不同物料厌氧共发酵产甲烷特性研究

张国华，徐鹏程，田汝康

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.山东大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266237)

单一底物由于自身性质的局限性，在厌氧发酵过程中常常会出现营养不平衡、缺乏多样化的微生物以及易受操作条件影响的问题，进而导致发酵过程抑制物积累、产气率低。相关的研究表明，厌氧共发酵能够克服单一原料厌氧发酵的缺陷，厌氧共发酵是指将两种或多种具有互补特性发酵底物混合消化以提高生物转化率以及甲烷产量的技术[1]。厌氧共发酵可以达到1+1>2的促进效果，维持发酵体系稳定，平衡微生物生长所需的营养，进而加快并提高甲烷产量，实现混合厌氧消化的协同作用[2]。近年来，国内外研究学者对厌氧共发酵平进行了大量研究，同样地，法国和英国对其沼气产业采取了类似的策略：逐步开发以多种底物和有限使用能源作物为原料的共发酵技术[3]。

本研究通过批式厌氧发酵实验，选取了典型有机废弃物脱水污泥、玉米秸秆和牛粪，研究了它们在不同比例下两两混合厌氧发酵产甲烷特性，以期获得最佳物料混合比例和更高的产甲烷效率，为混合物料厌氧发酵产甲烷的工程实践提高理论依据和借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

各底物及接种物的理化性质及来源见表1。污泥、牛粪取回后放在冰箱4℃储存备用，玉米秸秆取回后粉碎过10目筛，密封保存。

1.2 实验方法

本实验设置了实验组和对照组，实验组分A、B、C三组，分别对应脱水污泥与秸秆厌氧共发酵、脱水污泥与牛粪厌氧共发酵和玉米秸秆与牛粪厌氧共发酵，每个实验组以挥发性固体进行计算设置四种比例。对照组包括以脱水污泥、玉米秸秆和牛粪作为单一底物进行厌氧发酵，接种物作为空白对照，每组设置3个平行，取得的样品存于-20℃冰箱保存。发酵体系挥发性固体浓度为10 g·VS/L，接种比为底物挥发性固体的25%，发酵温度为37℃，摇床转速为150 r/min，发酵周期为30天。具体实验设计如表2。

表2 混合发酵实验混合比例

注：以上比例基于挥发性固体。

1.3 分析项目及方法

分析项目包括溶解性化学需氧量(SCOD)、氨氮、pH值、挥发性脂肪酸(VFAs)、甲烷含量和甲烷产量，其中SCOD采用重铬酸钾法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，pH采用德国赛多利斯公司产Pb-10型pH计测定，VFAs采用岛津SPD-20A型液相色谱仪测定，气体组成采用山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司产GC-7820型气相色谱仪，沼气产量采用排饱和氯化钠溶液法收集。

2 结果与讨论

2.1 混合比例对厌氧共发酵产甲烷性能影响

各实验组的日产甲烷量与累计产甲烷量如图1所示。日产甲烷量可以形象直观地反映混合物料的产甲烷性能，是厌氧消化过程中重要监测指标。日产气量整体呈现先增加后减少的趋势，日产气高峰值主要集中出现在10～20 d之间。对于污泥和秸秆共发酵组，A1、A2和A4组在整个发酵阶段均出现了2个产甲烷峰值，A3组只出现1个产甲烷峰值，最大日产甲烷量为A4在16天的162 mL。污泥与牛粪的2个产甲烷峰值均出现在10～12 d之间，且B1组和B2组的最大产甲烷峰值要明显高于B3组和B4组，这可能是因为前者组合物料中高比例牛粪造成的。牛粪和污泥中含有的大量溶解性有机物被迅速地降解，达到第一个产甲烷峰值，随后，牛粪中含有的粗蛋白，纤维素、木质素等难降解物质[4]，在后续的发酵过程中实现分解产气，从而产生了第二个较大的峰值。通过对比单一脱水污泥作为发酵物料的实验组来说，牛粪的添加大大提高了日产甲烷量，说明协同发酵体系更能均衡营养成分，促进产甲烷过程。C2组与其他组的趋势显著不同，在整个厌氧发酵过程中一共出现了4个峰值，最高日产甲烷产量为160.5 mL，比单一牛粪和单一秸秆厌氧消化最高产甲烷峰值分别提高了333.8%和60.5%，这与任海伟[5]等的研究结果是一致的。在本实验中，混合物料发酵使原料的碳氮比处于均衡的状态，提供了更加适宜的微生物生存条件，其次，由于各种原料在营养组分、物理结构等方面有一定的互补，保证了产甲烷过程高效稳定的进行。

图1 不同厌氧共发酵体系日甲烷产量图

Fig.1 Daily methane yields for different anaerobic co-digestion

污泥和秸秆协同发酵体系累积甲烷产量见图2。当污泥与秸秆以3∶1比例的混合时具有最高的累积甲烷产量，为933 mL。在厌氧发酵过程中底物的配比制约着甲烷的产量，除A3外，随着污泥比例的增加，产气量逐渐增加，这可能是因为污泥中含有较多的营养物质，同时含有的多种微生物使得秸秆中的细胞破壁，有机物得到释放。当底物采用脱水污泥∶牛粪=1∶2的比例时，所产生的累计产甲烷量最高，为260 mL。相比较而言，当添加高比例的牛粪作为发酵物料时，可以获得较高的累计产甲烷产量。在30 d 厌氧发酵结束后，各试验组最终累积甲烷产量中 C1 表现出最佳的产气性能，643.64 mL，分别比 C2、C3 和 C4 试验组提高了173.6%、28.6%、35.5%，其最终甲烷产量比单一秸秆厌氧消化提高了51.16%。发酵过程中16～30 d为快速产甲烷时间段，这期间累计甲烷产量分别为最终甲烷产量的 89.2%、76.2%、87.4%、88.3%。厌氧微生物利用有机物质生产甲烷主要集中厌氧消化中期 16～30 d内，之后系统中产气的有机物质基本消耗完毕。试验组 C1甲烷产量曲线明显表现出更快的发酵产甲烷速率，具有最高的甲烷生产潜力。

图2 不同厌氧共发酵体系累计甲烷产量图

Fig.2 Cumulative methane yields for different anaerobic co-digestion

多底物共发酵能够产生协同效应，Labatut等人[6]表明可以比较混合物料的产甲烷潜力与单个底物产甲烷潜力加权总和的大小来作为判断协同或抑制作用的依据。共发酵协同效应指数主要计算公式[7]如下所示：

(1)

式中：Bi,n-混合物料产甲烷潜力；

Bo,i-单一物料产甲烷潜力；

Boi,n-单一物料的产甲烷潜力加权平均值(%VS)；

底物i到n为共发酵，∑in%VSi=1，所以CPI值>1表明产生了协同作用，反之则产生了抑制作用。物料以不同比例混合进行厌氧发酵会产生内部反应，一种是混合发酵甲烷产量要多于单个底物计算的理论产量，即为协同效应，CPI值>1；反之即为拮抗效应，CPI值<1。混合物料共发酵的协同效应指数如图3所示。对于秸秆与污泥混合的情况来说，A4组(污泥∶秸秆=3∶1)CPI值最高，为4.84；对于污泥和牛粪混合的情况来说，各组的CPI值均大于1，B4组(污泥∶牛粪=3∶1)CPI值最高，为3.4。对于牛粪与秸秆混合，除A2组外，其余CPI值均超过1，最高值为C4组(牛粪∶秸秆=3∶1)的1.56。这些结果表明不同底物以及不同的混合比例对厌氧发酵的进行会产生不同的影响。

图3 厌氧共发酵协同效应指数图

2.2 混合比例对厌氧共发酵SCOD变化的影响

SCOD的变化情况如图4所示。从不同比例的脱水污泥和秸秆作为混合物料时SCOD的变化情况来看，前12天各组的SCOD值有显著的上升，这主要是因为厌氧发酵水解菌将底物中大分子物质分解成溶解性的小分子物质，造成体系中SCOD浓度上升。A1和A3组的SCOD浓度在第16天后开始下降，且下降速度较快，这主要是厌氧发酵后期微生物数量多而导致的。A4组SCOD浓度在整个发酵过程中都维持在相对较低的水平，其最高值只有1149 mg/L，结合其高产气来看，可能是分解出来的SCOD被迅速的转化为了挥发性脂肪酸和沼气。实验组B1、B3、B4的SCOD浓度在发酵初始均有所上升，其中B1和B4组的上升趋势最为明显，并在发酵开始第6天达到最大值，分别为839 mg/L和919 mg/L，然后开始下降。但是B2组的SCOD浓度最大值出现在第12天，为459 mg/L，而且在整个发酵阶段的变化趋势不明显，与B3组一起，保持在相对较低的水平。其中C1、C2、C3组显示出了类似的变化趋势：在第6天三组达到SCOD峰值分别为3080，1700，2200 mg/L；而C4组先以最大的SCOD增长率不断增长，在12天达到峰值4138 mg/L一直持续到第18天，随后SCOD速率迅速下降。

图4 不同厌氧共发酵体系溶解性COD变化图

Fig.4 Variety of SCOD for different anaerobic co-digestion

2.3 混合比例对厌氧共发酵氨氮变化的影响

氨氮变化情况见图5。含氮的有机质分解成小分子，然后在氨化细菌的作用下转化成为氨氮，氨氮可作为微生物生长的营养源，还可以为系统提供一定的酸碱缓冲能力，但是当其浓度超过1700 mg/L时，会对体系中的微生物生长产生抑制作用[8]。污泥与秸秆实验组A1、A2和A4的氨氮浓度稳定在150～250 mg/L之间，而A3组的氨氮浓度在经历短暂的下降后又出现了显著上升，达到338 mg/L，结合产气情况发现，升高后的氨氮浓度对微生物造成了氨抑制，从而影响了产气效果。实验B组中的氨氮浓度均随着时间的增加而逐渐增加，Baris等[9]研究结果表明，厌氧消化过程中，当氨氮浓度适当时具有调节酸碱度、防止酸积累的作用。牛粪与秸秆不同混合比例C1、C4组中氨氮含量变化较大，而C2、C3组氨氮含量较为平稳。

图5 不同厌氧共发酵体系氨氮变化图

Fig.5 Variety of NH4+for different anaerobic co-digestion

2.4 混合比例对厌氧共发酵pH值变化的影响

表3 厌氧共发酵pH值随时间变化表

各实验组的pH值变化见表3。为了保证厌氧协同发酵的顺利启动，在厌氧发酵前期对各自体系的pH进行了调节，即以碳酸氢钠溶液调节体系pH值为7.2。从表中看出，pH值均呈现先下降后上升的趋势，这可能是由于前期来自污泥或者牛粪中的易降解物质水解，形成VFA，使pH值降低，而后随着水解的进行，大分子或者难降解的有机氮等被微生物分解成氨氮等，对体系进行了调节，起到缓冲作用。在稳定产气过程中，pH值维持在6.5～7.2之间，组别之间无明显差异，说明发酵体系能够正常进行，协同厌氧发酵为其提供了更好的缓冲能力。

2.5 混合比例对厌氧共发酵VFAs变化的影响

图6描述了VFAs的变化情况。由图可知，总VFAs浓度整体呈现出先增加后降低趋势，在发酵前期，发酵底物中的可降解有机物就在产酸菌的作用下被分解为各种有机酸(小分子链)，随着时间的增加，其分解的有机酸的量就越来越多，所测得的VFAs浓度也就越大。当发酵底物中的可降解有机物被分解完以后，VFAs的数值便不会再增加，而是随着时间逐渐减小[10]。B组的VFAs浓度最大值分别为730、533、636和1250 mg/L，与其他底物含秸秆的实验组相比处于较低水平，可能是由于加入的秸秆较难分解(会在后期产生挥发性脂肪酸)，且产酸菌要比产甲烷菌代谢速率快，所以经历较长时间的厌氧发酵之后，积累了较多的VFAs。周海东等人[11]研究了污泥与秸秆作为共同底物在中温环境下的厌氧发酵特性，也指出秸秆在发酵前期水解不完全，后期仍在进行水解产生VFAs，产甲烷菌利用不及时就会造成积累。当污泥与秸秆比例为1∶2时，总VFAs在第18天达到最高值5783 mg/L，同时这也是整个厌氧发酵过程四个实验组中出现的最高总VFAs值，高的VFAs并没有得到长时间的积累，而是在第26天降为2543 mg/L，但这样的浓度可能会对产甲烷造成抑制作用[12]。A4组在本实验过程中总VFAs浓度较低，最高值仅为2249 mg/L，随后又降至2000 mg/L以下，较低的VFAs水平可能与较高的产气和高效的产甲烷菌有关。

图6 不同厌氧共发酵体系挥发性脂肪酸变化图

Fig.6 Variety of VFAs for different anaerobic co-digestion

3 结论

(1)不同底物厌氧共发酵较单物料发酵甲烷产量显著提高，底物的混合比例能够明显影响厌氧发酵的产甲烷特性，确定了不同物料进行厌氧共发酵的最佳混合比例：当脱水污泥与玉米秸秆比例(以挥发性固体质量计)为3∶1时；污泥与牛粪的最佳混合比例为1∶2；牛粪与秸秆的最佳混合比例为1∶1，30天的累计甲烷产量最高。不同底物及不同混合比例对厌氧共发酵产生不同影响，绝大多数共发酵产生了协同效应。

(2)农业废弃物厌氧共发酵使发酵体系处于稳定状态，混合底物使得体系的缓冲能力增强，溶解性化学需氧量、氨氮处在正常范围，没有发生氨抑制，挥发性脂肪酸在厌氧发酵过程中没有出现积累造成酸抑制。