牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵工艺优化及动力学研究

聂 冬，金明姬2，*，刘 永，严昌国2（.延边大学理学院，吉林延吉002；2.延边大学农学院，吉林延吉002；.山东宝来利来生物工程股份有限公司研究院，山东泰安27000）

牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵工艺优化及动力学研究

聂 冬1，金明姬2，*，刘 永3，严昌国2
（1.延边大学理学院，吉林延吉133002；2.延边大学农学院，吉林延吉133002；3.山东宝来利来生物工程股份有限公司研究院，山东泰安271000）

为实现牛粪与水稻秸秆资源化利用，采用批式试验，分别研究了预处理剂种类（H2O2、H2SO4、NaOH）、预处理剂浓度（2%、4%、6%）及牛粪与水稻秸秆物料比（1∶1、2∶1、4∶1）对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气效果的影响。结果表明，采用2%H2O2预处理剂，物料配比控制在1∶1，系统平均原料产气率为398.0 mL·g-1，发酵效果最佳。动力学研究发现，一级动力学模型与Modified Gompertz方程均可较为准确地对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程进行动态模拟，其中，Modified Gompertz方程的模拟效果更优。

牛粪；水稻秸秆；预处理；一级动力学模型；Modified Gompertz方程

作为农业大国，我国每年畜禽粪便及作物秸秆产量分别达20.1亿和7亿t［1-3］。若对此缺乏有效的处理，不仅是资源的浪费，对环境也会造成巨大压力。鉴于此，通过厌氧发酵技术处理农业废弃物的研究越来越受到重视。在减少农业废弃物对环境危害的同时，也可为生产生活提供清洁生物能源，具有显著的经济、生态和环保效益。

秸秆中含有大量难降解的纤维素、半纤维素、木质素等，且组成结构复杂，如直接用于发酵产沼气，存在发酵启动慢、发酵时间延长、产气率低、秸秆利用率低等问题［4］。Zhang等［5］利用3%的NaOH对稻草进行预处理，使稻草产气量较未处理秸秆提高54%。高志坚［6］对比分析了未进行预处理、生物预处理和化学预处理后玉米秸秆的产气效果，采用50 g·L-1NaOH溶液进行预处理，可明显提高厌氧消化的效率。覃国栋等［4］认为，水稻秸秆经碱试剂处理亦存在洗涤用水及物质损失的问题，但化学预处理方法仍是一种破坏水稻秸秆复杂结构较为快速便捷的方法。同时，近年来有关混合发酵方面的研究也较多，张洪宾等［1］、李雪等［7］对作物秸秆与畜禽粪便进行了混合发酵，结果与单一物料发酵相比，混合发酵解决了发酵原料碳氮比调控困难、发酵周期长、产气率低及发酵系统不稳定等问题，其效果明显优于单一物料发酵。

本试验以牛粪与水稻秸秆为原料，拟进行混合厌氧发酵；同时，在发酵前拟用酸碱性试剂对水稻秸秆进行预处理。通过探讨不同预处理方法与牛粪、水稻秸秆物料配比对发酵系统的影响，优化牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵系统。同时，结合厌氧发酵一级动力学模型与 Modified Gompertz模型系统研究混合厌氧发酵特性，以期为牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪取自延边大学教学基地养殖场，为富集厌氧菌种，将鲜牛粪在实验室沤制一段时间备用；水稻秸秆取自吉林省龙井市附近水稻田；接种物取自延吉市污水处理厂二沉池活性污泥，为富集污泥中的厌氧菌，对污泥进行2周的厌氧驯化，期间定期加入营养液，提高污泥浓度。

1.2 试验装置

如图1，试验采用实验室自行设计的单项厌氧发酵系统。装置由水浴恒温装置、发酵装置与集气装置3部分组成。水浴恒温装置用于控制发酵温度；发酵装置采用5 L的下口瓶，瓶口用橡胶塞密封；集气装置由锥形瓶与烧杯组成，锥形瓶口用橡胶塞密封；各装置间用导气管与导液管连接。

1.3 试验设计

试验采用批式进料方法，按表1中的试验设计条件，将牛粪、预处理水稻秸秆与驯化后活性污泥按一定比例混合配置发酵料液，接入自制发酵装置中进行连续发酵。试验共分预处理剂优化试验（试验1）、预处理剂浓度优化试验（试验2）与物料配比优化试验（试验3）。试验1与试验2分别设3个试验组与1个对照组，试验3设3个试验组与2个对照组。此外，在所有试验中，发酵料液初始总固体含量（TS）控制在8%［8］，发酵温度控制在（35±1）℃，活性污泥的投加量控制在0.79 g（干质量），并每天定时搅拌1次。

水稻秸秆预处理具体方法如下：将水稻秸秆铡成1～2 cm左右细条状，浸泡于预处理溶液中24 h。此时，秸秆与预处理溶液固液比控制在1∶10，预处理溶液根据不同的试验要求进行配置。后将秸秆用蒸馏水冲洗浸泡至中性，风干备用。

1.4 测定项目及方法

试验所测项目有总固体含量（TS）、pH值、化学需氧量（COD）、总氮（TN）及产气量等。其中，TS在发酵料液配置过程中，采用烘干法进行测定；pH值使用PHS-3C酸度计每隔3 d测定一次；COD、TN均在发酵前后，采用重铬酸钾法与硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定［9］；产气量利用排水法，每天定时测定1次。

图1 试验装置示意图Fig.1 Experiment device schematic diagram

表1 厌氧发酵控制参数Table 1 Controlling parameter of anaerobic fermentation

2 结果与分析

2.1 不同预处理剂对厌氧发酵系统的影响

在不同预处理剂条件下，牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵系统产气情况如图2。由于发酵前对牛粪进行了短暂的沤制，试验组与对照组在发酵初期均出现一个产气小高峰。但随后因产酸速率高于产甲烷速率，酸物质累积，pH值下降，影响产甲烷菌的富集，产气量增长缓慢或呈下降趋势。但随发酵的进行，酸物质逐渐消耗，pH值上升，产甲烷菌得到富集，产气量也呈上升趋势。H2O2、H2SO4、NaOH试验组与对照组分别在第22、19、21与32天出现产气峰值，其最大产气速率分别为1 146、993、1 098与976 mL·d-1。之后，随发酵物料的减少，产气缓慢降低。

4组累积产气量由大到小依次为H2O2（27.2 L）＞H2SO4（26.7 L）＞NaOH（22.0 L）＞对照组（21.6 L），这与刘培旺等［10］及李湘等［11］的研究结果类似。与对照组相比，利用酸碱对秸秆进行预处理时，大量木质素、半纤维素及纤维素丝状结晶结构解体，明显提高了系统产气效率。而在试验组中，H2O2组产气量略高于其他2组。视累积产气量达到总产气量90%为1个发酵周期，4组发酵周期从短到长依次为NaOH（54 d）＜H2SO4（57 d）＜H2O2（59 d）＜对照组（61 d），整体无显著差异。综上，对水稻秸秆进行预处理可明显加快产气高峰的出现，显著提高产气量及产气速率。而使用H2O2进行预处理，其产气量及最大产气速率等均优于H2SO4与NaOH。

2.2 不同预处理剂浓度对厌氧发酵系统的影响

图2 不同预处理剂条件下的产气趋势Fig.2 The trend of gas production with different pretreatment agent

结合2.1节的试验结果，以H2O2为预处理剂，进行预处理剂浓度优化试验，其结果如图3所示。2%H2O2、4%H2O2、6%H2O2试验组与对照组产气呈先上升后下降趋势，期间出现多个明显的产气峰值。其中，最大产气峰值分别出现在第17、19、23与49天；此时，最大产气速率分别为1 672、1 573、1 612与1 236 mL·d-1。与试验组相比，对照组产气过程明显滞后，且产气速率也低于试验组，说明对秸秆的预处理可缩短发酵周期，提高产气效率。2%H2O2、4%H2O2和6% H2O2试验组日产气量维持1 000 mL以上的高产气天数分别为18、6和11 d，2%H2O2试验组维持时间长于其他2组，产气过程相对集中。

4组累积产气量由大到小依次为2%H2O2（50.6 L）＞4%H2O2（42.2 L）＞6%H2O2（40.2 L）＞对照组（34.7 L），这与姜宗姗等［12］利用不同浓度氢氧化钠对玉米秸秆进行预处理的研究结果类似。4%H2O2和6%H2O2试验组预处理剂浓度较高，对秸秆的破坏能力强，处理后秸秆中的纤维物质及糖类流失较为严重，导致发酵过程整体秸秆基质含量较少，累积产气量低于2% H2O2试验组。就4组累积产气量达到总产气量90%的发酵周期而言，4%H2O2（61 d）=6% H2O2（61 d）＜2%H2O2（62 d）＜对照组（65 d），试验组整体无明显差异，但较对照组稍有提前。综上，2%H2O2在加快产气高峰期出现，增加高产气天数，提高最大产气速率及产气量等方面均优于4%H2O2与6%H2O2。

2.3 不同物料配比对厌氧发酵系统的影响

结合上述试验结果，以2%H2O2作为水稻秸秆最优预处理剂浓度，进行不同物料配比试验，其结果如图4。1∶1、2∶1、4∶1混合试验组与单一牛粪、秸秆对照组均出现几个明显的产气高峰。其中，最大产气高峰分别出现在16、17、14、31与14 d；此时最大产气速率分别为2 297、1 672、1 587、1 673与450 mL·d-1，1∶1试验组最高。在整个发酵过程中，1∶1试验组pH值下降幅度比其他组小，且pH值回升进入稳定阶段也较快，整体发酵系统较为稳定。

图3 不同预处理剂浓度条件下的产气趋势Fig.3 The trend of gas production of different pretreatment agent concentration

图4 不同原料配比条件下的产气趋势Fig.4 The trend of gas production with different ratio of raw materials

5组累积产气量由大到小依次为1∶1（53.7 L）＞2∶1（50.8 L）＞4∶1（46.9 L）＞单一牛粪（38.3 L）＞单一秸秆（5.2 L）；试验组明显优于对照组，且随牛粪比例的增加，累积产气量降低，这与张洪宾等［1］的研究结果一致。在混合厌氧系统中，适当混合牛粪与水稻秸秆，可调整系统C/N，提高产气效率［7］。本试验中，随物料比的增加，提供氮源的牛粪投加量增多，发酵液C/N降低，发酵液中氮源过剩，碳源相对缺乏，影响了微生物的生长繁殖及活性，故降低了系统的累积产气量。3组试验组中累积产气量达到总产气量90%的发酵周期分别为，4∶1（61 d）＜1∶1（62 d）= 2∶1（62 d），整体未受物料比影响。综上，混合厌氧发酵相比单一发酵可明显加快产气高峰的出现，显著提高产气速率及产气量，且原料配比为1 ∶1时，产气量及产气速率等均优于2∶1与4∶1试验组。经上述分析可知，与牛粪、水稻秸秆的单一厌氧相比，牛粪与水稻秸秆混合厌氧可显著提高系统的发酵效率；同时，在混合厌氧系统中，对水稻秸秆进行预处理又可显著提高系统发酵效率。而在牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵系统中，采用2%H2O2预处理剂，牛粪与水稻秸秆物料配比控制在1∶1时，系统发酵效果最佳。此时，系统平均原料产气率为398.0 mL·g-1。

2.4 牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵动力学研究

众多研究者认为，厌氧发酵过程中生物质产气过程遵循一级反应［13-14］，一级动力学模型是描述厌氧发酵最简单的模型，是一个反映累积效应的经验式，其具体方程如式（1）：

式（1）中：M（t）为发酵时间t时的累积产气量（mL·g-1）；Mmax为最大产气潜力（mL·g-1）；k为水解常数（d-1）；t为发酵时间（d）；e为exp（1）= 2.718 28。

而部分研究者认为，在含较高纤维素的发酵液中，接种的微生物为调节代谢，需重新合成必需的酶类、辅酶或某些中间代谢产物，适应新的环境而出现生长的延滞期。因此，确定厌氧发酵过程中的延滞期对研究厌氧发酵过程具有重要影响。Kafle等［15］和Zhai等［16］指出固体有机废弃物厌氧发酵过程中的延滞期可通过Modified Gompertz方程计算，具体方程如式（2）：

式（2）中：M（t）为发酵时间t时的累积产气量（mL·g-1）；Mmax为最大产气潜力（mL·g-1）；Rmax为最大产气速率（mL·g-1·d-1）；λ为延滞期（d）；t为发酵时间（d）；e为exp（1）=2.718 28。

水稻秸秆中富含纤维素、半纤维素、木质素等大分子物质，利用一级动力学模型与Modified Gompertz方程，模拟牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵系统的产气过程，探讨一级动力学模型与Modified Gompertz方程对混合厌氧发酵试验模拟的科学性。为确定方程相关参数，采用一级动力学模型与Modified Gompertz方程对最优混合厌氧发酵试验组（试验3之试验组1）的累积产气量随时间的变化进行拟合，取得相关模拟参数。一级动力学中水解常数k为0.004 18 d-1；Modified Gompertz模型中最大产气速率Rmax及延滞期分别为8.153 mL·g-1·d-1和9.05 d；2个模型的最大产气潜力存在较大差异，分别为1 505.54和422.46 mL·g-1。

结合模型参数，利用一级动力学模型与Modified Gompertz方程，对混合厌氧发酵产气过程进行动态模拟，并将模拟累积产气量与实测累积产气量进行比较，结果如图5。经方差分析，一级动力学模型与Modified Gompertz方程累积产气量模拟值与实测值间无显著差异（分别为P= 0.798＞0.05与P=0.965＞0.05），一级动力学模型与Modified Gompertz方程均可较好地对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程进行动态模拟。但Modified Gompertz方程拟合曲线的R2（0.994）大于一级动力学的R2（0.973），且所取得最大发酵潜力（Mmax）更接近实测值，故判断该方程可更好地对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程进行模拟。

图5 模拟值与实测值比较Fig.5 The comparison between predicted values and measured values

3 结论

牛粪与水稻秸秆的混合厌氧发酵与牛粪、水稻秸秆单一厌氧相比可显著提高系统发酵效率。而在混合厌氧系统中，对水稻秸秆进行预处理又可显著提高系统发酵效率。在牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵系统中，采用2%H2O2预处理剂，牛粪与水稻秸秆物料配比控制在1∶1时，系统平均原料产气率为398.0 mL·g-1，发酵效果最佳。经牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵动力学研究发现，一级动力学模型与Modified Gompertz方程均可对牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程进行动态模拟，而Modified Gompertz方程则更适宜牛粪与水稻秸秆混合厌氧发酵产气过程的模拟。

（References）：

［1］ 张洪宾，谷洁，孙薇，等.不同原料配比对厌氧发酵过程中产气量VFA和脱氢酶活性的影响［J］.农业环境科学学报，2012，31（2）：422-427. ZHANG H B，GU J，SUN W，et al.Effects of different rations of materials on biogas production，VFA and the activity of dehedrogenase during anaerobic process［J］.Journal of Agro-Environment Science，2012，31（2）：422-427.（in Chinese with English abstract）

［2］ 范东福，杨书运，吴必文，等.基于AOD数据的秸秆焚烧监测［J］.国土资源遥感，2015，27（2）：133-138. FAN D F，YANG S Y，WU B W，et al.Monitoring of biomass burning based on AOD［J］.Remote Sensing for Land& Resources，2015，27（2）：133-138.（in Chinese with English abstract）

［3］ 韦茂贵，王晓玉，谢光辉.中国各省大田作物田间秸秆资源量及其时间分布［J］.中国农业大学学报，2012，17 （6）：32-44. WEI M G，WANG X Y，XIE G H.Field residue of field crops and its temporal distribution among thirty-one provinces of China［J］.Journal of China Agricultural University，2012，17 （6）：32-44.（in Chinese with English abstract）

［4］ 覃国栋，刘荣厚，孙辰.NaOH预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响［J］.农业工程学报，2011，27（增刊1）：59-63. QIN G D，LIU R H，SUN C.Effects of different concentrations of NaOH pretreatment on anaerobic digestion of rice straw for biogas production［J］.Society of Agricultural Engineering，2011，27（Suppl.1）：59-63.（in Chinese with English abstract）

［5］ ZHANG Y L，CHEN X H，GU Y，et al.A physicochemical method for increasing methane production from rice straw：Extrusion combined with alkali pretreatment［J］.Applied Energy，2015，160：39-48.

［6］ 高志坚.玉米秸秆厌氧消化试验研究［D］.北京：北京化工大学，2004. GAO Z J.An experimental study on effective anaerobic digestion of corn stalk［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2004.

［7］ 李雪，林聪，沙军冬，等.不同配比对玉米秸秆与牛粪厌氧消化产气的影响［C］//中国沼气学会.2013年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第四次会议论文集.北京，2013.

［8］ 李金娟，刘方，冯洁，等.温度、TS对奶牛废物厌氧发酵产气性能影响［J］.贵州大学学报（自然科学版），2012，29 （4）：122-126. LI J J，LIU F，FENG J，et al.Effects of temperature and ts on anaerobic fermentation of the diary manure in producing biogass［J］.Journal of Guizhou University（Natural Sciences），2012，29（4）：122-126.

［9］ 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

［10］ 刘培旺，袁月祥，闫志英，等.秸秆的不同预处理方法对发酵产氢的影响［J］.应用与环境生物学报，2009，15 （1）：125-129. LIU P W，YUAN Y X，YAN Z Y，et al.Effect of straw pretreatments on bio-hydrogen production［J］.Chinese Journal of Applied&Environmental Biology，2009，15（1）：125-129.（in Chinese with English abstract）

［11］ 李湘，魏秀英，董仁杰.秸秆微生物降解过程中不同预处理方法的比较研究［J］.农业工程学报，2006，22（增刊1）：110-116. LI X，WEI X Y，DONG R J.A study of degradation efficiency of corn straw pretreated with different methods［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2006，22（Suppl.1）：110-116.（in Chinese with English abstract）

［12］ 姜宗姗，廉静，郭建博，等.玉米秸秆氢氧化钠预处理对厌氧混合发酵特性的影响［C］//中国沼气学会.2011年中国沼气学会学术年会论文集.昆明，2011.

［13］ SRINIVASAN P，SARMAH A K，ROHAN M.Deriving sulfamethoxazole dissipation endpoints in pasture soils using first order and biphasic kinetic models［J］.Science of the Total Environment，2014，488-489：146-156.

［14］ 马宗虎，叶骏，田立，等.青贮秸秆和牛粪厌氧消化产气性能研究［J］.中国沼气，2015，33（2）：19-24. MA Z H，YE J，TIAN L，et al.Anaerobic digestion of maize straw silage and cattle manure on a large-scale cattle farm ［J］.China Biogas，2015，33（2）：19-24.（in Chinese with English abstract）

［15］ KAFLE G K，KIM S H.Effects of chemical compositions and ensiling on the biogas productivity and degradation rates of agricultural and food processing by-products［J］.Bioresource Technology，2013，142：553-561.

［16］ ZHAI N，TONG Z，YIN D，et al.Effect of initial pH on anaerobic co-digestion of kitchen waste and cow manure［J］. Waste Management，2015，38（2）：126-131.

（责任编辑 张 韵）

Research on optimization and kinetics in anaerobic fermentation of mixed cattle manure and rice straw

NIE Dong1，JIN Ming-ji2，*，LIU Yong3，YAN Chang-guo2
（1.College of Science，Yanbian University，Yanji 133002，China；2.College of Agriculture，Yanbian University，Yanji 133002，China；3.Shandong Baolai-Leelai Bio-Industrial Group，Tai'an 271000，China）

In order to achieve the resources utilization of rice straw and cattle manure，the effect of 3 kinds of pretreatment agents（H2O2，H2SO4，NaOH），different concentrations of pretreatment agents（2%，4%，6%）and the raw material ratios of cattle manure and rice straw（1∶1，2∶1，4∶1）on anaerobic fermentation of mixed cattle manure and rice straw were evaluated by batch tests.The results showed that H2O2was the optimum pretreatment agent of rice straw，the optimum concentration was 2%，and the best raw material ratio of cattle manure and rice straw was 1∶1.The average production rate of biogas was 398.0 mL·g-1.At the same time，the dynamics research found that the first order kinetic model and Modified Gompertz model system both could simulate the process of biogas production in the cattle manure and rice straw mixed fermentation system.The Modified Gompertz model system was more suitable for describing the anaerobic fermentation process of producing biogas.

cattle manure；rice straw；pretreatment；first order kinetic model；Modified Gompertz equation

X71

A

1004-1524（2016）08-1421-07

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.08.22

2015-12-20

国家自然科学基金项目（51269032）；吉林省教育厅项目（吉教科合字［2015］第39号）

聂冬（1991—），女，吉林梅河口人，硕士研究生，从事环境科学研究。E-mail：1490245351@qq.com
*

，金明姬，E-mail：jinmingji@ybu.edu.cn