鸡粪和餐厨垃圾中温厌氧发酵产甲烷特征及动力学

刘新媛， 肖 娟， 聂家民， 张伟玉， 吴 楠， 杨 帆， 彭锦星

(天津农学院工程技术学院, 天津 300384)

畜禽养殖业是农业污染源的重要组成部分，畜禽粪便的不当排放也是造成环境中化学需氧量、总氮、总磷等污染物超标的重要原因之一[1]，若能有效利用畜禽粪便中的营养物质，即可以降低环境污染，又能发挥资源和能源价值。2010年中国肉鸡出栏量和蛋鸡出栏量总计约5×109只，产生的鸡粪高达1.3×108t[2]。利用鸡粪生产沼气，不仅能提高鸡粪综合利用的品质，还能制备能源气体、减少污染排放，已得到广泛的关注。

作为发酵底物，鸡粪的氮素含量较高，厌氧发酵时易产生氨氮累积和产甲烷抑制。对此，大量研究采用富碳原料与鸡粪共发酵，来调节发酵底物的营养配比，提高发酵效率。文献中，农作物秸秆常作为鸡粪发酵的共基质[3-5]，但木质化纤维素结构难以在发酵过程中快速水解释放有机质。与农作物秸秆相比，餐厨垃圾中含有大量微生物可直接利用有机成分，与鸡粪混合发酵的协同作用明显[6-7]。乔玮[8]研究发现鸡粪中温发酵比高温发酵产甲烷效率高，并且中温发酵的能量消耗少，所以本研究采用中温发酵条件。鸡粪和餐厨垃圾在不同比例下混合发酵呈现不同的产气规律，文献[6,9]中多从日产气量和甲烷浓度角度分析产气特性，而对混合发酵产甲烷的动力学特性研究较少。本研究进行餐厨垃圾和鸡粪中温混合发酵批式试验，探究不同混合比例下中温厌氧发酵产甲烷特征，并对产甲烷过程进行动力学分析。

1 材料与方法

1.1 发酵底物和接种污泥

接种污泥取自天津市津沽污水处理厂的厌氧消化池，其总固体(TS)浓度为7.6 g·L-1，挥发性固体(VS)浓度为3.4 g·L-1，pH值为7.2。

餐厨垃圾来自天津农学院学生食堂，人工分拣去除塑料、木棒、纸巾等杂质，按照体积比1∶1加水，通过九阳料理机破碎混合，破碎后呈均匀浆料状，颗粒尺寸小于5 mm。鸡粪来自天津西青区杨柳青镇大柳滩村农户蛋鸡养殖场，分离砂石、鸡毛等杂物，搅拌混合待用。餐厨垃圾和鸡粪的主要特性及成分见表1。

表1 餐厨垃圾和鸡粪的特性

1.2 实验设计

采用300 mL厌氧瓶进行混合发酵批式实验，鸡粪和餐厨垃圾的混合比例(VS之比)分别为2∶1，1∶1，1∶2，底物浓度为15 gVS·L-1。用HCl和NaOH溶液调节反应体系的初始pH值为7.0，加入K2HPO4/KH2PO4缓冲溶液(pH值7.0，0.1 mol·L-1)，混匀、定容到150 mL，通入高纯氮气10 min吹脱空气，创造厌氧环境，用橡胶塞密封瓶口，在37℃培养箱中进行厌氧发酵，每日手动混合3次。以鸡粪单独发酵(混合比例为1∶0)和餐厨垃圾单独发酵(混合比例为0∶1)为对照实验，以不加底物、只加接种污泥发酵为空白实验。每个发酵条件设两组平行实验。发酵过程中定时检测产气量和甲烷含量。若发酵液pH值降低到6.8以下，使用1% NaOH调节pH值至6.8～7.2。

1.3 测试方法

产气量用玻璃针筒计量，并转化为标态下(标准大气压，0℃)的体积。甲烷含量采用气相色谱法(Clarus 680，PerinElmer，美国)进行测定，色谱柱为毛细管柱(Elite-5, 30 m×0.25 mm×0.25 μm)，氮气作载气，流速为2 mL·min-1，柱温150℃，检测器温度 250℃，进样器温度200℃，分流比为20∶1。pH值采用台式pH计(pH6175，JENCO，美国)进行测定。多糖用蒽酮-浓硫酸法测定，以无水葡萄糖为标准样品。蛋白质用lowry 法，以牛血清蛋白为标准样品。TS采用烘干法，VS采用马弗炉灼烧法进行测定。分析溶解性指标前，将样品用0.45 μm滤膜过滤，取滤液进行测试。

1.4 累积甲烷产量和累积沼气产量的计算

累积甲烷产量实际值根据公式1进行计算。

V2=V1+VG×C2+V0×(C2-C1)

(1)

式中：V1和V2分别表示在t1和t2时刻的甲烷产量，mL；C1和C2分别表示厌氧瓶上空甲烷在t1和t2时刻的百分含量，%；V0表示厌氧瓶上空的气体体积，mL；VG表示在t1和t2之间的时间段内，玻璃针筒量出产气体积，mL。

某时刻下的累积沼气产量为从发酵起始到该时刻下收集到的总沼气量。每个试验组和对照组的累积甲烷产量和累积沼气产量为该组所得的实际值与空白组的实际值之差。

1.5 动力学拟合

修正的Gompertz方程用来对不同反应时间t下测得的累积甲烷产量进行拟合，如公式2所示。

(2)

式中：H为t时刻累积甲烷产量，mL；P为最大累积甲烷产量，mL；Rm为最大产甲烷速率，mL·h-1；λ为产气延迟时间，h；e=2.718281828。P，Rm和λ通过Excel 2010软件回归拟合得到。

1.6 厌氧消化一级动力学

一级动力学模型常用于描述复杂发酵底物的水解动力学，当底物降解和甲烷产生达到平衡时，则甲烷的累积情况能够反映底物的降解速率，计算公式如公式3所示[10]。

ln[1-M(t)/Mmax]= -kt

(3)

式中：Mmax为最大累积甲烷产量，mL；Mt为t时刻的累积甲烷产量；k为转化速率常数。Mmax由修正的Gompertz方程拟合得出，其值等于P；k通过绘制ln[1-M(t)/Mmax]与t的曲线，选取线性关系区域计算斜率的相反数得出。

2 结果与讨论

2.1 沼气产量和甲烷产量

不同比例下鸡粪和餐厨垃圾混合发酵的气体产量、产气成分及甲烷产率，如表2所示。由表2可知，混合发酵的沼气产量最低，其次是鸡粪单独发酵，而餐厨垃圾单独发酵的沼气产量最高。从表2中还可以看出，鸡粪单独发酵的甲烷总产量最低，与之相比，混合比例为2∶1，1∶1，1∶2及餐厨垃圾单独发酵的甲烷总产量分别提高了0.7%，5.3%，13.5%及59.6%。上述结果表明，向鸡粪中混合一定比例的餐厨垃圾，能够提高厌氧发酵的甲烷产量，并且随着餐厨垃圾所占比例的提高，累积甲烷产量不断增大，但增加幅度却较低，仍然低于餐厨垃圾单独发酵。

经计算，鸡粪和餐厨垃圾混合比例为1∶0，2∶1，1∶1，1∶2和0∶1时，厌氧发酵的甲烷产率分别为159.4 mL·g-1VS，160.5 mL·g-1VS，167.9 mL·g-1VS，180.8 mL·g-1VS，254.4 mL·g-1VS，随着餐厨垃圾所占比例的增加而增大。本研究中鸡粪单独的甲烷产率109.8 mL·g-1TS低于文献中鸡粪中温发酵的173～253 mL·g-1TS[2]，本研究中鸡粪与餐厨垃圾为2∶1时气体产率350.4 mL·g-1TS，低于相同条件下文献中的573 mL·g-1TS，高于鸡粪与玉米秸秆按该比例混合时的气体产率308.97 mL·g-1TS[4]。本研究的甲烷产量与文献中有较大差异，这可能是由于接种污泥活性较低或者未充分适应底物特性造成的。

不同混合比例下，累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化规律如图1～图5所示。从图1可以看出，餐厨垃圾所占比例较高时(鸡粪与餐厨垃圾之比为0∶1，1∶2和1∶1)，累积沼气产量出现两个明显的快速增长期，分别在发酵的初期和中后期，而在餐厨垃圾所占比例较低时(混合比例为1∶0和2∶1)，累积沼气产量只有一个明显的快速增长期，处于发酵中后期。与累积沼气产量相比，累积甲烷产量在所有混合比例下只在发酵中后期快速累积。结合累积沼气和累积甲烷变化规律，可以推测在餐厨垃圾所占比例较高时，发酵初期沼气的主要成分不是甲烷。通过测定发酵初期的pH值，发现餐厨垃圾所占比例较高时，pH值降低到5.7～6.6，说明这些混合比例下发酵初期出现了明显酸化，此时累积沼气的主要成分可能是氢气和二氧化碳等发酵气体。所以，向餐厨垃圾中混合一定比例的鸡粪，有利于缓解餐厨垃圾单独发酵初期易酸化的问题，该结论与孟颖[6]等人的一致。

沼气中能体现资源利用价值的主要成分是甲烷，其百分含量一定程度上体现了沼气的品质，影响着沼气净化工艺的负荷、建设及运行成本。由表2可知，混合发酵和鸡粪单独发酵时，沼气中最高甲烷浓度在55.5%～56.5%之间，而餐厨垃圾单独发酵时的最高甲烷浓度达62.1%，显著高于其他发酵条件。上述结果说明混合发酵对改善鸡粪单独发酵的沼气品质方面没有显著的作用，却降低了餐厨垃圾单独发酵的沼气品质。

表2 不同混合比例下鸡粪和餐厨垃圾厌氧发酵的气体产量、成分及甲烷产率

图1 鸡粪单独发酵的累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化曲线

图2 鸡粪∶餐厨垃圾2∶1比例下累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化曲线

图3 鸡粪∶餐厨垃圾1∶1比例下累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化曲线

图4 鸡粪∶餐厨垃圾1∶2比例下累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化曲线

图5 餐厨垃圾单独发酵累积沼气产量、累积甲烷产量和pH值随时间的变化曲线

2.2 修正的Gompertz方程对累积甲烷产量的动力学拟合

不同混合比例下鸡粪和餐厨垃圾厌氧发酵累积甲烷产量及其动力学拟合曲线如图6所示，相应的动力学参数在表3中列出。表3中，拟合值和实测值的相关系数R2在0.99以上，表明修正的Gompertz方程能够较好地描述鸡粪和餐厨垃圾混合发酵和单独发酵产甲烷的动力学过程。从表3可以看出，混合发酵的最大产甲烷速率在2.46～3.65 mL·h-1之间，是鸡粪单独发酵时的1.2～1.8倍，说明混合发酵有利于提高鸡粪发酵的甲烷产生速率。餐厨垃圾单独发酵的最大产甲烷速率为3.16 mL·h-1，低于鸡粪和餐厨垃圾混合比例为2∶1的发酵条件，而高于其他发酵条件，说明适宜的混合比例能够提高餐厨垃圾的产甲烷速率，这可能是由于该混合比例下底物的营养配比更为适宜，因而微生物代谢活性较高。

甲烷发酵分为水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段，而产甲烷阶段处于食物链的末端，若甲烷菌的数量和活性较低，复杂有机物的发酵可能出现明显的延迟期。从表3中可以看出，与混合发酵相比，鸡粪单独发酵的延迟时间较短，而餐厨垃圾单独发酵的延迟时间较长，这可能是由于发酵初期的酸化进一步抑制了甲烷菌活性，这个结果也说明鸡粪单独发酵和混合发酵能够更好地维持甲烷菌适宜的生长环境，缩短延迟时间。

图6 鸡粪和餐厨垃圾厌氧发酵累积甲烷产量及修正的Gompertz方程拟合曲线

表3 修正的Gompertz方程动力学拟合参数

2.3 一级动力学模型对甲烷产量的动力学拟合

图7通过一级动力学公式计算的关系图，对快速产甲烷阶段进行线性拟合，相应动力学参数显示在表4中。从表4中看到，R2在0.9517～0.9799之间，线性拟合情况良好，证明甲烷快速增长期，发酵底物向甲烷的转化速率基本符合一级动力学模型。

图7 不同混合比例下鸡粪和餐厨垃圾混合发酵产甲烷的一级动力学拟合曲线

在发酵初期，水解酸化持续进行(可以从初期pH值降低到5.7～6.8推测到)，而产甲烷却出现延迟，说明发酵初期产甲烷阶段为限速步骤，该时期的水解动力学参数难以从甲烷产量上进行推测。在快速产甲烷期，产甲烷规律基本符合一级动力学模型，说明该阶段水解速率与产甲烷速率具有相同的变化规律，水解阶段为限速步骤，新生成的代谢产物累积较少，利用累积甲烷产量构建的一级动力学模型可以间接衡量水解速率，相应的转化速率常数也能一定程度上反映水解速率常数。

从表4中还可以看出，混合发酵的转化速率常数在0.3504 d-1～0.4608d-1，显著高于鸡粪单独发酵的0.1392 d-1，和餐厨垃圾单独发酵的0.1896 d-1，说明混合发酵能够提高鸡粪或餐厨垃圾单独发酵在快速产甲烷期的转化速率。综合表3和表4可以看出，鸡粪和餐厨垃圾混合比例为2∶1时，最大产甲烷速率和转化速率常数均最高，说明该条件下甲烷菌的代谢活性较高。本研究中的转化速率常数处于文献中报道的0.44 d-1～0.13 d-1[11-12]。

2.4 VS去除率

本研究中，有机质去除率随餐厨垃圾所占比例而增加。鸡粪单独发酵的VS去除率为35%，混合发酵比鸡粪单独发酵的VS去除率高了19.9%～33.6%，而餐厨垃圾单独发酵的VS去除率最高，达到54%。有机物的去除率与厌氧发酵的甲烷产率的变化规律一致。

表4 一级动力学模型的动力学拟合参数

3 结论

(1)鸡粪和餐厨垃圾混合比例为1∶0,2∶1,1∶1,1∶2和0∶1时，厌氧发酵的甲烷产率分别为159.4 mL·g-1VS，160.5 mL·g-1VS，167.9 mL·g-1VS，180.8 mL·g-1VS，254.4 mL·g-1VS，随餐厨垃圾所占比例的增加而增大，餐厨垃圾单独发酵产甲烷效果最佳。

(2)与餐厨垃圾单独发酵相比，混合发酵有利于改善发酵初期易酸化、启动延迟期较长的问题。与鸡粪单独发酵相比，混合发酵有利于提高产气率。然而，混合发酵在提高沼气中甲烷浓度的作用上并不显著。

(3)通过动力学分析，发现混合比例为2∶1时，最大产甲烷速率和转化速率常数均达到最高，说明适宜条件下混合发酵有利于提高甲烷菌代谢活性。