響應(yīng)面法優(yōu)化生物炭與牛糞混合厭氧發(fā)酵工藝

王 粟，史風(fēng)梅，李家磊，裴占江，高亞冰，劉 杰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室，黑龍江省秸稈能源化重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品加工研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)生的畜禽糞污年產(chǎn)量達40億噸左右[1]，給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大威脅[2]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理畜禽糞污的主要途徑之一[3-4]，不僅能夠制備生物燃?xì)猓峁┣鍧嵞茉?，實現(xiàn)畜禽糞污的能源轉(zhuǎn)換[5]，還可消除畜禽糞污隨意堆置丟棄所引發(fā)的一系列環(huán)境污染問題。

影響沼氣發(fā)酵的因素很多，除溫度、總固體濃度等工藝調(diào)節(jié)[6-7]，為了增強厭氧發(fā)酵體系緩沖能力，增加微生物活性，提升傳質(zhì)效果，國內(nèi)外研究多采用投放金屬離子等外源添加劑[8-9]，達到提升厭氧發(fā)酵效率的目的，但工藝復(fù)雜，處理成本高，同時，重金屬等有毒有害物質(zhì)的增加或富集，也為沼渣沼液還田使用帶來一定的安全風(fēng)險[10]。

生物炭是生物質(zhì)在缺氧或絕氧條件下不完全燃燒所生成的固態(tài)炭質(zhì)，具有可溶性低、高度羥酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)，大孔隙度和比表面積，富含多種微量元素和小分子有機物等特點[11]，并已在土壤修復(fù)、植物營養(yǎng)及污水處理等領(lǐng)域應(yīng)用研究獲得了一定成果[12-14]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用生物炭在厭氧發(fā)酵方面進行了探索和研究，馮晶[15]等利用不同材質(zhì)制備的生物炭材料，強化有機廢棄物厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)并闡述了生物炭可有效提升厭氧發(fā)酵系統(tǒng)酸、氨等抑制物質(zhì)的緩沖能力，可為微生物提供良好的生長載體，增強微生物種間電子傳遞的介質(zhì)；許彩云[16]等研究了不同制備工藝生物炭材料對豬糞中溫厭氧發(fā)酵的影響，生物炭的添加可有效縮短厭氧發(fā)酵的延滯期，產(chǎn)氣量較純豬糞處理提高了77%～96%；潘君廷[17]等研究了生物炭添加對雞糞厭氧消化的影響，其產(chǎn)氣率提高了45%，氨氮濃度得到了很好的抑制；石笑羽[18]等添加生物炭強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵效率，其表面金屬元素和官能團使其具有較高的堿度，提高了系統(tǒng)緩沖能力，最大日甲烷產(chǎn)量可提高24%。因此，本研究采用不同作物秸稈及稻殼制備生物炭材料，通過比選研究其對牛糞厭氧發(fā)酵的影響，并利用中心組合設(shè)計試驗(Box-Benhnken Design)，運用響應(yīng)面法，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以期為畜禽糞污的資源化利用和無害化處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞取自黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)米特利農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司長產(chǎn)奶牛養(yǎng)殖場，采集后密封于透明聚乙烯袋中，于4℃環(huán)境保存?zhèn)溆? 接種活性污泥取自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所沼氣發(fā)酵罐，實驗前將接種污泥置于35℃，2 Hz搖床上震蕩24 h,減少內(nèi)生沼氣對結(jié)果的影響[11]。

生物炭以黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家級農(nóng)業(yè)示范園區(qū)廢棄的玉米秸稈、水稻秸稈及水稻稻殼為原料，分別粉碎后經(jīng)40目篩篩取留存，3種生物炭原料分別經(jīng)炭化爐，在600℃條件下炭化20 min，隨后移至炭化爐出氣口冷卻5 min，防止高溫炭化產(chǎn)物在空氣中自燃。生物炭冷卻至室溫后，將其研磨篩選，采用去離子水洗滌除去灰分[18]，在100℃烘箱中烘干后備用。試驗材料物化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗原料基本性質(zhì)

1.2 試驗裝置

試驗采用500 mL廣口瓶為厭氧發(fā)酵反應(yīng)容器，反應(yīng)體系為350 mL，采用排飽和食鹽水法收集沼氣，發(fā)酵瓶、集氣瓶與計量瓶之間以乳膠管連接，裝置密封口用石蠟密封，使用前進行漏氣檢測，以保證裝置密封性，實驗裝置見圖1[5]。

A．恒溫水浴鍋； B.集氣瓶； C.計量瓶； D.發(fā)酵瓶

1.3 試驗設(shè)計與方法

1.3.1 單因素試驗設(shè)計

分別以玉米秸稈(Y)、水稻秸稈(S)和水稻稻殼(K)作為制備生物炭原料，在牛糞底物TS濃度為6%，培養(yǎng)溫度30℃，運行至反應(yīng)啟動后第30天條件下，根據(jù)生物炭投放量的不同(2%,4%,6%,8%,10%,12%,15%)，以累計產(chǎn)氣量作為評價標(biāo)準(zhǔn)，比選確立不同生物炭原料對牛糞沼氣發(fā)酵效果的影響；并以TS、發(fā)酵溫度作為基本參數(shù)，在一定范圍內(nèi)，調(diào)整單一因素的數(shù)值，研究其對沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，每處理3 次重復(fù)，接種時厭氧瓶內(nèi)充入500 mL·min-1氮氣，保持6 min 以上，使反應(yīng)系統(tǒng)處于嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。

1.3.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

以單因素試驗為依據(jù)，根據(jù)Box-Behnken中心組合進行三因素三水平實驗設(shè)計，選取生物炭添加量、發(fā)酵溫度和牛糞底物TS濃度3種沼氣發(fā)酵因素作為自變量，分別以A,B,C表示，以-1,0,1表示3個自變量的3個水平，以氣體產(chǎn)氣量為響應(yīng)值Y，運用Design Expert8.0軟件程序，確定生物炭與牛糞混合厭氧發(fā)酵最佳工藝條件。

1.4 測定方法

總固體含量(TS) 采用烘干法測定；揮發(fā)性固體含量(VS) 采用灼燒法測定；液體pH值采用pH計(PHS-3G型)檢測;生物炭pH值檢測，采用生物炭與超純水質(zhì)量體積1∶10比例混合，于振蕩器中震蕩4 h，用pH計測定上清液pH值；沼氣產(chǎn)量采用排水法測定[17-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對厭氧發(fā)酵效率的影響

以水稻秸稈炭、玉米秸稈炭和稻殼秸稈炭3種不同生物炭原料的投加濃度比例(以TS計)為基本參數(shù)，當(dāng)牛糞底物TS濃度為6%，發(fā)酵溫度為30℃條件下，以累計產(chǎn)氣量為評價指標(biāo)，比較不同生物炭原料對厭氧發(fā)酵的影響。由圖2可知，添加3種生物炭原料，沼氣發(fā)酵累計產(chǎn)氣量均隨著添加比例的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，通過比選，水稻秸稈生物炭原料添加效果明顯高于玉米秸稈生物炭和水稻稻殼生物炭，當(dāng)投放比例在8%時，累計產(chǎn)氣量最高達2639 mL,原料產(chǎn)氣率為135.75 mL·g-1TS。因此，確定添加水稻秸稈炭，投放比例為8%(以TS計)最為適宜。

圖2 不同生物炭對厭氧發(fā)酵的影響

圖3 底物濃度對厭氧發(fā)酵的影響

圖4 底物溫度對厭氧發(fā)酵的影響

在一定范圍內(nèi)，對其中任一項因素進行調(diào)整，并固定其他因素為0水平，以累計產(chǎn)氣量為評價指標(biāo)，進行單因素試驗。在水稻秸稈炭添加濃度為8%，培養(yǎng)溫度30℃，運行至反應(yīng)啟動后第30天條件下，以不同的牛糞原料TS濃度(2%,4%,6%,8%,10%和12%)為基本參數(shù)，考察TS牛糞底物濃度對厭氧發(fā)酵的影響，由圖3可知，產(chǎn)氣量隨著TS濃度的增大呈現(xiàn)先上升后大幅下降的趨勢，TS在8%時為適宜濃度。

在TS牛糞底物濃度為6%，水稻秸稈炭添加濃度為8%，運行至反應(yīng)啟動后第30天條件下，以發(fā)酵溫度(15℃,20℃,25℃,30℃,35℃,40℃和45℃)為基本參數(shù)，考察發(fā)酵溫度對厭氧發(fā)酵的影響，由圖3可知，產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵溫度的增加，呈現(xiàn)先大幅升高后趨于平緩的趨勢，發(fā)酵溫度為40℃時為最適發(fā)酵溫度。

2.2 Box-Behnken試驗結(jié)果分析

在單因素試驗基礎(chǔ)上，進行響應(yīng)面Box-Behnken試驗，試驗設(shè)計的因素與水平如表2所示，試驗各因素及其試驗結(jié)果見表3。利用Design-Expert V 8.0.6.1軟件對表2的試驗結(jié)果進行次多項式回歸模型方程擬合，獲得回歸模型方程為：

表2 Box-Behnken 設(shè)計試驗因素與水平

表3 各因素組合及結(jié)果

Y=2679.8-42.37A+46B+44.38C-43AB+80.75AC+43.5BC-159.03A2-260.78B2-54.52C2

表4 回歸模型方差分析

圖5 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果預(yù)測值與實測值

p值可檢查各因素的顯著性，由p值結(jié)果可知，模型中AC,A2,B2對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響極顯著，A,B,C,C2對產(chǎn)氣效果影響顯著，其余因素不顯著。由F值大小可知，對厭氧發(fā)酵影響強弱的順序為B>C>A，即發(fā)酵溫度>TS濃度>水稻秸稈炭濃度。

2.3 因素交互作用分析

根據(jù)回歸方程，利用Design Expert8.0軟件進行響應(yīng)面試驗，所得各因子響應(yīng)面分析及等高線圖，各因素交互作用產(chǎn)生的等高線為橢圓狀，表明兩者交互作用對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響顯著。由圖6和圖7可知，發(fā)酵溫度與水稻秸稈炭兩者交互，產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵溫度與水稻秸稈炭添加濃度的升高呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，達到最大值后緩慢下降，同時，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量對溫度的變化比水稻秸稈炭添加量的變化敏感。

圖6 溫度與水稻秸稈炭兩因素交互作用的響應(yīng)曲面

圖7 溫度與水稻秸稈兩因素交互作用的等高線圖

牛糞底物TS濃度與水稻秸稈炭兩者交互對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響，由圖8和圖9可知，產(chǎn)氣量隨著TS濃度和水稻秸稈炭添加濃度的升高呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，達到最大值后，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果對水稻秸稈炭因素更加敏感，隨著添加濃度的增加呈快速下降趨勢。由圖10和圖11可知，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果隨著TS濃度和發(fā)酵溫度的提高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，同時可知厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果對發(fā)酵溫度變化比TS濃度變化更加敏感。

圖8 TS與水稻秸稈炭兩因素交互作用的響應(yīng)曲面

圖9 TS與水稻秸稈炭兩因素交互作用的等高線圖

圖10 TS與溫度兩因素交互作用的響應(yīng)曲面

圖11 TS與溫度兩因素交互作用的等高線圖

2.4 模型優(yōu)化

通過模型優(yōu)化，最優(yōu)工藝條件預(yù)測為發(fā)酵溫度41℃，TS為8.9%，水稻秸稈炭(以TS計)為7.9%，預(yù)測產(chǎn)氣量為2693 mL。為了驗證優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性和可靠性，在最優(yōu)工藝條件下進行厭氧發(fā)酵驗證試驗，試驗設(shè)置3次重復(fù)取平均值，獲得試驗數(shù)據(jù)值為2735 mL±37 mL,與方程預(yù)測值誤差在2%之內(nèi)，說明響應(yīng)面試驗設(shè)計模型條件可取。

3 結(jié)論

采用單因素試驗，比選不同生物炭原料對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響，結(jié)果表明，水稻秸稈生物炭原料添加對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的提升最為明顯達到2639 mL。采用響應(yīng)面法對厭氧發(fā)酵工藝參數(shù)進行優(yōu)化，3種厭氧發(fā)酵因素對產(chǎn)氣效果影響均達到顯著，影響程度強弱的順序為發(fā)酵溫度>TS濃度>水稻秸稈炭濃度。通過兩兩交互分析，發(fā)現(xiàn)牛糞與水稻秸稈炭混合厭氧發(fā)酵時達到顯著水平，產(chǎn)氣效果對發(fā)酵溫度的影響更為敏感，說明在適宜的發(fā)酵溫度和TS濃度下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量會隨著水稻秸稈炭的濃度升高而升高。通過試驗，獲得最佳工藝條件是發(fā)酵溫度41℃，TS為8.9%，水稻秸稈炭為7.9%，該條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量達到2735 mL±37 mL。