北方農(nóng)戶多元有機(jī)垃圾混合厭氧發(fā)酵研究

李文哲，肖 笛，井洪晶，孫 勇，王 明

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

我國大部分城市垃圾已實(shí)現(xiàn)干濕分離，而分散式農(nóng)村垃圾干濕分離問題一直難以解決，特別是有機(jī)濕垃圾（如廚余垃圾和人類糞便）[1]。近年來，常采用厭氧發(fā)酵法將有機(jī)垃圾轉(zhuǎn)化為沼氣、沼液和沼渣，解決農(nóng)村污染和資源化利用，產(chǎn)物滿足家庭日常所需[2]。研究表明單一原料厭氧發(fā)酵出現(xiàn)營養(yǎng)不足等問題，常加入其他有機(jī)干垃圾調(diào)質(zhì)后開展混合厭氧發(fā)酵[3]。杜靜等研究發(fā)現(xiàn)在人類糞便中分別添加稻秸、尾菜、牛糞可提高產(chǎn)氣率[4]。秦佳佳等分別將人類糞便與牛糞、雞糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵，得出最優(yōu)配比提高產(chǎn)沼氣潛力[5]。研究表明，適當(dāng)混合比例影響產(chǎn)氣效率，但受區(qū)域和氣候限制，北方地區(qū)有機(jī)垃圾混合厭氧發(fā)酵研究鮮有報(bào)道。

本研究對北方典型農(nóng)戶開展問卷調(diào)研，采用響應(yīng)面-中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[6-7]。為尋求最適原料混合比例對廚余垃圾、人類糞便和玉米秸稈開展混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，對改善北方農(nóng)村生活環(huán)境和用能結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

廚余垃圾、人類糞便（不含尿液）和玉米秸稈均取自巴彥縣紅光鄉(xiāng)。廚余垃圾混合均勻后用食物粉碎機(jī)粉粹成黏稠狀。將混合均勻人類糞便和廚余垃圾均放入4℃冰箱中保存；玉米秸稈收集風(fēng)干后用JFSD-100-Ⅱ粉碎機(jī)粉碎成直徑為0.5~2 mm備用。接種物取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)牧廢棄物高值化團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室厭氧發(fā)酵后沼液，取后放入廣口瓶，在（35±2）℃條件下用牛糞馴化60 d直至不再產(chǎn)氣。原料和接種物基本特性見表1。

1.2 農(nóng)村家庭產(chǎn)生有機(jī)垃圾調(diào)研

以巴彥縣紅光鄉(xiāng)農(nóng)戶為研究對象，從實(shí)際角度出發(fā)調(diào)查農(nóng)村家庭有機(jī)垃圾產(chǎn)量，經(jīng)查閱收集相關(guān)資料，設(shè)定問卷內(nèi)容，廣泛征集農(nóng)戶意見，了解家庭情況，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷初稿。預(yù)調(diào)查后，選取有效問題展開調(diào)研，共回收有效問卷1 000份，使用SPSS26.0軟件對有機(jī)垃圾產(chǎn)生量作單因素方差分析[8]。隨機(jī)選取20個(gè)農(nóng)戶，于2019年10~11月對其產(chǎn)生有機(jī)垃圾取樣并測定成分。

表1 原料和接種物基本特性Table1 Basic properties of substrates and inoculum

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由發(fā)酵裝置和控溫裝置組成。各試驗(yàn)組同時(shí)水浴加熱，溫度范圍為±2℃。

1.4 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用Design-Expert 8.0.6軟件，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以累計(jì)甲烷量為響應(yīng)值Y，設(shè)計(jì)3因素5水平試驗(yàn)，每個(gè)變量編碼分別在高水平（+1）、低水平（-1）、中心點(diǎn)（0）和對應(yīng)于α兩個(gè)外點(diǎn)（α=2k/4，在本研究中k=3，故α=1.68179），設(shè)計(jì)共20組試驗(yàn)。試驗(yàn)因素與水平見表2。

采用批式中溫厭氧發(fā)酵法，以2.5 L廣口瓶作為厭氧發(fā)酵混合反應(yīng)器，工作體積為1.75 L。本試驗(yàn)發(fā)酵液總TS濃度為8%，并用相同蒸餾水替代發(fā)酵原料作對照組以排除內(nèi)源甲烷含量干擾，按照相應(yīng)比例混合均勻后裝入?yún)捬醴磻?yīng)器中，用N2沖洗3 min后，橡膠塞用透明玻璃膠密封，產(chǎn)生氣體用2.5 L氣體采樣袋收集，放置在（35±2）℃恒溫水浴槽厭氧混合發(fā)酵，直至不再產(chǎn)氣試驗(yàn)結(jié)束。每日定期手動(dòng)晃動(dòng)搖瓶2次，每次1 min，每2 d取樣分析發(fā)酵液指標(biāo)，每24 h測定氣體成分。

1.5 測定指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析

用APHA方法測定TS和VS[9]。pH計(jì)（PHSJ-4F）測量酸堿度。海得鋁箔氣體采樣袋每日收集厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氣體，排水法測量產(chǎn)氣量[10]。

Agilent-6890N氣相色譜儀測定沼氣氣相組分（CH4、N2、H2和CO2），其色譜條件為：不銹鋼柱型號為TDX-01，柱溫為170℃，運(yùn)行2.5 min，總流量為30.8 mL·min-1，進(jìn)樣口溫度為室溫，TCD檢測器溫度為220℃，載氣為氬氣，尾吹氣為氮?dú)?。斯卡拉爾流?dòng)分析儀測定氨氮含量。元素分析儀（EA 3000）測定C、H、N元素含量。O元素含量通過假設(shè)C+H+O+N=99.5%確定[11]。Design-Expert 8.0.6軟件用作試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。采用SPSS26.0、Origin 2017作統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

表2 試驗(yàn)因素水平和編碼Table 2 Experimental factors and coding

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村有機(jī)垃圾調(diào)研結(jié)果

根據(jù)表3可知，農(nóng)村家庭主要為3~4人。通過方差分析可知，P<0.01說明不同家庭人數(shù)廚余垃圾和人類糞便產(chǎn)量差異顯著，隨家庭人數(shù)增加廚余垃圾和人類糞便產(chǎn)量也呈增長趨勢，平均每人每日廚余垃圾產(chǎn)量約561.42 g，人類糞便產(chǎn)量約673.71 g，調(diào)查結(jié)果與Wang等研究一致[12-13]。故以每戶3~4人計(jì)算，每戶產(chǎn)生廚余垃圾約1.69~1.80 kg；人類糞便約2.02~2.16 kg。

2.2 響應(yīng)面分析結(jié)果

2.2.1 模型建立

根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案得到試驗(yàn)結(jié)果見表4。采用Design-Expert 8.0.6軟件對20組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作多項(xiàng)擬合回歸分析，建立多元二次回歸方程，如下：

式中，Y-預(yù)測結(jié)果響應(yīng)值，累計(jì)甲烷量（mL）；A-原料中廚余垃圾（TS）所占比例、B-原料中人類糞便（TS）所占比例、C-原料中玉米秸稈（TS）所占比例。

2.2.2 模型可靠性分析

檢驗(yàn)回歸方程有效性及3個(gè)影響因素對累計(jì)甲烷量影響，數(shù)學(xué)模型方差分析結(jié)果見表5。由表5可知，A（廚余垃圾所占比例）、B（人類糞便所占比例）、C（原料中玉米秸稈所占比例）P值均小于0.0001，說明三者均為響應(yīng)值極顯著項(xiàng)（P<0.05）。表5中模型F值為2 842.71，P<0.05，模型總決定系數(shù)R2=0.9996，預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)（PredR2=0.9975）與調(diào)整后多重相關(guān)系數(shù)（AdjR2=0.9993）合理一致。此外，失擬項(xiàng)P>0.05，故差異不顯著，表明所建立模型可作分析與預(yù)測。變異系數(shù)（C.V.=0.21%）較小，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)精密度和可靠度較高，此模型擬合度較適合分析響應(yīng)值Y（累計(jì)甲烷量）。預(yù)測模型最優(yōu)組合為原料中廚余垃圾（TS）所占比例為0.23、人類糞便（TS）所占比例為0.44、玉米秸稈（TS）所占比例為0.09，預(yù)測累計(jì)甲烷量為9 930 mL。

表3 方差分析Table3 Analysisof variance

表5 二次模型方差分析Table5 Varianceanalysisof quadratic model

由表5可知，依據(jù)系數(shù)F值（A=103.78、B=4 151.24和C=120.70），說明各因素影響程度主次順序?yàn)椋築>C>A。二次項(xiàng)3個(gè)因素顯著性B2>A2>C2，表示3個(gè)影響因素對累計(jì)甲烷量影響有交互作用，而非單因素線性關(guān)系影響，故可通過數(shù)學(xué)建模表示3個(gè)因素對累計(jì)甲烷量影響。

2.2.3 因素間交互作用

采用Design-Expert 8.0.6軟件分析3個(gè)因素之間交互作用，確定每個(gè)因素最佳水平，通過3D響應(yīng)面圖和2D等高線圖直觀有效表示回歸模型，獲得最大響應(yīng)值Y。

如圖（2~4）所示，原料中廚余垃圾所占比例（A）、原料中人類糞便所占比例（B）和原料中玉米秸稈所占比例（C）3個(gè)因素與累計(jì)甲烷量呈拋物線關(guān)系。其中響應(yīng)曲面坡度緩急表示兩因素間交互作用對響應(yīng)值影響程度，坡度越平緩，交互作用影響越小，反之交互作用越明顯，圖中3個(gè)響應(yīng)曲面均為開口向下鍋蓋形狀曲面，且在所選范圍內(nèi)存在響應(yīng)值極高值，即響應(yīng)面最高點(diǎn)；由等高線圖可知交互作用影響效果最大范圍，得到最優(yōu)響應(yīng)值對應(yīng)因素水平，得出原料最優(yōu)配比。

如圖2所示，在原料中玉米秸稈所占比例（C）為0情況下，研究原料中廚余垃圾所占比例（A）和原料中人類糞便所占比例（B）對累計(jì)甲烷量影響。A曲線變化平緩，B曲線變化較大，由此說明原料中人類糞便所占比例（B）比原料中廚余垃圾所占比例（A）影響更顯著。當(dāng)原料中廚余垃圾所占比例（A）為0.41，原料中人類糞便所占比例（B）為0.23時(shí)，累計(jì)甲烷量達(dá)到峰值。

如圖3所示，在原料中人類糞便所占比例（B）保持為0情況下，研究原料中廚余垃圾所占比例（A）和原料中玉米秸稈所占比例（C）對累計(jì)甲烷量影響。A曲線變化平緩，C曲線變化較大，說明原料中玉米秸稈所占比例（C）比原料中廚余垃圾所占比例（A）影響更顯著。當(dāng)原料中廚余垃圾所占比例（A）為0.23，原料中玉米秸稈所占比例（C）為0.1時(shí)，累計(jì)甲烷量達(dá)到峰值。

如圖4所示，在原料中廚余垃圾所占比例（A）為0情況下，研究原料中人類糞便所占比例（B）和原料中玉米秸稈所占比例（C）對累計(jì)甲烷量影響。C曲線變化平緩，B曲線變化較大，說明原料中人類糞便所占比例（B）比原料中玉米秸稈所占比例（C）影響更顯著。當(dāng)原料中人類糞便所占比例（B）為0.41，原料中玉米秸稈所占比例（C）為0.1時(shí)，累計(jì)甲烷量達(dá)到峰值。

如圖（2~4）所示，隨原料中廚余垃圾，人類糞便和玉米秸稈所占比例升高，累計(jì)甲烷量經(jīng)歷先升后降過程，較低或較高原料混合比例均對累計(jì)甲烷量有負(fù)面影響，而最大累計(jì)甲烷量僅在適當(dāng)原料混合比例條件下得到。當(dāng)原料混合比例不均衡時(shí)，導(dǎo)致水解過程中復(fù)雜有機(jī)物在微生物作用下產(chǎn)生可溶性化合物，可降解部分在厭氧發(fā)酵過程中降解，剩余微生物導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量相對較低。當(dāng)原料中含碳量較大原料過多，導(dǎo)致產(chǎn)酸量過大，酸類化合物抑制后續(xù)厭氧發(fā)酵中產(chǎn)甲烷菌，使產(chǎn)氣量降低。結(jié)果表明，三者混合厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生協(xié)同作用，同時(shí)處理廚余垃圾、人類糞便和玉米秸稈方法可行。

圖2 廚余垃圾和人糞便所占比例對累積甲烷量影響Fig.2 Effectsof ratio of kitchen wasteto human feces on methane accumulation

2.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，選取原料配比（廚余∶人類糞便∶玉米秸稈）為23∶44∶9較優(yōu)參數(shù)開展厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，且保證預(yù)測試驗(yàn)其他條件不變，重復(fù)5次平行試驗(yàn)。初始混合原料C/N約為24，經(jīng)28 d發(fā)酵后，試驗(yàn)累計(jì)甲烷量實(shí)際值（10 035 mL）與理論預(yù)測值（9 930 mL）接近，其相對誤差為1.06%，說明該條件可代替最優(yōu)值，此時(shí)最大TS產(chǎn)氣率和甲烷含量為330 mL·g-1和59.25%。

2.3 用能分析

若將每戶產(chǎn)出有機(jī)垃圾全部用以厭氧轉(zhuǎn)化，每日可產(chǎn)沼氣約1.5 m3，可產(chǎn)能3.3 kWh。JFSD-100-Ⅱ粉碎機(jī)功率為0.37 kW，粉碎優(yōu)化試驗(yàn)中玉米秸稈用時(shí)約20 min，用能約0.12 kWh；普通家庭熱水壺功率約0.13 kW，每日用能約0.65 kWh；普通家庭電磁爐功率約1 kW，以每日平均使用1 h為計(jì)，用能約1 kWh；普通家庭電飯煲功率約為1 kW，以每日平均使用1 h為計(jì)，用能約1 kWh。因此，產(chǎn)生的沼氣全部用以發(fā)電，可滿足普通家庭日常使用。

圖3 廚余垃圾和玉米秸稈所占比例對累積甲烷量影響Fig.3 Effects of ratio of kitchen waste and corn straw on methane accumulation

圖4 人糞便和玉米秸稈所占比例對累積甲烷量影響Fig.4 Effects of ratio of human feces and corn straw on methaneaccumulation

3 結(jié) 論

a.實(shí)地調(diào)研得到北方農(nóng)戶主要為每戶3~4人，且產(chǎn)生廚余垃圾和糞便無顯著差異，每日產(chǎn)生廚余垃圾約為1.69~1.80 kg，糞便約為2.02~2.16 kg。

b.響應(yīng)面法成功優(yōu)化廚余垃圾、人類糞便和玉米秸稈混合發(fā)酵初始原料配比，確定最佳原料TS配比（廚余∶人類糞便∶玉米秸稈）為23∶44∶9，總固體濃度（TS）為8%時(shí)，甲烷含量達(dá)到59.25%，可獲得最大TS產(chǎn)氣率為330mL·g-1，若將每戶產(chǎn)出有機(jī)垃圾全部用以厭氧轉(zhuǎn)化，每日可產(chǎn)沼氣1.5 m3以上，可發(fā)電約3.3 kWh，滿足3~4人普通家庭日常飲食。