)在出料口出等量的料液，每天加適量水以彌補(bǔ)系統(tǒng)水分蒸發(fā)的損失。

1.4 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目和方法

進(jìn)出料期間對(duì)產(chǎn)氣量、 甲烷含量以及出料液的 TS 含量、VS 含量、 氨氮濃度、 堿度（Alkalinity Concentration，AC）、pH 值、 揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度和木質(zhì)纖維素含量等進(jìn)行測(cè)定，出料液均在取樣后1h 內(nèi)進(jìn)行測(cè)定或制樣。其中：產(chǎn)氣量采用肺活量計(jì)進(jìn)行測(cè)定；甲烷含量采用SP-2100A 型氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定；TS 和VS 含量采用重量法進(jìn)行測(cè)定；pH 采用 pH 計(jì) （Thermo-868，USA）進(jìn)行測(cè)定；氨氮濃度采用蒸餾-酸滴定法進(jìn)行測(cè)定；堿度采用酸滴定法進(jìn)行測(cè)定；VFAs 濃度采用GC2014 型島津氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定；木質(zhì)纖維素含量采用ANKOM 2000i 型全自動(dòng)纖維素分析儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量

在進(jìn)出料一個(gè)HRT 后，當(dāng)連續(xù)5 d 的產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化率小于5%時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[11]。試驗(yàn)啟動(dòng)完成后共運(yùn)行了50 d，后期運(yùn)行穩(wěn)定。各反應(yīng)器日產(chǎn)氣量的變化情況如圖2 所示。從圖2可以看出，在穩(wěn)定運(yùn)行期間，C10，C31，C11，C13 和C01 的平均產(chǎn)氣量（氣體體積均已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的數(shù)值，下同）分別為5.34，5.62，6.46，7.24，5.92 L/d，即當(dāng)發(fā)酵底物為混合物料時(shí)，牛糞所占比例越大，日產(chǎn)氣量越小，其中，C13 在穩(wěn)定運(yùn)行期間的產(chǎn)氣率（以單位TS 計(jì)）為452.75 mL/（g·d）。

圖2 日產(chǎn)氣量的變化情況Fig.2 Changes in daily gas production

2.2 甲烷產(chǎn)量

采用肺活量計(jì)收集并記錄每日的產(chǎn)氣情況，一天進(jìn)行一次排氣，并于每天排氣前對(duì)所產(chǎn)氣體的組分進(jìn)行分析測(cè)定，其中甲烷組分的百分比稱為甲烷含量。CSTR 穩(wěn)定運(yùn)行期間的產(chǎn)甲烷情況見表2（表中數(shù)據(jù)均為5 次測(cè)量的平均值）。由表2可知，穩(wěn)定期間各系統(tǒng)所產(chǎn)氣體的甲烷含量為54%～60%。當(dāng)發(fā)酵原料中含有牛糞時(shí)，甲烷含量隨著牛糞所占比例的減少而減少；當(dāng)發(fā)酵原料為純牛糞時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)氣體的甲烷含量為59.72%，分別比 C31，C11，C13 和 C01 高 4.35%，7.85%，9.69%和7.89%，甲烷含量的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果相一致；當(dāng)發(fā)酵原料中含有玉米秸稈，且玉米秸稈占比小于75%時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)氣體的甲烷含量隨著玉米秸稈所占比例的增大而減小；當(dāng)玉米秸稈的占比分別為75%（C13）和100%（C01）時(shí)，甲烷含量無明顯差異，這可能是因?yàn)樵现械挠衩捉斩捄窟_(dá)到75%后，牛糞對(duì)C/N 的調(diào)節(jié)作用減弱，玉米秸稈的厭氧發(fā)酵占主導(dǎo)地位，甲烷含量不再受TSMR 的控制。

表2 CSTR 穩(wěn)定運(yùn)行期間的產(chǎn)甲烷情況Table 2 Methane production of CSTR during stabilization

沼氣的主要有效成分是甲烷，因此，考察進(jìn)出料期間的甲烷產(chǎn)量和穩(wěn)定期間的甲烷產(chǎn)率具有實(shí)際指導(dǎo)意義。由前面的分析結(jié)果可知，C13 的產(chǎn)氣量最高，C10 的甲烷含量最高。通過計(jì)算可知，穩(wěn)定產(chǎn)氣期間，C13 的甲烷日產(chǎn)量最高，為3.94 L/d，分別比C10，C31，C11和C01提高了23.67%，22.53%，10.21%和 20.43%，其中，C10，C31 和 C01的甲烷日產(chǎn)量均無顯著性差異。整個(gè)進(jìn)出料期間，C13 的累積甲烷產(chǎn)量最高，為191.59 L，分別是純牛糞和純玉米秸稈發(fā)酵的1.33 倍和1.17 倍。

不同地區(qū)的牛糞和玉米秸稈會(huì)存在一定差異，因此，以單位TS 的甲烷產(chǎn)量來衡量系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能。C31 的甲烷產(chǎn)率為 201.16 mL/（g·d），比純牛糞發(fā)酵提高了0.9%，比純玉米秸稈發(fā)酵降低了1.7%，因此，從產(chǎn)甲烷能力上來說，C31 的意義不大。C13 的甲烷產(chǎn)率為 246.49 mL/（g·d），比C10，C31，C11 和 C01 分別提高了 23.67%，22.53%，10.21%和20.43%。因此，當(dāng)發(fā)酵原料為混合物料時(shí)，隨著牛糞占比的減少或玉米秸稈占比的增大，發(fā)酵原料的產(chǎn)甲烷效益逐漸增大，這與魏珞宇的研究結(jié)果相一致[4]。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)影響厭氧消化的運(yùn)行效果，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)厭氧消化效果的重要指標(biāo)。一般來說，VFAs 的累積、堿度過低、氨氮濃度過高和pH 值過低等均可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。本文對(duì)進(jìn)出料期間的出料進(jìn)行了定期的測(cè)定，通過測(cè)定出料的氨氮濃度、 堿度、pH 值和VFAs 濃度等參數(shù)，分析牛糞和玉米秸稈的TSMR 對(duì)混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2.3.1 氨氮濃度

在厭氧消化系統(tǒng)中，氨氮主要來源于氨基酸、蛋白質(zhì)、甲胺和其他含氮有機(jī)物，當(dāng)系統(tǒng)的氨氮濃度過高，而pH 值又高于 7.4～7.6 時(shí)，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用[13]。圖3給出了 5 個(gè)CSTR 出料液的氨氮濃度變化情況。從圖3 可以看出：發(fā)酵底物中的牛糞比例越高，發(fā)酵系統(tǒng)的氨氮濃度變化越小，C10 的氨氮濃度最穩(wěn)定且后期的穩(wěn)定值最大，為765 mg/L；玉米秸稈的比例越高，發(fā)酵系統(tǒng)的氨氮濃度下降得越快，其中，純玉米秸稈發(fā)酵系統(tǒng)的氨氮濃度以每天約18.9 mg/L 的速度下降，第50 d 時(shí)的氨氮濃度為140 mg/L。這可能是因?yàn)榕＜S的含氮量比玉米秸稈高，即C10 每天有足夠的氮源補(bǔ)充，從而保持較高的氨氮濃度，C01 則由于原料中氮源不足，而微生物生長(zhǎng)繁殖須要消耗氮源，最終導(dǎo)致氨氮濃度下降。

圖3 氨氮濃度的變化情況Fig.3 Variation of ammonia nitrogen

2.3.2 TAC，TVFAs 和 TVFAs/TAC

厭氧消化系統(tǒng)的總堿度 （Total Alkalinity Concentration，TAC） 可以緩解厭氧反應(yīng)體系的過酸或過堿情況，維持體系相對(duì)穩(wěn)定地運(yùn)行。有研究表明，厭氧消化反應(yīng)器中的TAC 高于2 000 mg/L時(shí)才能保證厭氧消化體系的緩沖能力[14]。不同CSTR 穩(wěn)定運(yùn)行期間的 TAC，TVFAs 和 TVFAs/TAC 見表3（表中數(shù)據(jù)均為5 次測(cè)量的平均值）。由表3可知，各 CSTR 的 TAC 均大于 2 000 mg/L，為5 000～8 000 mg/L。當(dāng)發(fā)酵底物為混合物料時(shí)，牛糞所占比例越大，發(fā)酵體系的TAC 越高；C13和C01 的TAC 穩(wěn)定在5 000 mg/L 左右，這可能就是這兩個(gè)系統(tǒng)在氨氮不斷降低的同時(shí)依舊能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行的原因。有研究表明，當(dāng)系統(tǒng)的TVFAs/TAC 低于 0.8 時(shí)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行[15]。由表3 可知，各系統(tǒng)的 TVFAs 均低于 100 mg/L，遠(yuǎn)低于抑制值13 000 mg/L，說明各系統(tǒng)沒有出現(xiàn)VFAs 的累積，且各系統(tǒng)的TVFAs/TAC 為0.006～0.013，低于0.8，即各系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

表3 各CSTR 穩(wěn)定運(yùn)行期間的TVFAs，TAC 和TVFAs/TACTable 3 TVFAs，TAC and TVFAs/TAC during the system stability period

2.3.3 pH 值

pH 值是厭氧消化體系的一個(gè)重要影響因素，系統(tǒng)需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的pH 值，且過高或過低的pH 值均會(huì)影響微生物的代謝，產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH 值為6.8～7.5，最低不能低于6.3，最高不能高于7.8。各系統(tǒng)的pH 值變化情況見圖4。從圖4 可以看出，當(dāng)開始進(jìn)出料時(shí)，各系統(tǒng)的pH 值均會(huì)有所下降，但是不同系統(tǒng)的pH 值下降周期不同，pH 值得下降周期隨著牛糞在原料中占比的減少而增大，其中，純玉米秸稈發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值持續(xù)下降直到第30 d 才開始回升。雖然pH 值的下降周期不同，但是各系統(tǒng)的pH 值均為7.0～7.4，處于產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH 值范圍內(nèi)，即各系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 pH 值的變化情況Fig.4 Variation of pH

2.4 物質(zhì)轉(zhuǎn)化

原料中的木質(zhì)纖維素是厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的主要來源，可以用木質(zhì)纖維素的去除率來分析厭氧消化過程的穩(wěn)定性。發(fā)酵原料及穩(wěn)定期出料中的木質(zhì)纖維素含量的變化情況見圖5。

圖5 木質(zhì)纖維素含量的變化情況Fig.5 Changes in lignocellulose

從圖5 可以看出：厭氧消化后，原料中的木質(zhì)素含量略有升高，由于木質(zhì)素在原料中的含量較低且在厭氧發(fā)酵過程中的降解率較小，因此，不對(duì)木質(zhì)素的降解率進(jìn)行對(duì)比分析；C10，C31，C11，C13 和 C01 的纖維素降解率分別為 39.04%，51.21%，50.91%，61.75%和 55.93%，半纖維素降解率分別為54.57%，53.52%，55.35%，64.61%和58.87%，木質(zhì)纖維素的降解率分別為43.89%，47.68%，47.82%，56.55%和 51.55%。定義降解選擇性為纖維素、 半纖維素或木質(zhì)素的降解率與木質(zhì)纖維素的降解率的比值[16]，則 C10，C31，C11，C13 和C01 中纖維素的降解選擇性分別為0.45，0.56，0.57，0.6 和 0.62，而半纖維素的降解選擇性則差異較小，分別為 0.40，0.38，0.40，0.41 和 0.42。因此，玉米秸稈在發(fā)酵原料中的占比越高，發(fā)酵體系的木質(zhì)纖維素降解率越高，且玉米秸稈的高占比主要是提高了對(duì)纖維素的降解利用，這與前面所得的C13 的產(chǎn)氣性能最佳的結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

在發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，當(dāng)牛糞和玉米秸稈的TSMR 為1∶3 時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷性能最佳，甲烷產(chǎn)量為3.94 L/d，分別比純牛糞和純玉米秸稈發(fā)酵時(shí)的甲烷產(chǎn)量提高了23.67%和20.44%。隨著發(fā)酵原料中牛糞占比的增加，所產(chǎn)氣體中的甲烷含量逐漸升高，但是單位TS 的產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量逐漸降低；原料中秸稈干物質(zhì)占比越高，氨氮濃度越低；各發(fā)酵系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，且穩(wěn)定運(yùn)行期間的 TAC 為 5 000～8 000 mg/L，TVFAs低 于 100 mg/L，TVFAs/TAC 低 于 0.8，pH 值 為7.0～7.4；當(dāng)牛糞和玉米秸稈的 TSMR 為 1∶3 時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的木質(zhì)纖維素降解率最大，即混合原料中的玉米秸稈占比越高，發(fā)酵系統(tǒng)的木質(zhì)纖維素降解率越高。