添加蛭石對奶牛糞厭氧干發(fā)酵的影響

曾 靜， 尹 芳， 張無敵， 吳 凱， 王昌梅， 柳 靜， 趙興玲， 楊 紅

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

隨著我國居民對奶制品需求的增加，奶牛存欄量也在隨之增加。至2019年，我國奶牛存欄量為742萬頭，相應(yīng)奶牛排糞量約20萬t?？梢?，每年奶牛排糞量巨大，對其進(jìn)行減量化、資源化、無害化處理顯得尤為必要。厭氧消化工藝因其可以對糞便進(jìn)行資源化利用，并產(chǎn)生沼氣等可再生能源的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

厭氧消化分為厭氧濕發(fā)酵還有厭氧干發(fā)酵兩種，厭氧濕發(fā)酵是指總發(fā)酵濃度在10%以下的發(fā)酵方式，而厭氧干發(fā)酵一般是指發(fā)酵濃度高于20%的一種高濃度的厭氧消化方式[1]。 與濕發(fā)酵相比，厭氧干發(fā)酵具有耗水量小，沼液沼渣量少且營養(yǎng)物濃度高等多重優(yōu)點(diǎn)[2]，但同時(shí)厭氧干發(fā)酵在啟動和運(yùn)行時(shí)也會遇到一些難題，比如因發(fā)酵濃度過高使得VFAs積累導(dǎo)致系統(tǒng)酸化，或發(fā)酵啟動慢，產(chǎn)氣不穩(wěn)定等[3]。

為了避免酸積累在厭氧干發(fā)酵處理固體廢棄物過程中的影響，外源添加劑近幾年被廣泛應(yīng)用于厭氧干發(fā)酵進(jìn)行研究，探討添加劑對發(fā)酵過程中酸積累的影響。李丹妮[4]等探究3種添加劑對豬糞厭氧干發(fā)酵的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物炭和蛭石的發(fā)酵體系中總揮發(fā)性有機(jī)酸(TVFAs)在第25天以后快速下降，隨著添加量增加，降低幅度也越大；海泡石作用并不明顯，然而相比不添加組，添加生物炭使得厭氧發(fā)酵遲滯期縮短30%～83%；在10%的添加比例下，蛭石、海泡石和生物炭分別使得揮發(fā)性固體含量(VS)產(chǎn)氣率提高了98.97%，76.78%和93.06%；在20%的添加比例下，最大VS產(chǎn)甲烷速率分別為3.62 mL·g-1，2.87 mL·g-1和3.15 mL·g-1；3種添加劑均緩解了豬糞干發(fā)酵的酸化過程，提高了產(chǎn)甲烷率，但其中添加蛭石效果更佳。宋香育[5]等研究發(fā)現(xiàn)在豬糞干發(fā)酵中添加蛭石可以使得發(fā)酵啟動時(shí)間縮短，在發(fā)酵產(chǎn)氣高峰期時(shí)降低了厭氧干發(fā)酵中的VFAs積累，提高了產(chǎn)氣率，累計(jì)VS產(chǎn)甲烷量也比豬糞單獨(dú)發(fā)酵提高了23.9%。可見，蛭石作為一種吸附性較強(qiáng)、有良好的陽離子交換性等的一種添加劑能使發(fā)酵快速啟動，并抑制VFAs的積累從而提高產(chǎn)甲烷率，有很好的應(yīng)用前景。因此，本實(shí)驗(yàn)以奶牛糞為原料，通過添加蛭石探究其對厭氧干發(fā)酵中酸積累及產(chǎn)氣效率的影響，為處理奶牛糞的實(shí)際沼氣工程提供理論參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料和接種物

奶牛糞取自云南省昆明市石林縣新希望雪蘭牧業(yè)有限公司，在開始發(fā)酵前先將牛糞進(jìn)行自然風(fēng)干處理，風(fēng)干至所需含固量，據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)報(bào)道，風(fēng)干后的奶牛糞不會對物質(zhì)造成顯著性影響[6]。接種物由本實(shí)驗(yàn)室長期馴化的活性污泥為底物，并定量加入部分新鮮奶牛糞在37℃±1℃水浴條件下長時(shí)間恒溫馴化而得。奶牛糞以及接種物的基本物理性質(zhì)見表1。

表1 原料特性 (%)

1.1.2 添加劑

本實(shí)驗(yàn)所用添加劑為蛭石，蛭石是片狀結(jié)構(gòu)的含鐵、鎂、水鋁硅酸鹽類礦物,具體礦物成分見表2。該蛭石于昆明斗南花卉市場某園藝店內(nèi)購買，規(guī)格為2～4 mm，如圖1所示。通過對蛭石的SEM電鏡掃描(見圖2～圖4)，可以看到蛭石在放大5000倍的條件下呈現(xiàn)雜亂的雪花片狀結(jié)構(gòu)，若放大到2萬倍條件下能看到蛭石成層板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有細(xì)小的間隔層。

表2 蛭石組分表 (%)

圖1 蛭石原圖

圖2 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖3 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖4 蛭石電鏡掃描(SEM)×20000

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用序批式實(shí)驗(yàn)裝置，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、計(jì)量瓶、1套溫控設(shè)備和1套PVC軟管組成。在發(fā)酵瓶頂部設(shè)有取樣口和集氣瓶口設(shè)有取氣口。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道可知，奶牛糞干發(fā)酵的最適宜總固體含量(TS)濃度為22%[7]。因此，本實(shí)驗(yàn)在37℃±1℃下恒溫進(jìn)行，發(fā)酵瓶發(fā)酵總體積均為200 mL，實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵總TS為22%，共設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)組、1個(gè)對照組和1個(gè)空白組，每組設(shè)置3個(gè)平行。3個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別為2%實(shí)驗(yàn)組、5%實(shí)驗(yàn)組和8%實(shí)驗(yàn)組，2%實(shí)驗(yàn)組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的2%；5%實(shí)驗(yàn)組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的5%；8%實(shí)驗(yàn)組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的8%。對照組只添加奶牛糞和接種物，空白組只添加接種物。具體設(shè)計(jì)見表3。

表3 37℃±1℃溫度時(shí)不同發(fā)酵濃度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配比

1.3.2 實(shí)驗(yàn)測定指標(biāo)與方法

通過每天測量排水量記錄每個(gè)處理的沼氣產(chǎn)量[8]；采用火焰顏色比色卡法[9]并結(jié)合福立GC9790II型氣相色譜儀測定各處理組的甲烷濃度和揮發(fā)性脂肪酸含量[10]；pH值、總固體含量(TS)和揮發(fā)性固體含量(VS)是根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室以往所采用的方法測定的[11]；總凱氏氮(TKN)采用凱氏定氮法[12]進(jìn)行測定；總磷(TP)采用鉬藍(lán)法進(jìn)行測定[13]。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(GB9834-88)進(jìn)行測定；電鏡掃描(SEM)使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，5 kV加速電壓，工作距離6.6 mm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用Excel 2016軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪圖使用Origin 2017軟件。使用SPSS 16.0軟件，采用單因素方差分析評估各處理間參數(shù)的差異，并且通過至少3個(gè)平行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加量對厭氧干發(fā)酵甲烷含量的影響

所有實(shí)驗(yàn)組和對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均已扣除空白組，下文同理。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了64 d，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后并繪制得到甲烷含量變化見圖6。從圖中可以看出，在不同蛭石添加量的實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)快速啟動，發(fā)酵前4 d內(nèi)各組甲烷含量迅速上升，甲烷含量達(dá)到40%以上。期間各實(shí)驗(yàn)組甲烷含量上升速率接近，0%組(對照組)略微突出，其原因可能是蛭石對厭氧干發(fā)酵前期的酸化過程產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致發(fā)酵體系酸化速度減緩，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)未能及時(shí)被產(chǎn)甲烷菌利用。發(fā)酵至第10天以后，8%組的甲烷含量明顯高于其他幾組，甲烷含量最高達(dá)到65%，其余幾組的甲烷含量則保持在55%～60%浮動，此時(shí)各組的產(chǎn)甲烷菌均處于活躍狀態(tài)。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至第25天～30天時(shí)，8%組甲烷含量出現(xiàn)下降趨勢，甲烷含量最低下降至55%，隨后又恢復(fù)。之后的30 d甲烷含量基本保持平穩(wěn)，直至發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖6 發(fā)酵過程中甲烷含量變化

2.2 不同添加量對厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量及甲烷量的影響

從圖7日產(chǎn)沼氣量及圖8日產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化中可以看出，在蛭石不同添加量的實(shí)驗(yàn)過程中，由于各組甲烷含量(見圖6)相近，所以日產(chǎn)沼氣量變化曲線與日產(chǎn)甲烷量變化曲線規(guī)律也相接近。發(fā)酵前期各組日產(chǎn)甲烷量皆迅速上升，至第10天各組日產(chǎn)甲烷量均達(dá)到峰值，隨后產(chǎn)甲烷量開始有所下降。其中，在產(chǎn)氣高峰期時(shí)段，添加了蛭石的實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)甲烷量都明顯高于對照組(在第12天時(shí)產(chǎn)甲烷最高組與最低組相差了100 mL)，說明蛭石能明顯的促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)氣。從圖8可以看出，2%組和5%組的日產(chǎn)甲烷量均高于另外2個(gè)組，故可以大致確定出蛭石最佳添加量為2%～5%。

圖7 日產(chǎn)沼氣量隨時(shí)間的變化

圖8 日產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化

2.3 不同添加量對厭氧干發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)甲烷量的影響

從圖9累計(jì)產(chǎn)甲烷量中可以看出，蛭石不同添加量的實(shí)驗(yàn)過程中累計(jì)產(chǎn)甲烷曲線變化符合厭氧發(fā)酵規(guī)律，發(fā)酵前5 d處于發(fā)酵滯留期，還未開始大量產(chǎn)甲烷。從第7天開始，各組進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段開始快速產(chǎn)甲烷，但發(fā)酵初期各組累計(jì)產(chǎn)甲烷量差異并不大。第20天以后可以看出，2%組和5%組曲線明顯高于其余兩組，說明2%組和5%組產(chǎn)甲烷效果更好；至第30天以后可以看出，5%組累積產(chǎn)甲烷量曲線高于2%實(shí)驗(yàn)組，說明當(dāng)蛭石添加量為5%時(shí)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)甲烷效果最佳。以最佳產(chǎn)甲烷組別5%組來判定，在實(shí)際工程上可將HRT定為第34天。從最終累計(jì)產(chǎn)甲烷量可以看出，5%組累計(jì)產(chǎn)甲烷(7125 mL)大于2%組(6685 mL)大于8%組(6297 mL)大于0%組(5887 mL)。計(jì)算后可得，基于發(fā)酵總TS的基礎(chǔ)上添加5%，2%，8%的蛭石，分別提高了奶牛糞厭氧干發(fā)酵21.03%，13.54%，6.95%的產(chǎn)甲烷量。

圖9 累計(jì)產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化

通過計(jì)算得到各組的TS和VS產(chǎn)甲烷量、平均甲烷含量如表4?？梢钥闯?，5%組VS產(chǎn)甲烷量最高，達(dá)到270 mL·g-1VS；而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達(dá)到58.71%。綜合考慮，在奶牛糞的厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，外源添加劑蛭石最適宜的添加量應(yīng)該保證在5%左右。

表4 不同蛭石添加量對厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷量的對比

2.4 不同添加量對發(fā)酵過程中有機(jī)酸變化的影響

從圖10可以看出，在發(fā)酵前期0%組的TVFAs快速上升。并結(jié)合日產(chǎn)甲烷量圖8發(fā)現(xiàn)，0%組的產(chǎn)甲烷高峰和TVFAs峰值都出現(xiàn)在第20天，此時(shí)TVFAs達(dá)到12.70 mg·g-1，略微抑制了產(chǎn)甲烷菌的作用，從而使得0%組產(chǎn)甲烷量低于其他幾組，不過并沒有因?yàn)樗岱e累嚴(yán)重而使得發(fā)酵失敗。后期隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的VFA被產(chǎn)甲烷菌利用，TVFAs濃度呈現(xiàn)下降趨勢。在2%組，5%組和8%組中，TVFAs峰值出現(xiàn)略晚但均低于0%組峰值，并且在35 d以前，各實(shí)驗(yàn)組有機(jī)酸含量明顯低于0%組，可以發(fā)現(xiàn)蛭石在厭氧干發(fā)酵前期能明顯抑制VFAs的生成，從而減輕酸化過程。而在發(fā)酵后期(第40天左右)可以看出添加蛭石的組別TVFAs高于0%組，此時(shí)抑制酸積累的效果便沒有很明顯。結(jié)合圖10TVFAs變化曲線和圖11乙酸變化曲線發(fā)現(xiàn)，乙酸的變化趨勢與TVFAs變化趨勢基本一致，且乙酸在有機(jī)酸中占主要地位。

圖10 發(fā)酵過程中TVFAs變化

圖11 發(fā)酵過程中乙酸變化

3 討論

本文在奶牛糞厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加了蛭石進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵初期添加蛭石的實(shí)驗(yàn)組抑制了反應(yīng)的TVFAs積累，減輕了酸化程度，從而導(dǎo)致有相對較高的有機(jī)酸含量的0%組在發(fā)酵高峰期的日產(chǎn)甲烷量低于實(shí)驗(yàn)組。初步分析蛭石在發(fā)酵前期能減輕酸化作用的原因可能是因?yàn)轵问瘜儆诠杷猁}，在水中時(shí)pH值為6～9，微偏堿性[14]，實(shí)驗(yàn)剛開始加入蛭石后系統(tǒng)內(nèi)pH值保持微堿性，能延緩發(fā)酵體系pH值在產(chǎn)酸階段快速下降至酸性，降低了產(chǎn)酸菌的活躍性，減少大量VFAs的生成，從而避免酸積累現(xiàn)象。并且蛭石是由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成的具有限域結(jié)構(gòu)的天然層狀礦物材料。由于其硅氧四面體的四價(jià)硅被三價(jià)鋁代替, 所以其層板帶負(fù)電荷，在帶負(fù)電的表面上通過正負(fù)電的吸引來進(jìn)行吸附[15-16]；結(jié)合圖1～圖4發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所用蛭石呈層板狀，相關(guān)研究表明蛭石表面的多孔和層板邊緣的棱角是其具有吸附作用的原因之一[17]。因此，認(rèn)為蛭石的吸附作用也對酸抑制產(chǎn)生了一定的影響。

添加蛭石在緩解酸化的同時(shí)也可以提升了干發(fā)酵的產(chǎn)甲烷效果，提前并提高發(fā)酵高峰，5%組VS產(chǎn)甲烷量最高，達(dá)到218 mL·g-1。而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達(dá)到58.71%，但累計(jì)產(chǎn)甲烷量略低，所以外源添加劑蛭石最適宜的添加量應(yīng)該保證在5%左右。但是由于實(shí)驗(yàn)的局限性，最適宜添加量為實(shí)驗(yàn)室批量裝置實(shí)驗(yàn)所獲得，沼氣工程上是否與其具有一致性需待進(jìn)一步驗(yàn)證，并且仍然需要進(jìn)一步對添加蛭石具體抑制VFAs的作用機(jī)理進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

在奶牛糞厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，添加蛭石在發(fā)酵前期能抑制VFAs的生成，減輕了酸化作用。同時(shí)，添加蛭石可以提升奶牛糞厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)甲烷效果，提前并提高發(fā)酵高峰。而對于奶牛糞厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的外源添加劑蛭石最佳的添加量在5%左右，其VS產(chǎn)甲烷量最高，達(dá)到218 mL·g-1。