進(jìn)料負(fù)荷對(duì)牛糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵效果的影響

龐震鵬，李永平，朱教寧，湯 昀，王秀紅，史向遠(yuǎn)，郭常蓮

（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；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院，山西太原030031）

我國畜禽糞便排放量每年可達(dá)26億t[1]，造成大氣、水源、土地污染并嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量和生命健康[2-3]。利用農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是實(shí)現(xiàn)其資源化利用的重要手段之一[4-5]，厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)物沼氣可用于新能源利用，厭氧發(fā)酵的末端產(chǎn)物沼液沼渣可用于生產(chǎn)有機(jī)肥。通過探究混合厭氧發(fā)酵適宜的工藝可充分利用物料的理化特性，在提升產(chǎn)氣效率的同時(shí)，進(jìn)一步提升原料轉(zhuǎn)化率，充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物高效增值利用。桂倫等[6]研究結(jié)果表明，進(jìn)料干物質(zhì)（TS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%時(shí)可降低中溫條件下厭氧發(fā)酵中的氨抑制，保證工程穩(wěn)定運(yùn)行。李云芳等[7]的研究結(jié)果表明，牛糞和秸稈的配比為1∶3時(shí)甲烷產(chǎn)量達(dá)3.94L/d，比純牛糞發(fā)酵產(chǎn)出高23.67%；王世偉等[8]研究認(rèn)為，中溫條件牛糞秸稈厭氧發(fā)酵的最佳產(chǎn)氣條件為溫度25℃，TS為17.6%時(shí)產(chǎn)氣效果較好。王粟等[9]的研究表明，經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化，當(dāng)發(fā)酵溫度為41℃、總固體濃度為8.9%、生物炭添加量為7.9%時(shí)，生物炭與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量達(dá)2 735 mL，接近優(yōu)化值。李永平等[10]的研究結(jié)果表明，牛糞玉米秸稈干物質(zhì)質(zhì)量比為2∶8時(shí)，甲烷總產(chǎn)量高于其他處理。朱教寧等[11]的研究結(jié)果表明，進(jìn)料量對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物半連續(xù)厭氧發(fā)酵體系穩(wěn)定性有顯著影響，當(dāng)進(jìn)料量為160 g/L時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)酸累積。上述研究多關(guān)注于溫度、配比等發(fā)酵初始因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)沼氣效果的影響，而沼氣工程運(yùn)行因受連續(xù)進(jìn)出料量操作的影響，發(fā)酵罐中料液環(huán)境極易受到氨氮、揮發(fā)性脂肪酸等濃度變化形成的沖擊，造成產(chǎn)氣失衡。已有研究在進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷及系統(tǒng)穩(wěn)定性影響方面缺乏綜合研究，難以對(duì)沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

本研究以10 L溫控發(fā)酵裝置為反應(yīng)器，模擬沼氣工程連續(xù)進(jìn)出料過程，在不同日進(jìn)料負(fù)荷條件下探究混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果的規(guī)律及發(fā)酵過程中生化指標(biāo)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，分析理化因子對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化確定適宜的日進(jìn)料負(fù)荷，以期在保證沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，達(dá)到成本節(jié)約、提升效率的目的，為牛糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵模式提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選擇的試驗(yàn)用發(fā)酵物料為牛糞和玉米秸稈。牛糞取自山西省晉中市東陽鎮(zhèn)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，取樣均勻不含砂石等雜質(zhì)。玉米秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）東陽試驗(yàn)示范實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地玉米田，經(jīng)晾曬干燥后用粉碎機(jī)打磨成3～5 mm的顆粒。接種物取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）東陽試驗(yàn)示范實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地正常運(yùn)行60 d以上沼氣池中的沼液，帶回實(shí)驗(yàn)室后在（35±1）℃恒溫條件下馴化7 d，豐富沼液中菌群數(shù)量。各發(fā)酵物料理化性質(zhì)如表1所示。

表1 厭氧發(fā)酵物料性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

以10 L自動(dòng)溫控厭氧發(fā)酵罐為反應(yīng)容器，試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)器的總體積為10 L，通過配備的恒溫循環(huán)水浴加熱裝置可保持發(fā)酵料液溫度恒定。牛糞與玉米秸稈揮發(fā)性固體量（VS）質(zhì)量比為1∶1的混合物作為發(fā)酵原料，為了有助于料液均質(zhì)及進(jìn)出料操作，本研究的混合原料總揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜設(shè)置較高，故確定發(fā)酵料液VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，各處理反應(yīng)器內(nèi)每日料液總體積維持在7.5 L，接種量（以VS計(jì)）為20%。依據(jù)前期研究，10 L發(fā)酵系統(tǒng)的日產(chǎn)氣量在20 d前后下降明顯，因此，適宜的水力滯留時(shí)間（HRT）為20 d左右，按HRT為17、20、23、26 d分別以揮發(fā)性固體質(zhì)量投入量設(shè)1.85（T1）、1.58（T2）、1.37（T3）、1.21（T4）g/（L·d）4個(gè)進(jìn)料負(fù)荷水平。試驗(yàn)階段，每日固定時(shí)間按不同處理的進(jìn)料負(fù)荷分別向各處理投料并取出體積相同的料液，連續(xù)進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氣。設(shè)置發(fā)酵溫度（35±1）℃，攪拌強(qiáng)度50 r/min，攪拌時(shí)長30 min/次，單次攪拌時(shí)長12 h。測(cè)定各處理產(chǎn)氣指標(biāo)，分析料液揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）、堿度、氨氮及化學(xué)需氧量（COD）等理化指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 理化指標(biāo)的測(cè)定 將牛糞、玉米秸稈和接種物均質(zhì)后取樣置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為105℃，采用差重法[11]計(jì)算干物質(zhì)含量。

將烘干樣置于馬弗爐中600℃下灼燒，得到灰分，采用差重法計(jì)算揮發(fā)性固體含量。

總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）測(cè)定參照NY/T 525—2021執(zhí)行，TOC采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，TN采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)定。

堿度、揮發(fā)性脂肪酸、化學(xué)需氧量、氨氮等指標(biāo)均取沼液上清液（出料料液經(jīng)5 000 r/min條件下離心15 min）測(cè)定。堿度采用電位滴定儀測(cè)定。揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）采用比色法[12]測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量（COD）按照GB/T 11914—1989水質(zhì)化學(xué)需氧量測(cè)定（重鉻酸鉀法）方法測(cè)定。氨氮按照HJ 537—2009水質(zhì)氨氮的測(cè)定（蒸餾—中和滴定法）方法測(cè)定，上述指標(biāo)均3 d測(cè)定1次。

1.3.2 產(chǎn)氣指標(biāo)的測(cè)定 日產(chǎn)甲烷量采用排水法測(cè)定日產(chǎn)氣量[13]，日產(chǎn)氣量乘以每日沼氣中甲烷含量即為日產(chǎn)甲烷量。沼氣成分測(cè)定：使用鋁箔氣體采樣袋收集每日各試驗(yàn)處理產(chǎn)生的氣體，采用安捷倫7890B氣相色譜儀對(duì)氣體成分進(jìn)行測(cè)定，色譜條件為：色譜柱HP-INNOWAX（60 μm×530 μm×1 μm），載氣為氫氣，流量5 mL/min，壓強(qiáng)0.05 Mpa，平均線速度35.701 cm/s，滯留時(shí)間2.80 min；TCD檢測(cè)器：溫度250℃，參比流量40 mL/min，尾吹氣流量（H2）2 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Excel 2010軟件制作并編輯圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果的影響

2.1.1 日產(chǎn)甲烷量 日產(chǎn)甲烷量是發(fā)酵系統(tǒng)每日產(chǎn)出沼氣中甲烷的體積，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)氣穩(wěn)定期后，日產(chǎn)甲烷量變化幅度較小，產(chǎn)甲烷量較均勻。從圖2可以看出，不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)牛糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量影響的變化規(guī)律除T4為緩慢升高至平緩?fù)?，其他處理均為先升后降、再升高至平緩。T1、T2、T4處理的產(chǎn)甲烷量在發(fā)酵第4天才開始出現(xiàn)小幅下降，T3處理在發(fā)酵第3天后即出現(xiàn)下降現(xiàn)象。T1處理的產(chǎn)甲烷峰值出現(xiàn)在第11天，峰值為3.08 L；T2處理的產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第9天，峰值為3.17 L；T3處理的產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第12天，峰值為3.11 L，T4處理的產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)在第11天，峰值為2.44 L。各處理日產(chǎn)甲烷量均在發(fā)酵13 d后趨于穩(wěn)定。T4處理在穩(wěn)定后產(chǎn)甲烷量明顯低于其他處理，原因可能是每日新加入物料較少，微生物可有效利用的有機(jī)質(zhì)相對(duì)減少，限制了水解菌的繁殖速度和水解活力，最終造成產(chǎn)甲烷菌所需底物減少，表現(xiàn)為產(chǎn)甲烷能力降低。綜合各處理日產(chǎn)甲烷量變化趨勢(shì)，T2處理的日產(chǎn)甲烷量峰值早于其他處理，且峰值產(chǎn)量高于其他處理，分別比T1、T3和T4處理高2.92%、1.93%和29.92%，表明T2處理的進(jìn)料負(fù)荷使發(fā)酵系統(tǒng)更快地進(jìn)入到產(chǎn)甲烷高峰階段，利于產(chǎn)氣進(jìn)行。

2.1.2 產(chǎn)甲烷總量 從圖3可以看出，4個(gè)處理產(chǎn)甲烷總量由高到低排序?yàn)門1＞T2＞T3＞T4，其中，T1處理與T2處理間差異不顯著，T1、T2處理分別與T3、T4處理間差異顯著（P＜0.05），T3、T4處理間差異顯著（P＜0.05）。T1處理產(chǎn)甲烷總量為61.45 L，比T4處理高31.02%；T2處理產(chǎn)甲烷總量為59.16 L，比T4處理高26.14%；T3處理產(chǎn)甲烷總量為54.84 L，比T4處理高16.93%，表明當(dāng)每日進(jìn)料負(fù)荷降低時(shí)，在相同的發(fā)酵時(shí)間內(nèi)產(chǎn)甲烷總量隨之降低，同時(shí)表明每日新鮮物料中有機(jī)物含量的高低對(duì)產(chǎn)甲烷總量具有較明顯的影響。在實(shí)際運(yùn)行中，水力停留時(shí)間越小，進(jìn)料負(fù)荷越大，沼氣工程設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長，因此，在產(chǎn)甲烷總量差異不顯著時(shí)，盡可能縮短設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，可以降低運(yùn)行成本。T2處理下的進(jìn)料負(fù)荷可在高產(chǎn)甲烷量的同時(shí)盡可能縮短設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，降低能耗。

2.1.3揮發(fā)性固體產(chǎn)甲烷量（VS產(chǎn)甲烷量）VS產(chǎn)甲烷量表示進(jìn)料物料中每單位有機(jī)質(zhì)被微生物分解利用所產(chǎn)生的甲烷量，一般用L/g表示。VS產(chǎn)甲烷量越高表示物料的發(fā)酵潛力越大，單位有機(jī)質(zhì)可產(chǎn)生的甲烷氣體越多。由表2可知，T1～T4處理隨著進(jìn)料負(fù)荷的減少，VS產(chǎn)甲烷量先增后減，T1處理與T2、T3、T4處理間差異顯著（P＜0.05）；T2處理與T3、T4處理間差異均不顯著；T3、T4處理間差異也不顯著。T1處理的產(chǎn)甲烷總量較高但VS產(chǎn)甲烷量較低，T2、T3、T4處理反之，原因可能是每日單次投入的物料較多時(shí)，在下一次出料前體系內(nèi)的新物料并沒有被充分分解利用，部分未參與反應(yīng)的物料在出料時(shí)被排出，造成一定的有機(jī)質(zhì)損失。選擇T2處理的進(jìn)料負(fù)荷量可在保證較高產(chǎn)氣效率、提升原料利用率的同時(shí)，最大程度地增加畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物的處理量。

表2 不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵VS產(chǎn)甲烷量的影響

2.2 不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵體系理化指標(biāo)的影響

每日進(jìn)料負(fù)荷由于有機(jī)質(zhì)含量和比例的不同，對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的生長速率和生理活性具有重要作用，進(jìn)而進(jìn)一步影響發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)料負(fù)荷過高，系統(tǒng)易出現(xiàn)氨氮累積或酸化；進(jìn)料負(fù)荷過低，系統(tǒng)養(yǎng)分不足，最終均會(huì)影響產(chǎn)甲烷量[14-16]。系統(tǒng)穩(wěn)定性變化主要表現(xiàn)為發(fā)酵過程中理化指標(biāo)的變化，如揮發(fā)性脂肪酸、堿度及氨氮等。

2.2.1 揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）VFAs是水解微生物分解物料有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)物，產(chǎn)甲烷菌利用VFAs作為底物進(jìn)一步生產(chǎn)甲烷。VFAs濃度過高，發(fā)酵系統(tǒng)易酸化，各類水解菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物活性降低，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)氣降低；VFAs濃度過低，產(chǎn)甲烷階段又無法保證足夠的底物，產(chǎn)氣也會(huì)降低[17]，因此，適宜濃度的VFAs對(duì)保持系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。從圖4可以看出，T2、T3處理VFAs質(zhì)量濃度在第6天達(dá)到首個(gè)峰值，VFAs質(zhì)量濃度分別為1 033.51、1 112.30 mg/L；T1、T4處理VFAs質(zhì)量濃度在第9天達(dá)到首個(gè)峰值，VFAs質(zhì)量濃度分別為844.81、779.71 mg/L。發(fā)酵6 d后，T2和T3處理的VFAs質(zhì)量濃度開始下降；發(fā)酵9 d后，T1和T4處理的VFAs質(zhì)量濃度開始下降，各處理均在第12天達(dá)到低谷，此后VFAs質(zhì)量濃度又逐漸升高，T3和T4處理分別在18、22 d又出現(xiàn)下降現(xiàn)象，系統(tǒng)VFAs出現(xiàn)波動(dòng)性的原因可能是隨著不間斷的進(jìn)出料過程，VFAs不斷的產(chǎn)生、被消耗，達(dá)到一種波動(dòng)式的動(dòng)態(tài)平衡。可以發(fā)現(xiàn)，不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)水解微生物的產(chǎn)酸階段有一定的影響，但過多的進(jìn)料和過少的進(jìn)料都會(huì)延緩VFAs質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，且VFAs峰值質(zhì)量濃度相對(duì)較低，與T1、T4處理相比，T2、T3處理的VFAs質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間更短，VFAs質(zhì)量濃度更高，T2處理于整個(gè)發(fā)酵過程VFAs質(zhì)量濃度變化波動(dòng)幅度最小，表明T2處理的進(jìn)料負(fù)荷更有利于促進(jìn)發(fā)酵階段的產(chǎn)酸，可以縮短非產(chǎn)甲烷階段的時(shí)間，進(jìn)而延長產(chǎn)甲烷階段時(shí)間。

2.2.2 堿度 堿度對(duì)發(fā)酵過程中出現(xiàn)的過酸過堿現(xiàn)象具有重要矯正作用，是衡量發(fā)酵體系緩沖能力的指標(biāo)，堿度可以預(yù)示體系穩(wěn)定性和厭氧發(fā)酵潛在失敗可能性[18]。當(dāng)堿度為3 000～8 500 mg/L且堿度/VFAs的值大于2時(shí)，厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣較為穩(wěn)定[18]。由圖5可知，不同處理堿度的變化趨勢(shì)近似，且整個(gè)發(fā)酵期堿度數(shù)值均在3 000 mg/L以上變化。由圖6可知，各處理堿度與VFAs的比值均達(dá)到2以上，表明不同進(jìn)料量下各系統(tǒng)的緩沖能力較強(qiáng)，可以持續(xù)中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的高VFAs抑制，使pH值保持較平穩(wěn)狀態(tài)。各處理除T2處理變化較平緩?fù)猓渌幚韷A度/VFAs值均在發(fā)酵第12天大幅提升，此后迅速下降，系統(tǒng)的緩沖能力也逐步由強(qiáng)變?nèi)酰蚩赡苁桥cT1、T3、T4處理中的VFAs濃度變化波動(dòng)較大，影響了系統(tǒng)堿度對(duì)抗過酸過堿的緩沖能力。T2處理發(fā)酵過程堿度值維持在3 000 mg/L以上，堿度/VFAs＞2且較其他處理比值波動(dòng)小，表明此進(jìn)料負(fù)荷下發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)抗過酸過堿的能力優(yōu)于其他處理。

2.2.3 氨氮 發(fā)酵原料牛糞中含有較高含量（約12%）的粗蛋白[19]，粗蛋白中有機(jī)氮會(huì)隨著厭氧消化的進(jìn)行最終被轉(zhuǎn)化為氨氮物質(zhì)。適宜濃度的氨氮一方面可作為微生物的氮素營養(yǎng)來源，一方面能為產(chǎn)甲烷菌生存環(huán)境提供一定的緩沖能力，進(jìn)而維持系統(tǒng)穩(wěn)定。高濃度氨氮會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用，抑制甲烷的合成[14]。一般認(rèn)為，氨氮質(zhì)量濃度為50～200 mg/L時(shí)利于厭氧消化；200～1 500 mg/L時(shí)對(duì)系統(tǒng)無明顯拮抗作用；1 500～3 000 mg/L時(shí)產(chǎn)甲烷菌活性會(huì)受到較大抑制[20]。從圖7可以看出，各處理發(fā)酵過程的氨氮濃度均未達(dá)到抑制濃度（1500～3000 mg/L），且隨發(fā)酵天數(shù)的延長呈下降趨勢(shì)，這可能是添加了適宜量的玉米秸稈，使得物料C/N較為適宜，體系氨氮濃度趨于均衡，水解微生物和產(chǎn)甲烷微生物的平衡增殖保證了厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)組分的供需平衡，且在每日投入物料濃度較低的情況下，水解微生物在利用含氮有機(jī)物時(shí)不會(huì)短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化大量NH4+而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較高濃度氨氮累積。隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間延長，即使每日按時(shí)補(bǔ)充新鮮物料，氨氮的整體趨勢(shì)也在不斷下降，發(fā)酵12 d后，各處理氨氮濃度下降速率由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4，越接近發(fā)酵后期，氨氮濃度越低，表明發(fā)酵體系中有害物質(zhì)堆積越少，越有利于后端產(chǎn)物沼液的無害化利用。T1、T2處理的進(jìn)料量在發(fā)酵中期（12 d）后氨氮濃度較T3、T4處理下降更快，表明系統(tǒng)中的有害物質(zhì)殘留更少，有利于沼液的二次處理。

2.2.4 化學(xué)需氧量（COD）COD是衡量物料中有機(jī)物的重要指標(biāo)之一。有機(jī)質(zhì)含量的高低對(duì)于總產(chǎn)甲烷量有重要影響，在C/N適宜的情況下，COD含量越高有機(jī)質(zhì)越多，作為發(fā)酵底物被微生物利用產(chǎn)生的沼氣就越多。從圖8可以看出，各處理發(fā)酵過程COD濃度總的變化規(guī)律為“升高—降低—升高—降低”。各處理第6天達(dá)到首個(gè)COD濃度峰值，其中T2處理最高，為4 165.7 mg/L，表明在發(fā)酵前6 d是水解階段的活躍期，水解微生物迅速增殖并將物料中有機(jī)成分水解釋放到料液中，結(jié)合日產(chǎn)氣量變化，發(fā)酵第6～9天同樣是日產(chǎn)氣量首個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間，表明6～9 d為產(chǎn)甲烷微生物的活躍階段，產(chǎn)甲烷微生物快速消耗水解菌的代謝產(chǎn)物用以產(chǎn)生沼氣。此后由于新鮮物料投加，水解階段再度活躍，料液中COD濃度再次升高，達(dá)到第2個(gè)峰值后又進(jìn)入產(chǎn)甲烷的活躍階段，如此循環(huán)。不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)料液中COD濃度變化的影響是顯著的，每個(gè)變化周期內(nèi)COD濃度的峰值高低均不相同，發(fā)酵第6天峰值由高到低依次為T2＞T4＞T3＞T1；第12天峰值由高到低依次為T2＞T4＞T1＞T3；第18天峰值由高到低依次為T2＞T3＞T4＞T1，各峰值處T2處理均為最高，可見以T2處理作為適宜進(jìn)料負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)中微生物利用新鮮有機(jī)物料進(jìn)行生化反應(yīng)的效率較高，在水解優(yōu)勢(shì)階段釋放到料液中的有機(jī)組分較多，能夠?yàn)楫a(chǎn)甲烷階段提供較多的底物。

3 討論

3.1 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果評(píng)價(jià)

在非連續(xù)進(jìn)出料發(fā)酵模式中，系統(tǒng)的初始pH、溫度及不同物料的混合比等因素對(duì)發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響作用較大。王勇等[21]的研究結(jié)果表明，通過初始pH和發(fā)酵溫度的優(yōu)化控制可提升產(chǎn)氫微生物的利用效率，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；湯昀等[22]探究了不同物料配比對(duì)雞糞玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣影響，結(jié)果表明，雞糞秸稈比為6∶4時(shí)可有效提升混合發(fā)酵產(chǎn)氣效率。因此，在非連續(xù)進(jìn)出料發(fā)酵模式中，產(chǎn)氣量及系統(tǒng)穩(wěn)定性易受發(fā)酵初始因素控制。而在連續(xù)進(jìn)出料發(fā)酵模式中，系統(tǒng)需要不斷重復(fù)進(jìn)出料過程，發(fā)酵過程中pH、溫度等因素的環(huán)境平衡容易被打破，相對(duì)非連續(xù)進(jìn)出料發(fā)酵模式更容易出現(xiàn)產(chǎn)氣不穩(wěn)定的情況，進(jìn)料負(fù)荷的不同將直接影響發(fā)酵系統(tǒng)中微生物因系統(tǒng)有機(jī)物濃度變化而產(chǎn)生的生化反應(yīng)改變。本研究中，隨著日進(jìn)料負(fù)荷的降低，產(chǎn)甲烷總量整體呈下降趨勢(shì)，但在1.58 g/（L·d）進(jìn)料負(fù)荷基礎(chǔ)上繼續(xù)增加物料量產(chǎn)甲烷總量沒有顯著提高，但相比低于此量的進(jìn)料負(fù)荷提升顯著，表明該進(jìn)料負(fù)荷可在保證較高產(chǎn)甲烷量的情況下盡可能減少物料的投入和排出，對(duì)沼氣工程而言具有降低運(yùn)行成本的效果。本研究中，混合發(fā)酵體系在1.58 g/（L·d）進(jìn)料負(fù)荷下可保持較高產(chǎn)甲烷效果的原因可能是新鮮物料中有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充量與發(fā)酵系統(tǒng)微生物水解階段消耗的有機(jī)質(zhì)量相對(duì)一致，微生物菌群能夠適應(yīng)新鮮物料投入后對(duì)體系穩(wěn)態(tài)環(huán)境的破壞和沖擊作用。通過日產(chǎn)甲烷量變化發(fā)現(xiàn)，在T2處理發(fā)酵第7天至發(fā)酵后期，日產(chǎn)甲烷量保持相對(duì)穩(wěn)定，沒有明顯的數(shù)值波動(dòng)，同樣表明產(chǎn)甲烷微生物可以適應(yīng)進(jìn)出料對(duì)系統(tǒng)的沖擊作用。

3.2 進(jìn)料負(fù)荷對(duì)混合厭氧發(fā)酵體系VFAs濃度變化影響

不同進(jìn)料負(fù)荷通過影響發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性間接控制產(chǎn)甲烷量的高低，穩(wěn)定性對(duì)沼氣工程的正常運(yùn)行具有十分重要的作用，揮發(fā)性脂肪酸濃度變化、堿度變化及COD轉(zhuǎn)化均會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究中不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)各處理VFAs濃度的變化趨勢(shì)影響明顯，VFAs是厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中重要的中間產(chǎn)物，VFAs的大量累積會(huì)引發(fā)發(fā)酵系統(tǒng)的酸化，雖然pH在合理的區(qū)間內(nèi)，但微生物的生化活動(dòng)受到抑制，長期刺激會(huì)導(dǎo)致微生物菌群各項(xiàng)反應(yīng)失活，最終導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行失敗[23]。本研究中在發(fā)酵周期內(nèi)VFAs濃度呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化，隨進(jìn)料負(fù)荷的不同呈現(xiàn)不同的波動(dòng)趨勢(shì)，T2處理較其他處理的波動(dòng)幅度較小，發(fā)酵第9天后VFAs濃度基本穩(wěn)定在800 mg/L左右，原因可能是隨著進(jìn)出料的不斷進(jìn)行，水解產(chǎn)酸菌產(chǎn)出VFAs的速率與產(chǎn)甲烷菌利用VFAs的速率接近平緩，VFAs呈現(xiàn)穩(wěn)定現(xiàn)象。對(duì)比其他處理，增加日進(jìn)料負(fù)荷或減少日進(jìn)料負(fù)荷，VFAs濃度均出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，發(fā)酵中期出現(xiàn)有機(jī)酸的過度消耗和累積均不利于產(chǎn)甲烷菌的生化反應(yīng)，最終表現(xiàn)為產(chǎn)甲烷量少或產(chǎn)甲烷量無顯著提升，這與本研究產(chǎn)甲烷總量變化規(guī)律一致。隨著日進(jìn)料負(fù)荷的增加直至達(dá)到1.85 g/（L·d）時(shí)，VFAs濃度并沒有出現(xiàn)大幅度增加，始終維持在1 200 mg/L以下，所以，本研究最高日進(jìn)料負(fù)荷下未出現(xiàn)酸累積而導(dǎo)致的發(fā)酵系統(tǒng)崩潰情況，這與郭建斌等[24]的研究中有機(jī)負(fù)荷在1.3～4.3 kg/（m3·d）時(shí)VFAs未出現(xiàn)酸累積的結(jié)果一致。此外，不同進(jìn)料負(fù)荷對(duì)發(fā)酵體系具有沖擊作用影響時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)中VFAs不能及時(shí)轉(zhuǎn)化為甲烷，產(chǎn)氫乙酸菌不能正常降解丁酸、丙酸等時(shí)，也是造成VFAs濃度在發(fā)酵產(chǎn)氣穩(wěn)定期波動(dòng)較大的原因[25]，雖然不適宜的進(jìn)料負(fù)荷造成了發(fā)酵系統(tǒng)的相對(duì)不穩(wěn)定，但可能只是抑制了產(chǎn)甲烷菌的反應(yīng)活性，造成產(chǎn)甲烷總量降低或不再明顯升高，并沒有對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用。

4 結(jié)論

在中溫發(fā)酵條件下，牛糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷總量隨日進(jìn)料負(fù)荷的增加而呈上升趨勢(shì)，VS產(chǎn)甲烷量隨日進(jìn)料負(fù)荷的增加而呈下降趨勢(shì)。當(dāng)日進(jìn)料負(fù)荷達(dá)到1.58 g/（L·d）時(shí)，產(chǎn)甲烷總量和VS產(chǎn)甲烷量分別為59.16 L和0.115 L/g，均不再顯著增加。T2處理的日進(jìn)料負(fù)荷在保證產(chǎn)甲烷量的情況下，理論上降低了沼氣工程運(yùn)行成本，可以作為牛糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵適宜的日進(jìn)料負(fù)荷量。不同日進(jìn)料負(fù)荷對(duì)厭氧發(fā)酵過程中堿度及氨氮濃度影響變化的趨勢(shì)相同，且均在微生物生化活動(dòng)適宜的范圍內(nèi)變化。對(duì)VFAs濃度的變化影響較大，除T2外其他各處理VFAs波動(dòng)幅度較大，但均在合理范圍內(nèi)變化，沒有出現(xiàn)酸累積造成的產(chǎn)氣抑制現(xiàn)象。