2種吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

曾瑞媛，冉薛伶，王彥博，王曉嬌，馮永忠，韓新輝，楊改河，任廣鑫

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

隨著強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策的實(shí)施，畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到快速發(fā)展，呈現(xiàn)集約化、規(guī)模化的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-2]，規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)滿足了人民對(duì)肉蛋奶產(chǎn)品的需求，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量畜禽養(yǎng)殖廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)年出欄10萬羽雞的規(guī)模化養(yǎng)雞場，每天產(chǎn)鮮糞可達(dá)10 t，累積年產(chǎn)雞糞達(dá)0.36萬t[3]。由于雞飼料養(yǎng)分含量高，而雞無牙齒咀嚼且消化道短，消化能力弱，對(duì)飼料消化吸收率低，有40%～70%未被吸收的營養(yǎng)物隨雞糞排出體外，因此雞糞中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)[4]。如果大量雞糞未處理或不合理處理將會(huì)帶來許多問題，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大威脅，而且會(huì)導(dǎo)致雞肉及相關(guān)產(chǎn)品的污染，增加疾病傳播機(jī)會(huì)[5-6]。

厭氧發(fā)酵又稱厭氧消化，指在厭氧環(huán)境中，各種大分子有機(jī)物被微生物分解，最后形成沼氣的過程，是畜禽糞便資源化循環(huán)利用、無害化處理廣泛使用的技術(shù)[7-9]。雞糞是富氮性原料的代表，在厭氧發(fā)酵過程中易對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)形成氨態(tài)氮抑制[5,10-11]。Abouelenien等[12]研究表明，降低雞糞中的氨態(tài)氮濃度，可以增加雞糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量。大量研究表明，外源添加劑能促進(jìn)厭氧發(fā)酵體系中養(yǎng)分的平衡，并通過增加酶活性等來加強(qiáng)厭氧發(fā)酵過程，常見的添加劑類別有菌類、水解酶類、微量元素類、吸附劑、螯合劑以及營養(yǎng)元素等[13-14]。常見的吸附劑有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 對(duì)于有害物質(zhì)，如色素、重金屬、有害氣體和抗生素等具有吸附解吸作用，降低環(huán)境中有害物質(zhì)帶來的毒害；(2)吸附劑內(nèi)部具有較大孔隙結(jié)構(gòu)，其不僅能吸附大量微生物，提高微生物密集度，而且這種結(jié)構(gòu)提供了有利于微生物生長發(fā)育的環(huán)境，可加快微生物水解有機(jī)物質(zhì)的進(jìn)程，提升系統(tǒng)對(duì)抗負(fù)效應(yīng)的緩沖能力;(3)能夠提供碳源和其他營養(yǎng)元素，平衡原料碳氮比，從而提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量和產(chǎn)氣效率[15-16]。生物炭和納米零價(jià)鐵(nano zero-valent iron,nZVI)為污水處理中常見的2種吸附劑，其中生物炭具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積較高、表面含有豐富元素成分和活性官能團(tuán)、吸附結(jié)合能力強(qiáng)等特征，可有效提升對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)酸、氨等抑制物質(zhì)的緩沖能力[17-19]；nZVI具有粒徑小、比表面積大(比表面積為33.5 m2/g，而普通鐵粉的比表面積僅為0.9 m2/g)的特殊結(jié)構(gòu),以及反應(yīng)活性高、還原能力強(qiáng)和吸附活性高的特性，并且在氧化還原反應(yīng)過程中易于被氧化成Fe2O3或Fe3O4氧化物，因此nZVI在去除厭氧發(fā)酵過程中的污染物方面得到應(yīng)用[20-21]。

目前，關(guān)于生物炭和nZVI在厭氧發(fā)酵上的研究還較少，因此本研究以雞糞為原料，分別添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生物炭和nZVI進(jìn)行中溫批式厭氧發(fā)酵，探索生物炭和nZVI對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣特性的影響，尋求生物炭和nZVI促進(jìn)厭氧發(fā)酵的最佳添加量，旨在為富氮原料底物雞糞的高效厭氧發(fā)酵提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雞糞取自陜西楊凌某蛋雞養(yǎng)殖場，手工剔除新鮮雞糞中肉眼可見的雜物。發(fā)酵接種物取自楊凌示范區(qū)崔西溝村常年穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)酵池中的沼液。生物炭購自南京智融聯(lián)科技有限公司，裂解溫度400 ℃。nZVI購自北京德科島金科技有限公司，平均粒徑80～100 nm，純度大于99.99%。發(fā)酵原料雞糞、接種物及生物炭的特性如表1所示。

表1 發(fā)酵原料雞糞和接種物及生物炭的特性Table 1 Fermentation characteristics of raw materials and biochar

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為自制的可控恒溫厭氧發(fā)酵裝置,主要由控溫儀、發(fā)酵瓶和集氣瓶等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖 1。本試驗(yàn)選用1 000 mL三角瓶作為發(fā)酵裝置，頂部橡膠塞上設(shè)有導(dǎo)氣孔和取樣孔，導(dǎo)氣孔通過橡膠管連接集氣裝置。發(fā)酵瓶放置于恒溫水槽內(nèi)，水槽底部有1 000 W的電熱絲，可以加熱以提高水溫。加熱絲由智能溫度控制儀(型號(hào)：PC-1000)和繼電器控制，可顯示發(fā)酵溫度，以保證發(fā)酵瓶內(nèi)溫度恒定在(35±1 ) ℃。

1.溫控儀 Temperature controller；2.傳感器 Sensor；3.加熱絲 Heating wire；4.取樣口 Sample hole；5.發(fā)酵瓶 Substrate；6.恒溫水槽 Constant temperature tank； 7.集氣瓶 Gas collector；8.量筒 Burette圖1 恒溫厭氧發(fā)酵裝置Fig.1 Constant temperature anaerobic fermentation device

1.3 試驗(yàn)方法

以雞糞為發(fā)酵原料進(jìn)行中溫(35±1) ℃恒溫批次試驗(yàn)。在發(fā)酵瓶中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，2.5%，5%，7.5%，10%的生物炭和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的nZVI，分別記為B0、B2.5、B5、B7.5、B10和N0、N0.25、N0.5、N0.75、N1，其中B0和N0為對(duì)照。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表 2所示。每處理3個(gè)重復(fù)，發(fā)酵總體積為700 mL，底物總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，發(fā)酵周期51 d，總固體質(zhì)量和揮發(fā)性固體質(zhì)量于試驗(yàn)開始前測(cè)定，發(fā)酵開始后每天測(cè)定沼氣產(chǎn)量和甲烷含量(體積分?jǐn)?shù))；發(fā)酵第1，7，14，21，31，41和51天取樣并進(jìn)行pH、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和氨態(tài)氮質(zhì)量濃度的測(cè)定。為保證底物混合均勻，每天定時(shí)手動(dòng)搖晃所有發(fā)酵瓶1～2 min。

表2 雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of anaerobic fermentation of chicken manure

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

發(fā)酵體系中的總固體(TS)質(zhì)量：將樣品放入(105±5) ℃的烘箱中烘至質(zhì)量恒定，冷卻后稱質(zhì)量[22]；揮發(fā)性固體(VS)質(zhì)量：將測(cè)定完TS質(zhì)量后的樣品在(550±20) ℃ 的馬弗爐中烘至質(zhì)量恒定，冷卻后稱質(zhì)量，用TS減去冷卻后質(zhì)量即得VS質(zhì)量[22]； pH值使用便攜式pH計(jì)(PHB-4，杭州)測(cè)定；揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)質(zhì)量濃度采用分光光度計(jì)法測(cè)定；氨態(tài)氮質(zhì)量濃度采用溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定法測(cè)定；沼氣產(chǎn)量采用排水集氣法測(cè)定，甲烷含量(體積分?jǐn)?shù))使用沼氣氣體成分分析儀(Gasboard-3200p，武漢)測(cè)定；TS產(chǎn)氣效率計(jì)算方法：沼氣總產(chǎn)氣量除以總固體質(zhì)量；VS產(chǎn)氣效率計(jì)算方法：沼氣總產(chǎn)氣量除以總揮發(fā)性固體質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2019和SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用Origin 2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量的影響

由圖2-A可知，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)生物炭后，雞糞厭氧發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量隨著發(fā)酵時(shí)間的延長總體不斷增加，變化趨勢(shì)基本相同。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，添加生物炭各處理的累積沼氣產(chǎn)量顯著高于對(duì)照(P<0.05)，其中添加5%生物炭(B5)處理的累積沼氣產(chǎn)量最高，達(dá)到21 532 mL，對(duì)照組(B0)累積沼氣產(chǎn)量最低，為11 101 mL，B2.5、B5、B7.5、B10處理與對(duì)照(B0)相比累積沼氣產(chǎn)量分別提高了64%，94%，89%和60%。這可能是因?yàn)樯锾繛楦坏孜镫u糞提供了有機(jī)碳源，平衡了雞糞厭氧發(fā)酵碳氮比，并且生物炭巨大的比表面積能夠吸附微生物及其所需的多種營養(yǎng)物質(zhì)，為厭氧發(fā)酵微生物提供了良好的棲息環(huán)境，富集了微生物群落[17,23-24]，從而提高了雞糞厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量。

圖2 生物炭(A)及nZVI (B)對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中累積沼氣產(chǎn)量的影響Fig.2 Cumulative production of biogas during anaerobic fermentation with biochar (A) and nZVI (B)

由圖2-B可知，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)nZVI后，雞糞厭氧發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的延長呈增加趨勢(shì)。 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，N0、N0.25、N0.5、N0.75和N1處理間累積沼氣產(chǎn)量無顯著差異(P>0.05)，其中N0的累積沼氣產(chǎn)量最高，達(dá)到11 101 mL?？芍砑觧ZVI對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣沒有提高作用。

2.2 吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵平均沼氣產(chǎn)量及甲烷含量的影響

不同吸附劑對(duì)雞糞發(fā)酵過程中平均沼氣產(chǎn)量和甲烷含量(體積分?jǐn)?shù))的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著生物炭添加量的增加，平均沼氣產(chǎn)量呈單峰變化趨勢(shì)，添加5%生物炭(B5)處理的平均沼氣產(chǎn)量最高，達(dá)到414 mL/d，較對(duì)照(B0)提高了94%，可知在雞糞厭氧發(fā)酵過程中添加5%生物炭的產(chǎn)氣效率最高。與對(duì)照相比，添加生物炭處理能顯著提高甲烷含量(P<0.05)，這可能是由于生物炭中裸露的-OH與發(fā)酵所產(chǎn)生的CO2結(jié)合，這使得溶液中部分CO2轉(zhuǎn)化成了甲烷，從而使氣體中甲烷含量提高[25-26]；此外，由于生物炭具有較大孔隙，有利于甲烷菌富集，促進(jìn)丙酸鹽向乙酸鹽轉(zhuǎn)化，間接促進(jìn)了甲烷的生成[27]。

圖3 生物炭(A)和nZVI(B)對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中平均沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的影響Fig.3 Effect of biochar (A) and nZVI (B) on average biogas production and methane content during anaerobic fermentation

添加nZVI后，平均沼氣產(chǎn)量隨著nZVI添加量的增加呈先降后增再降的變化趨勢(shì)。與其他處理相比，添加1% nZVI處理顯著提高了厭氧發(fā)酵甲烷含量，這是因?yàn)閚ZVI快速與混入發(fā)酵瓶中的氧氣進(jìn)行了氧化還原反應(yīng)，降低了氧氣分壓，使發(fā)酵更快速達(dá)到厭氧環(huán)境，從而更有利于甲烷生成；并且nZVI本身氧化生成的Fe3O4能夠降低丙酸分解產(chǎn)生的吉布斯自由能，促進(jìn)同型產(chǎn)乙酸反應(yīng)降低氫分壓，使丙酸更易向乙酸轉(zhuǎn)變，從而提高了甲烷含量[28]。

2.3 吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中pH值和VFAs的影響

厭氧發(fā)酵體系酸堿性受復(fù)雜的微生物代謝和生物化學(xué)過程的控制，并且受氣相與液相間CO2平衡、液相內(nèi)酸堿平衡以及固相與液相間溶解平衡等共同作用的影響[29]。圖4顯示了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)生物炭和nZVI對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中pH和VFAs質(zhì)量濃度的影響。

圖4 生物炭(A)和nZVI(B)對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中pH值的影響Fig.4 Effect of biochar (A) and nZVI (B) on pH during anaerobic fermentation of chicken manure

圖4顯示，B2.5、B5、B7.5和B10處理在厭氧發(fā)酵過程中的pH值在6.78～8.64，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，pH總體呈上升-下降-上升的趨勢(shì)。N0.25、N0.5、N0.75和N1處理在厭氧發(fā)酵過程中的pH值為6.76～8.48，隨著發(fā)酵時(shí)間增加，pH總體呈逐漸上升趨勢(shì)。在發(fā)酵初期(1～7 d)，各處理的pH值均較低，這是因?yàn)榇藭r(shí)水解酶活性高，提高了發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)VFAs質(zhì)量濃度，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵溶液內(nèi)的pH值均下降[30]。隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行(7 d以后)，添加生物炭處理的pH值先迅速升高后接著小幅下降最后再次攀升直到8.0以上；而添加nZVI處理的pH值快速上升后逐漸平穩(wěn)上升到8.0以上，且發(fā)酵結(jié)束時(shí)各處理的pH值均高于對(duì)照，這說明加入吸附劑后提高了體系pH值，減少了系統(tǒng)酸化的可能性。一般認(rèn)為，適宜產(chǎn)甲烷微生物生存的pH值為6.8～7.8，低于6.5或高于8.0都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生明顯的產(chǎn)氣抑制[31]，雖然本試驗(yàn)pH值高出理論適宜值，但發(fā)酵過程中并未出現(xiàn)產(chǎn)氣抑制現(xiàn)象，說明2種吸附劑平衡了高pH的負(fù)效應(yīng)。

在厭氧發(fā)酵過程中，發(fā)酵微生物對(duì)原料進(jìn)行分解并釋放多種有機(jī)化合物，其中VFAs是厭氧發(fā)酵重要的中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物[32]，其濃度高低影響著厭氧發(fā)酵過程，是衡量水解酸化和產(chǎn)甲烷過程是否平衡的重要指標(biāo)[33]。如圖5所示，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，添加生物炭和nZVI后，發(fā)酵過程中VFAs質(zhì)量濃度呈上升-下降-上升-下降的變化趨勢(shì)。在發(fā)酵初期(1～7 d)，各處理VFAs為升高趨勢(shì)，除了B2.5處理以外，其余處理均在第7 天時(shí)VFAs質(zhì)量濃度達(dá)到最大值。7 d之后，VFAs質(zhì)量濃度迅速下降，這表明產(chǎn)甲烷菌開始大量利用積累的VFAs。在發(fā)酵中期(14～31 d)，各處理VFAs質(zhì)量濃度總體上升，這是因?yàn)殡S著發(fā)酵時(shí)間的增加及總固體質(zhì)量的逐漸減少，發(fā)酵微生物不斷繁殖使得發(fā)酵液中生成大量酸性物質(zhì)，從而導(dǎo)致VFAs質(zhì)量濃度有所升高[34]。

圖5 生物炭(A)和nZVI(B)對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過程中VFAs質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Effects of Biochar (A) and nZVI (B) on VFAs of anaerobic fermentation of chicken manure

2.4 吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵體系中氨態(tài)氮質(zhì)量濃度的影響

由于雞糞為富氮原料底物，因此雞糞厭氧發(fā)酵過程中氨態(tài)氮質(zhì)量濃度較高，本試驗(yàn)中各處理氨態(tài)氮質(zhì)量濃度為1 469.89～2 609.60 mg/L。圖6顯示，添加生物炭后，在發(fā)酵前期(1～14 d)，有機(jī)物大量水解導(dǎo)致氨態(tài)氮質(zhì)量濃度快速增加；之后隨著時(shí)間的推移，大量微生物繁殖并且利用了水解的氨態(tài)氮，因此發(fā)酵溶液中氨態(tài)氮質(zhì)量濃度開始下降，20～40 d后由于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)N需求降低，氨態(tài)氮質(zhì)量濃度基本保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)；40 d之后各處理氨態(tài)氮質(zhì)量濃度略有升高。添加nZVI之后，在發(fā)酵前期(1～14 d)氨態(tài)氮質(zhì)量濃度總體升高，并于第14天達(dá)到峰值；之后隨著時(shí)間的推移氨態(tài)氮質(zhì)量濃度總體呈下降趨勢(shì)。在本試驗(yàn)中，即使生物炭和nZVI處理的氨態(tài)氮質(zhì)量濃度分別高達(dá)2 508.80和2 609.60 mg/L時(shí)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣也并未出現(xiàn)抑制，這可能是因?yàn)?種吸附劑對(duì)溶液中氨態(tài)氮等抑制性物質(zhì)有一定吸附性，因此提升了發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，保證了厭氧發(fā)酵過程的動(dòng)態(tài)平衡[34]。

圖6 生物炭(A)和nZVI(B)對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵氨態(tài)氮質(zhì)量濃度的影響Fig.6 Effects of biochar (A) and nZVI (B) on ammonia nitrogen of anaerobic fermentation of chicken manure

2.5 吸附劑對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵效率的影響

表3顯示，與對(duì)照相比，添加生物炭處理的TS和VS產(chǎn)氣效率均顯著增加(P<0.05)，其中5%生物炭處理(B5)的 TS和 VS產(chǎn)沼氣效率最高，分別為384.50和 558.98 mL/g。添加5%生物炭處理組各項(xiàng)產(chǎn)氣參數(shù)最優(yōu)，且發(fā)酵產(chǎn)氣效率最高。與對(duì)照相比，添加nZVI的TS和VS產(chǎn)氣效率均降低，表明nZVI對(duì)于雞糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率沒有促進(jìn)作用。

表3 添加生物炭和nZVI之后雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的比較Table 3 Comparison of gas production efficiency of anaerobic fermentation of chicken manure after adding biochar and nZVI mL/g

2.6 生物炭在厭氧發(fā)酵體系中基于數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)添加量

用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，利用二次曲線模型進(jìn)行非線性回歸，得出累積沼氣產(chǎn)量(f(x))與生物炭添加量(x)的回歸方程為：

f(x)=-45.045x2+1 280.526x+11 267.257。

從方差分析結(jié)果可以看出，方程中的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，模型的R2為0.996。由回歸方程擬合結(jié)果得出，當(dāng)生物炭添加量(x)為15.32 g時(shí)，累積沼氣產(chǎn)量最高可達(dá)21 844.75 mL。

3 結(jié) 論

添加生物炭對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵有促進(jìn)作用，其不僅能穩(wěn)定系統(tǒng)環(huán)境，而且能提高累積沼氣產(chǎn)量，在以250 g干雞糞為發(fā)酵原料，發(fā)酵總體積700 mL，發(fā)酵溫度(35±1) ℃的條件下，當(dāng)生物炭添加量為15.32 g時(shí)，累積沼氣產(chǎn)量最高為21 844.75 mL；添加nZVI對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣影響無促進(jìn)作用。