構(gòu)樹(shù)與不同生物質(zhì)廢棄物混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能研究

何 宇， 甄 峰， 李金平， 孫永明， 魯 濤

（1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所， 廣東 廣州510640； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 4.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東廣州 510640； 5.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境中心， 甘肅 蘭州 730050； 6.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640）

0 前言

在能源和環(huán)境危機(jī)的雙重壓力下， 生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)及利用受到了廣泛關(guān)注[1]，[2]。在生物質(zhì)能源處理技術(shù)中， 厭氧發(fā)酵被認(rèn)為是最有效的資源轉(zhuǎn)化方法之一[3]。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，厭氧發(fā)酵技術(shù)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。 拓展以能源植物為代表的主動(dòng)型生物質(zhì)原料， 并將其與傳統(tǒng)生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵， 不僅對(duì)大型厭氧工程的原料供應(yīng)提供了保障，還優(yōu)化了原料的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)提高發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行效率具有積極的作用[4]。

構(gòu)樹(shù)（Broussonetia papyrifera）是一種典型的能源植物， 屬于落葉喬木， 廣泛分布于我國(guó)的黃河、長(zhǎng)江和珠江等流域[5]。 構(gòu)樹(shù)具有生長(zhǎng)速度快、生物量大、耐貧瘠、耐干旱等優(yōu)點(diǎn)，而且其營(yíng)養(yǎng)成分含量高，總固體（TS）中木質(zhì)纖維素、蛋白質(zhì)等占70%以上，國(guó)務(wù)院扶貧辦將構(gòu)樹(shù)扶貧工程列入“精準(zhǔn)扶貧十項(xiàng)工程”[6]。 因此，構(gòu)樹(shù)是一種很有應(yīng)用前景的生物質(zhì)原料[7]。

隨著居民生活水平的提高以及農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，生活垃圾、畜禽糞便、秸稈等生物質(zhì)廢棄物的產(chǎn)量迅速增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[8]，[9]。厭氧發(fā)酵技術(shù)能夠很好地解決生物質(zhì)廢棄物的積累問(wèn)題，但是，單一廢棄物的厭氧發(fā)酵過(guò)程容易產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)失調(diào)、酸化、產(chǎn)氣率不高等問(wèn)題。 與單一原料的厭氧發(fā)酵相比， 多原料混合發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)更均衡、菌種富集程度更高、發(fā)酵過(guò)程更穩(wěn)定、甲烷產(chǎn)量更高[10]。 混合厭氧發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)獲得認(rèn)可，但是，有關(guān)構(gòu)樹(shù)和傳統(tǒng)生物質(zhì)廢棄物混合厭氧發(fā)酵的研究，還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。 因此，本文研究了構(gòu)樹(shù)分別與牛糞、生活垃圾、水稻秸稈在不同C/N 條件下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能，并通過(guò)產(chǎn)甲烷量、動(dòng)力學(xué)擬合、協(xié)同性計(jì)算以及發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性分析， 驗(yàn)證了構(gòu)樹(shù)作為厭氧發(fā)酵原料的可行性，為混合原料高效厭氧轉(zhuǎn)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

構(gòu)樹(shù)取自貴州省遵義市務(wù)川縣雜交構(gòu)樹(shù)產(chǎn)業(yè)園，人工切成約2 cm 后，再經(jīng)粉碎機(jī)粉碎；餐廚垃圾取自廣州市大學(xué)城廣州大學(xué)教工食堂， 人工篩選去除骨頭等雜物后，再經(jīng)粉碎機(jī)粉碎；牛糞取自佛山三水市某奶牛場(chǎng)， 將上述3 種原料存放在冰箱中備用。水稻秸稈取自遼寧省營(yíng)口市市郊，秸稈首先置于實(shí)驗(yàn)室晾曬，后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后備用。接種物取自廣州市污水處理廠，取回接種物后，以葡萄糖和蛋白胨為培養(yǎng)基在高溫（55±1 ℃）條件下進(jìn)行馴化。 實(shí)驗(yàn)材料的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的理化性質(zhì)Table 1 Main physical and chemical properties of test materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵裝置如圖1 所示。 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（置于溫度為55±1 ℃的恒溫水浴鍋中） 為有效容積為500 mL 的玻璃瓶，瓶口處裝有攪拌裝置，封口塞處安裝導(dǎo)管，左右側(cè)分別為取樣口和取氣口，右側(cè)連接氣體收集裝置。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置Fig.1 Anaerobic fermentation unit

在進(jìn)料總VS 為2%的情況下，按照C/N 比分別為15，20 和50 調(diào)節(jié)構(gòu)樹(shù)與各種生物質(zhì)廢棄物的添加量（表2）。 原料和接種物按配比加入后，向反應(yīng)器內(nèi)充入高純N2，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 組平行。實(shí)驗(yàn)期間每天早晚手動(dòng)搖動(dòng)反應(yīng)器2 次，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程共30 d。

表2 混合原料的配比方案Table 2 Mixed raw material ratio scheme

1.3 分析方法

TS 和VS 的含量采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行測(cè)定；C 元素和N 元素的含量采用Vario EL 型元素分析儀進(jìn)行測(cè)定；pH 值采用pHS-3C 型pH 計(jì)進(jìn)行測(cè)定；原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)纖維素等成分的含量采用國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)定；CH4含量采用GC-2014 型氣相色譜儀 （TCD 熱導(dǎo)檢測(cè)器溫度為120 ℃，Porapak Q 柱溫為100 ℃， 氬氣作為載氣， 測(cè)樣時(shí)間為5 min）進(jìn)行測(cè)定；總氨氮（TAN）濃度采用蒸餾-酸滴定法進(jìn)行測(cè)定；堿度值（AC）采用酸滴定法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 協(xié)同效應(yīng)指數(shù)

混合厭氧發(fā)酵協(xié)同效應(yīng)指數(shù)（Synergistic Effect Index，SEI）的計(jì)算式為

式中：EMYCO為混合發(fā)酵的實(shí)際產(chǎn)甲烷率（以單位質(zhì)量的VS 計(jì)，下同），mL/g；X1，X2，…，Xn分別為混合發(fā)酵過(guò)程中第1，2，…，n 個(gè)底物的VS 含量，%；EMY1，EMY2，…，EMYn分別 為第1，2，…，n 個(gè)底物單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的實(shí)際產(chǎn)甲烷率，mL/g。

1.4.2 修正Gompertz 方程

對(duì)于批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程，可采用修正Gompertz 方程進(jìn)行模擬擬合，修正Gompertz 方程為

式中：Y 為t 時(shí)刻的累計(jì)產(chǎn)氣率，mL/g；Ym為最大產(chǎn)氣率，mL/g；Rm為最大VS 產(chǎn)甲烷速率，mL/g；λ為遲滯期，d；e 為自然對(duì)數(shù)，本文取2.72。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)樹(shù)與不同原料的厭氧發(fā)酵特性研究

2.1.1 構(gòu)樹(shù)與牛糞混合后的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性

構(gòu)樹(shù)與牛糞混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量（均以單位質(zhì)量的VS 計(jì)，下同）如圖2所示。

圖2 構(gòu)樹(shù)與牛糞混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量Fig.2 Daily methane production and cumulative methane production by co-fermentation of broussonetia papyrifera and cow dung

從圖2（a）可以看出：在發(fā)酵進(jìn)行到第4～7 天時(shí)，構(gòu)樹(shù)與牛糞的混合發(fā)酵系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)氣高峰，之后日產(chǎn)甲烷量逐漸下降，直至產(chǎn)氣完全停止；當(dāng)構(gòu)樹(shù)和牛糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)， 分別在第4，6 天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰， 峰值分別為44.77，39.33 mL/g；當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 為15 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)在第7 天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰，峰值為87.1 mL/g，比構(gòu)樹(shù)和牛糞單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量峰值分別提高了94.55%和121.5%。從圖2（b）可以看出：當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞單獨(dú)發(fā)酵時(shí)， 發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量分別為283.06，224.91 mL/g；當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 為15 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到最高，為298.04 mL/g，比構(gòu)樹(shù)和牛糞單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量分別提高了5.29%和32.52%。

2.1.2 構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合后的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性

構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量如圖3 所示。

圖3 構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量Fig.3 Daily methane production and cumulative methane production by co-fermentation of broussonetia papyrifera and kitchen waste

從圖3（a）可以看出：當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到第4～7 天時(shí)， 構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾的混合發(fā)酵系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)氣高峰；當(dāng)構(gòu)樹(shù)和餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)，分別在第4，7 天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰， 峰值分別為44.77，76.36 mL/g； 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 分別為15 和20 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)分別在第7，6 天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰， 峰值分別為100.85，111.21 mL/g。從圖3（b）可以看出：當(dāng)構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量分別為283.06，365.61 mL/g； 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 為15時(shí)，混合發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量（357.85 mL/g）和餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積甲烷產(chǎn)量相差不大，但比構(gòu)樹(shù)單獨(dú)發(fā)酵時(shí)提高了26.42%；當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 為20 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量達(dá)到最高（411.71 mL/g），比構(gòu)樹(shù)和餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量分別提高了45.45%和12.61%。

2.1.3 構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合后的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性

構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量如圖4 所示。

圖4 構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量Fig.4 Daily methane production and cumulative methane production by co-fermentation of broussonetia papyrifera and rice straw

從圖4（a）可以看出：當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到第2～4 天時(shí)， 構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈的混合發(fā)酵系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)氣高峰，之后日產(chǎn)氣量逐漸下降，直至產(chǎn)氣完全停止；當(dāng)構(gòu)樹(shù)和水稻秸稈單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)，分別在第4，3天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰，峰值分別為44.77，3 6.72 mL/g； 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合物的C/N 為15 時(shí)，混合發(fā)酵系統(tǒng)在第4 天達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰，峰值為62.92 mL/g，比構(gòu)樹(shù)和水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵發(fā)酵時(shí)的日產(chǎn)甲烷量峰值分別提高了40.54%和171.35%。 從圖4（b）可以看出：構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量分別為283.06，179.35 mL/g； 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合物的C/N 分別為15，20，50 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量分別為278.11，232.72，203.18 mL/g。 由此可以看出，混合發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)甲烷量隨著C/N 的增大而減少，且均低于構(gòu)樹(shù)單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量，均高于水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量。

2.2 構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合發(fā)酵過(guò)程分析

2.2.1 厭氧發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液pH 值的變化

構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液pH 值的變化情況如圖5 所示。

圖5 構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液pH 值的變化Fig.5 Analysis of pH value during co-fermentation of broussonetia papyrifera and waste

從圖5（a）可以看出，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，各發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，這是因?yàn)榘l(fā)酵原料首先要經(jīng)過(guò)水解產(chǎn)酸階段，隨著乙酸、丙酸等酸類物質(zhì)的產(chǎn)生，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值會(huì)降低，而后隨著協(xié)同丙酸氧化菌轉(zhuǎn)化丙酸為乙酸以及產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸的利用，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值會(huì)升高。 當(dāng)構(gòu)樹(shù)和牛糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值分別在第3，2 天達(dá)到最低值6.56和6.95， 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 分別為15，20 時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值均在第2 天達(dá)到最低值6.80 和6.92。 通常情況下，產(chǎn)甲烷菌的最適pH值為6.5～8.0，由此可知，在構(gòu)樹(shù)與牛糞混合厭氧發(fā)酵期間，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值均在合理范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象[11]。 從圖5（b）可以看出，當(dāng)構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合物的C/N 分別為15 和20 以及餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵時(shí)，從反應(yīng)開(kāi)始發(fā)酵系統(tǒng)的pH值就迅速下降，并分別在第3，3，4 天降至最低值（6.41，6.27 和5.96），這些最低值均低于產(chǎn)甲烷菌的最適pH 值（6.5～8.0）。由此可見(jiàn)，餐廚垃圾所占比例越高，越不利于厭氧發(fā)酵過(guò)程中系統(tǒng)pH 值的穩(wěn)定。 各發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值均在第4～7 天開(kāi)始不同程度的恢復(fù)，最終穩(wěn)定在7.0～7.8。 從圖5（c）可以看出： 當(dāng)構(gòu)樹(shù)和水稻秸稈混合物的C/N 為15時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值在第2 天出現(xiàn)最低值6.76；當(dāng)構(gòu)樹(shù)和水稻秸稈混合物的C/N 分別為20 和50時(shí)以及水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵時(shí)， 發(fā)酵系統(tǒng)的pH 值均在7.0 以上，維持在7.3～7.8。

2.2.2 混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液NH3-N 濃度的變化

構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液NH3-N 濃度的變化如圖6 所示。 NH3-N 濃度的大小可以反映厭氧發(fā)酵過(guò)程的抑制程度，當(dāng)NH3-N 濃度為1 500～3 000 mg/L 時(shí)， 開(kāi)始對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生抑制作用[12]，[13]。從圖6 可以看出，各發(fā)酵系統(tǒng)的NH3-N 濃度均處于400～1 400 mg/L，即在厭氧發(fā)酵期間，各發(fā)酵系統(tǒng)的NH3-N濃度均處于合理范圍內(nèi)。許之揚(yáng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨氮濃度小于400 mg/L 時(shí)，對(duì)發(fā)酵體系表現(xiàn)為促進(jìn)甲烷產(chǎn)生，當(dāng)氨氮濃度大于800 mg/L 時(shí)，對(duì)發(fā)酵體系表現(xiàn)為抑制甲烷產(chǎn)生，并且抑制程度與NH3-N 濃度呈正相關(guān)[14]。 從圖6 可以看出：當(dāng)構(gòu)樹(shù)單獨(dú)發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)的NH3-N 濃度為1 000～1 260 mg/L， 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 為20，構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾以及構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合物的C/N 為15 時(shí)， 混合發(fā)酵系統(tǒng)的NH3-N 濃度均為800～1 000 mg/L，此時(shí)不利于CH4的產(chǎn)生； 其他情況下， 發(fā)酵系統(tǒng)的NH3-N 濃度均為400～800 mg/L，這對(duì)CH4的產(chǎn)生即沒(méi)有促進(jìn)作用也沒(méi)有抑制作用。

2.2.3 混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中的IA/PA 變化

通過(guò)中間堿度（IA）/部分堿度（PA）的比值，可以進(jìn)一步分析構(gòu)樹(shù)與廢棄物發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定性。對(duì)于整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程來(lái)說(shuō)，IA/PA 保持在1 以下，這意味著厭氧發(fā)酵系統(tǒng)保持穩(wěn)定[15]。構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合發(fā)酵過(guò)程中IA/PA 的變化如圖7 所示。

從圖7 可以看出： 當(dāng)構(gòu)樹(shù)單獨(dú)發(fā)酵時(shí)，IA/PA在第3～5 天大于1，說(shuō)明此時(shí)發(fā)酵系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，這可能與系統(tǒng)pH 值的波動(dòng)有關(guān)；從第6 天開(kāi)始直到反應(yīng)結(jié)束，IA/PA 均不大于1， 即發(fā)酵系統(tǒng)從第6 天開(kāi)始就一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖7還可以看出：在牛糞和餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵以及構(gòu)樹(shù)與牛糞、構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合發(fā)酵系統(tǒng)中，IA/PA 始終保持在1 以下， 即各發(fā)酵系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)構(gòu)樹(shù)和水稻秸稈混合物的C/N 為15時(shí)，IA/PA 在第2 天達(dá)到最大值1.5， 并在第4 天降低到1 以下， 其他條件下，IA/PA 始終保持在1以下。

2.3 構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合后的厭氧發(fā)酵協(xié)同效應(yīng)分析

構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合厭氧發(fā)酵時(shí)的協(xié)同效應(yīng)分析如表3 所示。由表3 可以看出：當(dāng)構(gòu)樹(shù)與牛糞混合物的C/N 分別為15 和20 時(shí)，SEI 分別為6.58%和16.56% ； 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合物的C/N 分別為15 和20 時(shí)，SEI 分別為15.40%和11.28%；當(dāng)構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合物的C/N 分別為15，20 和50 時(shí)，SEI 分別為18.69%，5.14%和4.72%。由此可見(jiàn)， 構(gòu)樹(shù)與不同廢棄物混合發(fā)酵時(shí)均存在協(xié)同效應(yīng)。齊利格娃在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中的原料存在協(xié)同效應(yīng)時(shí)， 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)元素較為均衡，緩沖能力較強(qiáng)。 本研究中，構(gòu)樹(shù)與不同廢棄物混合厭氧發(fā)酵時(shí)均存在協(xié)同效應(yīng)，有效解決了廢棄物單獨(dú)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量低、易酸化以及構(gòu)樹(shù)單獨(dú)厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量少、 累積產(chǎn)氣量不高的問(wèn)題。

表3 構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合厭氧發(fā)酵時(shí)的協(xié)同效應(yīng)分析Table 3 Synergy effect analysis with different ratio of broussonetia papyrifera and waste

2.4 構(gòu)樹(shù)與不同廢棄物混合發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性

構(gòu)樹(shù)與廢棄物混合厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣曲線經(jīng)修正Gompertz 方程擬合后見(jiàn)表4。由表4 可知，R2均不小于0.97，即擬合的累積產(chǎn)氣曲線能準(zhǔn)確闡述厭氧發(fā)酵過(guò)程中的延滯期和累積產(chǎn)甲烷率等變化。 厭氧發(fā)酵的延滯期與厭氧發(fā)酵初期原料中易被微生物消化利用的物質(zhì)有關(guān)，其中，構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合發(fā)酵時(shí)的延滯期最長(zhǎng)，為3.37～4.77 d；構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合發(fā)酵時(shí)的延滯期最短，為0.57～1.08 d。 擬合曲線的最高和最低累積產(chǎn)甲烷量分別出現(xiàn)在構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾的C/N 為20 時(shí)（408.8 mL/g） 以及水稻秸稈單獨(dú)發(fā)酵時(shí)（170.96 mL/g），各項(xiàng)擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際累積產(chǎn)甲烷量非常接近。

表4 修正Gompertz 方程的模型參數(shù)Table 4 Modified model oarameters of Gompertz equation

3 結(jié)論

①當(dāng)構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾混合物的C/N 為20時(shí)， 發(fā)酵系統(tǒng)獲得最高的累積產(chǎn)甲烷量（411.71 mL/g），比構(gòu)樹(shù)和餐廚垃圾單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的累積產(chǎn)甲烷量分別提高了45.45%和12.61%。

②構(gòu)樹(shù)與餐廚垃圾、 牛糞和水稻秸稈進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)均存在協(xié)同作用， 當(dāng)構(gòu)樹(shù)與水稻秸稈混合物的C/N 為15 時(shí)， 混合發(fā)酵具有最高的協(xié)同指數(shù)18.69%。

③動(dòng)力學(xué)特性表明構(gòu)樹(shù)與不同廢棄物的混合厭氧發(fā)酵符合修正Gompertz 方程（R2＞0.97），可用該擬合方程模擬厭氧發(fā)酵過(guò)程。