进料配比对牛粪和玉米秸秆半连续厌氧发酵的影响

李云芳，袁海荣，Akiber Chufo Wachemo，2，左晓宇，李秀金

（1.北京化工大学 环境科学与工程系，北京 100029；2.阿尔巴明奇大学 供水与环境工程系，阿尔巴明奇P.O.Box 21）

0 前言

随着经济的发展，由固体废弃物（特别是农作物秸秆和集约化牛粪）导致的环境污染问题越来越严重。粪便单独厌氧消化易出现氨氮抑制甲烷产生的现象，秸秆单独厌氧消化会产生降解率低及厌氧消化时间长的问题[1]。当两者混合厌氧发酵时，不仅具有提高生物基质的产气量、维持系统的稳定性、稀释有毒化学物质以及保证系统营养平衡等优点，而且发酵后的残余物处理方便，可直接用作有机肥，不存在二次污染问题[2]。

目前，在厌氧发酵领域，有关牛粪和玉米秸秆混合厌氧发酵时原料配比的研究较少，大部分是关于分批发酵的研究，或者是采用分批发酵进行原料混合比的筛选，并将筛选结果应用于半连续发酵。在分批发酵的研究方面，任海伟[3]研究了总固体混合比（Total Solid Mixing Ratios，TSMR）对牛粪和玉米秸秆混合物中温厌氧发酵的影响，研究结果表明，当牛粪和玉米秸秆的TSMR 为7∶3时，混合物的产气效果最好，产气率（以单位TS计）为359 mL/g。魏珞宇[4]研究了奶牛粪和肉牛粪分别与玉米秸秆以不同的TSMR 混合时对中温混合厌氧发酵的影响，研究结果表明，当奶牛粪和肉牛粪与玉米秸秆的TSMR 分别为1∶1 和1∶9时，混合物的产气效果最好。姜庆宏[5]研究了牛粪和玉米秸秆的 TSMR 分别为 1∶1，1∶2，1∶3 和 2∶1 时的沼气发酵情况，并得出 TSMR 为 1∶1 时发酵效果最佳的结论。在半连续发酵方面，Yue Z[6]在牛粪和玉米秸秆的 TSMR 分别为 1∶0 和 4∶1 的情况下，研究了水力滞留时间 （Hydraulic Retention Time，HRT）和物料成分对厌氧发酵微生物群落的影响，但没有给出选择该TSMR 的研究过程和解释。Li Y Q[7]以鸡粪和玉米秸秆为原料研究了不同有机负荷对发酵底物产气性能的影响。孙志岩[8]研究了牛粪和玉米秸秆的TSMR 对发酵底物分批发酵性能影响，并将分批发酵所得的最佳 TSMR（3∶7）作为半连续厌氧发酵研究的基础，而并未采用半连续厌氧发酵进行原料混合比的筛选。与半连续发酵相比，分批发酵具有对无菌环境要求更高、有毒物质会不断累积以及易出现阻遏效应等缺点[9]，因此，将分批发酵所获得的最佳原料配比参数直接应用于半连续发酵，发酵效果可能会存在较大差异。

本文以牛粪和玉米秸秆为原料，采用半连续发酵的方式研究牛粪和玉米秸秆的TSMR 对系统产气量、甲烷产量、氨氮浓度、碱度、pH 值、挥发性脂肪酸（VFAs）浓度、总固体（TS）和挥发性固体（VS） 去除率的影响，确定发酵效果最佳时的TSMR，以期为沼气的工程化应用提供理论基础和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验原料包括玉米秸秆、 牛粪和接种物，各原料的基本性质见表1。其中，玉米秸秆取自北京延庆地区，自然风干后剪成3～4 cm 的小段，再用粉碎机粉碎过20 目筛备用。进料前采用KOH溶液对玉米秸秆进行常温预处理（KOH、玉米秸秆的 TS 以及水的质量比为 4∶100∶600），处理时间为3 d。牛粪取自北京顺义地区，去除杂质并搅拌均匀后放入-20 ℃冰箱中冷冻备用。接种物取自北京顺义地区的中温沼气站，取回的接种物在静置数日后倒去上清液，将沉淀物放入4 ℃冰箱中备用。

表1 原料的基本性质Table 1 Basic properties of raw materials

1.2 试验装置

采用全混合式反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）进行试验研究，试验装置见图1。

图1 厌氧消化试验装置Fig.1 Test facility diagram of anaerobic digestion

CSTR 主要由发酵罐、水箱、控制柜、控制系统和肺活量计等组成。其中，发酵罐的体积为10 L，有效容积为8 L，发酵罐为双层设计，外层为保温层，内层为反应釜，发酵罐内有上、中、下3 层搅拌桨；水箱具有加热水、控制水循环的作用，研究所用CSTR 由同一个水箱进行循环保温；控制柜控制整个系统的电源；控制主机为电脑，使用集中式序批厌氧消化反应器控制软件系统对每个CSTR 的搅拌频率和温度等进行监控；采用肺活量计测量沼气的体积。

1.3 试验设计

试验采用 5 个CSTR 反应器，分别编号为C10，C31，C11，C13 和 C01，对应的牛粪与玉米秸秆的 TSMR 分别为 1∶0，3∶1，1∶1，1∶3 和 0∶1。5 个反应器按照相应的TSMR，在有机负荷（以TS 计）为80 g/L，接种物添加量（以 MLSS 计）为 25 g/L 的条件下启动，当日产气量小于最大日产气量的1%时，开始进出料[10]。上料参数：有机负荷（以TS 计）为 80 g/L、HRT 为 40 d、发酵温度为 35±1 ℃、搅拌转速为80 r/min，每2 h 搅拌10 min。以每天进出料2 次的半连续发酵方式进行试验研究，进料时按照配比将预处理好的玉米秸秆与牛粪加水混合均匀后投入系统，同时在出料口出等量的料液，每天加适量水以弥补系统水分蒸发的损失。

1.4 试验测定项目和方法

进出料期间对产气量、 甲烷含量以及出料液的 TS 含量、VS 含量、 氨氮浓度、 碱度（Alkalinity Concentration，AC）、pH 值、 挥发性脂肪酸（VFAs）浓度和木质纤维素含量等进行测定，出料液均在取样后1h 内进行测定或制样。其中：产气量采用肺活量计进行测定；甲烷含量采用SP-2100A 型气相色谱仪进行测定；TS 和VS 含量采用重量法进行测定；pH 采用 pH 计 （Thermo-868，USA）进行测定；氨氮浓度采用蒸馏-酸滴定法进行测定；碱度采用酸滴定法进行测定；VFAs 浓度采用GC2014 型岛津气相色谱仪进行测定；木质纤维素含量采用ANKOM 2000i 型全自动纤维素分析仪进行测定。

2 结果与讨论

2.1 日产气量

在进出料一个HRT 后，当连续5 d 的产气量和甲烷含量的变化率小于5%时，认为系统运行稳定[11]。试验启动完成后共运行了50 d，后期运行稳定。各反应器日产气量的变化情况如图2 所示。从图2可以看出，在稳定运行期间，C10，C31，C11，C13 和C01 的平均产气量（气体体积均已换算成标准状况下的数值，下同）分别为5.34，5.62，6.46，7.24，5.92 L/d，即当发酵底物为混合物料时，牛粪所占比例越大，日产气量越小，其中，C13 在稳定运行期间的产气率（以单位TS 计）为452.75 mL/（g·d）。

图2 日产气量的变化情况Fig.2 Changes in daily gas production

2.2 甲烷产量

采用肺活量计收集并记录每日的产气情况，一天进行一次排气，并于每天排气前对所产气体的组分进行分析测定，其中甲烷组分的百分比称为甲烷含量。CSTR 稳定运行期间的产甲烷情况见表2（表中数据均为5 次测量的平均值）。由表2可知，稳定期间各系统所产气体的甲烷含量为54%～60%。当发酵原料中含有牛粪时，甲烷含量随着牛粪所占比例的减少而减少；当发酵原料为纯牛粪时，系统所产气体的甲烷含量为59.72%，分别比 C31，C11，C13 和 C01 高 4.35%，7.85%，9.69%和7.89%，甲烷含量的变化规律与文献[12]的研究结果相一致；当发酵原料中含有玉米秸秆，且玉米秸秆占比小于75%时，系统所产气体的甲烷含量随着玉米秸秆所占比例的增大而减小；当玉米秸秆的占比分别为75%（C13）和100%（C01）时，甲烷含量无明显差异，这可能是因为原料中的玉米秸秆含量达到75%后，牛粪对C/N 的调节作用减弱，玉米秸秆的厌氧发酵占主导地位，甲烷含量不再受TSMR 的控制。

表2 CSTR 稳定运行期间的产甲烷情况Table 2 Methane production of CSTR during stabilization

沼气的主要有效成分是甲烷，因此，考察进出料期间的甲烷产量和稳定期间的甲烷产率具有实际指导意义。由前面的分析结果可知，C13 的产气量最高，C10 的甲烷含量最高。通过计算可知，稳定产气期间，C13 的甲烷日产量最高，为3.94 L/d，分别比C10，C31，C11和C01提高了23.67%，22.53%，10.21%和 20.43%，其中，C10，C31 和 C01的甲烷日产量均无显著性差异。整个进出料期间，C13 的累积甲烷产量最高，为191.59 L，分别是纯牛粪和纯玉米秸秆发酵的1.33 倍和1.17 倍。

不同地区的牛粪和玉米秸秆会存在一定差异，因此，以单位TS 的甲烷产量来衡量系统的产气性能。C31 的甲烷产率为 201.16 mL/（g·d），比纯牛粪发酵提高了0.9%，比纯玉米秸秆发酵降低了1.7%，因此，从产甲烷能力上来说，C31 的意义不大。C13 的甲烷产率为 246.49 mL/（g·d），比C10，C31，C11 和 C01 分别提高了 23.67%，22.53%，10.21%和20.43%。因此，当发酵原料为混合物料时，随着牛粪占比的减少或玉米秸秆占比的增大，发酵原料的产甲烷效益逐渐增大，这与魏珞宇的研究结果相一致[4]。

2.3 系统稳定性

系统稳定性会影响厌氧消化的运行效果，所以系统稳定性是评价厌氧消化效果的重要指标。一般来说，VFAs 的累积、碱度过低、氨氮浓度过高和pH 值过低等均可能导致系统的崩溃。本文对进出料期间的出料进行了定期的测定，通过测定出料的氨氮浓度、 碱度、pH 值和VFAs 浓度等参数，分析牛粪和玉米秸秆的TSMR 对混合厌氧发酵系统稳定性的影响。

2.3.1 氨氮浓度

在厌氧消化系统中，氨氮主要来源于氨基酸、蛋白质、甲胺和其他含氮有机物，当系统的氨氮浓度过高，而pH 值又高于 7.4～7.6 时，就会对系统产生抑制作用[13]。图3给出了 5 个CSTR 出料液的氨氮浓度变化情况。从图3 可以看出：发酵底物中的牛粪比例越高，发酵系统的氨氮浓度变化越小，C10 的氨氮浓度最稳定且后期的稳定值最大，为765 mg/L；玉米秸秆的比例越高，发酵系统的氨氮浓度下降得越快，其中，纯玉米秸秆发酵系统的氨氮浓度以每天约18.9 mg/L 的速度下降，第50 d 时的氨氮浓度为140 mg/L。这可能是因为牛粪的含氮量比玉米秸秆高，即C10 每天有足够的氮源补充，从而保持较高的氨氮浓度，C01 则由于原料中氮源不足，而微生物生长繁殖须要消耗氮源，最终导致氨氮浓度下降。

图3 氨氮浓度的变化情况Fig.3 Variation of ammonia nitrogen

2.3.2 TAC，TVFAs 和 TVFAs/TAC

厌氧消化系统的总碱度 （Total Alkalinity Concentration，TAC） 可以缓解厌氧反应体系的过酸或过碱情况，维持体系相对稳定地运行。有研究表明，厌氧消化反应器中的TAC 高于2 000 mg/L时才能保证厌氧消化体系的缓冲能力[14]。不同CSTR 稳定运行期间的 TAC，TVFAs 和 TVFAs/TAC 见表3（表中数据均为5 次测量的平均值）。由表3可知，各 CSTR 的 TAC 均大于 2 000 mg/L，为5 000～8 000 mg/L。当发酵底物为混合物料时，牛粪所占比例越大，发酵体系的TAC 越高；C13和C01 的TAC 稳定在5 000 mg/L 左右，这可能就是这两个系统在氨氮不断降低的同时依旧能够保持稳定运行的原因。有研究表明，当系统的TVFAs/TAC 低于 0.8 时，系统可以稳定运行[15]。由表3 可知，各系统的 TVFAs 均低于 100 mg/L，远低于抑制值13 000 mg/L，说明各系统没有出现VFAs 的累积，且各系统的TVFAs/TAC 为0.006～0.013，低于0.8，即各系统均能稳定运行。

表3 各CSTR 稳定运行期间的TVFAs，TAC 和TVFAs/TACTable 3 TVFAs，TAC and TVFAs/TAC during the system stability period

2.3.3 pH 值

pH 值是厌氧消化体系的一个重要影响因素，系统需要一个相对稳定的pH 值，且过高或过低的pH 值均会影响微生物的代谢，产甲烷菌的最适宜pH 值为6.8～7.5，最低不能低于6.3，最高不能高于7.8。各系统的pH 值变化情况见图4。从图4 可以看出，当开始进出料时，各系统的pH 值均会有所下降，但是不同系统的pH 值下降周期不同，pH 值得下降周期随着牛粪在原料中占比的减少而增大，其中，纯玉米秸秆发酵系统的pH 值持续下降直到第30 d 才开始回升。虽然pH 值的下降周期不同，但是各系统的pH 值均为7.0～7.4，处于产甲烷菌的最适宜pH 值范围内，即各系统均能稳定运行。

图4 pH 值的变化情况Fig.4 Variation of pH

2.4 物质转化

原料中的木质纤维素是厌氧发酵产甲烷的主要来源，可以用木质纤维素的去除率来分析厌氧消化过程的稳定性。发酵原料及稳定期出料中的木质纤维素含量的变化情况见图5。

图5 木质纤维素含量的变化情况Fig.5 Changes in lignocellulose

从图5 可以看出：厌氧消化后，原料中的木质素含量略有升高，由于木质素在原料中的含量较低且在厌氧发酵过程中的降解率较小，因此，不对木质素的降解率进行对比分析；C10，C31，C11，C13 和 C01 的纤维素降解率分别为 39.04%，51.21%，50.91%，61.75%和 55.93%，半纤维素降解率分别为54.57%，53.52%，55.35%，64.61%和58.87%，木质纤维素的降解率分别为43.89%，47.68%，47.82%，56.55%和 51.55%。定义降解选择性为纤维素、 半纤维素或木质素的降解率与木质纤维素的降解率的比值[16]，则 C10，C31，C11，C13 和C01 中纤维素的降解选择性分别为0.45，0.56，0.57，0.6 和 0.62，而半纤维素的降解选择性则差异较小，分别为 0.40，0.38，0.40，0.41 和 0.42。因此，玉米秸秆在发酵原料中的占比越高，发酵体系的木质纤维素降解率越高，且玉米秸秆的高占比主要是提高了对纤维素的降解利用，这与前面所得的C13 的产气性能最佳的结果相一致。

3 结论

在发酵系统稳定运行后，当牛粪和玉米秸秆的TSMR 为1∶3 时，发酵系统的产甲烷性能最佳，甲烷产量为3.94 L/d，分别比纯牛粪和纯玉米秸秆发酵时的甲烷产量提高了23.67%和20.44%。随着发酵原料中牛粪占比的增加，所产气体中的甲烷含量逐渐升高，但是单位TS 的产气量和甲烷产量逐渐降低；原料中秸秆干物质占比越高，氨氮浓度越低；各发酵系统均能稳定运行，且稳定运行期间的 TAC 为 5 000～8 000 mg/L，TVFAs低 于 100 mg/L，TVFAs/TAC 低 于 0.8，pH 值 为7.0～7.4；当牛粪和玉米秸秆的 TSMR 为 1∶3 时，发酵系统的木质纤维素降解率最大，即混合原料中的玉米秸秆占比越高，发酵系统的木质纤维素降解率越高。