底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)牛糞玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化性能的影響

朱教寧 ，李永平 ，湯 昀 ，史向遠(yuǎn) ，王秀紅 ，張靜璇 ，高 莉 ，郭常蓮

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031；2.省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），山西 太原 030031；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030031；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太原 030031）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式逐漸向規(guī)?；I(yè)化發(fā)展，畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈等廢棄物也隨之產(chǎn)生，不僅產(chǎn)量巨大而且產(chǎn)生較為集中，這些農(nóng)業(yè)廢棄物如果得不到合理的處置和消納，其帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題將成為制約農(nóng)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的主要問(wèn)題[1-2]。厭氧消化技術(shù)是指厭氧微生物利用有機(jī)物質(zhì)在特定的環(huán)境條件下發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)主要有：能耗低、能量轉(zhuǎn)化率高。有研究表明，農(nóng)作物秸稈通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生沼氣后，其熱效率較直接焚燒提高了94%；資源化程度高，除了能生產(chǎn)清潔能源沼氣外，發(fā)酵的殘余物沼液、沼渣還可作為有機(jī)肥用于作物栽培[3-5]。因此，厭氧消化技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的重要技術(shù)手段。

厭氧消化是一個(gè)非常復(fù)雜的生化過(guò)程，其反應(yīng)效果受諸多因素的影響，其中，底物固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響厭氧消化產(chǎn)氣性能的重要因素，其過(guò)高或過(guò)低都不利于厭氧消化反應(yīng)的正常進(jìn)行[6]。底物固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低，水分含量大，單位容積里可供微生物利用的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量少，發(fā)酵效率低。裴占江等[7]研究發(fā)現(xiàn)，總固體（Total solid，TS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，豬糞15～35 ℃發(fā)酵的平均池容產(chǎn)氣率為0.121 L/（L·d），僅為TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% 時(shí)的11.36%，不利于厭氧發(fā)生器的充分利用。然而，底物固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，含水量少，發(fā)酵原料不易分解，容易造成中間產(chǎn)物的累積，對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生毒害，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣不穩(wěn)定，甚至失敗。常華等[8]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞的TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，丁酸在發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)生累積，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)，導(dǎo)致日均產(chǎn)甲烷量降低。王菊華等[9]研究發(fā)現(xiàn)，混合蔬菜廢棄物的底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%提升至6%時(shí)，消化系統(tǒng)中的揮發(fā)性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）出現(xiàn)了累積，對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)生了明顯的抑制，揮發(fā)性固體（Volatile solid，VS）產(chǎn)沼氣潛力由324.94 mL/g 降低至35.25 mL/g。喬瑋等[10]在進(jìn)行雞糞中溫批次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加至15% 時(shí)，TS 產(chǎn)甲烷率由253 mL/g 降低至173 mL/g，原因是固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升導(dǎo)致了氨氮的累積，降低了微生物利用乙酸產(chǎn)甲烷的活性。

由于反應(yīng)底物的組成和性質(zhì)不同，其厭氧消化性能存在著較大的差異，底物固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)不同發(fā)酵原料厭氧消化性能的影響也不盡相同。另外，前人的研究大多是基于底物的TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)開(kāi)展的，而VS 更能夠代表底物有機(jī)質(zhì)的含量，目前基于底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究以牛糞和玉米秸稈的混合物為原料，采用批量消化的試驗(yàn)方式，在中溫條件下綜合考察不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)牛糞玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)氣性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性及有機(jī)物降解率的影響，以獲得適宜的底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為以牛糞玉米秸稈為原料的沼氣工程提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 材料

牛糞為山西省晉中市榆次區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)養(yǎng)牛場(chǎng)的鮮牛糞，去除雜物后測(cè)得TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.1%，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.1%，碳氮比（C/N）為21.5；玉米秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽(yáng)基地玉米試驗(yàn)田，自然晾干后進(jìn)行多次粉碎至粉末狀，測(cè)得TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.1%，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.4%，C/N 為59.6；接種污泥為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽(yáng)基地穩(wěn)定運(yùn)行沼氣池中的發(fā)酵底泥，TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.9%，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%。

1.2 反應(yīng)裝置

厭氧消化發(fā)生器如圖1 所示。

圖1 厭氧消化發(fā)生器Fig.1 Anaerobic digestion generator

反應(yīng)裝置為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院沼氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自制的1 L 厭氧消化發(fā)生器，主要材質(zhì)為玻璃，分反應(yīng)裝置、集水裝置和集氣裝置3 個(gè)部分。其中，反應(yīng)裝置由上、下2 個(gè)部分組成，上部為排水集氣區(qū)，下部為厭氧消化反應(yīng)區(qū)，集水裝置主要為集水瓶，集氣裝置主要為集氣袋。消化原料經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入到厭氧消化反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)后產(chǎn)生的沼氣經(jīng)導(dǎo)氣管進(jìn)入到排水集氣區(qū)，隨著沼氣量增加，排水集氣區(qū)氣體壓力逐漸增大，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，排水集氣區(qū)內(nèi)的水經(jīng)橡膠連接軟管進(jìn)入到集水瓶?jī)?nèi)，測(cè)量集水瓶?jī)?nèi)水的體積得到沼氣產(chǎn)量；需要測(cè)定沼氣中甲烷的含量時(shí)，將止水夾打開(kāi)，氣體進(jìn)入到集氣袋[11]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期研究結(jié)果，將牛糞與玉米秸稈按照VS 比1∶1 配混[12]，接種物VS 占比30%，反應(yīng)底物質(zhì)量為550 g，在中溫35 ℃條件下進(jìn)行30 d 的批量式厭氧消化試驗(yàn)。按照混合物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、5%、7%、9%、11%設(shè)置5 個(gè)處理，分別記為T1、T2、T3、T4、T5，每處理5 個(gè)重復(fù)。沼氣產(chǎn)量每天測(cè)定，沼氣中的甲烷含量每2 d 測(cè)定1 次，消化液的pH、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）和總堿度（Total alkalinity，TA）每5 d 測(cè)定1 次，反應(yīng)底物的TS、VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別于反應(yīng)前和反應(yīng)后各測(cè)定1 次。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

TS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用烘干法測(cè)定，將原料置于鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量[13]；VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用灼燒法測(cè)定，將烘干后的樣品放置于馬弗爐中，在600 ℃條件下灼燒至恒質(zhì)量[13]；氨氮采用蒸餾-中和滴定法，具體參考HJ 537—2009；VFAs和TA 測(cè)定分別采用比色法和電位滴定法[13]；pH 采用CyberScan PC 300 便攜式多參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定；甲烷含量采用安捷倫氣相色譜儀（7890B）測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣特性分析

2.1.1 日產(chǎn)氣量 由圖2 可知，各處理組日產(chǎn)氣量的整體變化規(guī)律相似，均為先升高，維持一段時(shí)間（8～12 d）較高水平產(chǎn)氣后迅速降低，最后進(jìn)入平緩下降階段。T2～T5處理組均有2 個(gè)明顯的產(chǎn)氣高峰，第1 個(gè)產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在產(chǎn)氣第2 天，此時(shí)為水解酸化階段，水解酸化菌將消化原料中的大分子有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物質(zhì)，此時(shí)氣體中的主要成分為CO2。第2 個(gè)產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第6 天，T2～T5處理的峰值日產(chǎn)氣量分別為513.0、673.6、802.5、845.2 mL，此時(shí)已進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷微生物利用水解酸化階段產(chǎn)生的有機(jī)酸生成CH4。而T1處理沒(méi)有出現(xiàn)明顯的第2 個(gè)產(chǎn)氣高峰，且日產(chǎn)氣量始終維持在較低的水平上，峰值日產(chǎn)氣量出現(xiàn)在第6 天，為257.1 mL，這表明底物的VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，可供水解酸化菌降解的有機(jī)物含量少，后續(xù)產(chǎn)甲烷微生物利用的有機(jī)酸就少，產(chǎn)氣量較低。

圖2 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化日產(chǎn)氣量的變化Fig.2 Variation of daily biogas production with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.1.2 累積產(chǎn)氣量 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化累積產(chǎn)氣量的變化如圖3所示。

圖3 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化累積產(chǎn)氣量的變化Fig.3 Variation of cumulative biogas production with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

從圖3 可以看出，總體上各處理的累積產(chǎn)氣量均呈先快速升高后趨于平穩(wěn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。1～12 d為快速增長(zhǎng)期，增長(zhǎng)速率為T5>T4>T3>T2>T1，反應(yīng)第12 天時(shí)，T1、T2、T3、T4、T5處理的累積產(chǎn)氣量分別為2 353.8、4 411.0、6 702.4、8 094.8、8 447.0 mL，分別占總累積產(chǎn)氣量的72.5%、74.6%、75.3%、75.2%、72.6%；12 d 后，隨著消化料液中小分子有機(jī)質(zhì)的消耗，各處理的累積產(chǎn)氣量增長(zhǎng)放緩并趨于平穩(wěn)。最終各處理累積產(chǎn)氣量由高到低排序?yàn)門5（11 503.3 mL）>T4（10 658.4 mL）>T3（8 898.5 mL）>T2（5 916.0 mL）>T1（3 246.9 mL）。底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3% 提高到5%、5% 提高到7%時(shí)，累積產(chǎn)氣量分別增加82.2%、50.4%；而當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7% 提高至9%、9% 提高至11% 時(shí)，其增幅僅分別為21.0%、7.9%。即底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高累積產(chǎn)氣量越大，但增幅卻逐漸減小。

2.1.3 甲烷含量 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化甲烷含量的變化如圖4 所示。

圖4 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化甲烷含量的變化Fig.4 Variation of methane content with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

由圖4 可知，各處理甲烷含量的整體變化趨勢(shì)基本相同，表現(xiàn)為先迅速增加后增幅減緩，隨后緩慢下降，最終穩(wěn)定在60%～65%，直到產(chǎn)氣結(jié)束。各處理間的差異主要體現(xiàn)在產(chǎn)氣初期和產(chǎn)氣高峰期內(nèi)（第0～12 天）。反應(yīng)初期，各處理甲烷含量迅速升高，且底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，增幅越大。T3、T4、T5處理的甲烷含量在第4 天即達(dá)到50%以上，反應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段[14]，而T1、T2處理較滯后，分別在第10 天和第8 天進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。T2～T5處理甲烷含量的峰值均落在產(chǎn)氣第12 天，分別為68.6%、68.3%、66.7%、66.3%，T1處理的峰值出現(xiàn)在第18 天，為65.7%。最終，T1、T2、T3、T4、T5處理的產(chǎn)甲烷均值分別為56.1%、59.2%、60.3%、59.5%、59.8%，T1處理顯著低于其他處理（P<0.05），T2～T5處理之間無(wú)顯著差異（表1）。由此可見(jiàn)，底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低，厭氧微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少，不利于產(chǎn)甲烷階段的快速啟動(dòng)和甲烷含量的提升。

表1 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化的產(chǎn)甲烷特性指標(biāo)Tab.1 Methane characteristic index with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.1.4 容積產(chǎn)甲烷率 由表1 可知，容積產(chǎn)甲烷率隨底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但是其增加幅度逐漸減小，經(jīng)計(jì)算，底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%提高到5%、5%提高到7%時(shí)，容積產(chǎn)甲烷率分別增加88.5%、61.4%；而當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%提高至9%、9% 提高至11% 時(shí)，其增幅分別僅為12.4%、11.0%。T1～T5處理的容積產(chǎn)甲烷率分別為59.2、111.4、179.6、206.7、231.8 mL/（L·d），各處理間均存在顯著性差異（P<0.05）。

2.1.5 VS 產(chǎn)甲烷量 從表1 可以看出，VS 產(chǎn)甲烷量隨底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升呈先升高后降低的趨勢(shì)。底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%（T1）提升至7%（T3）時(shí)，VS 產(chǎn)甲烷量由153.8 mL/g 提高至199.9 mL/g；繼續(xù)提升底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，VS 產(chǎn)甲烷量開(kāi)始下降，T4、T5處理的VS 產(chǎn)甲烷量分別降至179.0、164.2 mL/g。T3處理的VS 產(chǎn)甲烷量最高，且顯著高于其他處理（P<0.05），分別較T1、T2、T4、T5處理高出30.0%、15.1%、11.7%、21.7%。

2.2 VS 去除率分析

由圖5 可知，VS 去除率隨著底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升而下降，各處理的VS 去除率在30%～75%。其中，T1處理的VS 去除率可達(dá)74.8%，顯著高于其他處理（P<0.05）。T2、T3處理的VS 去除率分別為64.0%和61.0%，均大于60%，二者之間無(wú)顯著差異。當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步升高時(shí)，VS 去除率明顯下降，T4、T5處理的VS 去除率分別僅為36.8%和33.1%，分別較T1處理降低了38.0、41.7 百分點(diǎn)，且二者之間差異不顯著，但均顯著低于其他處理（P<0.05）。

圖5 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化的VS 去除率比較Fig.5 Comparison of removal rate with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.3 消化料液的理化指標(biāo)分析

2.3.1 pH 和VFAs 反應(yīng)初期，消化底物中的大分子有機(jī)物在微生物的水解作用下迅速分解為脂肪酸等小分子有機(jī)質(zhì)。從圖6可以看出，消化第5天，各處理的VFAs 質(zhì)量濃度均增長(zhǎng)至整個(gè)消化周期的最高點(diǎn)，且底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，增長(zhǎng)速率越快，VFAs 質(zhì)量濃度越高。隨著消化反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌開(kāi)始利用VFAs 生成甲烷氣體，VFAs 的質(zhì)量濃度在第5 天后開(kāi)始下降。T1處理的底物VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，VFAs 質(zhì)量濃度變化幅度小且一直處于較低的水平，可供產(chǎn)甲烷菌利用的有機(jī)質(zhì)就少，因此，產(chǎn)氣量較低。T2、T3處理的VFAs 質(zhì)量濃度在消化第15 天后便快速降低至較低的水平范圍內(nèi)（<700 mg/L），并保持至反應(yīng)結(jié)束。而T4、T5處理的VFAs 質(zhì)量濃度從第10 天后便趨于穩(wěn)定，一直維持在較高的水平（1 300～2 000 mg/L）直至反應(yīng)結(jié)束，這表明此時(shí)消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷菌對(duì)VFAs 的利用能力降低，VFAs 出現(xiàn)了一定程度的累積[15]。

圖6 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化VFAs 質(zhì)量濃度的變化Fig.6 Variation of VFAs mass concentration with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

由圖7 可知，各處理的pH 在第5 天達(dá)到整個(gè)反應(yīng)周期的最低值，T1～T5處理分別為5.8、5.8、5.6、5.4、5.3；隨后開(kāi)始逐漸升高，發(fā)酵15 d 后各試驗(yàn)組的pH 值均穩(wěn)定在6.5～7.2。由于出現(xiàn)VFAs 累積，T4、T5處理的pH 值相較于其他處理整體偏低，但整體上仍處在適宜的范圍內(nèi)（6.5～8.0）[16]。

圖7 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化pH 的變化Fig.7 Variation of pH with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.3.2 VFAs/TA 和氨氮 消化液中的堿度可以對(duì)揮發(fā)性脂肪酸起到中和與緩沖作用，因此，VFAs/TA 值常用來(lái)表示消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。普遍認(rèn)為，VFAs/TA<0.3，消化系統(tǒng)穩(wěn)定；0.30.8，消化系統(tǒng)嚴(yán)重失穩(wěn)[16]。由圖8 可知，T1～T3處理整個(gè)消化周期的VFAs/TA 值均小于0.3，系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。而T4、T5處理從發(fā)酵第5 天至反應(yīng)結(jié)束VFAs/TA 均位于0.3～0.5，表明消化系統(tǒng)的緩沖能力下降，受到VFAs 累積的抑制，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖8 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化VFAs/TA 的變化Fig.8 Variation of VFAs/TA with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

氨氮是厭氧消化過(guò)程的中間產(chǎn)物，是微生物生長(zhǎng)代謝重要的氮源，然而氨氮質(zhì)量濃度過(guò)高也會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用，因此，氨氮也是影響消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的要素之一，一般認(rèn)為，氨氮質(zhì)量濃度大于1 500 mg/L 時(shí)，會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性[17-19]。圖9為各處理消化系統(tǒng)中氨氮質(zhì)量濃度的變化情況，整體上底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大氨氮的質(zhì)量濃度越高。發(fā)酵初期，底物中的含氮有機(jī)物被微生物分解利用產(chǎn)生氨氮，各處理的氨氮質(zhì)量濃度增加，在消化第5 天達(dá)到最高值，T1～T5處理的氨氮質(zhì)量濃度分別為396.7、456.6、573.6、765.0、896.4 mg/L，均小于1 500 mg/L，未達(dá)到氨氮抑制水平。隨著消化天數(shù)的延長(zhǎng)氨氮質(zhì)量濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)，直至反應(yīng)結(jié)束?？梢?jiàn)，各處理在整個(gè)消化過(guò)程中均未出現(xiàn)氨氮抑制。

圖9 不同VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)牛糞和玉米秸稈聯(lián)合厭氧消化氨氮質(zhì)量濃度的變化Fig.9 Variation of ammonia nitrogen mass concentration with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

3 討論

3.1 不同底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的產(chǎn)甲烷潛力分析

VS 產(chǎn)甲烷量代表消化原料的產(chǎn)甲烷潛力，表征消化系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物質(zhì)的利用潛力，體現(xiàn)的是厭氧消化技術(shù)的能源化利用價(jià)值[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞和玉米秸稈混合原料的產(chǎn)甲烷潛力隨底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升呈先增加后降低。底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%提升至7%時(shí)，消化原料的產(chǎn)甲烷潛力也隨之升高；當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至7%以上后，產(chǎn)甲烷潛力不再提高，出現(xiàn)下降趨勢(shì)。喬小珊[21]、張振等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)奶岣叩孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以增加發(fā)酵系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，有利于厭氧微生物的快速生長(zhǎng)，消化原料產(chǎn)甲烷潛力隨之提高；當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，含水量減少、VFAs 積累，厭氧微生物的活性降低，消化原料的產(chǎn)甲烷潛力下降，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果吻合。

3.2 不同底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的有機(jī)物降解效果分析

VS 去除率代表有機(jī)物質(zhì)的降解效果，表征消化系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的處理能力，是厭氧消化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面的價(jià)值體現(xiàn)[10,23]。本試驗(yàn)條件下，VS 去除率隨底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升而降低，底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%時(shí)，VS 去除率均大于60%，保持在較高的水平上；但是當(dāng)?shù)孜颲S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至9%、11%時(shí)，VS 去除率下降較為明顯，均降至40%以下，此時(shí)大部分有機(jī)物質(zhì)仍殘留在厭氧消化液中未得到處理，不但造成了消化原料的資源浪費(fèi)，還會(huì)大大增加后續(xù)沼液沼渣無(wú)害化處理的成本。經(jīng)分析，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%和11%時(shí)，消化系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了VFAs 的累積，抑制了厭氧微生物的活性，破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)降解能力下降，這與杜靜等[24]、楊祎楠等[25]的研究結(jié)果相似。

3.3 不同底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的消化系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

消化料液的VFAs、VFAs/TA、氨氮等理化指標(biāo)與厭氧微生物的代謝活動(dòng)密切相關(guān)，其變化情況影響著消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3，26]。有學(xué)者認(rèn)為，VFAs質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L 時(shí)，消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)VFAs 質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L 時(shí)，消化系統(tǒng)是否穩(wěn)定均存在可能性，具體與消化原料的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種類有關(guān)[15]。本研究中，底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～7%時(shí)，VFAs 質(zhì)量濃度在整個(gè)消化周期內(nèi)均小于1 000 mg/L，這說(shuō)明水解產(chǎn)生的VFAs 能夠迅速被產(chǎn)甲烷菌利用，系統(tǒng)的水解酸化作用和產(chǎn)甲烷作用達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡[27]。當(dāng)VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至9%和11%時(shí)，VFAs 質(zhì)量濃度從消化第5 天開(kāi)始便一直維持在1 000 mg/L 以上，且VFAs/TA 值大于0.3，由此可見(jiàn)，VFAs 在消化系統(tǒng)中出現(xiàn)了累積，導(dǎo)致系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。本試驗(yàn)中，不同底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的氨氮質(zhì)量濃度均在合理的范圍中，未出現(xiàn)氨氮抑制。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，綜合產(chǎn)氣效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有機(jī)物的降解率考慮，適宜的底物VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為7%。此時(shí)，VS 產(chǎn)甲烷量最高，為199.9 mL/g；有機(jī)物降解率較高，為64.0%；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。