梯度提高进料浓度对鸡粪连续中温发酵产甲烷的影响

乔 玮，熊林鹏，毕少杰，任征然，尹冬敏，董仁杰

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心（中国农业大学），北京 100083）

0 引 言

随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，规模化畜禽养殖业快速发展[1]。2010年中国肉鸡出栏量和蛋鸡存栏量总计约5×109只[2]，产生的鸡粪高达1.3×108t[3]。鸡粪富含有机质，采用甲烷发酵处理鸡粪能够在减少污染的同时回收清洁沼气能源[4-5]。

鸡粪有机氮和尿酸含量高，超过牛粪、猪粪、餐厨垃圾和污泥[6]，厌氧发酵过程中易降解为氨氮。适量的氨氮质量浓度可促进微生物的生长，但是当氨氮质量浓度超过一定范围后将对厌氧微生物的代谢产生抑制。采用总固体质量分数（total solid，TS）为0.5%～3%低浓度发酵[7]，或者将鸡粪和其他畜禽粪便、污泥进行混合发酵可以缓解氨氮对鸡粪甲烷发酵的影响[8]。但这些方法会增加运行费用和后续沼渣沼液的处理难度。提高甲烷发酵浓度可以减少用水量、降低运行费用、提高容积产气率、减少沼液产量和降低后续处理费用等优势[9]。Gallert等[10]以进料TS大于15%的高浓度鸡粪进行甲烷发酵，产气效率很低。目前一般认为抑制中高温甲烷发酵的初始氨氮质量浓度为3 000～4 000 mg/L[11]。但Andrew等[12]发现氨氮质量浓度达到2 500 mg/L时，猪粪中高温甲烷发酵将受到抑制。甚至有研究表明，1 700 mg/L的氨氮质量浓度也会抑制牛粪甲烷发酵的进行[13]。采用高质量浓度氨氮长期驯化可提高微生物适应氨氮能力。Niu等[3]采用TS 10%的鸡粪在中温条件下进行长期连续发酵试验，通过添加NH4HCO3研究氨氮对鸡粪甲烷发酵的影响，发现甲烷发酵能够在超过13 000 mg/L 氨氮质量浓度下进行，但产甲烷率仅为100 mL/g。目前关于梯度提高进料TS，采用高浓度和高负荷的鸡粪发酵产甲烷性能需要进一步研究。为此，本研究开展中温条件下鸡粪连续发酵长期试验，探索其发酵特性，评价工艺的稳定性。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理方法

鸡粪取自中国农业大学西校区蛋鸡养殖基地，取回后放置于 4 ℃冷藏室中保存。使用之前，用自来水将鸡粪的TS稀释至5%，7.5%，10%和15%。接种污泥取自北京顺义北郎中猪粪中温沼气工程的新鲜出料，该沼气工程常年连续运行，运行温度为37 ℃左右。鸡场取回的鸡粪和接种污泥的性质如表1所示。

表1 鸡粪和接种污泥的性质Table 1 Characteristics of chicken manure and inoculums

1.2 长期连续发酵试验设计

在中温(37±1) ℃条件下，采用连续搅拌反应器（continuous stirred tank reactor，CSTR）进行鸡粪连续发酵试验，试验装置如图1所示。其中反应器总体积为15 L，有效体积为12 L。反应器有水浴夹层，采用恒温循环水槽（HX-15，北京长流）在水浴夹层中循环流动加热，维持(37±1) ℃的恒定温度。反应器采用连续机械搅拌，转速设置为(50～90) r/min，反应器内物料能够均匀混合。基质罐体积为8 L，温度控制在(4±1) ℃，用恒温循环水槽（HX-15，北京长流）进行控温。鸡粪发酵的水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）为20 d，通过梯度提高进料TS增加OLR，进料TS为5%、7.5%、10%和15%，对OLR为2.5、3.75、5和7.5 g/(L·d)，每个阶段维持时间分别为93、87、90和60 d，均超过2个HRT，经过2个HRT之后的数据用来计算系统的发酵效率。采用蠕动泵（BT100N，保定申辰）自动进出料，通过定时器（DJ-B14M，深圳定时宝）控制每天 4次进出料，每次进出料量为0.15 L。每天测定产气量、pH值和沼气成分，每4 d测定VFAs、碱度和氨氮。

图1 试验装置示意图Fig.1 Scheme of experimental device

1.3 污泥产甲烷活性测试

以乙酸钠为基质，采用批次试验进行污泥产甲烷活性测试[14-15]。接种污泥取自鸡粪连续发酵试验稳定运行阶段（第75、160、240和310天）的新鲜出料，VSS质量浓度分别为0.89、1.54、3.09和3.99 g/L，去除溶解性成分并恢复活性后使用。方法参考文献[15]：取各阶段反应器的新鲜出料500 mL，采用离心机（TGL-16M，长沙湘仪）8 000 r/min离心分离20 min，去除上清液，添加营养液至500 mL，混合均匀后再次8 000 r/min离心分离20 min，去除上清，加营养液至原体积。试验共4批，每批6组，每组有3个平行试验。

取 120 mL玻璃发酵瓶，加入活化后的接种污泥10 mL，添加乙酸钠和营养液至100 mL，添加NH4Cl调节氨氮质量浓度与反应器运行阶段一致。分别形成氨氮质量浓度为2 500，5 500，6 500和7 000 mg/L，最终化学需氧量质量浓度为0，2 000，4 000，6 000，10 000和15 000 mg/L的发酵液。向发酵瓶中冲入氮气2 min，形成厌氧环境。水浴（HH-60，常州国华）保持(37±1) ℃恒温，每天手动震荡 3次混合料液。发酵过程中测定产气量和沼气成分。

污泥比产甲烷活性（special methane activity，SMA）计算采用Wandera等[16]研究中所用的方法

式中V(CH4)为累积产甲烷量，mL；VR为血清瓶内的污泥添加体积，L；f为COD与甲烷产量的转化系数，350 mL/g；VSS是所用污泥的悬浮性挥发固体质量浓度，代表微生物的含量，g/L；t为时间，d。

1.4 分析方法

1.4.1 化学分析方法

TS，VS和VSS采用质量法测定[17]。pH值采用Orion 5-Star pH计测定。鸡粪中的碳、氢、氧、硫和氮的元素质量百分含量采用Vario Macro型元素分析仪测定。沼气成分、VFAs、碱度和氨氮的测定参照文献[18]。

1.4.2 统计分析方法

发酵过程中VFAs、碱度、氨氮和TS产甲烷率等均使用SPASS 20.0软件进行单因素方差分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 鸡粪中温连续发酵的产气性能

鸡粪中温甲烷发酵反应器一共运行了330 d，反应器在不同进料 TS条件下的产气率、沼气成分、氨氮、pH值、VFAs和碳酸氢盐碱度的变化情况见图2，并在表2进行了总结。发酵开始到第93天，进料TS为5%，OLR为 2.5 g/(L·d)，出料氨氮质量浓度为(2 110±370) mg/L。目前普遍认为氨氮抑制中温甲烷发酵的下限质量浓度为3 000～4 000 mg/L[5]。此时反应器容积产甲烷率为(0.63±0.02) L/(L·d)，pH 值为(8.21±0.12)，VFA 为(360±100) mg/L，碳酸氢盐碱度稳定在(7.99±1.39) g/L，甲烷体积分数保持在 66%～70%，TS产甲烷率为(253±9) mL/g，各参数波动不明显，甲烷发酵系统产气平稳。发酵第94天至第180天，进料 TS为7.5%。氨氮质量浓度在此阶段迅速增加并最终稳定在(5 580±430) mg/L，VFAs质量浓度稳定在(2 200±550) mg/L。TS 产甲烷率降至(243±12) mL/g，比进料TS为5%的减少4%，但减少量不显著（P>0.05）。发酵第181天到第270 天，进料TS提升至10%。此阶段氨氮质量浓度进一步增加并最终稳定在(6 510±300) mg/L，VFAs提升至(5 600±490) mg/L，pH 值降至(8.04±0.17)。TS产甲烷率降至(203±13) mL/g，比进料TS为5%的减少了20%。发酵第271天到第330天，进料TS进一步提升至15%。此阶段氨氮质量浓度稳定在(6 890±220) mg/L，VFAs质量浓度提升至(8 800±500) mg/L，pH 值降至(7.91±0.2)。TS产甲烷率仅为(173±22) mL/g。同时，甲烷体积分数降至(57.9%±2.4%)。

图2 反应器在不同进料TS条件下的运行情况Fig.2 Performance of reactor during a long term operation with various feeding TS

在厌氧发酵过程中，较高浓度的料液可为微生物提供充足的营养物质，但过多添加原料也会抑制甲烷发酵进行，一方面原料的任何成分含量过高都可能对细菌产生不利影响，如VFAs和氨氮等。在pH值为7.0的条件下，乙酸质量浓度超过2 000 mg/L或氨氮质量浓度超过3 500 mg/L均会对中温甲烷发酵产生抑制[19]。刘德江等[20]研究了不同 TS（6%、8%和 10%）条件下牛粪沼气发酵效果，发现TS 8%的产甲烷效果最佳。Niu等[21]报道反应器内有害物质（如氨氮和VFAs等）经常伴随进料TS的增加而增加，从而导致甲烷发酵体系的不稳定。另一方面，TS过高会阻碍传热传质过程，抑制发酵微生物生长代谢，导致基质利用率降低[22]。

鸡粪甲烷发酵过程中，随着进料 TS增加，氨氮和VFAs出现明显累积（图2c和图2d），前人对此多有报道[10,12-13]。氨氮和VFAs的累积进一步影响鸡粪发酵性能，导致TS产甲烷率由(253±9) mL/g降至(173±22) mL/g。目前普遍认为，甲烷发酵产甲烷效果的改变是由进料TS、氨氮和VFAs共同作用造成的，而不是仅仅由某一特定因素决定[21]。但是，各影响因素之间以及其对发酵微生物代谢的影响尚不明确。

表2 不同进料TS条件下的运行情况Table 2 Performance of continuous fermentation during a long term operation with different feeding TS

高浓度氨氮对中温甲烷发酵产气抑制的影响已有大量报道[3,11-13,21]。由于鸡粪含氮量高，甲烷发酵过程中易降解为氨氮，造成氨抑制。Niu等[3,21]报道在鸡粪中温甲烷发酵过程中，氨氮质量浓度超过4 800 mg/L发酵体系就会产生氨抑制。如图2a和图2d所示，随着氨氮质量浓度由(2 110±370) mg/L增至(6 890±220) mg/L，TS 产甲烷率显著降低（P<0.05）。作为水解酸化主要产物和产甲烷菌所利用底物，VFAs是评价水解酸化过程和产甲烷过程是否平衡的重要指标。在稳定运行的反应器中，产酸率和酸被转化的速率一致，VFAs保持在较低的水平[23]。任南琪等[24]研究发现当厌氧发酵体系中乙酸质量浓度高于2 340 mg/L、丙酸质量浓度高于310 mg/L或丁酸质量浓度高于2 000 mg/L时，产甲烷菌的活性将受到抑制。如果产酸速率增高或有机酸降解被抑制，VFAs将大量积累，造成产甲烷菌的活性降低与VFAs累积的恶性循化。VFAs的累积通常还会导致pH值的降低，进而影响产甲烷菌的活性。进料TS由5%增至15%，VFAs质量浓度由(360±100) mg/L 增至(8 800±500) mg/L (P<0.05)，pH 值仅由(8.21±0.12)降至(7.91±0.2)(P>0.05)，这可能与发酵体系中高浓度的氨氮和碱度（图2d）有关。

330 d试验过程中，随着进料TS的提升，氨氮和VFAs逐渐累积，尽管pH值仍处于适宜产甲烷菌生长的范围，长时间采用TS 10%和15%进料浓度，氨氮质量浓度分别为(6 510±300)和(6 890±220) mg/L，TS 产甲烷率分别为(203±13)和(173±22) mL/g，比 TS5%的分别降低了 20%和32%，TS产甲烷率显著下降（P<0.05）。因此，进料 TS大于 10%的鸡粪中温甲烷发酵会因氨抑制导致产甲烷效率降低。

2.2 鸡粪长期连续发酵过程物料平衡分析

通过长期连续甲烷发酵试验，基于物料平衡分析不同进料TS条件下鸡粪水解、酸化和甲烷化程度的变化（图3）。由于试验过程中进料、出料和测定过程中存在误差，各形态COD的百分比之和在100%上下波动，能够表征物料在甲烷发酵过程中的变化[18]。连续发酵过程中水解、酸化和甲烷化程度的计算方法参考文献[21]。进料TS质量分数由5%升至7.5%、10%和15%，水解率分别为77%、75%、72%和65%，酸化率分别为65%、63%、56%和52%，甲烷转化率为64%、60%、50%和44%。

图3 基于COD的物料平衡Fig.3 Mass balance based on COD

随着进料浓度增加，水解、酸化和甲烷化程度均出现明显下降。进料 TS为 5%，PCOD、VFA-COD和CH4-COD依次为23%、1%和64%。当进料TS质量分数达到15%，PCOD、VFA-COD和CH4-COD依次为35%，8%和44%，PCOD去除率明显降低，VFAs所占比例大幅度提高，比正常情况下高出20倍。随着进料TS的增加，反应器内氨氮质量浓度不断提高，造成VFAs大量积累，VFAs和氨氮共同抑制甲烷发酵的正常进行，导致产甲烷明显降低。

2.3 固体的去除率分析

采用甲烷发酵技术处理畜禽粪便具有回收能源和保护环境的双重意义。TS和VS去除率通常用于评价有机污染物的去除效果。图 4是鸡粪连续发酵试验过程中进料和出料中TS和VS的变化，并在表2对去除率进行了总结。进料TS为5%，TS和VS去除率分别为(46.1%±1.6%)和(70.4%±3.4%)，与Nizami等[25]报道CSTR处理有机废物时VS去除率在40%～70%范围一致。随着进料TS升至15%，TS和VS去除率均发生显著下降（P<0.05），分别降至(34.6%±1.2%)和(59.1%±0.6%)，比TS 5%的下降了24.9%和 16.1%。这可能是由于氨氮质量浓度随进料 TS增加而提高，进而抑制水解、酸化和甲烷化进行，造成鸡粪中有机质的去除率明显下降。

图4 连续发酵试验运行过程中TS和VS去除率的变化Fig.4 Change of TS and VS removal rate in continuous fermentation during a long term operation

2.4 氨氮对VFAs累积和TS产甲烷率的影响

采用线性回归分析了鸡粪中温发酵过程中氨氮累积对VFAs累积和TS产甲烷率的影响（图5）。图5为氨氮和VFAs累积的线性回归分析，R2为0.8619，推算出VFAs初始累积的氨氮质量浓度为2 300 mg/L，即当氨氮质量浓度超过2 300 mg/L，就会出现VFAs累积，造成鸡粪中温发酵产甲烷降低。图5为氨氮和TS产甲烷率的线性回归分析，R2为0.7217，经推算氨氮质量浓度达到18 000 mg/L，反应器产气停止，即鸡粪中温发酵完全抑制的氨浓度。与Niu等[21]报道的16 000 mg/L完全氨抑制浓度相吻合。大量研究就氨氮对甲烷发酵的氨氮质量浓度就会抑制牛粪中高温甲烷发酵，Andrew等[12]发现氨氮达到2 500 mg/L时，猪粪中高温甲烷发酵才受到抑制。目前普遍认为氨氮抑制中高温甲烷发酵的下限质量浓度均为3 000～4 000 mg/L[11]。本研究发现，采用TS5%的进料浓度，反应器内氨氮质量浓度低于2 500 mg/L，VFAs质量浓度在500 mg/L以内，TS产甲烷率波动不明显。当氨氮质量浓度提升至5 500 mg/L左右，VFAs质量浓度在2000～6000 mg/L范围波动，TS产甲烷率虽略有下降，但不显著。氨氮质量浓度进一步提升至7 000 mg/L左右，VFAs质量浓度在6 000～10 000 mg/L范围波动，TS产甲烷率波动明显，为150～200 mL/g。比氨氮质量浓度2 500 mg/L时下降20%～40%，反应器的产甲烷受到明显抑制。Krylova等[26]报道8 000 mg/L氨氮将导致产甲烷率下降80%～90%。但Lay等[27]认为6 000 mg/L氨氮质量浓度将导致甲烷发酵被完全抑制。Niu等[21]采用 TS 10%的鸡粪进行甲烷发酵，认为氨氮质量浓度低于5 000 mg/L，鸡粪中温甲烷发酵能够正常进行，氨氮质量浓度由5 000 mg/L升至14 000 mg/L ，产甲烷率逐步降低，氨氮质量浓度达到5 300 mg/L产甲烷降低10%；达到16 000 mg/L产甲烷几乎停止。综合长期试验与线性回归分析结果，本研究中氨氮抑制鸡粪中温甲烷发酵产甲烷的质量浓度在5 500 mg/L左右。

图5 氨氮累积对VFAs累积和TS产甲烷率的影响Fig.5 Effect of TAN accumulation on VFAs accumulation and methane production

2.5 污泥乙酸产甲烷活性分析

乙酸是产甲烷菌的最主要前体物质，甲烷发酵中约70%沼气经乙酸裂解途径产生。厌氧污泥的乙酸产甲烷活性是指污泥（以VSS计）利用乙酸的比产甲烷活性（special methane activity，SMA），即污泥利用乙酸生成甲烷的潜力，是反映污泥品质重要参数之一[16]。因此，采用乙酸钠为基质，进行污泥产甲烷活性测试。图6是进料TS 5%，7.5%，10%和 15%污泥乙酸产甲烷活性试验中各乙酸钠质量浓度的累积产甲烷量和Gomperzt拟合曲线，表3为各阶段不同乙酸浓度下的比产甲烷活性。

由图6和表3可以看出，进料TS为5%和7.5%时，污泥乙酸产甲烷活性随乙酸钠浓度增高而增加，15 000 mg/L时分别获得最大产甲烷活性(0.368±0.001)和(0.258±0.002) g/(g·d)。进料 TS为 10%时，氨氮质量浓度为6 500 mg/L，污泥乙酸产甲烷活性随乙酸钠浓度增高呈先升高后降低的趋势，在6 000～10 000 mg/L乙酸钠质量浓度下获得最大产甲烷活性0.148～0.149 g/(g·d)，比TS 5%和7.5%的分别下降了59%和42%。进料TS 为15%，氨氮质量浓度达到7 000 mg/L，各浓度处理的产甲烷性能仅为0.027～0.044 g/(g·d)，比TS5%的下降了98%。可见，氨氮质量浓度对污泥乙酸产甲烷活性影响显著（P<0.05），氨氮累积导致产甲烷率的降低。

表3 不同进料浓度下的污泥产甲烷活性Table 3 Sludge special methane production activity under different feeding TS

图6 污泥产甲烷活性试验中不同质量浓度乙酸钠的累积产甲烷量和Gomperzt拟合曲线Fig.6 Cumulative methane production and its Gomperzt simulated line of different acetate concentrations during sludge SMA test

3 结 论

1）采用TS5%和7.5%的进料，鸡粪甲烷发酵每克干固体的产甲烷率为243～253 mL/g。挥发性脂肪酸（VFAs）质量浓度在2 500 mg/L以内，而长期采用TS10%和15%的进料，氨氮和VFAs发生累积，氨氮质量浓度分别达到(6 510± 300)和(6 890±220) mg/L，VFAs 质量浓度为(5 600± 490)和(8 800±500) mg/L，TS 产甲烷率分别为(203±13)和(173± 22) mL/g，比 TS5%的降低了 20%和32%。鸡粪中温甲烷发酵能够在进料TS为5%和7.5%下稳定运行；进料TS超过10%，有机物转化为甲烷的效率降低。

2）氨氮累积导致鸡粪发酵体系利用乙酸产甲烷的能力降低，氨氮质量浓度达到6 500和7 000 mg/L，污泥乙酸产甲烷活性分别降低59%和98%。

[参 考 文 献]

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