牛粪与玉米秸秆配比对混合厌氧发酵速率的影响

姜宗姗，平佳芃，郭延凯，陈兴华，郭建博，廉　静

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄　050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄　050018；3.杭州能源环境工程有限公司，浙江杭州　310000；4.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 　300384)



牛粪与玉米秸秆配比对混合厌氧发酵速率的影响

姜宗姗1,2,3，平佳芃1,2，郭延凯1,2，陈兴华3，郭建博1，4，廉静1,2

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄050018；3.杭州能源环境工程有限公司，浙江杭州310000；4.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384)

为了研究牛粪与玉米秸秆的不同配比(以下简称粪秆配比，以挥发性固体(VS)计算)对厌氧发酵速率的影响，初步确定影响发酵产气限速的因素，在中温(38±1)℃条件下，以厌氧颗粒污泥为接种物，以不同配比的牛粪与玉米秸秆为底物进行混合厌氧发酵，测定日产气量、沼气中CH4与CO2的浓度、沼液中的总碳(TC)、挥发性脂肪酸(VFAs)浓度和pH值。结果表明，粪秆配比为2∶1时，水解速率常数、单位基质产甲烷量和生物转化产甲烷效率最大，其值分别为0.043 7d-1，271.93mL/g，71.59%。发酵初始(第1日)VFAs中乙酸浓度与牛粪比例成正比，发酵中期(第5日)丙酸积累浓度与秸秆比例成正比。发酵周期内粪秆配比与限速阶段的关系：第1日，秸秆比例越大，产气限制阶段越倾向于水解酸化阶段，第2-15日，秸秆比例越大，产气限速阶段越倾向于产氢产乙酸阶段；第16-30日，各组发酵产气限制阶段均为水解酸化阶段。该试验重点对粪秆配比与产气限速因素的关系进行研究，为进一步提高混合厌氧发酵产气效率提供了理论和试验依据。

生物能；混合厌氧发酵；水解；挥发性脂肪酸；甲烷；限速阶段

中国是农业大国，同时也是世界上农业废弃物产生量较大的国家之一[1]，其农业废弃物的产生量每年约有40多亿t，其中农作物秸秆7.0亿t(折合标准煤量3.53亿t)，畜禽粪便排放量26.1亿t，其余的农业垃圾约7.5亿t[2]。但目前中国农村大部分的农业废弃物未经合理处置便被直接排入环境，如牲畜粪便随意排放、大面积秸秆直接焚烧等，对环境造成严重的污染和破坏[3]。因此，综合利用农业废弃物资源对于节约资源、保护环境、增加农民收入、促进循环农业的发展都具有重要的现实意义[4]。

厌氧发酵生物技术可以将农作物秸秆、牲畜粪便、市政废水等有机废弃物作为原料生产沼气，这在许多国家都有广泛的应用[5-6]。许多研究发现混合发酵比单一发酵有更高的基质利用率，能够增加80%～400%的产气量[7-8]，且混合发酵可以避免单一发酵的底物利用率低、易酸化等问题。目前，对于不同原料为底物的混合厌氧发酵已有较多的研究，如徐鑫等[9]利用响应曲面法研究得到，在39 ℃条件下，原料配比(秸秆∶厨余)为1.29∶1，碳氮比(C/N)为20.42，总固体(TS)质量分数为10.07%时，CH4的总产气量达到最高值。李伟等[10]的研究结果表明，在35 ℃条件下，鸡粪与玉米秸秆、猪粪与玉米秸秆均以2∶1配比的产气效果最好。但这些研究大多集中在优化配比及发酵产气特性的研究上，而对不同原料配比条件下产气性能差异的原因研究得不够深入，对发酵过程限速阶段的研究也较少。

因此，本文通过对厌氧发酵中水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷过程的关键参数进行监测，从底物中微生物的引入、C/N、发酵基质、理论产气量等角度讨论了牛粪与玉米秸秆的不同配比(以下简称粪秆配比，以挥发性固体(VS)计算，下同)对发酵特性的影响，初步尝试寻找粪秆配比与发酵产气限速因素之间的关系，以期在获得最优粪秆配比的基础上，确定产气限速因素，为进一步解决产气限速问题、提高混合厌氧发酵的产气效率提供支撑。

1　材料与方法

1.1试验材料

发酵原料为玉米秸秆、牛粪，分别取自河北科技大学新校区附近的农田和某养牛场。自然风干后的玉米秸秆使用微型植物粉碎机粉碎至30目(约0.613mm)后备用。接种物取自河北省某淀粉废水处理厂厌氧反应器中的颗粒污泥。原料、接种物基本特性见表1。

1.2试验装置

厌氧发酵试验装置由150mL锥形瓶和250mL量筒组成，分别作为发酵罐和集气装置。试验装置如图1所示。

表1　原料和接种物的基本特性

注：表中TS表示总固体；VS表示挥发性固体。

图1　发酵试验装置示意图Fig.1　Schematic of experimental equipment

1.3试验设计与方法

将牛粪与粉碎过筛后的玉米秸秆按不同配比组合试验，共7组，试验设计如表2所示。按照表2中的配比将牛粪、玉米秸秆、接种物、水加入150mL锥形瓶后，塞好橡胶塞，再用封口膜密封，置于恒温水浴锅中(温度为(38±1)℃)进行发酵，量筒倒置于饱和NaCl水槽中。试验周期为30天。

试验每日测量产气量与沼气成分。在发酵的第1，2，5，10，16，30日使用橡胶塞上配备的取样管取出沼液约3mL，测定挥发性脂肪酸(VFAs)和pH值。试验设置2组平行样。

表2　试验设计

注：表中w(牛粪)和w(玉米秸秆)均以挥发性固体(VS)计算。

1.4 测试项目与方法

采用向下排水集气法测定日沼气产量；CH4和CO2的浓度采用气相色谱仪(GC-7890T，上海天美科学仪器有限公司提供)测定，分析条件：载气为氩气，流量为21mL/min，柱温为40 ℃，进样口温度为110 ℃，TCD检测器温度为140 ℃，进样量为0.1mL；采用精密pH值测定仪(DELTA-320)测定pH值；VFAs采用气相色谱仪(GC-7900，上海天美科学仪器有限公司提供)测定[11]，分析条件：FID检测器温度为240 ℃，进样器温度为150 ℃，分流比为10∶1，柱流量为1.1mL/min，进样量为2μL；沼液中TC采用总有机碳分析仪测定；采用凯氏定氮法测量总氮；采用重铬酸钾法测量总有机碳(TOC)；采用烘干法测量原料中总固体(TS)和挥发性固体(VS)的含量[12]。

1.5数据处理

本文对未溶解有机碳的水解过程采用一级动力学方程进行拟合[13]，即

(1)

式(1)中：S0为未溶解有机碳的浓度，mol/L；S为t时刻未溶解有机碳的浓度，mol/L；Kd为不同粪秆配比中未溶解有机碳的水解速率常数，d-1。式(1)为对颗粒性有机物水解过程有较好拟合效果的一级动力学模型，在2.1中对混合发酵过程中的未溶解性有机碳数据进行拟合。

发酵阶段VFAs中游离态、分子态单酸的浓度通过式(2)计算得到[14]：

(2)

式(2)中：[A-]表示解离态单酸的浓度；[HA]表示分子态单酸的浓度；Ka表示各种单酸的解离常数；H+表示氢离子浓度；本试验测定的VFAs为[HA]和[A-]的总浓度。式(2)用于2.4中未解离态丙酸浓度的计算。

采用Modified Gompertz方程[15]，对厌氧发酵生物化学甲烷势进行测定：

(3)

式(3)中：M(t)表示时间t时的累积产甲烷量，mL；Pm表示最大累积产甲烷量，mL；Rm表示最大产甲烷速率，mL/d；λ表示滞留时间。将拟合后的Pm和Rm分别除以初始投加的VS质量，得到单位VS最大产甲烷量Ps(mL/g)以及最大比产甲烷速率Rs[mL/(g·d)]的数值。通过分析Ps和Rs等指标来比较甲烷生物转化效率。式(3)在2.5中作为产气性能模型对产甲烷量数据进行拟合。

理论产气量可以通过化学计量学的方法根据经验的化学方程式来估算，若有机质以分子式CaHbOcNd表示，并假设它完全降解转换为CO2和CH4，则有机质完全降解过程可用式(4)表示[16]：

(4)

从而理论甲烷产率Yt为[17]

(5)

式(4)、式(5)将用于表5中“理论CH4产量值和“理论CO2产量值”的计算。

2　结果与讨论

2.1不同粪秆配比对未溶解有机碳水解动力学参数的影响

厌氧发酵中未溶解有机碳的水解动力学模型采用对颗粒性有机物水解过程有较好模拟效果的一级动力学模型(因80%的产气量在前15日产生，所以对各组试验中未溶解有机碳前15日、后15日(即第16—30日)的数据分别进行一级动力学拟合)，所得动力学参数如表3所示。

表3　不同粪秆配比混合发酵未溶解有机碳水解速率常数

拟合后所得的线性相关系数R2皆大于0.97，表明该线性模型可以很好地反映不同粪秆配比厌氧发酵时未溶解有机碳的实际水解过程。发酵过程中，在发酵前15日内，随玉米秸秆比例的增加，未溶解有机碳的水解速率常数(Kd)从纯粪发酵的0.032 3d-1增加至粪秆配比为2∶1发酵的0.043 7d-1，而后降低至纯秸秆发酵的0.030 2d-1，水解速率常数在0.030 2～0.043 7d-1范围内变化，与赵云飞等[18]研究所得水解速率常数(0.035～0.094d-1)的范围相近。在发酵后15日内，未溶解有机碳的水解速率常数在0.004 4～0.009 0d-1范围内变化。

在发酵前15日内，随秸秆比例增加，Kd呈先增加后降低的趋势，粪秆配比为2∶1时Kd最大为0.043 7d-1(见表3)。推测其原因，一方面可能由于适合的粪秆配比为水解微生物提供了适宜生存的C/N(粪秆配比为2∶1时，原料C/N为20.23，见表2)，从而促进了水解过程。另一方面，一定比例牛粪的添加既可以引入一定量瘤胃中厌氧纤维素分解菌促进水解，而牛粪中的碳酸氢根、氨氮又可以增加发酵体系的碱度，从而缓解水解产酸过程导致的pH值不稳定。另外，后15日纯秸秆发酵的Kd为各组最大值(0.009 0 d-1)，表明秸秆单独发酵的水解过程更慢、周期更长。

前15日内比后15日内的未溶解有机碳水解速率常数大10倍左右(见表3)，这与前15日内，VFAs出现积累(见图2)、各组累计产气量能达到总量的80%以上(见表4)，而后15日内VFAs、日产气量大大降低的现象相一致。有研究表明[19]，固体有机物(特别是如麦秆和玉米秸秆等高纤维含量的有机质)的水解产酸速率低于产甲烷速率，是固体有机物厌氧发酵的限速步骤。本研究结果表明，当以牛粪和秸秆作为基质时，可能由于秸秆中的部分半纤维素、纤维素和木质素在短时间内难以被水解菌群代谢成有机酸，从而导致可被产甲烷菌群代谢的底物不足，因而后15日较慢的水解过程导致的产气限速现象较前15日更为严重。

表4　不同粪秆配比混合厌氧发酵基于Gompertz模型产气性能比较

2.2不同粪秆配比对发酵液pH值的影响

图2　粪秆配比对发酵液中pH值的影响Fig.2　Effect of various ratios of cow manure and corn straw on pH value in anaerobic fermentation

不同粪秆配比的发酵液pH值随发酵时间推移，而经历了先上升后降低，最后又缓慢升高的过程(见图2)。在发酵液配好的第1日，不同粪秆配比发酵液的pH值为7.6～7.8，粪秆配比对发酵起始时的pH值影响不大；但在第2日，粪秆配比中粪的比例越大，其发酵液的pH值越高；且在随后的第5，10，16，30日，发酵液pH值的变化趋势也遵循着此基本规律。

图3　粪秆配比对发酵沼液中VFAs及COD质量浓度的影响Fig.3　Effect of various ratios of cow manure and corn straw on VFAs in anaerobic fermentation

随发酵时间的推移，发酵液pH值的变化规律在一定程度上可以响应发酵液中VFAs浓度的变化趋势，二者变化趋势大致相反。发酵液pH值升高时，VFAs浓度在降低，第5日时，尤为明显，发酵液pH值降低时，VFAs浓度在升高。发酵液pH值随时间的变化趋势会受发酵液中的酸、碱、氨氮和碳酸等物质的浓度综合影响，因此不像VFAs值一样，会因粪秆配比的不同呈现出明显的规律变化性。

2.3不同粪秆配比对沼液中VFAs浓度的影响

粪秆配比对发酵沼液中乙酸、丙酸和丁酸的浓度变化趋势影响较大(如图3所示)。当w(牛粪)∶w(玉米秸秆)(以下简化为w(粪)∶w(秆))≥2∶1(即粪秆配比为纯粪，6∶1，4∶1，2∶1)时，VFAs浓度(以COD计)自高峰值先迅速下降，而后逐渐升高，随后随着发酵时间的延长逐渐下降。当w(粪)∶w(秆)<2∶1(即粪秆配比为1∶2，1∶4，纯秸秆)时，VFAs呈现自较低值逐步上升，随后随着发酵时间的延长逐渐下降的趋势(见图3d))。w(粪)∶w(秆)≥2∶1的各组VFAs(乙酸为主)峰值出现在第1日，质量浓度分别为1 466.72，1 233.44，1 132.93，946.20mg/L(见图3a))。w(粪)∶w(秆)<2∶1的各组VFAs(丙酸为主)峰值出现在第5日，质量浓度分别为993.85，1 260.32，2 262.60mg/L(见图3c))。

第1日的VFAs浓度与粪添加量成正比(见图3d))，是因为牛粪含有大量以乙酸、丙酸为主的VFAs。在整个发酵周期内，秸秆比例越大，VFAs浓度越高(第5日达到最大值)，丙酸的积累越严重，丙酸完全降解所需时间越长(见图3c))。丙酸积累程度随秸秆比例的增加而增加，可能有以下几个原因：1)粪秆配比不同导致C/N不同，从而影响发酵体系中微生物体内的生物氧化过程，并进一步导致NADH/NAD+(NADH为还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAD+为氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)的值、发酵产物产量、酸化功能菌群的变化，而丙酸型发酵代谢途径有利于维持NADH/NAD+的稳定，因此C/N在某一范围内变化时，微生物可能更倾向于选择有利于维持系统稳定的丙酸型发酵[20-22]。2)一定量牛粪的添加可引入代谢丙酸的产氢产乙酸菌，可强化乙酸化过程，从而减轻了丙酸的积累程度。瘤胃微生物菌群可将丙酸降解成乙酸直至分解成为沼气[23]。3)纤维素含量较高的厌氧发酵过程较容易出现丙酸型发酵，因此，推测丙酸积累可能与玉米秸秆的纤维结构有关，本研究与陈广银等[24]的研究结论相一致：稻草与猪粪混合发酵中稻草比例愈高，发酵液中丙酸含量愈高。

图4　粪秆配比对厌氧发酵日产气量的影响Fig.4　Effect of various ratios of cow manure and corn straw on biogas production rate in anaerobic fermentation

VFAs的浓度变化、积累情况，均可体现水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷各阶段的底物转化速率情况，再结合产气等情况，可以初步判断整个发酵过程限制产气速率的阶段。第1日时，随着粪比例的增加，乙酸浓度、日产气量和CH4浓度均增加(见图3a)、图4和图5a))，可以推测此时，粪比例越小，发酵产气限制阶段越倾向于水解酸化阶段。第2—5日时，随秸秆比例的增加，VFAs的消耗量小于产生量，发生了以丙酸为主的酸积累(见图3c)、图3d))，第6—15日时，VFAs的消耗量逐渐大于产量，VFAs浓度缓慢下降(见图3d))，因此可以推测第2—15日时，秸秆比例越大，发酵产气限速阶段越倾向于产氢产乙酸阶段。但值得注意的是，第2—15日时纯粪发酵过程VFAs的浓度较低，未发生积累(见图3d))，可见其限速阶段应该为水解阶段。第16—30日时，VFAs的浓度都保持较低水平(见图3d))，此时最大日均产气量仅为48.56mL(见图4)，水解速率常数仅为第1—15日的1/10左右(见表3)，可知这时各组发酵产气限制阶段均为水解酸化阶段。

2.4不同粪秆配比对厌氧发酵产气特性的影响

粪秆配比对厌氧发酵日产气量变化趋势影响较大(如图4所示)。w(粪)∶w(秆)≥2∶1时，日产气量在第1日达到最大峰值，因为粪添加比例越大VFAs(乙酸为主)含量越高，产甲烷菌可直接利用的基质则越多，利于产气，之后日产气量波动下降至第5日较低水平。随后，随着VFAs利用速率大于产生速率，日产气量逐渐上升至第8日的高峰，之后缓慢降低，并在第12日累计产气量达到总产气量的80%。当w(粪)∶w(秆)<2∶1时，发酵开始后，在第3日才达到日产气最大值，推测是因为秸秆比例越大初始VFAs越低，初始没有足够的甲烷菌可利用的基质，水解酸化阶段就更容易成为VFAs产生的限制阶段，从而成为产气的限制阶段。而第3日时的VFAs(丙酸为主)有一定的积累，使得产气突增。日产气量自第3日开始下降直至第7日，随后逐渐上升第10日的高峰，之后缓慢降低，在第15日累计产气量达到总产气量的80%。

随秸秆比例的增加，第5日左右的VFAs(丙酸为主)浓度保持在较高水平(如图3所示)，这可能是引起第7日w(粪)∶w(秆)<2∶1的试验组出现产气量极低值的原因。有文献报道丙酸质量浓度大于900 mg/L时，发酵过程即出现严重的酸抑制[25]，但发酵中酸抑制的情况还需要通过对解离态酸和未解离态酸的浓度大小来判定。对厌氧微生物菌群，特别是产甲烷菌群活性造成明显抑制作用是未解离态脂肪酸的浓度[26]。DUARTER等[27]发现未解离的挥发性脂肪酸浓度达到0.17～0.42 mmol/L时，厌氧反应过程受到抑制。KROEKER等[28]提出未解离的挥发脂肪酸浓度达到0.50～1.00 mmol/L时，产甲烷菌活性完全丧失。本试验中，以丙酸为主的酸积累与产气降低的相关性有2种可能：其一，由各组沼液此时的pH值计算得出，各组中未解离态丙酸最大浓度为0.074 mmol/L(纯秸秆发酵)，未达到抑制的最低限值0.17 mmol/L，并且纯秸秆发酵体系第5日丙酸质量浓度为3 677.47 mg/L(最大值)时(见图3)，依然出现日产气高峰279 mL，可说明第7日日产气量下降的主要原因不是丙酸抑制甲烷菌群作用，而是仅有少量乙酸供甲烷菌群代谢，同时，虽然发酵液中有大量丙酸，但其降解成乙酸的“产氢产乙酸过程”速率较低所致[29-30]。其二，由于试验未在第7日取沼液分析VFAs，因此也有可能w(粪)∶w(秆)<2∶1的试验组在第7日产生了丙酸积累高峰，并超过了酸抑制的最低限值，发生了丙酸抑制产甲烷菌活性的情况。

图5　粪秆配比对发酵沼气中CH4，CO2质量分数的影响Fig.5　Effect of various ratios of cow manure and corn straw on CH4 and CO2 in methane

粪秆配比不同，发酵过程沼气中CH4浓度变化趋势也不同(见图5a))。前6日各组CH4浓度均呈逐渐上升趋势，粪添加比例由高到低的发酵体系的日均CH4质量分数(前6日)分别为56.45%，55.76%，54.53%，53.98%，49.77%，45.64%，38.23%。可以看出随牛粪比例增大，CH4浓度越大。此后直至第20日，受VFAs浓度、组成和甲烷菌活性等因素影响，各组CH4质量分数在45%～67%之间波动。第20—30日，CH4浓度基本随着秸秆比例增大而增加。发酵初期，随着粪比例增加CH4浓度也较高的原因：一方面，初期VFAs(乙酸为主)浓度随着粪比例增大而增加，甲烷菌相对充足、可直接利用乙酸，另一方面，是因为牛粪里瘤胃微生物中大量的产甲烷菌可以强化甲烷化过程。值得注意的是发酵第16—30日时，虽然VFAs浓度较低，日产气量随之减少，但对CH4浓度影响不大，说明发酵过程中甲烷菌活性较稳定，可能是因为接种物比例较大(占总体积53%)，菌群活性较高且接种物为发酵前后颗粒形态未发生变化的颗粒污泥。

粪秆配比不同，发酵过程沼气中CO2浓度变化趋势不同(见图5b))。各组发酵体系从第1日起CO2浓度逐渐上升至第3日的高峰，粪添加比例由高到低的发酵体系CO2质量分数峰值分别为33.82%，37.61%，38.33%，42.79%，45.08%，47.10%，55.39%。可以看出，秸秆比例越大CO2浓度越大。第3—20日CO2浓度受水解酸化、甲烷化程度的影响逐步波动下降。第20—30日，粪秆配比由高到低的发酵体系日均CO2质量分数分别为11.70%，13.18%，13.94%，15.24%，14.56%，16.67%，19.28%。基本上在整个发酵周期内，秸秆比例越大CO2浓度越高，可能有2个方面原因：一方面，秸秆比例较大的发酵体系，其理论产CO2量较大。另一方面，秸秆比例越大，初期未溶解有机质浓度较高，经历水解阶段亦能贡献15%左右的CO2。此外，有研究表明，CO2的浓度随C/N的增加而增加。第20—30日各组发酵体系的CO2浓度降低到20%以下，可能是因为同型产乙酸菌不断消耗CO2产出CH4所致。此外，各组的理论CH4与CO2产量相差不大(见表5)，但CH4和CO2实际质量分数的变化范围分别为50%～70%，10%～50%，可见实际中CO2的浓度远小于CH4，主要是因为CO2的溶解度远高于CH4(常压下，40 ℃，CO2和CH4在水中的溶解度分别[31]为0.53mL/mL，0.023 7mL/mL)，因此发酵液中溶解了一定量的CO2，使得实际检测到的CO2浓度偏低。

2.5不同粪秆配比对厌氧发酵单位VS累计产气特性的影响

采用CurveExpert软件中的ModifiedGompertz模型对不同粪秆配比单位VS累计产CH4量的数据分别进行拟合，获得相关参数(见表4)。

所得相关系数R2值皆大于0.99，表明该模型可以很好地反映不同粪秆配比发酵产CH4的过程。最大累计产CH4量(Ps)、最大产CH4速率(Rs)随秸秆比例的增加，呈现先升高后降低趋势，当w(粪)∶w(秆)=2∶1时，Ps和Rs获得最大值。停滞时间(λ)随秸秆比例的增加，基本呈现先降后升的趋势，w(粪)∶w(秆)=4∶1时，λ获得最小值0.010天，纯粪发酵时，λ获得最大值1.71天。当w(粪)∶w(秆)≥2∶1时，各组发酵周期(即85%Ps)相差不大(最大相差0.91天)，当w(粪)∶w(秆)<2∶1时，发酵周期随秸秆比例增大而延长。

上述结果表明，粪秆过高、过低都不利于发酵，当w(粪)∶w(秆)=2∶1时，Ps，Rs，λ和发酵周期分别为271.93 mL/g，21.71 mL/(g·d)，0.094天，13.58天。综合4个参数考虑，确定该比例为发酵最佳粪秆配比，与牛粪或玉米秸秆单独发酵相比，单位VS累计CH4量分别提高了21.45%和18.21%。

2.6不同粪秆配比厌氧发酵产气性能比较

厌氧发酵产气的性能与发酵原料组成成分、形态等因素有关。根据化学计量学的方法，结合牛粪、玉米秸秆各元素含量，计算各试验配比下理论CH4与CO2的产量(见表5)。

从表5中可以看出，每克VS发酵原料的CH4和CO2理论产量都随秸秆比例的增加而增加。每克VS发酵原料的实际CH4产量、实际CO2产量、生物转化产CH4效率、生物转化产CO2效率，都随着秸秆比例的增加呈现先增加后降低的趋势，最大值在w(粪)∶w(秆)=2∶1时出现，分别为274.16mL/g，160.04mL/g，71.59%，40.75%，这说明牛粪与玉米秸秆一定比例的混合发酵比单一发酵有更高的生物转化效率。

研究发现，w(粪)∶w(秆)=2∶1发酵体系的理论产CH4，CO2量都小于秸秆单独发酵，但其实际发酵产CH4，CO2量都大于纯秸秆发酵，可能原因有以下几点：1)纤维素本身的结晶结构及木质素的物理屏障作用，使得以木质纤维素为主要成分的玉米秸秆难以被降解，虽然牛粪主要成分也为木质纤维素，但牛粪中含有大量瘤胃微生物，主要包括水解细菌、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群等能够分泌的各种酶类的菌群[32]。因此牛粪也充当了“接种物”的角色，其添加强化了水解、酸化、甲烷化等阶段，使得木质纤维素降解能够高效进行。2)根据本试验的研究，牛粪的添加可以减轻丙酸积累的情况。3)牛粪的添加调整了发酵体系的C/N及碱度，更适于微生物发酵。此外，牛粪中的成分相对于玉米秸秆更加复杂，能够提供发酵过程中所需的微量元素等物质。

表5　不同粪秆配比厌氧发酵产气性能比较

3　结　论

1)随玉米秸秆比例的增加，未溶解有机碳的水解速率常数(Kd)呈先增后减的规律，w(粪)∶w(秆)=2∶1时Kd得到最大值；初始VFAs(乙酸为主)的浓度与牛粪添加比例成正比；丙酸积累(第5日左右)的程度与玉米秸秆添加比例成正比。

2)结合水解速率常数、VFAs、日产气量变化情况来判断发酵周期内粪秆配比与限速阶段的关系：第1日时，发酵产气的限制阶段越倾向于水解酸化阶段。第2—15日时，发酵产气限速阶段越倾向于产氢产乙酸阶段。第16—30日时，各组发酵产气限制阶段均为水解酸化阶段。

3)整个发酵周期内，秸秆比例越大CO2浓度越高；当w(粪)∶w(秆)=2∶1时，水解速率常数(前15日)、最大产甲烷量、实际生物转化产CH4效率分别为0.043 7d-1，271.93mL/g，71.59%。

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Effectofdifferentratiosofcowmanureandcornstrawonthemixedanaerobicfermentationrate

JIANGZongshan1, 2,3,PINGJiapeng1,2，GUOYankai1,2,CHENXinghua3,GUOJianbo1，4,LIANJing1,2

(1．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang,Hebei050018,China; 2.PollutionPreventionBiotechnologyLaboratoryofHebeiProvince,Shijiazhuang,Hebei050018,China; 3.HangzhouEnergy&EnvironmentalEngineeringCompanyLimited,Hangzhou,Zhejiang310000,China; 4.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

Inordertostudytheeffectofthedifferentratiosontheanaerobicfermentationrateisinvestigated,andtherate-limitingfactorsarepreliminarilydetermined,atmesophilic(38±1)℃condition,withanaerobicgranularsludgeasinoculums,differentratiosofcowmanureandcornstrawareusedassubstrateformixedanaerobicfermentation.Bymeasuringdailybiogasproduction,theconcentrationsofCH4andCO2inthemarshgas,TC,theconcentrationofVFAsandpHvalue,Theresultsshowthatunderthemixtureratioof2∶1,thehydrolysisrateconstants,cumulativebiogasyieldandbiodegradabilityCH4reachtheirhighlimits,whichare0.043 7d-1, 271.93mL/gand71.59%,respectively.Moreover,itisfoundthattheconcentrationofaceticacidisproportionaltotheamountofcowmanureatthebeginning(thefirstday)ofmixedfermentation,andtheconcentrationofpropionicacidisproportionaltotheamountofcornstrawinmediumfermentationstage(thefifthday).Inaddition,rate-limitingstepofbiogasproductionisrelatedtotheratioofcowmanureandcorninfermentationmaterial.Withtheincreasingofcornstrawproportion,onthe1stday,ittendstohydrolysisacidogenesis;fromthe2thdayto15thday,ittendstohydrogen-productionacetogenisis;andfromthe16thdayto30thday,itishydrolysisacidogenesis.Thepaperfocusesontherelationshipbetweentheratioofcowmanureandcornstrawandtherate-limitingstepforbiogasproduction,whichcouldprovideatheoreticalandexperimentalsupportforimprovingtheefficiencyofbiogasproductioninmixedfermentation.

biomassenergy;mixedanaerobicfermentation;hydrolyzation;volatilefattyacids;methane;rate-limitingstep

1008-1542(2016)04-0396-10

10.7535/hbkd.2016yx04013

2015-12-15；

2016-04-06；责任编辑：王海云

国家自然科学基金(51208170)；河北省高校百名优秀创新人才支持计划(BR2-211)

姜宗姗(1985—)，女(满族)，河北承德人，硕士，主要从事生物质能利用方面的研究。

廉静副教授。E-mail:ningjingzhiyuan98@163.com

X712

A

姜宗姗，平佳芃，郭延凯，等.牛粪与玉米秸秆配比对混合厌氧发酵速率的影响[J].河北科技大学学报,2016,37(4):396-405.

JIANGZongshan，PINGJiapeng，GUOYankai，etal.Effectofdifferentratiosofcowmanureandcornstrawonthemixedanaerobicfermentationrate[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2016,37(4):396-405.