劉啟嘉,楊宏志,,關(guān)鍵
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院,大慶 163319;2.國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心)
我國(guó)每年農(nóng)作物產(chǎn)量豐富,在發(fā)展秸稈的綜合利用方面有較大潛力[1],同時(shí)響應(yīng)國(guó)家當(dāng)下技術(shù)創(chuàng)新,減少石油、煤炭等高碳能源消耗[2],每年理論上可以回收秸稈資源量高達(dá)7億t以上[3],然而秸稈表面以苯基丙烷為基本結(jié)構(gòu)的天然芳香三維網(wǎng)狀聚合物[4-5]制約秸稈利用,隨著近年來(lái)畜牧業(yè)擴(kuò)增,使之農(nóng)業(yè)污染問(wèn)題逐步凸顯出來(lái)[6],已成為制約我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出問(wèn)題[7],在解決秸稈和畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成污染問(wèn)題上,目前主要采用厭氧發(fā)酵技術(shù)[8-10],因?yàn)閰捬醢l(fā)酵技術(shù)不僅可以將玉米秸稈和畜禽糞便進(jìn)行發(fā)酵制備生物燃?xì)?,而且還可以降低農(nóng)民日常的生活成本,提高農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用率緩解污染,利于鄉(xiāng)村生態(tài)文明發(fā)展[11]。
目前,絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是運(yùn)用Box-Behnken設(shè)計(jì)添加物單獨(dú)和玉米秸稈或牛糞的厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn),還有部分實(shí)驗(yàn)只是單獨(dú)對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵進(jìn)行研究或單獨(dú)對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵研究。在運(yùn)用Box-Behnken優(yōu)化生物炭與牛糞混合厭氧發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)中,王粟,史風(fēng)梅,李家磊等[12]通過(guò)比較不同生物炭原料對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響,發(fā)現(xiàn)水稻秸稈炭、玉米秸稈炭、稻殼秸稈炭三者之中,添加水稻秸稈生物炭原料對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的提升最為明顯。張浩等[13]在研究鋼渣微粉對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響中發(fā)現(xiàn)向牛糞厭氧發(fā)酵料液中添加鋼渣微粉不僅可以獲得較好的產(chǎn)氣效果,還可以加快發(fā)酵,縮短發(fā)酵周期,提高了發(fā)酵效率,降低了發(fā)酵成本在實(shí)際運(yùn)用中有良好的實(shí)用性。Zi-Lin S等[14]通過(guò)改良過(guò)氧化氫的消化工藝優(yōu)化了秸稈的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素降解,提高沼氣產(chǎn)氣率。在單獨(dú)對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中,李瑩等[15]通過(guò)控制預(yù)處理發(fā)酵秸稈溫度對(duì)玉米秸稈的影響,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制溫度、pH、玉米秸稈預(yù)處理時(shí)間,H2SO4濃度對(duì)玉米秸稈預(yù)處理可以提高玉米秸稈的產(chǎn)氣量。Liu Shan等[16]在研究尿素對(duì)巨型蘆葦青貯和序貫厭氧消化的影響中,發(fā)現(xiàn)尿素的添加降低了青貯過(guò)程中蘆葦纖維素和半纖維素的降解,提高了木質(zhì)素的降解,提高甲烷產(chǎn)量。在對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵研究實(shí)驗(yàn)中,張振等[17]研究了灰分對(duì)牛糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響,發(fā)現(xiàn)添加灰分對(duì)牛糞厭氧干發(fā)酵有促進(jìn)作用。李云芳等[18]研究了進(jìn)料配比對(duì)牛糞和玉米秸稈半連續(xù)厭氧發(fā)酵的影響當(dāng)牛糞和玉米秸稈的TSMR(Total Solid Mixing Ratios,TSMR)為1∶3時(shí),發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能明顯提高,分別比純牛糞和純玉米秸稈發(fā)酵提高了23.67%和20.44%。Wang H,Xu J[19]進(jìn)行了牛糞、鹿糞、蘑菇菌的混合試驗(yàn),系統(tǒng)的研究了不同溫度(20、35、50℃)下AD沼氣產(chǎn)量(日產(chǎn)量和累積產(chǎn)氣量)、CH4含量、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs),結(jié)果表明,隨著溫度的升高,沼氣池的產(chǎn)氣率和累積產(chǎn)氣率各比例均增加。經(jīng)過(guò)以上多種實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)溫度、添加物、固體質(zhì)量濃度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣影響尤為突出,為運(yùn)用響應(yīng)面建立黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)提供了單因素參考范圍。
實(shí)驗(yàn)主要采用Box-Behnken設(shè)計(jì),以黃貯和牛糞混合固體質(zhì)量濃度(TS)、發(fā)酵溫度、添加的不同濃度的NaOH,KOH為單因素,探究對(duì)混合固體厭氧產(chǎn)氣的影響。確定連續(xù)厭氧發(fā)酵的生物產(chǎn)氣最高值的固體質(zhì)量濃度(TS)、發(fā)酵溫度、NaOH的添加量,使之建立大慶周邊黃貯和牛糞混合發(fā)酵數(shù)學(xué)模型為以后的大慶的生物燃?xì)鈶?yīng)用提供參考。
黑龍江省大慶市周圍黃貯和大慶市杏樹(shù)崗奶牛廣場(chǎng)的牛糞,黃貯秸稈采集放入透氣的袋子(河北康寧編織品有限公司)中保持干燥。牛糞收集于真空塑料袋(通利達(dá)公司)備用牛糞放入保溫柜中溫度控制在0~5℃。接種物取自實(shí)驗(yàn)室,接種物在靜置數(shù)日后倒去上清液,將沉淀物放入5℃冰箱。
表1 實(shí)驗(yàn)原料基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental materials
表2 混合固體濃度(TS)配置方法Table 2 Mixed solid concentration(TS)configuration method
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、由3個(gè)500 mL廣口發(fā)酵瓶、2個(gè)真空袋、電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠,儀器編號(hào)HPX-9272MBE)、以及DW-9型微生物試劑分液器(杭州大微生物技術(shù)有限公司,儀器編號(hào)K17090214169),將實(shí)驗(yàn)原料放入500 mL廣口瓶中,并用軟膠管與真空袋連接,之后放入電熱恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行厭氧發(fā)酵,控制發(fā)酵溫度,采集的實(shí)驗(yàn)真空袋用DW-9型微生物試劑分液器導(dǎo)出,其儀器導(dǎo)出氣體端口連接飽和食鹽水的發(fā)酵瓶,并運(yùn)用排水法測(cè)量[20]發(fā)酵所產(chǎn)出氣體體積。
圖1 混合厭氧發(fā)酵裝置Fig.1 Mixed anaerobic fermentation device
1.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)
分別用1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH、1%KOH、2%KOH、3%KOH對(duì)黃貯進(jìn)行預(yù)處理,控制黃貯和牛糞混合的固體量濃質(zhì)度(TS)10%,和培養(yǎng)溫度35℃。以黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣為響應(yīng)值,觀察35 d不同濃度KOH對(duì)黃貯處理方法對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)調(diào)整單個(gè)因素,觀察黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量。以上厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)應(yīng)該嚴(yán)格處于厭氧環(huán)境的條件下。
1.3.2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),選取以上檢測(cè)指標(biāo)影響顯著的3個(gè)因素,設(shè)定合理的水平,進(jìn)行三因素三水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以NaOH添加量、b發(fā)酵溫度、c黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(TS)為變量,選取-1,0,1為自變量的水平,黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣為響應(yīng)值Y,根據(jù)Design Expert8.0的多元二次回歸方程,得到變量與響應(yīng)值最佳的配比。
牛糞(TS)、黃貯(TS)、黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(TS)、接種物的(TS)的測(cè)定是將實(shí)驗(yàn)樣品放入干燥箱烘干內(nèi),烘干到恒重,恒重樣品質(zhì)量與原先的樣品質(zhì)量的比用百分率表示。牛糞(VS)、黃貯(VS)、黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(VS)、接種物的(VS)的測(cè)定用恒溫干燥箱,馬弗爐,瓷干鍋,干燥器測(cè)出樣品中揮發(fā)性有機(jī)物的含量。
在實(shí)驗(yàn)中分別添加1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH、1%KOH、2%KOH、3%KOH,控制混合黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(TS)10%,培養(yǎng)溫度為35℃,以黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣為評(píng)價(jià)指標(biāo),系統(tǒng)的比較黃貯秸稈和牛糞厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中添加劑對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。由圖2可知,黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的整體趨勢(shì)是顯著升高,在黃貯與牛糞混合厭氧實(shí)驗(yàn)中添加2%NaOH的總產(chǎn)氣量高于實(shí)驗(yàn)的其它樣品的產(chǎn)氣量。添加1%KOH、2%KOH、3%KOH雖然使黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣發(fā)生變化,但由圖2可知其1%KOH、2%KOH、3%KOH的黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵總產(chǎn)氣量相比于1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH對(duì)黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵總產(chǎn)氣量效果不顯著,添加2%NaOH總厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量為1 752 mL高于1%NaOH、與3%NaOH總厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量1 421、1 573 mL。所以可以確定添加2%NaOH對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣作用最顯著。
圖2 KOH、NaOH對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.2 Effects of KOH and NaOH on total gas production
在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),黃貯和牛糞厭氧發(fā)酵中添加的NaOH、發(fā)酵溫度、黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃(TS)對(duì)其中溫度進(jìn)行調(diào)整,以黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣總量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
在黃貯秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵中添加2%NaOH,黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(TS)為10%的條件下,發(fā)酵溫度分別為30、35、40、45、50℃,觀察發(fā)酵溫度對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣影響。根據(jù)圖3可知實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每7天對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣總量進(jìn)行測(cè)量一次,整體厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣總量為上升趨勢(shì),21~28 d的整體產(chǎn)氣速率高于其他間隔天數(shù),在40℃條件下總產(chǎn)氣量1 824 mL高于其他溫度的總產(chǎn)氣量。
圖3 發(fā)酵溫度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on total gas production
在黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)中控制實(shí)驗(yàn)厭氧發(fā)酵溫度為40℃,實(shí)驗(yàn)NaOH濃度為2%的條件下,改變黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度(TS)。在黃貯秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵中分別添加10%、12%、14%黃貯和牛糞混合固體質(zhì)量,觀察35 d中10%、12%、14%的黃貯和牛糞混合固體質(zhì)量對(duì)整體實(shí)驗(yàn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響。由圖4可知黃貯和牛糞混合固體質(zhì)量濃度(TS)10%、12%、14%的總產(chǎn)氣量隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)上升狀態(tài),黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度為12%時(shí)總氣量最高為1 970 mL,大于黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度10%、14%的總產(chǎn)氣量1 824、1 774 mL。
圖4 混合固體對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.4 Effects of mixed solids on total gas production
表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken design experiments
由表4得到二次多項(xiàng)回歸方程為黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣總量=2 152.40+27.65 A-85.25 B+25.88 C+4.25 AB+14.50 AC-50.75 BC-191.2 A2-275.95 B2-153.70 C2通過(guò)該方程得到的表5進(jìn)行分析可知該回歸模型的F=25.37、P=0.000 2、因?yàn)镻<0.01則說(shuō)明該模型差異性明顯,又由該二次方程失擬項(xiàng)中F值可知F=5.79、P=0.061 4、P>0.05說(shuō)明該模型失擬中差異性不明顯,與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)融合度高,整體誤差小,可以進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)最優(yōu)化分析。模型的決定系數(shù)R2=0.970 2、調(diào)整決定系數(shù)R2adj=0.932 0說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中93.20%是由該實(shí)驗(yàn)因素引起的。模型的C.V.%=3.01、Adeq Precision=13.594 8則證明該實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜏?zhǔn)確性高,可信度高。
表4 各因素組合及結(jié)果Table 4 Combination and results of each factor
表5 回歸模型方差分析Table 5 Analysis of variance of regression model
由該方程可知,溫度F值1.94、P=0.205 9、NaOH濃度F值1.71、P=0.232 8當(dāng)P<0.05為差異顯著所以可知溫度NaOH濃度對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量影響有限,黃貯和牛糞混合濃度(TS)F值18.52、P=0.003 6當(dāng)P<0.01為差異極顯著所以可知黃貯和牛糞混合濃度(TS)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量實(shí)驗(yàn)影響極顯著。又由該方程的p值可知A2、C2、B2、對(duì)實(shí)驗(yàn)影響極顯著。
利用Design Expert8.0軟件對(duì)該二次多項(xiàng)回歸方程進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到實(shí)驗(yàn)各個(gè)因素交叉相互作用的等高線圖,所得到等高線圖呈現(xiàn)橢圓狀則說(shuō)明兩者交叉作用對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果顯著。
根據(jù)圖5和圖6對(duì)NaOH濃度與溫度兩者因素交叉分析可知,黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量隨著溫度和NaOH濃度增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì),當(dāng)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量達(dá)到最高點(diǎn)后呈現(xiàn)緩慢下降狀態(tài),同時(shí),在NaOH濃度與溫度兩因素中,NaOH濃度相對(duì)于溫度來(lái)說(shuō)對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響更加顯著。
圖5 、6 NaOH濃度和溫度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.5 and 6 Effects of NaOH concentration and temperature on total gas production
由圖7、8得到黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度和NaOH濃度兩因素交叉所得到等高線圖呈現(xiàn)橢圓狀說(shuō)明兩因素對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果明顯。由于其平面圖可知在NaOH濃度和黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度兩因素中,牛糞混合固體質(zhì)量濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響相對(duì)NaOH濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量更加顯著。
圖7 、8 NaOH濃度和混合濃度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.7 and 8 Effects of NaOH concentration and mixture concentration on total gas production
由圖9、10可知在黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度和溫度兩因素之中,黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響相對(duì)于溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響弱一些。黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量隨著黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度與NaOH濃度增加呈現(xiàn)急速升高的趨勢(shì),當(dāng)混合產(chǎn)氣量達(dá)到最高峰后又隨著黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度與NaOH濃度的增加呈現(xiàn)緩慢下降。
圖9 、10 溫度和混合濃度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響Fig.9 and 10 Effects of temperature and mixing concentration on total gas production
經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量相比較于1%KOH、2%KOH、3%KOH對(duì)黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵總產(chǎn)氣量更加顯著,根據(jù)金屬活潑性判斷,即越活潑的金屬對(duì)應(yīng)的氫氧化物的堿性越強(qiáng),所以可知KOH比NaOH的堿性強(qiáng),又因?yàn)榛瘜W(xué)物質(zhì)的堿性強(qiáng)弱與其堿的電離程度有關(guān),而KOH與NaOH都是完全的強(qiáng)電解質(zhì),所以根據(jù)摩爾質(zhì)量即單位物質(zhì)的量的物質(zhì)所具有的質(zhì)量,KOH和NaOH的相對(duì)分子質(zhì)量分別是56、40,則KOH和NaOH固體的摩爾質(zhì)量分別是56、40 g·mol-1、物質(zhì)的量=物質(zhì)的質(zhì)量÷物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,則相同質(zhì)量的KOH和NaOH固體的物質(zhì)的量之比為m56 g·mol-1∶m40 g·mol-1=5∶7,所以在實(shí)驗(yàn)中添加1%KOH、2%KOH、3%KOH、1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH的混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)中,在控制混合黃貯和牛糞的固體質(zhì)量濃度10%,培養(yǎng)溫度為35℃不變情況下,OH-的比例分別為5∶10∶15、7∶14∶21又因其實(shí)驗(yàn)總產(chǎn)氣量分別為1 241、1 264、1 297、1 421、1 752、1 573 mL可以發(fā)現(xiàn)溶液中OH-根比為15、14時(shí)其總產(chǎn)氣量分別是1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH和1%KOH、2%KOH、3%KOH中產(chǎn)氣的最高值,則可以確定溶液中OH-根比例為15左右對(duì)實(shí)驗(yàn)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響更加顯著,而NaOH溶液整體比KOH溶液整體產(chǎn)氣量高,可能是因K+對(duì)實(shí)驗(yàn)牛糞混秸混合中的牛糞菌群有一定厭氧抑制作用,其猜測(cè)還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
采用單因素試驗(yàn),比較添加不同濃度KOH、NaOH對(duì)混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH對(duì)黃貯和牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量相比較于1%KOH、2%KOH、3%KOH對(duì)黃貯與牛糞混合厭氧發(fā)酵總產(chǎn)氣量更加顯著,所以采用NaOH添加量、發(fā)酵溫度、黃貯和牛糞混合的固體質(zhì)量濃度為變量,采用響應(yīng)面法對(duì)該模型交叉分析,最后得到該模型最優(yōu)的工藝條件為NaOH濃度為2.115%,溫度為40.374℃,黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度(TS)11.67%,預(yù)測(cè)最佳的混合產(chǎn)氣量2161.92 mL。為了驗(yàn)證最佳優(yōu)化工藝的準(zhǔn)確性,首先對(duì)黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度(TS)進(jìn)行配置。用黃貯14.10 g,牛糞36.50 g配置黃貯與牛糞混合固體質(zhì)量濃度(TS)11.70%,控制NaOH濃度為2.11%,溫度為40.40℃進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn),取其平均值獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2 150±40 mL在該模型預(yù)測(cè)范圍2%以內(nèi),更加驗(yàn)證該模型準(zhǔn)確性,證明該黃貯與牛糞混合發(fā)酵的數(shù)學(xué)模型可以為生物燃?xì)鈶?yīng)用提供參考。
黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)2022年1期