機(jī)械攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵性能的影響

朱教寧，李永平，龐震鵬，湯 昀

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)/山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西 太原 030031)

隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，畜禽糞便和作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物也增加。據(jù)統(tǒng)計，2016年全國畜禽糞便總產(chǎn)生量約為24.7 萬t，其中，牛糞產(chǎn)生量最多，占比31%；農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)生量達(dá)9.84×104萬t，其中，玉米秸稈產(chǎn)生量最大，占41.92%[1-2]。牛糞和玉米秸稈中含有豐富的有機(jī)物質(zhì)，將其混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵既可以生產(chǎn)沼氣緩解能源短缺，還可有效解決因其簡單處理而導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，具有能源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的雙重意義[3-4]。

由于牛糞和玉米秸稈的黏度、密度等性質(zhì)的差異，當(dāng)牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵時，比單一原料發(fā)酵更容易產(chǎn)生料液分層現(xiàn)象[5-6]。發(fā)酵物料在靜止?fàn)顟B(tài)時，由上而下分為浮渣層、懸浮層和沉渣層3層。浮渣層聚集著大量的發(fā)酵原料，但是微生物卻很少，原料得不到充分利用，且秸稈很容易在此聚集而結(jié)殼，阻礙沼氣的逸出，降低反應(yīng)器的發(fā)酵效率[6]。機(jī)械攪拌是打破這種分層現(xiàn)象有效可行的措施之一。攪拌強(qiáng)度是機(jī)械攪拌的重要參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于機(jī)械攪拌強(qiáng)度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響進(jìn)行了報道，普遍認(rèn)為，適當(dāng)強(qiáng)度的攪拌能夠提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率[7-10]。陳甲甲等[11]采用批式厭氧消化，探討了攪拌強(qiáng)度對稻草厭氧消化產(chǎn)氣情況及系統(tǒng)穩(wěn)定性參數(shù)的影響，結(jié)果表明，攪拌強(qiáng)度為80 r/min的厭氧消化效果最好，揮發(fā)性固體(Volatile solid,VS)產(chǎn)氣量為430.6 mL/g。齊力格娃[12]的試驗結(jié)果表明，中溫條件下，豬糞與稻草按配比為2∶1進(jìn)行干發(fā)酵，總固體(Total solid,TS)含量為20.1%時，適宜的攪拌強(qiáng)度為15 r/min。余亞琴等[13]探討了機(jī)械攪拌對藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明，攪拌強(qiáng)度對藍(lán)藻厭氧發(fā)酵的影響最大，當(dāng)攪拌強(qiáng)度為56 r/min時，藍(lán)藻的比產(chǎn)氣速率、比產(chǎn)甲烷速率最大，分別為0.390、0.236 L/(L·g)。

受試驗條件和發(fā)酵原料理化性質(zhì)等因素的影響，不同試驗條件下，不同發(fā)酵原料適宜的攪拌強(qiáng)度不盡相同。因此，在有機(jī)物厭氧發(fā)酵過程中，要根據(jù)發(fā)酵底物的特點和試驗條件選擇合適的攪拌強(qiáng)度參數(shù)。鑒于此，以牛糞和玉米秸稈混合原料為厭氧發(fā)酵物料，研究機(jī)械攪拌強(qiáng)度對混合原料厭氧消化性能的影響，探索適宜的攪拌強(qiáng)度參數(shù)，旨在為大中型沼氣工程提供設(shè)計依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選擇牛糞和玉米秸稈作為試驗發(fā)酵原料。其中，牛糞取自山西省晉中市榆次區(qū)東陽鎮(zhèn)養(yǎng)殖場，去除雜質(zhì)后于4 ℃的冰箱中保存?zhèn)溆茫挥衩捉斩捜∽陨轿魇∞r(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗基地，自然風(fēng)干后粉碎成5 mm左右的顆粒粉末備用；接種物為牛糞與玉米秸稈中溫厭氧發(fā)酵后的沼液。供試材料化學(xué)性質(zhì)詳見表1。

表1 發(fā)酵原料和接種物的基本性質(zhì)

1.2 試驗裝置

本研究采用的試驗裝置為安徽省滁州藍(lán)宇環(huán)保設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的厭氧消化反應(yīng)器。其主體為帶保溫夾層的圓柱形有機(jī)玻璃發(fā)酵罐，總?cè)莘e10 L，有效容積7.5 L。頂部安裝自動攪拌裝置，進(jìn)料口位于罐體上部，出料口安裝在罐體底部，出料時通過閥門控制。試驗用(35±1)℃的水浴在罐體保溫夾層中循環(huán)流動，維持罐體內(nèi)溫度恒定。

1.3 試驗設(shè)計

按照不同攪拌強(qiáng)度設(shè)置3個處理，分別計為T1:30 r/min、T2:60 r/min、T3:90 r/min，以不攪拌為對照(CK)，各處理重復(fù)3次，取平均值用于數(shù)據(jù)分析。將牛糞和玉米秸稈按照VS質(zhì)量比7∶3進(jìn)行配混，料液VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，接種物含量30%，加水至料液總質(zhì)量7 500 g，控制反應(yīng)溫度為(35±1)℃，每6 h攪拌1次，攪拌持續(xù)時長20 min，發(fā)酵時間設(shè)為35 d。

1.4 測定項目及方法

TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)：105 ℃烘至質(zhì)量恒定，利用質(zhì)量差測定計算。

VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)：550 ℃灼燒4 h，利用質(zhì)量差測定計算。

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量：采用ANKOM A2000i全自動纖維分析儀測定。

日產(chǎn)沼氣量：采用排水集氣法測定，每日測定1次。

沼氣成分：采用安捷倫7980B氣相色譜儀每2 d對氣體成分進(jìn)行測定。具體參照龐震鵬等[14]的方法進(jìn)行。

pH值：采用雷磁PHS-3C型酸度計測定，每7 d取料液測定1次。

揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量：采用比色法，每7 d取料液測定1次。

堿度：采用電位滴定法，每7 d取料液測定1次。

2 結(jié)果與分析

2.1 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能的影響

2.1.1 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量的影響 由圖1可知，各處理的日產(chǎn)沼氣量的整體變化規(guī)律相似，均為先升高后降低，直至趨于平緩。各處理日產(chǎn)沼氣量可分為2個階段：第一階段為產(chǎn)氣高峰階段，即發(fā)酵1 ～ 15 d，在此階段出現(xiàn)了明顯的“雙峰”現(xiàn)象。T1、T2、T3處理和CK的日產(chǎn)沼氣量峰值分別出現(xiàn)在第6、10、5、9天，分別為7.00、8.97、8.58、7.15 L，其中T2處理的峰值較高，分別比T1、T3處理和CK高出22.0%、4.3%、20.3%。第二階段為產(chǎn)氣平緩下降階段，即發(fā)酵16～35 d，此階段產(chǎn)氣表現(xiàn)為緩慢下降并趨于平緩，各處理間差別不明顯。引起不同攪拌強(qiáng)度條件下日產(chǎn)沼氣量差別的原因可能是適中的攪拌強(qiáng)度既能分散浮在反應(yīng)器頂部的秸稈，提高反應(yīng)器的混合效果，又不會破壞微生物的菌群結(jié)構(gòu)，保持較高的微生物活性[15]。

圖1 不同攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量的影響

2.1.2 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量的影響 由圖2可知，總體上各處理的累積產(chǎn)沼氣量均呈先快速升高后趨于平穩(wěn)增長的趨勢。第一階段(發(fā)酵1～15 d)，低強(qiáng)度攪拌(T1)和不攪拌(CK)條件下，料液出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，大量秸稈漂浮在反應(yīng)器上方，微生物與物料不能充分接觸，導(dǎo)致累積產(chǎn)沼氣量偏低。而中高強(qiáng)度的攪拌(T2、T3)可使反應(yīng)物料迅速混合，提高料液的傳質(zhì)、傳熱作用，增加微生物與反應(yīng)物料的接觸，產(chǎn)沼氣量較高。此階段T2、T3累積產(chǎn)沼氣量較高，分別為87.63、85.09 L，較T1處理和CK分別高出15.6%、9.8%和13.1%、7.1%。第二階段(發(fā)酵16～35 d)，隨著發(fā)酵料液中有機(jī)質(zhì)的消耗，各處理累積產(chǎn)沼氣量增長緩慢并趨于平穩(wěn)。其中高強(qiáng)度攪拌(T3)累積產(chǎn)沼氣量的增長趨勢較其他處理明顯放緩，這可能是由于劇烈的攪拌作用破壞了前期已形成的微生物的絮狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微生物活性降低造成的[16]。最終各處理累積產(chǎn)沼氣量由高到低的順序為T2>T3>CK>T1，其中T2處理的累積產(chǎn)沼氣量較高，為120.67 L，分別較T1、T3處理和CK高出11.6%、8.6%、10.0%。

圖2 不同攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量的影響

2.1.3 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵甲烷含量的影響 沼氣中甲烷的含量可以判斷出厭氧消化過程占優(yōu)勢的是產(chǎn)酸反應(yīng)還是產(chǎn)甲烷反應(yīng)，當(dāng)產(chǎn)甲烷反應(yīng)占優(yōu)勢時，甲烷的含量一般可達(dá)50%以上[17]。由圖3可知，各處理甲烷含量的變化趨勢基本一致，隨發(fā)酵天數(shù)的增加，先迅速升高，后趨于平穩(wěn)。發(fā)酵第5天，甲烷含量均達(dá)到60%以上，之后一直穩(wěn)定在55%～70%，這表明各處理在發(fā)酵第5 天后開始進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣發(fā)酵階段直至反應(yīng)結(jié)束。T1、T2、T3處理和CK的平均甲烷含量分別為61.7%、60.7%、62.4%、60.5%，處于60%～63%?？梢姡瑪嚢鑿?qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的甲烷含量沒有顯著影響。

圖3 不同攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵甲烷含量的影響

2.1.4 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵甲烷總產(chǎn)量的影響 由圖4可知，T2處理的甲烷總產(chǎn)量顯著高于其他處理，為71.44 L，分別較T1、T3處理和CK高出8.8%、8.4%、9.9%。而T1、T3處理和CK間無顯著差異。即攪拌強(qiáng)度過高或過低都不能提高牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵的甲烷總產(chǎn)量，相對于不攪拌還會增加能耗。VS產(chǎn)甲烷量即發(fā)酵物料單位質(zhì)量VS所產(chǎn)甲烷的體積，VS產(chǎn)甲烷量越高，表明物料單位質(zhì)量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的甲烷量越多，發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力越高[18]。由圖4可知，T2處理的VS產(chǎn)甲烷量顯著高于其他攪拌強(qiáng)度處理和CK，為194.39 mL/g，較T1、T3處理和CK分別提高8.8%、8.4%、9.9%。說明強(qiáng)度適中的攪拌可提高反應(yīng)物料的產(chǎn)氣潛力，這與陳甲甲等[11]以稻草為原料進(jìn)行厭氧消化，研究不同攪拌轉(zhuǎn)速(40、80、120、160 r/min)消化效果試驗得出的結(jié)果一致，認(rèn)為適中的攪拌強(qiáng)度(80 r/min)可同時保證反應(yīng)器內(nèi)均一的溫度、原料含量和較高的微生物活性，從而提高稻草的可生物降解性。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

2.2.1 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH值的影響 pH值是厭氧發(fā)酵過程中重要的控制參數(shù)，厭氧微生物的生命代謝活動與pH值有密切的關(guān)系[19]。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，pH值控制在6.5 ～ 7.8，認(rèn)為可以正常運行，此時產(chǎn)甲烷菌可保持較強(qiáng)的活性[20-21]。由圖5可知，各處理的pH值均先下降后逐漸上升至一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，pH值最低點均出現(xiàn)在發(fā)酵第7天，此時T1、T2、T3處理和CK的pH值分別為6.73、6.80、6.68、6.72，處于產(chǎn)酸階段。之后料液的pH值很快上升，并穩(wěn)定在7.00～7.30。整個發(fā)酵過程中，各處理的pH值處于6.60～7.30?？梢?，各處理的pH值均能在正常的范圍內(nèi)波動，且不同攪拌強(qiáng)度之間的變化不明顯。

圖5 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵系統(tǒng)pH值的影響

2.2.2 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)VFA/堿度的影響 厭氧發(fā)酵過程中，VFA的過度累積會造成發(fā)酵系統(tǒng)的酸化，影響產(chǎn)氣效率甚至造成產(chǎn)氣停滯；堿度是發(fā)酵料液結(jié)合氫離子的能力，能對料液中產(chǎn)生過酸物質(zhì)起到緩沖作用[22]。因此，沼氣工程中常用VFA/堿度值衡量厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并作為厭氧發(fā)酵酸化失穩(wěn)的預(yù)警指標(biāo)[23]。通常認(rèn)為，VFA/堿度值<0.4，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；位于0.4～0.8，系統(tǒng)存在非穩(wěn)定因素；VFA/堿度值>0.8，表明系統(tǒng)失穩(wěn)，不適宜進(jìn)行厭氧發(fā)酵。由圖6可知，發(fā)酵過程中，各處理VFA/堿度值較穩(wěn)定，存在小范圍(波動幅度<0.6)的波動。其中，CK的VFA/堿度值整體上大于其他處理，說明攪拌對于提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)對抗酸積累的能力是有積極作用的。各處理的VFA/堿度值分別為：T1(0.27～0.32)、T2(0.24～0.29)、T3(0.25～0.33)和CK(0.29～0.35)，始終小于0.4，說明各發(fā)酵系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生酸化。

圖6 攪拌強(qiáng)度對牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵系統(tǒng)VFA/堿度值的影響

3 結(jié)論與討論

在牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵過程中，攪拌對反應(yīng)性能提升的影響不可忽略。攪拌可有效破除秸稈浮渣層，消除厭氧反應(yīng)器內(nèi)溫度、原料含量等參數(shù)的不均分布，抑制毒性物質(zhì)的積累，增強(qiáng)發(fā)酵底物與微生物的接觸，從而提高牛糞與玉米秸稈混合發(fā)酵的產(chǎn)氣性能[24-25]。然而，攪拌強(qiáng)度并非越大越好，本研究結(jié)果表明，攪拌強(qiáng)度過大時，牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣潛力均出現(xiàn)降低的趨勢，這與陳甲甲等[11]、翟曉東[26]、蘆漢超[27]的研究結(jié)果相一致。原因可能是過大的攪拌強(qiáng)度破壞了厭氧微生物的絮狀結(jié)構(gòu)，各類厭氧微生物的協(xié)同作用受到干擾，導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低[28]。同時，適度的攪拌強(qiáng)度還可有效降低厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的動力能耗，這在沼氣工程中具有重要的應(yīng)用意義。本試驗條件下，攪拌強(qiáng)度為60 r/min時，牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能較好。累積產(chǎn)沼氣量、甲烷總產(chǎn)量和VS產(chǎn)甲烷量均較高，分別為120.67、71.44 L和194.39 mL/g，較不攪拌的處理高出10.0%、9.9%和9.9%。不同攪拌強(qiáng)度下，牛糞與玉米混合厭氧發(fā)酵進(jìn)入穩(wěn)定期后的甲烷含量處于55%～70%，T1、T2、T3處理和CK的平均甲烷含量分別為61.7%、60.7%、62.4%和60.5%，攪拌強(qiáng)度對甲烷含量無顯著影響。

本試驗條件下，攪拌強(qiáng)度對pH值影響不明顯，各處理pH值始終維持在適宜的范圍內(nèi)。VFA/堿度值均小于0.4，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運行階段，其中，各攪拌處理的VFA/堿度值較不攪拌的低，即攪拌提高了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這與段小睿等[29]的研究結(jié)果不一致，他在研究攪拌速率對剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響中發(fā)現(xiàn)，一定攪拌速率下(20～80 r/min)，攪拌速率越大越有利于揮發(fā)性有機(jī)酸的積累。這可能與發(fā)酵原料種類不同有關(guān)，因為相對于單一發(fā)酵原料，本試驗中牛糞與玉米秸稈的混合物料發(fā)酵，可提高發(fā)酵液的緩沖能力，降低揮發(fā)性有機(jī)酸、氨氮等有害物質(zhì)的抑制，提高發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性[30-36]。