進(jìn)料濃度對(duì)豬糞混合稻稈厭氧產(chǎn)甲烷特性的影響

桂倫，陳莎莎，黃振俠，吁安，姚健，陳柳萌*

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)應(yīng)用微生物研究所，南昌 330200；2.江西省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)站，南昌 330046）

生豬養(yǎng)殖是我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的重要組成部分，保障了國(guó)內(nèi)肉制品的穩(wěn)定供應(yīng)，但也產(chǎn)生了大量養(yǎng)殖廢棄物。據(jù)2016 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年約產(chǎn)生不少于10億t的生豬養(yǎng)殖糞污，需要進(jìn)行無害化處理和資源化利用。由于生豬糞便中易降解有機(jī)物的含量高，具有較高的產(chǎn)氣潛力[1]，因此，長(zhǎng)期以來一直是我國(guó)沼氣工程發(fā)酵原料的首選。

目前，我國(guó)大型沼氣工程多采用以高濃度有機(jī)廢棄物聯(lián)合消化為特點(diǎn)的CSTR 工藝，發(fā)酵罐內(nèi)加裝攪拌系統(tǒng)，并配備熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，發(fā)酵原料的進(jìn)料濃度需達(dá)到6%～12%[2]。由于傳統(tǒng)收集方式（如水沖糞、水泡糞等）獲得的糞污的固形物（TS）濃度較低（3%～4%），沼氣工程未能充分利用，產(chǎn)氣率低、經(jīng)濟(jì)效益差。而近年來，隨著豬舍節(jié)水、用水設(shè)施改造和糞污收集方式升級(jí)，生豬養(yǎng)殖糞污的TS濃度有明顯提高，滿足了沼氣工程對(duì)高濃度進(jìn)料的需求。但相關(guān)研究[3-6]發(fā)現(xiàn)，豬糞單獨(dú)進(jìn)行厭氧發(fā)酵雖然可以獲得較佳的產(chǎn)氣效率，但容易形成游離氨的累積，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性并降低甲烷產(chǎn)率，尤其是在進(jìn)料TS 濃度提升時(shí)，游離氨對(duì)甲烷的抑制效果越發(fā)明顯。丁福貴等[7]采用不同進(jìn)料TS 濃度（TS=4%～14%）的豬糞開展厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TS濃度在8%時(shí)的中溫連續(xù)厭氧產(chǎn)氣效果最佳；在超過8%時(shí)，沼氣產(chǎn)量和COD 去除率出現(xiàn)不同程度的下降。勒系意等[8]在水力停留時(shí)間（Hydraulic retention time，HRT）為30 d 的條件下，開展了豬糞的進(jìn)料負(fù)荷梯度提升試驗(yàn)（TS=4.6%～12.1%），研究發(fā)現(xiàn)豬糞的日產(chǎn)甲烷量隨進(jìn)料濃度提升而增加；但進(jìn)料TS 濃度超過9.6%后，豬糞的甲烷產(chǎn)率因游離氨的抑制出現(xiàn)明顯下降。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)豬糞發(fā)酵會(huì)出現(xiàn)酸累積風(fēng)險(xiǎn)，常華等[9]研究不同進(jìn)料TS 濃度（4%～12%）對(duì)豬糞中溫連續(xù)厭氧發(fā)酵的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明TS 濃度為6%時(shí)，其發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定、產(chǎn)氣性能最好；當(dāng)進(jìn)料TS濃度超過6%后，發(fā)酵系統(tǒng)因丁酸和乙酸累積出現(xiàn)酸化風(fēng)險(xiǎn)。

為規(guī)避豬糞高濃度進(jìn)料引發(fā)的發(fā)酵失穩(wěn)、挖掘沼氣工程的運(yùn)營(yíng)潛力，研究人員引入高含碳的農(nóng)作物秸稈與豬糞進(jìn)行混配，通過篩選原料組合及優(yōu)化配比來實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)料濃度和沼氣產(chǎn)率。陳廣銀等[10]在揮發(fā)性固形物（Volatile solids，VS）負(fù)荷5%的批次發(fā)酵試驗(yàn)中，比較了稻草與豬糞的VS 配比為1∶1、3∶1 和1∶3 的產(chǎn)氣量，發(fā)現(xiàn)VS=3∶1 的處理日產(chǎn)氣量比較穩(wěn)定，累積產(chǎn)氣量達(dá)12 080 mL，較稻草與豬糞VS 配比為1∶1 和1∶3 的處理分別高11.8%和16.8%。石利軍等[11]在豬糞與稻草混合發(fā)酵原料C/N=25～30、TS=20%、（36±1）℃的條件下進(jìn)行干式發(fā)酵，發(fā)酵僅持續(xù)了一周，發(fā)酵過程可能受到了氨氮的抑制。Shen等[12]考察了有機(jī)負(fù)荷對(duì)預(yù)處理的稻草與豬糞共發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)負(fù)荷在0.4～2.5 kg COD·m-3·d-1時(shí)發(fā)酵過程穩(wěn)定。Darwin 等[13]報(bào)道不同TS 濃度（2%～4%）對(duì)稻草與豬糞水的產(chǎn)甲烷量的影響，發(fā)現(xiàn)TS=3%的稻草，C/N=10.6∶1 時(shí)，具有最高的甲烷產(chǎn)量，達(dá)到（141.4±3.70）mL·g-1VS。Li 等[14]在恒定HRT 為19 d 的條件下開展了豬糞混合稻稈（VS 配比為1∶1）的連續(xù)產(chǎn)氣試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)容積產(chǎn)氣率隨進(jìn)料濃度提升而不斷增加，且沼氣產(chǎn)率相對(duì)穩(wěn)定。綜上所述，混合原料發(fā)酵較單一原料可以承受更高的有機(jī)負(fù)荷，合適的進(jìn)料濃度和配比可以提高發(fā)酵效率，同時(shí)防止抑制的發(fā)生。然而上述研究多為批次發(fā)酵試驗(yàn)，未系統(tǒng)研究進(jìn)料濃度對(duì)混合發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)制，尤其是涉及進(jìn)料濃度提升對(duì)豬糞混合稻稈的連續(xù)厭氧發(fā)酵特性研究更為缺乏，對(duì)沼氣工程周年穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)支撐有限。

為此，本研究選擇我國(guó)存儲(chǔ)量大、易規(guī)?；占牡径捙c豬糞進(jìn)行發(fā)酵原料的組配，通過批次發(fā)酵試驗(yàn)摸清豬糞與稻稈的原料配比規(guī)律；然后選擇不同配比進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，在進(jìn)料濃度梯度提升（TS=4.6%～12.1%）的條件下，研究發(fā)酵系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率（Specific methane production，SMP）、容積產(chǎn)甲烷率（Volumetric methane production rate，VMPR）以及發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)指標(biāo)pH 值、氨氮（Ammonia nitrogen，NH+4-N）濃度、小分子揮發(fā)酸（Volatile fatty acids，VFAs）濃度、碳酸氫鹽堿度（Total inorganic carbonate，TIC）和VFAs/TIC 值的變化趨勢(shì)，分析其連續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷特性，以期為豬糞混合稻稈厭氧發(fā)酵工藝的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種物

新鮮豬糞取自江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所豬場(chǎng)，經(jīng)簡(jiǎn)單剔除動(dòng)物毛發(fā)和大塊石子等雜物后置于4 ℃冰柜保存?zhèn)溆?；稻稈取自江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所試驗(yàn)田，自然晾干后用粉碎機(jī)粉碎，過16 目篩（約1 mm），備用。接種物取自江西省新余市羅坊鎮(zhèn)沼氣站穩(wěn)定運(yùn)行的沼氣工程發(fā)酵罐中段（發(fā)酵原料為豬糞，HRT 為30 d）。發(fā)酵原料和接種物的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 沼氣發(fā)酵原料及接種物的基本特性Table 1 Basic characteristics of raw materials and inoculum

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用全自動(dòng)產(chǎn)甲烷潛力分析測(cè)試系統(tǒng)（AMPTA3），由瑞典Nova Skantek 公司研制。該系統(tǒng)分為A（發(fā)酵單元）、B（酸性氣體吸附單元）、C（甲烷氣體計(jì)量單元）3 個(gè)單元。其中：A 單元有15 個(gè)發(fā)酵瓶，每個(gè)發(fā)酵瓶配有可調(diào)轉(zhuǎn)速及攪拌頻率的機(jī)械攪拌系統(tǒng)；B 單元有15 個(gè)吸收瓶，每個(gè)吸收瓶?jī)?nèi)裝有3 mol·L-1的NaOH溶液，用以吸附沼氣中的酸性氣體（H2S和CO2等）；C 單元為甲烷氣體計(jì)量系統(tǒng)，內(nèi)置模型與算法能結(jié)合溫度、壓力傳感器，以弱化水蒸氣和發(fā)酵瓶中高估氣量對(duì)實(shí)際產(chǎn)甲烷量的影響，最終記錄的甲烷氣體數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)狀況（0 ℃，101.3 kPa）下的體積。實(shí)驗(yàn)溫度為（37±1）℃，持續(xù)時(shí)間為30～68 d（以當(dāng)日甲烷量小于總產(chǎn)氣量的1%為止）。

1.2.2 連續(xù)厭氧發(fā)酵裝置

連續(xù)厭氧發(fā)酵裝置采用自行改裝的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（圖1），該裝置分A（發(fā)酵單元）、B（酸性氣體吸附）和C（甲烷體積測(cè)量）3 個(gè)單元。其中：A 單元是購自瑞典Nova Skantek 的2 L 裝厭氧發(fā)酵罐，每個(gè)發(fā)酵瓶配有可調(diào)轉(zhuǎn)速的機(jī)械攪拌系統(tǒng)；B 單元配有3 mol·L-1的NaOH 溶液以吸附沼氣中的酸性氣體（CO2和H2S 等，溴百里酚酞指示劑顯示吸收容量上限）；C 單元采用排水法收集、測(cè)量甲烷體積。

為避免厭氧發(fā)酵罐管路堵塞和原料膨脹，發(fā)酵總?cè)莘e控制在1.8 L。在試驗(yàn)啟動(dòng)環(huán)節(jié)，加入接種物7.688 kg（TS=3.9%）和豬糞2.456 kg（TS=6%），純凈水加到1.8 L，使混合發(fā)酵物TS=4.6%。隨即使用橡膠塞密封，并通過橡膠塞頂部的排氣孔向反應(yīng)器中吹氮?dú)?0～45 s，以排出發(fā)酵罐內(nèi)部空氣，確保發(fā)酵的厭氧環(huán)境；在37 ℃條件下進(jìn)行接種物的活化，直至發(fā)酵罐內(nèi)日產(chǎn)甲烷量低于100 mL·d-1后，進(jìn)入連續(xù)厭氧發(fā)酵階段；在連續(xù)厭氧發(fā)酵期間，水浴鍋溫度控制在（37±1）℃；發(fā)酵罐每日攪拌6次，每次30 min。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)

厭氧發(fā)酵接種物在37 ℃條件下厭氧培養(yǎng)5～7 d，以減少接種物自身的產(chǎn)甲烷量。混合原料中豬糞與稻稈的VS 配比（PM/RS）設(shè)7 個(gè)處理（表2），依次為0∶1、1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1、1∶0（下文VS 配比均以PM/RS 計(jì)），每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)[15]；實(shí)驗(yàn)過程中接種物和混合原料的VS 配比為2∶1，接種物和混合原料的總濕質(zhì)量共400 g，TS 濃度平均值為5.24%，原料的VS質(zhì)量平均值為4.54 g。

圖1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器示意圖Figure 1 Sketch map of anaerobic fermentation reactor

表2 沼氣發(fā)酵原料及接種物的添加量Table 2 Feed amount of raw materials and inoculum

1.3.2 連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果，選擇混合原料的VS 配比為1∶1 和4∶1 分別進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。HRT 設(shè)為30 d，每日進(jìn)料總濕質(zhì)量為60 g，進(jìn)料TS 濃度分別為4.6%、7.1%、9.6%和12.1%，當(dāng)混合原料的TS 濃度超過13%時(shí)，稻稈吸水溶脹會(huì)降低發(fā)酵原料的流動(dòng)性，使得試驗(yàn)裝置存在進(jìn)料、出料困難和攪拌效果差等情況，故本研究中的進(jìn)料濃度上限設(shè)為12%左右；每日上午9：00 記錄甲烷體積；每隔3 d 取樣品檢測(cè)pH、TIC、NH+4-N 和VFAs 濃度；不同進(jìn)料濃度下的發(fā)酵原料的日進(jìn)料量見表3。

1.4 分析方法

總固形物濃度和揮發(fā)性固體濃度采用質(zhì)量法測(cè)定[16]。C和N含量采用Vario EL Ⅲ元素分析儀進(jìn)行測(cè)定（C 和N 含量以總固形物計(jì)）。甲烷產(chǎn)量采用沼氣通過3 mol·L-1的NaOH 溶液后排水法測(cè)定體積。發(fā)酵液pH 在取樣后立即采用上海雷磁PHS-3C 型酸度計(jì)測(cè)定。發(fā)酵液在室溫條件下12 000 r·min-1離心10min，取上清液分別進(jìn)行VFAs、TIC 和-N 濃度的測(cè)定，其中：VFAs 和TIC 采用Nordmann 聯(lián)合滴定法[17]測(cè)定，-N濃度采用納氏分光光度法[18]測(cè)定。

表3 連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)中發(fā)酵原料的日進(jìn)料量（g）Table 3 Daily amount of substrate feed in the continuous bench experiments（g）

1.5 計(jì)算方法

1.5.1 混合原料的總C/N

豬糞與稻稈混合后C/N采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ci是單一i原料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ni是單一i原料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%TS；Xi是混合原料中i原料的質(zhì)量，g。三者均以TS計(jì)。

1.5.2 甲烷產(chǎn)率的計(jì)算方法

甲烷產(chǎn)率由公式（2）[15]進(jìn)行計(jì)算：

式中：Mt是每克揮發(fā)性固體混合原料產(chǎn)甲烷的量，即甲烷產(chǎn)率，mL·g-1VS；VTotal(t)是樣品組中混合原料和接種物的總產(chǎn)甲烷量，mL；VIC(t)是空白組（接種物）中的產(chǎn)甲烷量，mL；mIS是樣品組中接種物的揮發(fā)性固體質(zhì)量，g；mIC為空白組中接種物的揮發(fā)性固體質(zhì)量，g；mVS,SS為樣品組中原料的揮發(fā)性固體質(zhì)量，g；t為厭氧發(fā)酵天數(shù)，d，取值為0，1，2，…，n。

1.5.3 甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)的擬合

采用修正的Gompertz模型（公式3）對(duì)由公式2計(jì)算獲得的甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理[14，19]：

式中：Mt為發(fā)酵期間某一時(shí)間t的甲烷產(chǎn)率，mL·g-1VS；P為反應(yīng)終止時(shí)的累積甲烷產(chǎn)率，即產(chǎn)甲烷潛力，mL·g-1VS；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1VS·d-1；e=2.718 28；λ為延滯時(shí)間，d；P、Rm和λ通過指數(shù)回歸分析獲得。

tmax為甲烷產(chǎn)率達(dá)到最大值的時(shí)間，d，由公式（4）計(jì)算獲得：

k為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，d-1，代表發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)化速率，由公式（5）計(jì)算獲得：

1.5.4 游離揮發(fā)酸（Free violate fat acids，F(xiàn)VFAs）和游離氨（Free ammonia，F(xiàn)AN）濃度的計(jì)算方法

FVFAs 和FAN 濃度由公式（6）和公式（7）計(jì)算獲得[20]：

式中：[HA ]和[NH3]分別為FVFAs 和FAN 的濃度，mL·g-1VS；CT和CTotal為總VFAs 和總-N 濃度，mg·L-1；[ H+]為氫離子濃度，mg·L-1；KA和KB為VFAs和NH3的解離平衡常數(shù)，pKA和pKB在37 ℃時(shí)為4.8和8.9。

1.5.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性差異分析采用SPSS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)的擬合采用Origin 軟件中修正的Gompertz模型進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 豬糞與稻稈原料在不同VS 配比下的厭氧產(chǎn)甲烷變化

圖2 豬糞混合稻稈批次厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)甲烷量（DMP）及累積產(chǎn)甲烷量（CMP）Figure 2 Daily methane production（DMP）and cumulative methane production（CMP）in the anaerobic batch co-digestion of PM with RS

日產(chǎn)甲烷量（Daily methane production，DMP）和累積甲烷產(chǎn)量（Cumulative methane production，CMP）能夠直觀反映發(fā)酵原料在一個(gè)厭氧發(fā)酵周期中產(chǎn)甲烷的動(dòng)態(tài)變化過程。圖2a 和圖2b 分別為不同VS 比例混合原料的DMP 和CMP，二者在產(chǎn)甲烷過程中變化趨勢(shì)基本一致。其中：DMP 在第4～7 d 內(nèi)出現(xiàn)產(chǎn)甲烷高峰期，隨后迅速回落，并在第13 d 后進(jìn)入平緩下降階段，直至產(chǎn)氣結(jié)束。在第一個(gè)產(chǎn)氣高峰時(shí)，VS 配比為1∶0、4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1 處理發(fā)酵原料的產(chǎn)甲烷峰值分別為（200.7±4.1）、（236.5±7.7）、（227.6±7.7）、（208.7±9.5）、（198.3±5.3）、（172.7±4.3）、（144.8±3.6）mL·d-1。表明當(dāng)VS 配比＞1∶1 后，混合物料的DMP 在第一個(gè)產(chǎn)氣高峰時(shí)的表現(xiàn)等于或優(yōu)于豬糞原料。這與Li 等[14]在牛糞與稻稈的混合厭氧試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在第13 d之后的平緩下降階段中，純稻稈處理（PM/RS=0∶1）出現(xiàn)第二個(gè)坡度較為平緩的產(chǎn)氣峰（43.3 mL·d-1）；而純豬糞處理（PM/RS=1∶0）無明顯的第二個(gè)產(chǎn)氣峰，表明在厭氧發(fā)酵過程中，稻稈的降解與豬糞相比存在滯后性。當(dāng)產(chǎn)氣結(jié)束后，原料VS配比為1∶0、4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1 的CMP依次為（397.31±4.23）、（396.33±11.16）、（392.79±9.85）、（389.23±11.26）、（373.00±9.60）、（347.72±8.68）、（300.80±10.03）mL·g-1VS。

動(dòng)力學(xué)常數(shù)是化學(xué)動(dòng)力學(xué)中一個(gè)重要的物理量，它的大小反映了體系反應(yīng)的快慢。在實(shí)際應(yīng)用中，最終產(chǎn)甲烷潛力可以通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行估計(jì)，得到產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)常數(shù)，產(chǎn)氣速率、發(fā)酵遲滯期時(shí)長(zhǎng)等。本研究先通過公式（2）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行甲烷產(chǎn)率計(jì)算，后采用修正的Gompertz 模型及公式3～公式5 對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，其產(chǎn)甲烷潛力（P）、最大產(chǎn)甲烷速率（Rm）、反應(yīng)動(dòng)力常數(shù)（k）和甲烷產(chǎn)率達(dá)到峰值的時(shí)間（tmax）等計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4 可知，產(chǎn)甲烷潛力P值在VS 配比1∶0、4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1 處理分別為389.6、380.3、373.9、372.6、358.2、340.7、295.6 mL·g-1VS。豬糞的P值最高，之后隨豬糞VS 比例降低，P值逐漸降低，純稻稈的P值最小。分析其原因是稻稈中存在不能轉(zhuǎn)化為甲烷的木質(zhì)素，混合物料中稻稈VS占比越高，可甲烷化的物質(zhì)量越少。結(jié)合Rm、tmax和k值做進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：VS 配比為4∶1、2∶1 的兩個(gè)試驗(yàn)組的表現(xiàn)均優(yōu)于豬糞，其中VS 配比為4∶1 的數(shù)值最高，Rm、k和tmax分別為37.2 mL·g-1VS·d-1、0.098 d-1和4.4 d。表明當(dāng)原料組配合適時(shí)（C/N 20～30∶1），混合發(fā)酵能夠提升發(fā)酵原料的降解速度和轉(zhuǎn)化效率、縮短達(dá)到產(chǎn)甲烷高峰的時(shí)間。另外，當(dāng)VS 配比為1∶1 時(shí)，除tmax外，Rm和k值均弱于豬糞原料。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，豬糞與稻稈組合時(shí)，提高豬糞的比例有助于加快甲烷轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化效率。

通過批次發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)VS 配比4∶1 為最佳配比。但文獻(xiàn)[14，21]報(bào)道VS 配比1∶1 為最佳配比，為此，本研究后續(xù)連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)，選擇VS 配比為4∶1（優(yōu)于豬糞原料）和1∶1（弱于豬糞原料）的兩組不同配比開展連續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷特性對(duì)比分析。

2.2 進(jìn)料濃度提升下的混合物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性

VMPR 和SMP 是評(píng)估發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。其中，VMPR 用于評(píng)價(jià)發(fā)酵原料在發(fā)酵系統(tǒng)中的產(chǎn)甲烷能力，SMP則反映發(fā)酵原料的利用效率。圖3a 和圖3b 分別為兩種不同VS 配比（PM/RS=1∶1、4∶1）的混合原料在進(jìn)料濃度提升過程中的VM?PR和SMP變化情況。

如表5 所示，隨進(jìn)料濃度提升，2 個(gè)VS 配比（1∶1和4∶1）下的SMP 平均值均無顯著變化，整體保持相對(duì)穩(wěn)定，SMP 的總平均值分別237.2 mL·g-1VS 和354.8 mL·g-1VS。SMP的變化趨勢(shì)與Li等[14]的研究結(jié)論一致。另外，與修正Gompertz模型擬合的P值對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：VS 配比為4∶1 的SMP 總平均值為P值（380.3 mL·g-1VS）的93.3%，這表明此條件下混合物料的產(chǎn)甲烷潛力轉(zhuǎn)化率較高，在HRT 為30 d 的條件下得到較為充分的釋放；而VS 配比1∶1 時(shí)混合物料的產(chǎn)甲烷潛力轉(zhuǎn)化率為63.7%，表明仍有一定比例的發(fā)酵原料未被充分利用，推測(cè)與其較低的k值（0.072 d-1）有關(guān)。此外，與本團(tuán)隊(duì)前期相關(guān)研究[8]相比，同樣HRT 為30 d，豬糞、稻稈作為單一原料在進(jìn)料TS 濃度達(dá)到12.1%時(shí)，其SMP 分別下降了13.6%和25.1%。而混合原料在此進(jìn)料濃度條件下，優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來，其SMP保持相對(duì)穩(wěn)定。

VMPR 隨進(jìn)料濃度提升呈不斷增加趨勢(shì)，且與進(jìn)料濃度呈正相關(guān)性（圖4）。依據(jù)數(shù)據(jù)擬合的線性回歸方程，計(jì)算獲得VS配比為1∶1時(shí)VMPR 在4種進(jìn)料濃度下分別為0.23、0.36、0.48 L·L-1·d-1和0.61 L·L-1·d-1，VS 配比為4∶1 時(shí)VMPR 分別為0.35、0.53、0.71、0.88 L·L-1·d-1。進(jìn)一步綜合分析國(guó)內(nèi)外同類研究的SMP和VMPR數(shù)據(jù)（表6）可知，本研究中，豬糞與稻稈混合厭氧發(fā)酵的SMP相對(duì)穩(wěn)定，而VMPR隨進(jìn)料濃度提高而增加，這一變化趨勢(shì)與Li等[14]的研究結(jié)論基本一致，但VMPR值低于Li等[14]研究結(jié)果，主要原因是該研究采用更短的水力停留時(shí)間和更高的進(jìn)料負(fù)荷，進(jìn)料負(fù)荷越高，VMPR也相應(yīng)越高。此外，與豬糞單獨(dú)連續(xù)厭氧發(fā)酵相比，混合發(fā)酵的SMP不隨進(jìn)料濃度增加而下降，而且其VMPR也高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵，尤其在進(jìn)料TS 濃度達(dá)到12.1%時(shí)，VS 配比4∶1 條件下VMPR（0.88 L·L-1·d-1）優(yōu)于其他文獻(xiàn)[7-9，14]所報(bào)道的結(jié)果。

表4 不同VS配比條件下甲烷產(chǎn)率的擬合Table 4 Fitting model parameters of methane production for anaerobic digestion with various VS ratios

圖3 連續(xù)厭氧穩(wěn)定發(fā)酵的容積產(chǎn)甲烷率（VMPR）及甲烷產(chǎn)率（SMP）Figure 3 Volumetric methane production rate（VMPR）and specific methane production（SMP）for the anaerobic continuous co-digestion

表5 不同進(jìn)料濃度下的甲烷產(chǎn)率Table 5 Specific methane production at various feedstock concentrations

圖4 連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中VMPR與進(jìn)料濃度（TS）的相關(guān)性Figure 4 Relationship between VMPR and TS for the anaerobic continuous co-digestion

表6 不同混合原料在連續(xù)厭氧發(fā)酵中SMP和VMPR的對(duì)比分析Table 6 Comparison of SMP and VMPR on the continuous co-digestion of different mixed feedstock

2.3 混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

pH 值、VFAs、NH+4-N 和VFAs/TIC 等發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)指標(biāo)與厭氧發(fā)酵的物質(zhì)代謝和發(fā)酵活動(dòng)密切相關(guān)。

2.3.1 pH

pH 值是衡量厭氧發(fā)酵系統(tǒng)健康性的重要指標(biāo)之一。Park 等[22]和Wang 等[23]研究表明，產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌的最適pH 值并不相同。適宜產(chǎn)甲烷菌的pH 值在7.0 左右，而水解酸化細(xì)菌的最適pH 則在5.5～6.5之間。單級(jí)的全混式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)將pH 維持在6.8～8.0 之間[24]以降低酸化抑制，因此當(dāng)pH 處于6.5～8.0時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)被視為正常。本研究中，隨著進(jìn)料濃度的提升，2 種不同VS 配比的pH 值（圖5a）呈逐步下降趨勢(shì)，但均處于最適pH 的穩(wěn)定范圍內(nèi)，其中進(jìn)料TS濃度達(dá)到12.1%時(shí)，2個(gè)不同VS配比（PM/RS=1∶1和4∶1）的pH分別降至7.54和7.65。

2.3.2 小分子揮發(fā)酸（VFAs）

VFAs主要是指厭氧發(fā)酵過程中由水解酸化細(xì)菌產(chǎn)生的一系列小分子揮發(fā)酸，主要包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸等，它們不僅是發(fā)酵原料水解酸化的產(chǎn)物，同時(shí)也是甲烷合成的底物。因此，相對(duì)穩(wěn)定的VFAs 濃度表明水解酸化細(xì)菌和甲烷古菌之間處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而且對(duì)于穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)來說[25]，VFAs 濃度始終穩(wěn)定在一個(gè)較低水平，則表明水解酸化產(chǎn)生的VFAs能夠迅速被產(chǎn)甲烷菌用于烷合成，VFAs 未過量積累而致使甲烷菌的活性受到抑制。為此，VFAs 濃度是監(jiān)測(cè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)[26-27]，當(dāng)VFAs 低于1 000 mg·L-1時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)被視為正常；當(dāng)VFAs＞1 000 mg·L-1時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性與發(fā)酵原料的種類與進(jìn)料濃度有關(guān)。由圖5b可知，2種不同VS 配比的VFAs 濃度隨進(jìn)料濃度增加而提升；在進(jìn)料TS濃度達(dá)到12.1%時(shí)，VS配比1∶1、4∶1 的VFAs 濃度的平均值分別達(dá)到（388.4±41.0）mg·L-1和（447.5±49.1）mg·L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1 000 mg·L-1的穩(wěn)定范圍上限[28]。此外，VFAs/TIC 比值常作為判斷發(fā)酵系統(tǒng)是否受到抑制的重要指標(biāo)[28]，當(dāng)VFAs/TIC 比值小于0.3 時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)被視為穩(wěn)定；當(dāng)VFAs/TIC 比值處于0.3～0.8 之間時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)被視為不穩(wěn)定；當(dāng)VFAs/TIC 比值大于0.8 時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)處于嚴(yán)重失穩(wěn)狀態(tài)。如圖5d 所示，2 種不同VS 比例的VFAs/TIC 比值始終低于0.1，發(fā)酵系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，均未出現(xiàn)VFAs 累積抑制的情況。

氨是由蛋白質(zhì)、多肽以及氨基酸等物質(zhì)降解形成，它不僅為微生物生長(zhǎng)繁殖提供氮源，而且是中和VFAs的一個(gè)關(guān)鍵性pH 值穩(wěn)定分子，然而高濃度的氨也會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。當(dāng)進(jìn)料濃度提升時(shí)，氨濃度隨混合原料中豬糞用量的增加而增加，必然促使反應(yīng)NH3+H2O+CO2()aq →+(TIC)向右進(jìn)行，使得發(fā)酵系統(tǒng)的-N 濃度也不斷增加。在本研究中，2種不同VS配比的-N 濃度（圖6）隨進(jìn)料濃度提升呈不斷增加的趨勢(shì)。在進(jìn)料TS 濃度達(dá)到12.1%時(shí)，VS 配比1∶1、4∶1 條件下-N 濃度分別達(dá)到（3 666.4±224.1）mL·g-1和（4 245.9±328.2）mL·g-1，低于出現(xiàn)氨抑制的安全閾值（-N 濃度超過5 000 mg·L-1）[29]。而豬糞在進(jìn)料TS 濃度為9.6%的單獨(dú)發(fā)酵時(shí)，其-N 濃度已經(jīng)超過5 000 mg·L-1[8]，這表明稻稈的添加有助于減緩發(fā)酵系統(tǒng)中-N 濃度的增加，而且稻稈占比越高，-N濃度的增幅越小。

圖5 連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中pH值、VFAs濃度、NH+4-N濃度和VFAs/TIC值的變化Figure 5 Change of pH，VFAs，N and ratio of VFAs/TIC during the anaerobic continuous co-digestion

圖6 -N與TIC的相關(guān)性Figure 6 Relationship between TIC and -N for the anaerobic continuous co-digestion

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的pH值是由一個(gè)以總堿度進(jìn)行定量的緩沖體系予以控制[20]。當(dāng)pH 值在6.0～8.0 之間時(shí)，緩沖作用則主要來自TIC 堿度[17]。如圖6所示，2 種不同VS 配比的TIC 與-N 濃度之間呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，說明TIC 與-N 堿度同步增加，符合反應(yīng)式的變化規(guī)律，表明豬糞降解產(chǎn)生的NH3是緩沖體系中最主要的堿度物質(zhì)來源。

2.3.4 游離揮發(fā)酸（FVFAs）和游離氨（FAN）

FVFAs和FAN 能夠自由穿透細(xì)胞膜[30]，被認(rèn)為是引起厭氧發(fā)酵抑制的主要因素。這類疏水性分子常以被動(dòng)擴(kuò)散的形式進(jìn)入細(xì)胞中，引起質(zhì)子失穩(wěn)和鉀離子流失[5]。其中FVFAs 對(duì)水解酸化細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌均有抑制作用；但FVFAs 對(duì)產(chǎn)甲烷菌（抑制濃度為30～60 mg·L-1）的抑制作用強(qiáng)于水解酸化細(xì)菌（抑制濃度為2 400～3 000 mg·L-1）[5，31]。FAN 在中溫厭氧發(fā)酵條件下抑制的是產(chǎn)甲烷菌，特別是嗜乙酸型產(chǎn)甲烷菌（甲烷鬃毛菌），對(duì)嗜氫型產(chǎn)甲烷菌和酸化細(xì)菌無顯著抑制作用[5]。對(duì)FAN 最低抑制濃度的研究，不同學(xué)者結(jié)論也各有不同，Koster 等[32]和De Baere 等[33]的研究發(fā)現(xiàn)FAN 的最低抑制濃度為80 mg·L-1；Mccarty[34]和Braun 等[35]的研究認(rèn)為150 mg·L-1為最小抑制濃度；而Liu 等[6]發(fā)現(xiàn)在200 mg·L-1以內(nèi)，F(xiàn)AN 有助于厭氧發(fā)酵，但超過200 mg·L-1之后，厭氧發(fā)酵受到抑制。此外，Hashimoto[36]研究也發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌對(duì)FVFAs 和FAN 的抑制具有可逆性和適應(yīng)性，對(duì)于長(zhǎng)期馴化下已適應(yīng)的產(chǎn)甲烷菌，其FVFAs 和FAN 的IC50（具備50%抑制能力的濃度）較對(duì)照組分別提高了1.6 倍和1.7倍。

在本研究中，2 種不同VS 配比的VFAs 濃度整體較低，依據(jù)公式（6）折算，約1 mg·L-1不會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生不利影響；而豬糞中的富氮類物質(zhì)降解產(chǎn)生的氨則是形成抑制的潛在風(fēng)險(xiǎn)因子，圖7 所示為采用公式（7）折算出的2 種不同VS 配比的FAN 濃度。與-N濃度不斷增加的趨勢(shì)相比，F(xiàn)AN濃度并未出現(xiàn)相應(yīng)增加趨勢(shì)，即使是在進(jìn)料TS 濃度達(dá)到12.1%時(shí)，VS 配比1∶1、4∶1 條件下FAN 濃度分別為（152.1±9.6）mg·L-1和（223.2±15.6）mg·L-1，未超過發(fā)酵起始的FAN 濃度（237.8、266.4 mg·L-1）。其原因是在發(fā)酵溫度恒定時(shí)，pH值是影響FAN濃度的唯一因素，氫離子濃度增加（pH值下降）從一定程度上抑制-N濃度增加對(duì)FAN 濃度的影響。此外，考慮到接種物是取自以豬糞為發(fā)酵原料且穩(wěn)定運(yùn)行3 年的沼氣工程，厭氧發(fā)酵微生物在長(zhǎng)期的發(fā)酵過程中已經(jīng)適應(yīng)富氮類的豬糞原料，因此，即使是FAN 濃度略高于相似的研究[6，34-36]，其發(fā)酵系統(tǒng)也未發(fā)生明顯抑制情況[36]。但不能忽略的是，豬糞的占比越高，發(fā)酵系統(tǒng)面臨FAN 的抑制風(fēng)險(xiǎn)越高。

圖7 連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中的游離氨濃度變化Figure 7 Change of free ammonia during the anaerobic continuous co-digestion

3 結(jié)論

（1）批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)表明：混合發(fā)酵能夠提高發(fā)酵原料的降解速率和甲烷產(chǎn)率。經(jīng)修正后的Gom?pertz 模型擬合數(shù)據(jù)顯示，豬糞與稻稈VS 配比為4∶1時(shí)產(chǎn)甲烷特性最好，產(chǎn)甲烷潛力（P值）為380.3 mL·g-1VS；該配比的反應(yīng)動(dòng)力常數(shù)（k）、最大產(chǎn)甲烷速率（Rm）及甲烷產(chǎn)率達(dá)到峰值的時(shí)間（tmax）分別為0.098 d-1、37.2 mL·g-1VS·d-1和4.4 d，均優(yōu)于豬糞單獨(dú)發(fā)酵（0.083 d-1、32.2 mL·g-1VS·d-1和5.0 d）。

（2）連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)表明：混合物料VS配比為4∶1 時(shí)產(chǎn)甲烷特性優(yōu)于1∶1 配比，表現(xiàn)為更高的甲烷產(chǎn)率（354.8 mL·g-1VS）和容積產(chǎn)甲烷率（0.88 L·L-1·d-1），單位原料的甲烷轉(zhuǎn)化效率更好，能夠釋放出93.3%的產(chǎn)甲烷潛力，明顯高于VS 配比1∶1 時(shí)的63.7%。在進(jìn)料TS 濃度達(dá)到12.1%時(shí)，VS 配比4∶1 條件下，游離氨濃度達(dá)到223.2 mg·L-1，發(fā)酵系統(tǒng)面臨游離氨的抑制風(fēng)險(xiǎn)。建議江西省商業(yè)沼氣工程的運(yùn)行條件為：豬糞與秸稈混合原料VS 配比為4∶1，原料組配的C/N=22～23∶1，進(jìn)料TS 濃度低于12.1%（有機(jī)負(fù)荷率為2.87 g VS·L-1·d-1）。