羊糞與尾菜配比對(duì)高固體厭氧消化性能的影響

齊利格娃，張克強(qiáng)，2，田雪力，翟中葳，2，杜連柱，2，丁飛飛，梁軍鋒，2*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，云南 大理 671004）

近年來，隨著集約化、規(guī)模化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量與日俱增。據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年羊糞與尾菜產(chǎn)量分別高達(dá)4千萬t[1]與1億t[2]。這些農(nóng)業(yè)廢棄物多數(shù)未得到有效處理而直接排放到環(huán)境中，成為影響土壤、水體等環(huán)境的污染源。如何解決畜禽糞便、尾菜等農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染問題已經(jīng)成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

在各種農(nóng)業(yè)廢棄物的處理方式中，厭氧消化技術(shù)是高效的處理方法之一，已在豬糞、雞糞、牛糞、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的處理中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。但是，已有大量研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用單一原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵的厭氧消化效率不高，而多種原料聯(lián)合進(jìn)行厭氧共發(fā)酵可顯著提高厭氧消化效果[6-8]。張洪賓等[9]研究表明，將牛糞與小麥秸稈進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵，其產(chǎn)氣量顯著高于牛糞與秸稈單獨(dú)厭氧發(fā)酵，其中牛糞與小麥秸稈配比為1∶1時(shí)的產(chǎn)氣量比牛糞單獨(dú)發(fā)酵提高11.5%。Lehtom?ki等[5]將牛糞與不同作物秸稈進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵，可以使純牛糞的單位容積甲烷產(chǎn)量提高16%～65%。目前，已有少量關(guān)于羊糞與農(nóng)作物秸稈[10]、城市有機(jī)垃圾[11]、豬糞[12]等廢棄物聯(lián)合共發(fā)酵提高厭氧發(fā)酵效率的報(bào)道，但尚未見羊糞與尾菜聯(lián)合厭氧消化方面的研究報(bào)道。

因此，本試驗(yàn)以羊糞與尾菜作為發(fā)酵原料，在初始有機(jī)負(fù)荷為45 g VS·L-1、中溫（37±1℃）條件下進(jìn)行高固體聯(lián)合厭氧發(fā)酵，研究羊糞與尾菜配比對(duì)厭氧消化性能的影響，通過對(duì)不同原料配比的累積揮發(fā)性固體（VS）甲烷產(chǎn)率及修正的Gompertz動(dòng)力學(xué)模型模擬產(chǎn)氣過程，確定較優(yōu)的原料配比，以期為羊糞與尾菜高固體聯(lián)合厭氧發(fā)酵在工程上的應(yīng)用提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

表1 發(fā)酵原料及接種物的基本理化性質(zhì)Table1 Basic characteristics of substrates and inoculums

圖1 羊糞與尾菜的有機(jī)組分含量Figure1 Organic composition of sheep manure and vegetable residues

圖2 厭氧試驗(yàn)裝置Figure2 Anaerobic experimental setup

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

羊糞取自甘肅某規(guī)?；犸暼怵B(yǎng)殖場(chǎng)，剔除大塊石子等雜物后置于4℃冰箱中備用。尾菜取自甘肅某蔬菜種植合作社，為娃娃菜收割后的尾菜，經(jīng)破碎均質(zhì)后置于4℃冰箱中備用。接種物取自天津某運(yùn)行良好的污水處理廠厭氧消化階段的厭氧活性污泥。發(fā)酵原料和接種物的基本理化特性與有機(jī)組分含量分別如表1、圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用測(cè)壓法進(jìn)行厭氧批式試驗(yàn)。具體方法如下：采用有效容積為619 mL的厭氧瓶作為厭氧發(fā)酵裝置（圖2）。設(shè)置初始發(fā)酵體系的有機(jī)負(fù)荷為45 g VS·L-1，試驗(yàn)共設(shè)置7個(gè)處理（表2），分別為羊糞與尾菜揮發(fā)性固體（VS）質(zhì)量比1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1，每處理重復(fù)3次。試驗(yàn)中接種物與底物的添加比設(shè)置為1.25∶1（VS質(zhì)量比），用自來水補(bǔ)齊發(fā)酵體系的總質(zhì)量至200 g，剩余頂空體積用于收集沼氣[13]。發(fā)酵原料添加完畢后，向厭氧發(fā)酵瓶中沖入氮?dú)?，持續(xù)2 min，以排盡厭氧瓶頂部空間中的空氣，保持發(fā)酵體系的厭氧環(huán)境。然后在厭氧瓶頂部塞上丁基橡膠塞，并加蓋擰緊。將各厭氧瓶于37±1℃的恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)，每日用手搖晃2次，使發(fā)酵體系均勻。每日定期使用精密微量氣體壓力測(cè)定儀（GWH3111，德國(guó)）測(cè)定各厭氧瓶中的氣體壓力，并用氣體狀態(tài)方程將氣體壓力轉(zhuǎn)化為氣體體積。定期用注射器采集厭氧瓶頂部的氣體樣品，用于測(cè)定沼氣組分含量。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table2 Experimental design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

總固體含量（TS）、VS含量采用重量法測(cè)定[14]?？傆袡C(jī)碳（TOC）由VS乘以0.47計(jì)算得到[15]?？偟═N）采用凱氏定氮法測(cè)定，粗蛋白含量由凱氏氮乘以6.25計(jì)算得到[16]。根據(jù)吳曉杰[17]方法測(cè)定羊糞、尾菜和接種物的纖維素、半纖維素與木質(zhì)素含量?？扇苄蕴遣捎幂焱?硫酸法測(cè)定[18]。粗脂肪根據(jù)GB/T 5009.6—2003中酸水解法測(cè)定。

沼氣組分含量通過氣相色譜儀測(cè)定（Trace1300，Thermo，美國(guó)），色譜柱采用2 m×φ3 mm的Porapak Q柱，檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），采用高純氦氣作為載氣，測(cè)定條件為：載氣流速8 mL·min-1，柱溫40℃，檢測(cè)器溫度200℃，進(jìn)樣口溫度120℃[19]。

揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）通過氣相色譜法測(cè)定[20]，色譜柱為30 m×0.35 mm×1 μm的毛細(xì)管柱；進(jìn)樣口溫度為200℃，檢測(cè)器溫度為220℃，載氣流速8 mL·min-1。根據(jù)胡榮篤[21]的計(jì)算方法，將發(fā)酵液中各種脂肪酸的濃度換算成乙酸的濃度來計(jì)算分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2007進(jìn)行處理，采用SPSS軟件進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析。

試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)分析采用修正的Gompertz模型模擬發(fā)酵過程中累積VS甲烷產(chǎn)率，該模型可計(jì)算厭氧高固體發(fā)酵最終甲烷產(chǎn)量、最大產(chǎn)甲烷速率和遲滯期[22-26]。模型方程見式（1）：

式中：M為t時(shí)刻累積VS甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；P為最終累積VS甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；Rm為最大VS產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1·d-1；λ為遲滯期，d。

圖3 各處理日產(chǎn)氣量的變化Figure3 The change of daily biogas yield in each treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 羊糞與尾菜配比對(duì)產(chǎn)沼氣性能的影響

羊糞與尾菜不同配比厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣產(chǎn)率見圖3。由圖3可知，羊糞單獨(dú)厭氧處理（1∶0）在發(fā)酵期間僅在第7 d出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)沼氣量為99 mL。羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理產(chǎn)氣啟動(dòng)相對(duì)滯后，產(chǎn)氣狀態(tài)不佳，這可能是由于羊糞的木質(zhì)素含量很高，不易水解，使得纖維素、半纖維素沒有被有效降解利用，產(chǎn)甲烷菌無法獲得充足的代謝底物，影響其轉(zhuǎn)化效率[27]。羊糞與尾菜配比為3∶1、2∶1的處理，在發(fā)酵期間有兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，第一個(gè)產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第2 d，日產(chǎn)沼氣量分別為99、136 mL，第二個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第7、8 d出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為128、157 mL。1∶1、1∶2、1∶3處理在發(fā)酵期間有三個(gè)產(chǎn)氣高峰，第一個(gè)產(chǎn)氣高峰均在第2 d出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為142、136、151 mL，第二個(gè)產(chǎn)氣高峰均在第8 d出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為178、187、193 mL，第三個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第13、15、16 d出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為105、100、99 mL。尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理（0∶1）在發(fā)酵期間有兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，但第二個(gè)產(chǎn)氣高峰與其他處理相比出現(xiàn)時(shí)間較晚，這是由于尾菜纖維素、粗蛋白含量較高，易被發(fā)酵型細(xì)菌水解，在發(fā)酵過程中出現(xiàn)了一定程度的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）積累，抑制甲烷菌的生長(zhǎng)[28]。由此可見，與羊糞或尾菜單獨(dú)發(fā)酵相比，羊糞與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵能夠較大程度地提高生物降解能力和沼氣產(chǎn)量，這與韓文彪等[11]對(duì)城市有機(jī)垃圾和羊糞進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵的試驗(yàn)結(jié)果一致。

羊糞與尾菜不同配比厭氧發(fā)酵的累積VS甲烷產(chǎn)率見圖4和表3。由圖4和表3可知，羊糞與尾菜聯(lián)合厭氧發(fā)酵可提高甲烷產(chǎn)率。當(dāng)羊糞與尾菜聯(lián)合厭氧發(fā)酵時(shí)，在發(fā)酵的第12 d（厭氧發(fā)酵活躍期），各配比（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）累積VS甲烷產(chǎn)率均顯著高于羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵處理和尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵處理（P＜0.05），分別較羊糞和尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理提高37.2%～69.7%和142.0%～199.4%。在發(fā)酵的第32 d（厭氧發(fā)酵結(jié)束期），各配比（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的累積VS甲烷產(chǎn)率分別為181.6、158.7、194.2、184.6、197.2 mL·g-1VS，均顯著（P＜0.05）高于羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理（147.9 mL·g-1VS），較該處理提高了 7.3%～33.3%；與尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理相比，羊糞與尾菜聯(lián)合發(fā)酵各處理的累積甲烷產(chǎn)率雖均較低，但羊糞與尾菜1∶1、1∶3配比與尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理相近，方差分析結(jié)果顯示差異均不顯著。由此可見，羊糞與纖維類原料適宜的配比不僅可以提前產(chǎn)氣高峰時(shí)間，還可以提高甲烷產(chǎn)量、加快產(chǎn)氣速率。張鳴等[29]運(yùn)用羊糞與麥稈進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵最終累積產(chǎn)氣量為6 386.3 mL，而羊糞與麥稈聯(lián)合發(fā)酵（C/N值為25）最終累積產(chǎn)氣量達(dá)到10 072.5 mL，這與本研究的結(jié)果一致。

圖4 各處理累積VS甲烷產(chǎn)率的變化Figure4 The change of cumulative methane yield in each treatment

表3 不同配比處理累積VS甲烷產(chǎn)率差異顯著性分析（mL·g-1VS）Table3 Variance analysis of different proportions of cumulative methane yield（mL·g-1VS）

2.2 羊糞與尾菜配比對(duì)甲烷含量的影響

實(shí)驗(yàn)過程中各處理甲烷體積分?jǐn)?shù)變化見圖5。如圖5所示，發(fā)酵起始階段主要是水解酸化階段，0～5 d時(shí)，試驗(yàn)各處理CH4濃度變化大致相似，主要呈逐漸上升的趨勢(shì)，發(fā)酵前期主要是上升階段。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，甲烷的濃度逐漸趨于穩(wěn)定，最終維持在60%左右。其中，羊糞與尾菜各配比處理甲烷濃度隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)增長(zhǎng)較快，而羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理（1∶0）與尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理（0∶1）甲烷濃度則明顯增加較慢。羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理甲烷濃度在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)均低于其他處理；尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理甲烷濃度在發(fā)酵的0～5 d幾乎沒有增長(zhǎng)，發(fā)酵6 d后才呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，前期的遲滯期較長(zhǎng)。

圖5 各處理甲烷體積分?jǐn)?shù)變化Figure5 The change of methane content in each treatment

圖6 不同配比發(fā)酵體系TS和VS降解率對(duì)比Figure6 Degradation efficiency of TS and VS in different proportions

表4 羊糞與尾菜不同配比產(chǎn)甲烷性能比較Table4 Methane producing performance comparison of different proportions

2.3 羊糞與尾菜配比對(duì)TS、VS降解率的影響

不同配比發(fā)酵體系TS和VS降解率對(duì)比見圖6。發(fā)酵原料的TS、VS降解率是衡量厭氧消化性能的重要指標(biāo)[30]。羊糞與尾菜不同原料配比TS、VS降解率采用發(fā)酵前后發(fā)酵體系總TS、VS量計(jì)算。由圖6可知，添加尾菜各處理的TS降解率為23.2%～28.8%，均顯著高于（P＜0.05）羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵處理；VS降解率隨著尾菜比率的增加而提高，1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1處理的降解率分別為 23.9%、29.4%、33.0%、33.5%、35.2%、35.4%、43.2%。

2.4 厭氧發(fā)酵甲烷轉(zhuǎn)化效率

羊糞與尾菜不同配比產(chǎn)甲烷性能見表4。羊糞與尾菜中的碳水化合物、蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)組分含量會(huì)影響發(fā)酵原料的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率（BDA）[16]。半纖維素、纖維素、粗蛋白、可溶性糖、粗脂肪、VFAs的分 子 式 可 分 別 表 示 為 C5H8O4、C6H10O5、C5H7O2N、C6H12O6、C57H104O6、C2H4O2，根據(jù)M?ller等[31]的公式計(jì)算出它們的理論VS甲烷產(chǎn)率分別為467、415、496、373、1014、370 mL·g-1VS。結(jié)合羊糞與尾菜有機(jī)組分含量（圖1）及VFAs含量，計(jì)算BDA，結(jié)果如表4所示。由表4可知，羊糞與尾菜配比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的處理BDA值分別為49.4%、44.0%、55.9%、55.3%、60.3%，均明顯高于羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理。這與各處理累積VS甲烷產(chǎn)率顯示出相同的試驗(yàn)結(jié)果。尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理BDA值最高，達(dá)到64.6%，而羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理BDA值最低，為38.2%。從圖1可以看出，尾菜纖維素含量很高，纖維素是鏈狀高分子化合物[32]，在發(fā)酵過程中可直接被微生物利用。因此，純尾菜處理甲烷轉(zhuǎn)化效率較高。從圖1亦可看出，羊糞木質(zhì)素含量很高，由于木質(zhì)素不易水解，故羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵處理的甲烷轉(zhuǎn)化效率較低。Labatut等[33]對(duì)數(shù)十種木質(zhì)素原料進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果也表明木質(zhì)素高的原料甲烷產(chǎn)率較低。

2.5 累積VS甲烷產(chǎn)率動(dòng)力學(xué)模型

試驗(yàn)采用修正的Gompertz模型模擬羊糞與尾菜聯(lián)合厭氧發(fā)酵過程，模擬結(jié)果見表5，其擬合度較好，R2均在0.99以上。由表5可知，羊糞與尾菜不同配比處理（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的預(yù)測(cè)最大日VS產(chǎn)甲烷速率均大于羊糞單獨(dú)發(fā)酵處理，分別提高了58%、31.9%、110.1%、88.4%、117.4%。其中1∶1與1∶3處理預(yù)測(cè)最大日VS產(chǎn)甲烷速率較高，分別為14.5、15.0 mL·g-1·d-1。同時(shí)羊糞與尾菜不同配比處理（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的遲滯期（λ）與達(dá)到最大VS累積甲烷產(chǎn)量90%所需的時(shí)間（T90）均明顯短于尾菜單獨(dú)發(fā)酵處理，分別縮短5.8、5.8、4.6、4.0、3.2 d與 3.8、2.8、6.7、4.7、5.4 d。由此可見，羊糞與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵可加快厭氧消化啟動(dòng)速率并縮短發(fā)酵周期。

2.6 羊糞與尾菜配比協(xié)同效果分析

羊糞與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵后，依據(jù)甲烷產(chǎn)率情況，對(duì)厭氧發(fā)酵協(xié)同效果進(jìn)行分析。將羊糞與尾菜單獨(dú)厭氧消化時(shí)累積VS甲烷產(chǎn)率數(shù)值按照羊糞與尾菜配比計(jì)算得出混合組累積VS甲烷產(chǎn)率即為預(yù)測(cè)值，將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見表6。由表6可見，羊糞與尾菜配比為3∶1、1∶1、1∶2、1∶3處理的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值差值分別為21.1、21.2、3.3、11.7 ml·g-1VS，且標(biāo)準(zhǔn)誤差明顯低于差值，表明均存在協(xié)同效應(yīng)?？梢姡蚣S與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生協(xié)同作用。混合原料發(fā)酵有利于均衡厭氧發(fā)酵體系中的營(yíng)養(yǎng)元素，解決羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量低和尾菜易酸化的問題，同時(shí)增加厭氧系統(tǒng)的緩沖能力[34]，提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表5 修正的Gompertz模型模擬結(jié)果Table5 Kinetics results form modified Gompertz model

表6 羊糞與尾菜配比協(xié)同效應(yīng)分析Table6 Synergy effect analysis of different proportions

3 結(jié)論

（1）羊糞和尾菜聯(lián)合進(jìn)行高固體厭氧發(fā)酵可提高產(chǎn)甲烷性能。與羊糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵相比，羊糞與尾菜各配比處理均可顯著提高累積VS甲烷產(chǎn)率（P＜0.05）；與尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵相比，各處理均可顯著加快產(chǎn)甲烷速率（P＜0.05）。

（2）羊糞與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵符合修正的Gompertz方程（R2＞0.99），可用該方程模擬該厭氧消化過程。模型模擬結(jié)果表明，羊糞與尾菜聯(lián)合高固體厭氧發(fā)酵可加快厭氧消化啟動(dòng)速率并縮短發(fā)酵周期。

（3）在中溫高固體厭氧消化工程應(yīng)用中，建議羊糞與尾菜VS配比為1∶1，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為20 d，累積VS甲烷產(chǎn)率為194.2 mL·g-1VS。