鸡粪与果蔬废弃物混合基质的厌氧发酵产氢特性

宋梓梅，裴梦富，宋亚楠，强 虹

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

氢能具有清洁无污染、热值高、可再生等优点，被人类认为是化石能源的理想替代品，开发利用氢能也是人类能源发展的重要战略之一。相比于传统的制氢方法，生物法制氢能够同时实现资源再利用和环境可持续发展。生物制氢技术包括光发酵和暗发酵2种方法，其中后者由于不需要光、反应迅速、运行成本低等特点而具有更好的实用价值[1]。

现实中的有机废弃物大多由2种或2种以上成分组成，其复杂性和多样性为厌氧发酵制氢提供了可行性，也给利用厌氧发酵技术获取氢气带来了更多的挑战。国内外已有一些利用2种甚至多种有机废弃物混合厌氧发酵制氢的报道[2-11]。刘爽等[11]探究了猪粪与马铃薯皮渣混合比例对其厌氧发酵制氢的影响，发现随着猪粪比例的减小产氢量递增；Lateef等[5]研究发现，当牛粪与奶制品加工废弃物质量比为30∶70时，得到的挥发性固体(VS)产氢率最大，为38.2 mL/g；Tenca等[7]在研究猪粪与果蔬废弃物混合发酵特性时发现，猪粪起到了增加系统碱度的作用，而果蔬废弃物起到了提高碳氮比(C/N)的作用，两者在适宜的质量比下获得的VS最大产氢率高达126 mL/g。由于鸡摄入的饲料无法被完全消化，其中有40%～70%的营养物质被排出体外，因此鸡粪在所有畜禽粪便中营养最为丰富。鸡粪中含有大量的粗蛋白，其作为厌氧发酵原料具有两个特点：(1) C/N较低；(2) pH值较高。而果蔬废弃物的普遍特点是含水率高，易酸化，固体成分中以糖类、纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物为主。因此以鸡粪和果蔬废弃物的混合物为底物进行厌氧发酵可以改善发酵系统的营养分布，调节C/N值从而获得更有利于产氢细菌生存的环境。

近年来，随着我国养鸡业和果蔬种植业的规模化、集约化发展，产生了大量的鸡粪和果蔬废弃物，每年产生的鸡粪和果蔬废弃物分别高达87万t和1.0亿t[12]。利用厌氧发酵制氢技术可以有效处理鸡粪和果蔬废弃物，达到变废为宝的目的，对推动循环农业发展具有重大意义。本研究以鸡粪与香蕉皮、白菜废弃物、油麦菜废弃物、笋叶、土豆皮渣的混合基质为发酵原料进行厌氧发酵制氢，探究鸡粪与不同果蔬废弃物混合对厌氧发酵产氢特性和发酵路径的影响，以期为利用混合物料厌氧发酵制氢提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

表1 发酵原料的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

1.2 接种物的培养

接种物取自实验室长期稳定运行的处理鸡粪的厌氧发酵产甲烷CSTR反应器。为了富集产氢菌，接种前向500 mL血清瓶中加入300 mL(20 g/L)葡萄糖培养基[13]和100 mL接种物，在中温((35±1) ℃)恒温水浴振荡槽中培养至显著产氢(判断标准为氢气含量达到40%(体积分数))。培养结束后静置倒去上清液，收集沉淀作为本试验所用种污泥，其TS含量为30.10 g/L，悬浮挥发性固体(VSS)含量为19.00 g/L。

1.3 试验设计

将鸡粪分别与香蕉皮、白菜废弃物、油麦菜废弃物、笋叶和土豆皮渣按照VS比1∶1配制成混合基质(分别记为A～E组)，加水调节其初始化学需氧量(COD)为40 g/L备用。以100 mL的血清瓶作为反应器(有效容积为60 mL)，为了确保发酵过程中产生氢气而不产生甲烷气体，将经过驯化的污泥作为种污泥，将混合基质与种污泥按照体积比3∶1(45 mL混合基质，15 mL种污泥)加入，初始的S/X[S/X=混合基质体积(mL)×混合基质COD质量浓度(g/L)/(种污泥体积(mL)×种污泥VSS质量浓度(g/L))]值为每g VSS 6.3 g COD，用1 mol/L的HCl调节发酵液pH为5.5，空白对照组只添加15 mL种污泥，以扣除试验背景值，每组重复2次，在中温((35±1) ℃)、振荡频率为120 r/min的恒温水浴振荡槽中培养。

1.4 测定指标及方法

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0和Origin 8.0软件进行处理与分析，每10 h产氢量按下式计算:

VH2=VH·ΔCH2+VS·CH2。

(1)

式中：VH2为每10 h产氢量(mL)，VH为血清瓶顶空体积(本试验中为40 mL)，ΔCH2为相邻两次测定间隔内氢气含量的变化值(%)，VS为每隔10 h测定的气体产生量(mL)，CH2为氢气含量(%，体积分数)。

累积产氢量(mL)=处理组累积产氢量(mL)-对照组累积产氢量(mL)。

(2)

COD产氢率按下式计算:

(3)

用Modified Gompertz模型对累积产氢量进行动力学分析，其方程形式为：

(4)

式中：H为累积产氢量(mL)，Hm为最大产氢潜力(mL)，Rm为最大产氢速率(mL/h)，t为发酵时间(h)，λ为停滞时间(h)。

挥发性固体、碳水化合物和蛋白质降解率按下式计算：

(5)

(6)

(7)

式中：DRVS、DRCarbs、DRPro分别表示挥发性固体、碳水化合物和蛋白质的降解率(%)，VSa和VSb分别表示发酵前、后发酵液中挥发性固体含量(g/L)，Ca和Cb分别表示发酵前、后发酵液中碳水化合物含量(g/L)，Pa和Pb分别表示发酵前、后发酵液中蛋白质含量(g/L)，V为发酵液体积(L)。

2 结果与分析

2.1 不同混合基质累积产氢量的比较

试验结果表明，不同底物通过厌氧发酵制备的生物气体组成均为CO2和H2，整个发酵过程中未检测到甲烷，证明未经预处理的甲烷发酵流出物在经过一定时间的驯化后可以用作氢发酵的接种物[14]。鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质(45 mL)厌氧发酵累积产氢量的变化见图1。

图1 鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质(45 mL)厌氧发酵累积产氢量的变化Fig.1 Variation of cumlative hydrogen production of mixed substrates (45 mL) of chicken manure with different fruit and vegetable wastes during anaerobic fermentation

由图1可以看出，在发酵初期(0～30 h)，除鸡粪+白菜废弃物组(B组)不产生氢气外，其余4组的累积产氢量均缓慢增加；鸡粪+香蕉皮组(A组)、鸡粪+油麦菜废弃物组(C组)和鸡粪+土豆皮渣组(E组)在30～60 h累积产氢量迅速增加；鸡粪+白菜废弃物组(B组)从发酵40 h开始产氢，在40～80 h累积产氢量增加较快，80 h后停止产氢。由图1还可看出，在给定菌种来源且其他条件都一致的情况下，不同混合基质的产氢能力差异明显，其中以鸡粪+土豆皮渣组(E组)的累积产氢量最高(87.5 mL)，鸡粪+香蕉皮组(A组)次之(62.5 mL)，再次是鸡粪+白菜废弃物组(B组)(42.1 mL)，鸡粪+油麦菜废弃物组(C组)与鸡粪+笋叶组(D组)相当，均在34 mL左右。

2.2 不同混合基质COD产氢率的比较

Han等[15]认为，COD浓度是影响生物制氢效果的最重要因素之一。为了比较在相同的COD质量浓度下，不同混合基质之间的产氢能力是否存在差异，调节5组混合基质的初始COD质量浓度均为40 g/L。结果发现，不同混合基质的COD产氢率依次为：鸡粪+土豆皮渣 (46.04 mL/g)>鸡粪+香蕉皮(34.00 mL/g)>鸡粪+白菜废弃物(22.24 mL/g)>鸡粪+油麦菜废弃物(18.64 mL/g)>鸡粪+笋叶(18.57 mL/g)。在SPSS 19.0中对不同混合基质的COD产氢率进行多重比较分析，结果表明，除鸡粪+油麦菜废弃物组(C组)与鸡粪+笋叶组(D组)两组之间无显著差异(P=0.841>0.05)外，其余组别两两之间均呈现极显著差异(P=0.000<0.01)。

2.3 不同混合基质的Modified Gompertz模型动力学参数

为了更好地比较不同混合基质对厌氧发酵产氢的影响，在Origin 8.0中对各组的累积产氢量利用Modified Gompertz模型进行拟合，结果表明，5种混合基质发酵产氢拟合得到的相关系数R2都在0.92 以上，说明Modified Gompertz模型能够较好地拟合不同混合基质的厌氧产氢过程，获得的动力学参数如表2所示。

表2 鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质的Modified Gompertz模型动力学参数Table 2 Kinetic parameters of Modified Gompertz models for mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes

结合表2和图1可知，A～E组累积产氢量分别是最大产氢潜力Hm的85%，97%，95%，92%和95%。E组的最大产氢速率最高(2.59 mL/h)，然而这个值与文献[5]的结果相比仍然较低，这是由于鸡粪与土豆皮渣混合物中易降解的有机质含量较高，在水解阶段基质中大量的非水溶性蛋白质、糖、脂肪等被水解为溶解性的蛋白质、糖、脂肪等，产酸产氢菌群来不及分解利用不断累积的SCOD，从而造成营养物质过剩导致产氢速率下降。B组的停滞时间最长(45.87 h)，最大产氢速率相较其他组大，说明发酵初期水解酸化菌群活性较弱，导致发酵滞后，但当微生物发酵环境逐渐变为酸性时，水解酸化菌群活性增强，产氢速率迅速增大。

2.4 不同混合基质的发酵途径

氢发酵过程中会伴随着挥发性有机酸的生成，因此掌握发酵结束时液相代谢产物的组成及各组分浓度被认为是监测产氢过程的有力手段。从图2可以看出，不同混合基质发酵结束时液相代谢产物包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，其中以乙酸和丁酸为主。对于A组和E组，丁酸是主要的液相代谢产物，所占比例分别为65.1%和53.6%，说明这2组属于丁酸型发酵。对于B、C和D组，乙酸是主要成分，所占比例分别为62.7%，65.5%和63.9%，说明这3组属于乙酸型发酵。

由图2可知，发酵结束时A～E组的丁酸质量浓度分别为2 349.9，776.2，571.9，305.7，4 160.7 mg/L，结合图1可知，累积产氢量与发酵结束时的丁酸质量浓度呈正相关，说明丁酸的产生有利于厌氧发酵产氢，这与Guo等[16]的研究结果一致。

图2 鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质发酵结束时的液相代谢产物组成及质量浓度Fig.2 Charateristics of final metabolic content at mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes during anaerobic fermentation

2.5 不同混合基质降解率的比较

图3结果表明，不同混合基质的挥发性固体降解率差异明显，在16.20%～51.82%，以E组的挥发性固体降解率最大(51.82%)，这是由于土豆皮渣含有大量淀粉，具有SCOD含量高、可生物降解性好的特点，故E组挥发性固体降解率最大。由图3还可以得出，各混合发酵组均以碳水化合物的降解率最高(36.11%～62.43%)，蛋白质降解率较低(12.92%～28.90%)，各组的碳水化合物和蛋白质降解率大小规律与最大产氢潜力一致。

图3 鸡粪与不同果蔬废弃物混合基质厌氧发酵的挥发性固体、碳水化合物、蛋白质降解率比较Fig.3 Degradation rates of volatile solid, carbohydrate and protein of mixed substrates of chicken manure with different fruit and vegetable wastes

3 讨 论

本试验结果表明，在混合基质初始COD质量浓度相同的条件下，各组的COD产氢率差异明显，以鸡粪+土豆皮渣混合物料的COD产氢率最高，其次是鸡粪+香蕉皮混合物料，再次是鸡粪+白菜废弃物混合物料，之后是鸡粪+油麦菜废弃物混合物料，鸡粪+笋叶混合物料最低。证实对于复杂有机质厌氧发酵制氢，底物组成是影响产氢效果的重要因素[17]。造成这一现象的原因可能有以下4点：其一，虽然各组的COD质量浓度一样，但是SCOD质量浓度不同，其中鸡粪+土豆皮渣混合组SCOD最高(21.05 g/L)，而鸡粪+笋叶混合组SCOD最低(8.95 g/L)。其二，不同混合基质的挥发性固体含量有所不同。其三，不同混合基质的C/N值不同。其四，生长因子、辅酶、微量元素等均能影响微生物的生长和代谢，底物组成的差异决定了上述指标水平参差不齐。鸡粪和土豆皮渣混合物料、鸡粪和香蕉皮混合物料均获得了较高的产氢潜力，说明土豆皮渣和香蕉皮中含有大量易被生物降解的碳水化合物，例如淀粉和单糖。Boni等[18]在研究食品废物和屠宰场废物混合发酵时发现，食品废弃物中由于含有大量易水解的碳水化合物因而可提高产氢效率。C/N值是影响微生物分解利用有机质的重要因素之一，Zhou等[19]认为，当C/N值在26～31时能够获得较好的产氢效果。本研究中，发酵底物自身理化性质的差异导致各组的C/N值相差较大，在以鸡粪+香蕉皮和鸡粪+土豆皮渣的混合物为底物的发酵系统中，碳水化合物含量丰富的香蕉皮和土豆皮渣对提高混合基质的C/N值做出了贡献，其C/N值分别达到33.1和28.4，因此这2组获得了较为理想的氢气产量，而其他3组的C/N值均小于20，较低的C/N无法满足产氢菌对氮源和碳源的需求，因此不利于产氢。

发酵过程中水解产物发生酸化产生挥发性有机酸的同时产生氢气，在本研究中，乙酸和丁酸为各混合基质发酵结束时产物中主要的挥发性有机酸，2种酸含量之和占总有机酸的比例为76%～94%。在以往的报道中，有研究者认为，发酵结束时产生的乙酸和丁酸越多越有利于产氢[20-21]；也有研究者认为，获得生物氢气最有效的路径包括形成以乙酸型发酵和丁酸型发酵为主的酸性厌氧发酵途径[22]。然而，在本研究中，虽然鸡粪+香蕉皮组(A组)发酵结束时液相中产生的乙酸质量浓度(1 403.7 mg/L)，低于鸡粪+白菜废弃物组(B组)(1 671.9 mg/L)，但A组的累积产氢量却大于B组，可能原因是：(1)乙酸可能与氢气发生反应形成乙醇从而造成产氢量下降[23]； (2)系统中存在同型产乙酸过程：2CO2+4H2→CH3COOH+H2O[24]。由此说明乙酸的产生并非一定有利于产氢，因此B组累积产氢量较低。

5组混合基质中的有机质均主要是碳水化合物和蛋白质，厌氧发酵过程中颗粒态的有机高分子(碳水化合物和蛋白质)在水解酶作用下被水解为他们各自的单体，水解产物再经产酸产氢细菌利用产生挥发性有机酸和氢气。本研究结果显示，碳水化合物降解率均大于蛋白质降解率，说明混合基质中难以降解的颗粒态蛋白质含量较高，导致蛋白质的降解率整体偏低。

4 结 论

1)5种混合物料均能产氢，不同混合基质的累积产氢量依次为：鸡粪+土豆皮渣(87.5 mL)>鸡粪+香蕉皮(62.5 mL)>鸡粪+白菜废弃物(42.1 mL)>鸡粪+笋叶(34.4 mL)>鸡粪+油麦菜废弃物(34.2 mL)。

2)在混合基质初始COD质量浓度相同的条件下，其COD产氢率依次为鸡粪+土豆皮渣(46.04 mL/g)>鸡粪+香蕉(34.00 mL/g)>鸡粪+白菜废弃物(22.24 mL/g)>鸡粪+油麦菜废弃物(18.64 mL/g)>鸡粪+笋叶(18.57 mL/g)。Modified Gompertz模型能够很好地拟合不同混合基质的累积产氢量随时间变化的过程，动力学分析表明，鸡粪+土豆皮渣的最大产氢潜力最大(91.64 mL)，最大产氢速率也最大(2.59 mL/h)；鸡粪+笋叶的停滞时间最短(9.88 h)。

3)不同混合基质厌氧发酵制氢以乙酸型和丁酸型发酵为主，其中鸡粪+香蕉皮组(A组)和鸡粪+土豆皮渣组(E组)属于丁酸型发酵，鸡粪+白菜废弃物组(B组)、鸡粪+油麦菜废弃物组(C组)和鸡粪+笋叶组(D组)3组属于乙酸型发酵。

4)鸡粪+土豆皮渣组的挥发性固体、碳水化合物和蛋白质降解率在5组混合基质中均最大，分别是51.82%,62.43%和28.90%。