牛糞與豬糞混合兩相厭氧發(fā)酵酸化特性

關(guān)正軍，馬吉龍，畢蘭平，孫先麗

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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牛糞與豬糞混合兩相厭氧發(fā)酵酸化特性

關(guān)正軍，馬吉龍，畢蘭平，孫先麗

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：研究了牛糞分離液和豬糞按比例調(diào)配的混合物料，在兩相厭氧發(fā)酵進(jìn)程中，物料濃度(TS)分別為8 %、10 %、12 %時的酸化特性。酸化試驗(yàn)過程中考察的指標(biāo)有pH、氨氮和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等。依據(jù)酸化過程中各指標(biāo)的變化趨勢，確定濃度為8 %、10 %、12 %3組混合物料酸化過程的HRT分別為7、5、5天。研究結(jié)果可為牛糞分離液與豬糞混合兩相厭氧發(fā)酵酸化過程工藝參數(shù)控制提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混合；兩相厭氧發(fā)酵；酸化特性；沼氣

0引言

牛糞是沼氣發(fā)酵過程中常用的原料，但由于粗纖維含量大、速效養(yǎng)分不高、產(chǎn)氣率低,制約了沼氣工程的發(fā)展。盡管以牛糞為原料的發(fā)酵過程氣質(zhì)量好、緩沖能力強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；但單一牛糞中的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素是一定的，難以為發(fā)酵微生物的生長繁殖和新陳代謝等生命活動提供全面而均衡的營養(yǎng)。同時，牛糞中纖維含量高，發(fā)酵周期長，在一定程度上制約了沼氣工程的運(yùn)行效率[1-2]。

混合發(fā)酵是指將互補(bǔ)性的幾種原料放在一起進(jìn)行厭氧發(fā)酵的技術(shù)，是近年來厭氧發(fā)酵領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[3]。將較難分解的有機(jī)物與易分解有機(jī)物混合發(fā)酵不但同時處理了幾種發(fā)酵原料，提高設(shè)備的利用率，節(jié)約成本；而且由于原料之間的互補(bǔ)性和對有害物質(zhì)的稀釋，可以提高發(fā)酵原料的生物轉(zhuǎn)化率[4-5]。牛糞中C/N高，易降解物質(zhì)少，致使發(fā)酵周期長，在牛糞中添加C/N低的豬糞進(jìn)行混合發(fā)酵，可以彌補(bǔ)單一原料的缺點(diǎn)，提高產(chǎn)氣效果和設(shè)備的利用率。

兩相厭氧發(fā)酵工藝是基于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌這兩類在增殖速率和生長環(huán)境方面完全不同的微生物類群而提出的一種新型發(fā)酵工藝。在兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌被置于不同的反應(yīng)器內(nèi)，并為它們提供最佳的生長代謝條件，使之能夠發(fā)揮各自最大的活性，從而避免了單相厭氧發(fā)酵工藝中微生物之間的干擾以及代謝產(chǎn)物對微生物的抑制作用，因此具有比單相厭氧發(fā)酵工藝更高的處理能力和處理效率，系統(tǒng)的抗沖擊能力和穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)[6-7]。

為了提高設(shè)備利用率和甲烷產(chǎn)率，常規(guī)濕法發(fā)酵的料液濃度(發(fā)酵物料中干物質(zhì)的量占總發(fā)酵物料的質(zhì)量百分比)為8%。在本試驗(yàn)中，由于對牛糞進(jìn)行了固液分離預(yù)處理，去除了大部分難降解的粗纖維，分離液粘度降低，使得高濃度厭氧發(fā)酵成為可能。為了探索高濃度發(fā)酵的可行性，在牛糞分離液中添加豬糞，將發(fā)酵料液濃度提高到10%、12%，并與8%料液濃度對比，研究混合原料高濃度兩相厭氧發(fā)酵酸化特性。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所采用的發(fā)酵原料為新鮮牛糞、牛糞分離液和豬糞。牛糞取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，牛飼料的主要成分為青儲飼料；取來的牛糞2∶1(質(zhì)量比)加水稀釋后采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的固液分離機(jī)進(jìn)行分離，所得的液體部分即為牛糞分離液[8]。豬糞取自哈爾濱市香坊區(qū)某養(yǎng)殖戶，豬飼料為豆渣和麩皮；接種物為實(shí)驗(yàn)室連續(xù)發(fā)酵過程中富含產(chǎn)甲烷菌的發(fā)酵后液體。發(fā)酵前對原料進(jìn)行參數(shù)測量，包括TS、VS、木質(zhì)纖維素、黏度和碳氮比(C/N)，結(jié)果如表1所示。

1.2試驗(yàn)主要儀器

試驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備有自行研制的螺旋擠壓固液分離機(jī)、數(shù)顯黏度計(jì)、電子天平、高速離心機(jī)、冷凍冰柜、Fibertec 1020型纖維分析儀、LiquiTOC分析儀、Kjeltec2300氮分析儀，以及GC6890氣相色譜儀等。

表1　沼氣發(fā)酵原料參數(shù)表

1.3試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)研究的是牛糞分離液和豬糞按比例調(diào)配的混合原料酸化過程的變化規(guī)律，根據(jù)酸化進(jìn)程中各指標(biāo)的變化進(jìn)而確定酸化的水力停留時間(HRT)。牛糞分離液中C/N高、速效養(yǎng)分低、難降解物質(zhì)多，導(dǎo)致發(fā)酵周期長、產(chǎn)氣量不高。采用在分離液中添加C/N低的豬糞可以彌補(bǔ)單一牛糞發(fā)酵的缺陷，提高產(chǎn)氣率、節(jié)約運(yùn)行成本。實(shí)驗(yàn)開始前，先測定牛糞分離液和豬糞的C/N，根據(jù)厭氧發(fā)酵正常進(jìn)行所需的合適C/N(20～30之間)，調(diào)節(jié)二者的混合配比；通過一組預(yù)實(shí)驗(yàn)，得出在牛糞分離液中添加30%豬糞的混合組發(fā)酵效果最好，由此得到最佳混合比例。發(fā)酵料液總固體濃度(TS)分8%、10%和12%3組。實(shí)驗(yàn)在中溫條件下進(jìn)行，采用恒溫水浴槽控制發(fā)酵溫度維持在(35±2)℃。發(fā)酵罐為帶上下口的玻璃瓶，有效發(fā)酵容積4.5L。實(shí)驗(yàn)開始時一次性投料，不使用接種物，酸化過程中無料液的進(jìn)出，每天定時監(jiān)測pH、氨氮及VFA等指標(biāo)。

2酸化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1pH的變化

pH對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中各類群細(xì)菌的生長繁殖和新陳代謝具有重要影響。產(chǎn)甲烷菌對pH變化敏感，原料的酸堿度應(yīng)為中性或微偏堿性，最佳酸堿度范圍較窄為6.5～7.8；水解酸化細(xì)菌對pH的適應(yīng)范圍廣，pH在5.0～8.5之間都能正常生長，有些產(chǎn)酸菌甚至在小于5的pH環(huán)境內(nèi)仍生長良好。

圖1是發(fā)酵濃度分別為8%、10%、12%3組混合物料兩相厭氧產(chǎn)酸相pH值的變化規(guī)律。從圖1中可以看出：隨著酸化的進(jìn)行，3組pH值的變化趨勢類似，整體都是先下降后升高；各組混合物料初始pH值都在7.20左右，酸化的前7天，TS為8%、10%、12%的3組物料的pH均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，并分別于第7天、第5天、第5天降至最低值。這是由于纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等復(fù)雜有機(jī)物在水解酸化微生物的作用下先被降解為簡單有機(jī)化合物如單糖、氨基酸和肽等，后在微生物胞內(nèi)酶的作用下，分解為低分子物質(zhì)，其中大部分是揮發(fā)性脂肪酸，導(dǎo)致系統(tǒng)pH大幅下降；水解酸化階段產(chǎn)生的大量揮發(fā)性脂肪酸和簡單有機(jī)酸為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的原料，同時產(chǎn)氨細(xì)菌的活動使氨態(tài)氮濃度升高，發(fā)酵料液中的氧化還原電位降低，又為甲烷菌提供了適宜的外部條件環(huán)境，促使產(chǎn)甲烷細(xì)菌迅速生長繁殖，分解利用有機(jī)酸，體系pH隨之升高。另外，從水解酸化菌和甲烷菌正常生長的pH范圍可知，3組混合物料，6天以后都進(jìn)入了產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷共生的階段。

圖1　產(chǎn)酸相pH值的變化曲線

2.2氨氮的變化

氨氮是厭氧發(fā)酵過程中一個非常重要的參數(shù)，但其具有兩面性。氨氮濃度在適宜的范圍時，既能作為微生物的氮源，又可在一定程度上調(diào)節(jié)系統(tǒng)的酸堿度、防止酸積累，為微生物的生長創(chuàng)造良好的條件，促進(jìn)微生物的生長代謝；然而氨氮濃度過高如氨氮質(zhì)量濃度增加到3 000mg/L以上時，就會引起抑制或毒害作用，降低微生物的活性，阻礙正常的發(fā)酵過程。因此，在厭氧發(fā)酵過程過程中，維持氨氮濃度在適宜的范圍具有重要的意義。

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的氮素主要來自原料中的含氮化合物，料液中的大分子含氮有機(jī)物在水解酸化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)氮化合物，小分子有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變化為無機(jī)態(tài)氮。厭氧環(huán)境中氨態(tài)氮是無機(jī)態(tài)氮存在的主要形式，在溶液中有離解型和非離解型兩種表現(xiàn)狀態(tài)，即NH3→NH4++OH-[9]。沼液中氨態(tài)氮含量的不斷變化是由兩方面的原因共同引起的：厭氧微生物生長過程中對氨氮的消耗，使得氨氮含量降低；有機(jī)物在分解過程中產(chǎn)生了大量可溶性氨氮，使氨氮濃度升高。

圖2為產(chǎn)酸相氨氮隨酸化時間的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)開始的第1天3組氨氮濃度急劇升高，分別從初始的0.78、0.94、1.09 mgN/g上升到0.83、1.07、1.19mgN/g。在隨后的2～7天，8 %混合組增幅平穩(wěn)，酸化第8天達(dá)到峰值0.93mgN/g，之后氨氮濃度在波動中降低，實(shí)驗(yàn)開始的第15天，降為0.86mgN/g；10 %混合組在酸化過程中有3個峰值，分別是第2天、第8天和第15天，其余酸化天數(shù)內(nèi)的氨氮濃度變化不大，除第1天外在1.05～1.07范圍內(nèi)。12 %混合組在酸化的2～6天，氨氮濃度呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其是開始的前3天氨氮濃度急劇升高，第7天以后波動比較大。3組混合物料前兩組的氨氮濃度(除個別點(diǎn))波動比較平緩，第3組升高降低的范圍較大。從圖2中可以看出：隨著發(fā)酵濃度的升高，氨氮濃度也會隨之升高。另外，對比圖1酸化過程中pH的變化趨勢圖可知，氨氮濃度對發(fā)酵體系pH的影響是明顯的。

圖2　產(chǎn)酸相氨氮的變化曲線

2.3揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的變化

揮發(fā)性脂肪酸是厭氧發(fā)酵過程中的重要指標(biāo)，其含量的多少可用以定性地判斷厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行的好壞。在兩相厭氧發(fā)酵過程中，產(chǎn)酸菌把各種復(fù)雜有機(jī)物如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)降解為簡單化合物，通過其生命活動為產(chǎn)甲烷菌提供了合成細(xì)胞物質(zhì)和產(chǎn)甲烷所需的營養(yǎng)物質(zhì)。產(chǎn)甲烷菌所利用的是產(chǎn)酸菌的代謝產(chǎn)物，如二氧化碳、乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等[10]。VFA的大小代表了有機(jī)物在水解酸化過程中產(chǎn)生這些簡單酸和醇的多少，即該有機(jī)物可生化降解能力的強(qiáng)弱。盡管VFA既不表示水解酸化階段產(chǎn)生的所有有機(jī)酸，也不表示直接轉(zhuǎn)化為甲烷的有機(jī)酸，但VFA作為厭氧生物學(xué)指標(biāo)具有極強(qiáng)的代表性。VFA是有機(jī)物厭氧分解能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，單位時間單位有機(jī)物產(chǎn)生VFA的多少，即代表了該有機(jī)物可降解能力的強(qiáng)弱[11-12]。

圖3為8 %混合物料、10 %混合物料和12 %混合物料3組產(chǎn)酸相揮發(fā)性脂肪酸總量的變化趨勢圖。在整個酸化周期內(nèi)，3組揮發(fā)性脂肪酸總量的變化趨勢基本一致，均是先迅速升高(1～2天)，然后波動性升高(3～7天)，第8天和15天為兩個最低點(diǎn)，最后趨于平緩的變化趨勢。這主要是因?yàn)樵谒峄跗谒峄?xì)菌將分離液和豬糞中的易降解物質(zhì)，迅速地轉(zhuǎn)化為簡單有機(jī)物，導(dǎo)致系統(tǒng)VFA含量的增加。隨著酸化的進(jìn)行，易降解物質(zhì)的減少，VFA增加的速率減慢。當(dāng)VFA含量增加到一定水平后會產(chǎn)生反饋抑制作用，抑制產(chǎn)酸過程的進(jìn)行，導(dǎo)致VFA含量增長緩慢。同時，發(fā)酵微生物將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮化合物，而氨氮又是無機(jī)氮存在的主要形式，系統(tǒng)氨氮的增加會使pH升高，產(chǎn)甲烷菌開始活躍，進(jìn)入到產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌共生階段。

圖3　產(chǎn)酸相揮發(fā)性脂肪酸總量的變化

從圖3中可以看出：隨著發(fā)酵濃度的升高，VFA總量也會隨之升高。這一點(diǎn)與圖2所示產(chǎn)酸相氨氮隨酸化時間的變化是一致的。同時，對比圖1和圖2可知：各實(shí)驗(yàn)組VFA總量的變化同pH和氨氮的變化幾乎是相反的；VFA總量升高的階段pH和氨氮降低，VFA總量降低的階段是pH和氨氮升高的階段；VFA總量升高，pH和氨氮剛好降低，VFA出現(xiàn)低值的時間pH和氨氮剛好達(dá)到最大值。

圖4為8%混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸的變化曲線圖。除乙醇的含量在整個酸化周期內(nèi)都為零外，乙酸、丙酸和丁酸含量的變化同VFA總量的變化趨勢基本上是一致的，都是先升高(1～7天)，第8天達(dá)到最低值，然后變化趨于平緩(9～15天)。乙酸含量的變化同總酸的變化最相似，發(fā)酵的前2天含量急劇升高，3～7天持續(xù)上升但增長速率小于總酸的增長速率，第7天達(dá)到最大值。丙酸的含量的變化以第8天為界，前7天緩慢上升，9天以后含量比較平穩(wěn)，幾乎沒有波動。丁酸的含量變化隨著酸化時間的推移呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢，但增幅相當(dāng)小。從圖4中可以看出，乙酸的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高高于其它兩種酸的含量，丙酸略高于丁酸，丁酸含量最少。

圖4　8%混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸的變化

圖5為10 %混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸隨酸化時間的變化曲線。乙醇的含量仍為零，乙酸、丙酸和丁酸3組含量的變化趨勢同VFA總量的變化趨勢大致相同，均是酸化初期先升高(1～5天)，中期波動性降低(6～8天)，后期變化較小整體較為平緩(9～14天)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的第15天VFA含量迅速降低。從圖5中可以看出：乙酸的變化趨勢和VFA總量的變化趨勢最相近，只是整體的變化幅度沒有VFA總量的那么大；丙酸除了也是在酸化第8天達(dá)到最小值和第15天含量急劇降低外，在酸化時間內(nèi)整體就分為前期(1～7天)的緩慢升高和后期(9～14天)的趨于穩(wěn)定；丁酸含量的變化同VFA總量的變化差別最大，總體波動較小。

圖5　10%混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸的變化

圖6為12%混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸隨酸化時間的變化曲線。水解酸化過程中在12 %混合物料酸化過程中仍沒有檢測到乙醇。乙酸、丙酸和丁酸3組含量的變化同VFA總量的變化趨勢基本一致，酸化的前4天VFA含量持續(xù)上升，酸化的中后期呈現(xiàn)階段性升降的變化。由圖可知：乙酸含量整體的變化同總VFA的變化最相似，升降的幅度相比總VFA要小很多；丙酸總體波幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乙酸的變化；丁酸的含量變化最為平穩(wěn)，最大值和最小值的差額較小。各VFA在第8天和13 d分別取得低值和高值，下面以這兩天為例說明各種VFA在酸化進(jìn)程中含量變化幅度的大小。總VFA這兩天的含量差值為2.09L/kg，而乙酸的差值僅為1.33L/kg，丙酸和丁酸的差值更小分別為0.58L/kg和0.18L/kg。

圖6　12%混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸的變化

圖7為不同發(fā)酵濃度下的混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸累積量的變化圖。從圖7中可以直觀的看出：12%實(shí)驗(yàn)組酸化過程中的累計(jì)量遠(yuǎn)高于其它兩組，高出第2組33.53%，是第1組的將近1.7倍；10%試驗(yàn)組酸化過程中的累計(jì)量為83.5L/kg介于第1組和第3組之間；8%試驗(yàn)組的累計(jì)量最少為65.8L/kg。實(shí)驗(yàn)過程中乙酸累積量的大小順序是12%組大于10 %大于8%組，12%組乙酸累積量是10%混合組的1.32倍，8%混合組的1.73倍；丙酸和丁酸累計(jì)量多少的規(guī)律同總酸和乙酸是一致的。由此，可以得出這樣的結(jié)論：隨著發(fā)酵濃度的增大，各種VFA酸化過程中的累計(jì)量均逐漸升高；盡管8%、10%和12%3組發(fā)酵物料中的牛糞和豬糞都是按照同樣的配比進(jìn)行混合的，但發(fā)酵濃度越高，物料中的干物質(zhì)也越高，相應(yīng)的易降解物質(zhì)也多，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的VFA的量也會高。

圖8 是產(chǎn)酸相各VFA在相應(yīng)的總酸累積量中所占的百分比。從圖8中可以看出：乙酸、丙酸、丁酸在不同濃度中的累計(jì)量百分比變化都不大，乙酸維持在63%～66%之間，丙酸在22 %左右，丁酸含量的百分比范圍為12%～14%。在3組實(shí)驗(yàn)中，10%混合組乙酸百分比含量最高，丙酸和丁酸的百分比都是最低的；8 %混合組的乙酸百分比含量最低，丙酸和丁酸的累積量百分比都最高；12 %混合組乙酸、丙酸和丁酸含量百分比都是介于8%和10%兩試驗(yàn)組之間。

圖7　混合物料產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸的變化

圖8　產(chǎn)酸相各揮發(fā)性脂肪酸累積量占總酸的比例

3結(jié)論

1) pH的變化：在酸化試驗(yàn)進(jìn)程中，3組發(fā)酵濃度的pH變化基本一致，均是先迅速降低，然后波動性變化，最后緩慢升高。10%和12%混合組在第5天降到最低，8%混合組酸化第7天降到最低。酸化中后期pH持續(xù)上升，進(jìn)入了產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷共生的階段。

2)氨氮的變化：3組試驗(yàn)水解酸化過程中氨氮變化趨勢先升高后降低。氨氮濃度的大小順序是：12%試驗(yàn)組>10%混合組>8%混合組。發(fā)酵濃度高的試驗(yàn)組氨氮濃度相應(yīng)的也高，發(fā)酵濃度低的實(shí)驗(yàn)組氨氮濃度也低。氨氮濃度對發(fā)酵體系pH的大小具有顯著影響。

3)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)總量及各組分的變化：不同發(fā)酵濃度的混合物料，在水解酸化進(jìn)程中VFA總量的變化是一致。VFA總量日產(chǎn)生量與發(fā)酵濃度相對應(yīng)。VFA與pH的變化負(fù)相關(guān)， VFA升高， pH降低；VFA降低，pH升高；VFA取得最大值的時期，pH恰好最低；VFA含量最低的點(diǎn)，pH恰好在這一天取得最大值。

依據(jù)酸化過程中各指標(biāo)的變化趨勢，確定濃度為8%、10%、12%3組混合物料酸化過程的HRT分別為7、5、5天。該結(jié)果可對牛糞分離液與豬糞混合兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)提供運(yùn)行依據(jù)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0250-EA

Acidification Characteristics of Two-phase Anaerobic Fermentation by Separated Liquids from Dairy Manure with Swine

Guan Zhengjun, Ma Jilong, Bi Lanping, Sun Xianli

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：The acidification characteristics of two-phase anaerobic fermentation by separated liquids from dairy manure combined with swine manure were investigated. We investigated with three TS levels 8%, 10%, and 12%. pH value, ammonia nitrogen and volatile fatty acids (VFA), etc were determined in the process of acidification characteristics test. Analysis of the results showed that the durations of the hydrolytic acidification phase were 7 d, 5 d, 5 d, respectively. Our findings could provide basis for process parameters of the hydrolytic acidification phase of two-phase anaerobic fermentation by separated liquids from dairy manure with swine manure.

Key words：co-digestion； two-phase anaerobic fermentation； acidification characteristics； biogas

文章編號：1003-188X(2016)07-0250-05

中圖分類號：S216.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：關(guān)正軍(1970-),男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhjguan@163.com。通訊作者：馬吉龍(1988-),男，黑龍江雙城人，碩士研究生，(E-mail)410534033@qq.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ12B01)

收稿日期：2015-08-03