猪粪常温厌氧消化处理的有机物迁移转化特征研究

马文林，刘翌晨，李向辉，及晓彤，张润泽

(北京建筑大学环境与能源工程学院 北京应对气候变化人才培养基地，北京 102616)

猪粪中含有丰富的有机物质和氮磷元素，具有较高的资源化利用潜力[1]。我国每年产生23万吨的猪粪[2]，但目前我国对于猪粪的利用效率仅43.3%[3]，有超过一半的猪粪被随意堆置或抛弃在环境中，发生厌氧分解，不但向环境排放有机污染物、氮磷营养物、重金属等污染物和甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)等温室气体，造成水体、土壤和大气的污染，同时也是对资源的浪费[4]。

沼气工程利用厌氧消化反应将有机废弃物中的大分子有机物质转化成甲烷，是一种合理利用有机废物的资源化手段[5]。根据反应温度条件的不同，可将沼气工程分为常温(15～26 ℃)厌氧消化，中温(28～40 ℃)厌氧消化与高温(48～60℃)厌氧消化3类[6-7]。我国北方地区季候分明，冬季寒冷且漫长，中温厌氧消化与高温厌氧消化均需要加热以维持发酵系统的温度，对能源消耗大，导致运营成本高，沼气工程缺乏经济性[6-8]。采用常温厌氧消化，用于维持发酵系统温度所消耗的能源少，运营成本低，但有机物转化效率也低，使得沼气工程的产气效率不能满足人们的生活供暖需求[9]。

弄清厌氧消化反应过程中有机物迁移转化的机理，对提高沼气工程的能源转化效率至关重要。目前，对于常温厌氧消化的研究还停留在可行性研究阶段[10-11]。高志坚[12]通过试验对比了中温消化和常温消化的产气量情况，研究发现常温厌氧消化产气量比中温厌氧消化产气量来说高出37.8%～52.8%。然而，对于常温条件下厌氧消化过程中有机物质的迁移转化规律，以及与中温厌氧消化过程的区别，研究较少，未对常温厌氧消化处理有机物迁移转化机理形成深入认识，影响到常温厌氧消化装置的科学合理设计，因此有必要对常温厌氧消化系统的有机物迁移转化规律进行深入研究。

本研究利用生物发酵罐对猪粪进行常温厌氧消化处理。试验过程中，除对猪粪、接种液、消化液和发酵固体残留物进行温度、pH、总有机碳(TOC)、氨氮、总氮和总碱度等常规理化指标监测外，还利用紫外-可见全波长分析、傅里叶红外变化光谱分析、三维荧光光谱分析和热重分析等仪器分析方法对猪粪、厌氧消化液和发酵固体残留物中有机物组分进行表征，以得出猪粪常温厌氧消化处理过程中有机物的迁移转化规律，并与中温条件下的情况进行比较。

1 材料与方法

1.1 样品来源与检测参数

从北京市某沼气站取回沼液，加入到实验室自制的厌氧污泥培养装置中进行长期培养，作为本试验的接种液。本试验使用的猪粪来自于北京市通州区某猪场生长猪舍的粪便。粪便的采集方法是，从生长期猪舍采集新鲜猪粪样品，混匀后，按照四分法缩分样品，直至样品量缩分为约1 kg。样品采集好后尽快运回实验室，经自然风干和破碎处理后，过40目筛，留存筛下物供实验用。

1.2 实验装置

实验室猪粪厌氧消化实验装置流程如图1所示。采用生物发酵罐作为厌氧消化装置，其有效容积为5 L，试验启动时按照VS质量比为2∶1的比例向生物发酵罐中加入接种液和猪粪[13]。发酵罐产气采用自制排水集气装置进行收集和测量产气量。

试验启动前，采用差量法分别测定猪粪样品和接种液的总固体(total solid, TS)和有机干物质(干基)含量(volatile solid, VS)，用于计算厌氧消化实验开始时向生物发酵罐中投加猪粪和接种液的量。实验启动前和启动时，认真检查实验装置气密性，保证无漏气现象。

注：收集瓶中装入浓度为4 mol/L的NaOH溶液

图1 实验装置示意图

1.3 产气量和常规指标的检测

试验启动后于每日上午8:00时用量筒称量集液瓶中收集到的产气排水体积量，作为当日CH4产生量。对日产气量进行累积计算，进一步得到CH4累积产气量。当消化体系日产气量低于累积产气量的1%时，可判定为产气终止，此时的累积产气量即最大产甲烷潜力。在试验进行过程中，每3天取消化液20 mL，对其pH、TOC、总氮、氨氮、总碱度进行检测，以监控厌氧消化系统的运行稳定性。pH采用玻璃电极法测定，TOC采用TOC测定仪测定，总氮、氨氮与总碱度均采用哈希试剂测定。

1.4 有机物组分的检测

试验进行期间，每3-5天取1次消化液样品，提取其中的溶解性有机物(dissolved organic matter，DOM)[14]，采用紫外-可见分光光度计对提取液进行全波长扫描，根据扫描结果计算SUVA254和SUVA280和E250/E365的变化；然后，用TOC检测仪测量提取液的TOC值，对TOC值低于10 mg/L的提取液，可直接进行三维荧光分析；对TOC浓度高于10 mg/L的提取液，稀释至TOC值小于10 mg/L，再采用三维荧光分析仪对其进行光谱分析[15]。同时，在试验的第4、25和60天，分别采集厌氧消化系统中的固体残留物样品，利用傅里叶红外光谱仪[16]和热重分析仪[17-18]测定固体样品的有机组分特征。

1.5 实验设备

本试验中用到的主要仪器设备及型号列于表1中。

2 结果与分析

2.1 厌氧消化试验过程

试验共进行了90 d，试验期间对气温以及消化液的温度、pH、总氮、氨氮和总碱度等指标进行检测，结果如图2所示。试验是在春季4～6月份完成。随试验进行，大气温度逐渐升高，生物发酵罐内的反应温度也随之增加，如图2a中温度曲线。试验开始时，生物发酵罐内温度最低，为18.4 ℃；第90天，达到最高温度，为32.2℃，之后基本稳定保持在27 ℃以上。

根据图2b和图2c数据，表明实验装置的厌氧消化反应处于稳定正常状态下。

表1 试验用仪器设备

仪器名称仪器型号产地生物发酵罐Sartorius stedim BIOSTAT德国pH计Sartorius P8-10德国便携式紫外分光光度计HACH DR2800美国紫外-可见光光度计Lambda650美国TOC测定仪MultiN/C3100德国三维荧光光谱仪日立F7000日本傅里叶红外光谱仪Nicolet 6700美国热重分析仪SDT 2960美国

图2 消化液中常规理化指标监测

2.2 累积产气量与温度变化

消化体系的日产气量和累积产气量情况如图3所示。

图3 累积产气量与发酵罐温度变化曲线

根据图3中曲线，试验启动后第4天开始产气；第15天起曲线斜率显著增加，表明系统产气量进入高峰期；第22天日产气量有一个显著下降，是因为当天发酵罐温度有一个升温，产甲烷菌不适应突然的温度升高，活性下降，但其后日产气能力显示逐渐恢复，表明常温消化系统中产甲烷菌对温度变化有较好的适应能力；第49天时，日产气量显著下降，累积产气量曲线斜率变缓，表明系统产气量下降；第90天产气过程结束，累积产气量为2 794 mL(151.12 mL/g VS)。

2.3 消化液中有机质的变化情况

2.3.1 TOC的变化

消化液提取液的TOC测定结果代表消化液中溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)的含量，厌氧消化试验期间消化液提取液的TOC含量变化情况见图4。

图4 TOC浓度的变化情况

从图4可以看出，厌氧消化过程消化液中DOC含量变化分为两个阶段：第一阶段(第0-22天)，消化液的DOC含量呈下降趋势；第二阶段(23 d起至试验结束)，第25天消化液DOC含量出现次峰值，之后持续稳定下降，最终稳定维持在400 mg/L左右。

2.3.2 紫外-可见分析

2.3.2.1 紫外-可见全波长扫描

试验期间，分别对第15、18、22、29、32、36、44、47、51和60天采集的消化液，提取其中的DOM进行紫外-可见全波长扫描，结果示于图5中。该图各条曲线在280 nm附近都出现一个吸收平台，该平台主要由含C=C键的物质的震动产生，如可溶性芳香环有机化合物[19]、腐殖质中的木质素磺酸及其衍生物[20]。从图5看，第0-36天位于280 nm附件的平台不明显，自第44天以后变得突出。

图5 紫外全波长扫描结果

2.3.2.2 SUVA254和SUVA280

SUVA是特殊紫外吸光率的缩写，可用来表征水中有机物种类和含量变化。SUVA254是指测试溶液在254 nm处的吸光度与TOC的比值，用来表征溶液中DOM的芳香构造化程度[21]，或称腐殖化程度[22]； SUVA280是指消化液在280 nm处的吸光度与TOC含量的比值，值越高，DOM芳香化合物含量越高，结构越复杂[22]。实验过程中SUVA254和SUVA280的变化情况如图6所示。

图6 SUVA254和SUVA280变化情况分析

由图6可以看出，SUVA254和SUVA280值的变化，保持相同趋势，且都可以分为3个阶段：第一阶段，第15-25天，SUVA254和SUVA280值快速下降；第二阶段，第26-36天，SUVA254和SUVA280含量基本保持不变；第三阶段，第37天至试验结束，SUVA254和SUVA280值持续升高。

2.3.2.3 E250/E365

E250/E365的比值与消化液提取液中所含有机物相对分子质量有关，该值越小，DOM组成中高分子量物质越多[23]。提取紫外谱图中E250和E365的吸收强度数据并计算E250/E365比值，结果列于表2中，可以发现，随着试验的进行,消化液的E250/E365数值呈上升趋势。

表2 消化液中有机物可降解性变化情况

时间/d15182229323644475160E250/E3653.033.393.153.823.743.584.093.913.463.73

2.3.3 三维荧光光谱分析

消化液提取液的三维荧光测试在吸收波长(EX)300-550 nm和发射波长(EM)200-450 nm条件下进行，结果如图7所示。试验第1天的三维光谱图在480-420 nm处出现较为明显的吸收峰，为胡敏素[24]，是腐殖酸的一种；试验第4天的检测结果中胡敏素吸收峰的峰强进一步增强，证明随着消化的进行，消化液中胡敏素含量逐渐升高。同时在吸收波长250-300 nm，发射波长280-300 nm处出现新的吸收峰，酪氨酸蛋白[24]；试验第11天相比较于试验第4天，图中酪氨酸蛋白吸收峰强度没有明显变化，而胡敏素吸收峰强度有所降低，证明消化液中胡敏素含量降低；试验第18天的谱图中酪氨酸蛋白所对应的吸收峰强度有所增强，胡敏素对应峰强基本为零，说明此时消化液中以酪氨酸蛋白为主；试验第29天胡敏素对应吸收峰峰强与试验第4天的基本一致，而酪氨酸蛋白对应峰强明显增强。证明此时消化液中胡敏素含量水平与实验初期相比基本持平，酪氨酸蛋白浓度持续增高；试验进行至第60天，酪氨酸蛋白峰峰强明显升高，因此可以认为此时消化液中酪氨酸蛋白浓度水平明显上升。

注：图a、b、c、d、e和f分别为试验第1、4、11、18、29和60天消化液提取液的三维荧光谱图

图7 三维荧光谱图变化

2.4 消化反应固体残留物中有机质变化情况

2.4.1 傅里叶变换红外光谱分析

图8是粪便干样以及厌氧消化试验进行至第4、25和60天的红外光谱图。根据红外光谱图分析方法[16]，对图8进行分析得出：

图8 傅里叶变换红外谱图分析

在3 420-3 300 cm-1、2 926-2 853 cm-1和1 029-1 076 cm-1出现强而宽的吸收峰，分别代表-OH分子内氢键、-CH2的C-H键和C-O键伸缩振动产生的吸收峰，由此可以认为消化液固体物中存在纤维素、淀粉等多糖类物质。通过对比厌氧消化的第4、25和第60天的样品后发现这三段吸收峰强度在第4天时比第25天时强，但消化试验至第25天时这三段峰强较第60天的强度要低，因此认为消化液固体物中纤维素、半纤维素物含量先降低后升高。

在1 650-1 635 cm-1处出现较为明显的吸收峰，代表酰胺羰基的C=O伸缩振动吸收峰，证明消化液固体物中存在蛋白质和类蛋白质物质。

在1 625-1 495 cm-1处出现较为明显的吸收峰，是由于N=O的伸缩振动产生的吸收峰，特别是在1 511-1 495 cm-1处出现较为明显的吸收峰，代表芳香族亚硝基化合物。对比厌氧消化各阶段过程中该峰峰强的变化情况可知，随着厌氧消化的进行峰强逐渐降低，因此可以证明消化液固体物中芳香族含氮化合物含量逐渐降低。

粪便样品中纤维素可分为纤维素、半纤维素和木质素三种，以纤维素和半纤维素为主。一般认为纤维素和半纤维素属于易降解纤维素，而木质素属于难降解纤维素。纤维素颗粒总结晶度是指粪便样品中纤维素总含量的变化，木质素纤维素基质结晶度是指粪便样品中木质素含量的变化情况，这两个指标可以表征消化液固体物中总纤维素种类及含量的变化[25]。根据试验第4、18、22、25、29、32、36、39、44及47天消化液固体残留物的红外光谱图，得出厌氧消化过程木质素纤维基质结晶度和纤维素颗粒结晶度变化结果如图9所示。

图9 纤维素颗粒的总结晶度和木质素纤维素基质结晶度指数

从图9可以看出，随消化试验进行，固体残留物中纤维素颗粒总结晶度保持在一定水平上下波动，而木质素纤维素基质结晶度经历升高-降低-再升高的变化过程总体呈上升趋势。

2.4.2 热重结果分析

2.4.2.1 热重分析(TG)

图10表示了试验第4-60天厌氧消化固体残留物的TG分析检测结果。从图10可以看出，当温度低于200 ℃时，各样品的热失重变化情况没有明显区别，因为这个温度条件下的热失重，是由于样品中所含水分的蒸发所导致，而不同样品的含水量相接近；温度升至300 ℃以后，不同样品的TG曲线表现出差异，表现为随消化天数的增加，样品的TG减重率降低。原因是样品中的水分蒸发完成后，样品的减重率主要受有机物灼烧失重的影响。而消化时间越长，固体残留物中的有机物总量及易降解有机物含量都下降，使得热失重率也下降。

图10 热失重变化曲线

2.4.2.2 热重微分曲线图(DTG)

DTG分析反映消化实验系统固体残留物的热重变化速率情况，图11是第4-54天固体残留物样品的DTG分析结果。从图11可以看出，DTG曲线共有3个较为明显的峰值：第1个峰出现在150 ℃左右，此时峰高较小，从TG图可知此时为结合水挥发时间，峰高较小证明蒸发速率快，结合水含量较低；300 ℃左右出现非常明显的峰高(第2个峰)，一般认为是可降解有机物的热失重形成；第3个峰出现在750 ℃左右，主要是由于难降解有机物的热失重造成。

图11 差热质量随温度变化曲线

比较不同样品在3个温度条件下的峰值变化情况得出，150 ℃温度条件下不同样品间的失重差异最小，因为不同样品的含水率相接近；300 ℃温度条件下不同样品间的失重差异最大，因为随消化实验的进行，底物中可降解有机物不断被降解，其含量发生显著变化；750 ℃温度条件下不同样品间的失重差异比300 ℃温度条件下小，因为固体残留物中难降解有机物的含量变化比可降解有机物的要小。

3 讨论

孙辰等[26]、MANOSANE等[27]和徐文倩[28]都曾对猪粪中温厌氧消化过程进行过研究，得出猪粪中温厌氧消化累积产气量分别为479.4、494和351.63 mL/g VS。本研究得出，猪粪在常温条件下的累积产气量为151.12 mL/g VS，远低于中温条件下的产气量。

在本研究常温消化反应启动初期(第0-3天)，由于消化体系的微生物菌群处于生长和逐渐稳定化发展阶段，系统中生成的有机酸不能被转化为CH4，发生有机酸累积，表现为pH值不稳定，实验初期不产气，这和其他研究的结论相一致[29-30]。经过3 d的缓滞期后，实验系统的厌氧消化微生物菌群建立起来，系统才开始产气。

对猪粪进行常温厌氧消化处理，消化液提取液中的DOM含量经历了一个“下降-升高-再下降-稳定”的变化过程。常温厌氧消化处理初期，猪粪中的可溶性有机物首先溶解进入消化液，其中的易生物降解有机物优先得到降解，表现为第0-22天的消化液提取液TOC持续下降趋势；消化液提取液的SUVA254和SUVA280值也表现为持续下降，即系统的腐殖化程度降低，表明厌氧消化初期的有机物处于大分子有机物向小分子有机物降解的阶段；E250/E365比值表现为增加，也反映了消化体系中有机物的分子量向减小的趋势变化。随消化时间的延长，可溶性有机物不断得到降解，而固体有机物也在水解菌的作用下逐步从固体物转变成可溶物，溶入到消化液中，当固体有机物溶解的速率超过可溶性有机物的降解速率时，使得消化液提取液的TOC值表现为上升趋势，并最终出现了第23天的TOC峰值。之后，原先可溶性有机物中的难降解有机物和固体物溶解生成的大分子有机物，在水解菌的持续作用下水解成为小分子的可生物降解有机物，并得到降解，而残留的固体有机物中可水解有机物含量越来越少，消化液提取液的TOC值持续下降。当厌氧消化处理进行到60 d以后，猪粪中可生物降解的可溶性有机物和固体有机物基本被降解完全，残留的有机物基本为难生物降解和不可生物降解有机物，消化液提取液的TOC值趋于稳定。这与厌氧消化的基础理论相一致[31]。

紫外-可见光谱研究主要有两种方式[32]。一种是在一定范围内进行光谱扫描，从总体上区别不同有机质的紫外-可见光谱特征。本研究对消化液提取液进行紫外-可见全波长扫描谱图发现，随消化时间的增加，发生在280 nm附近的吸收平台逐渐变得明显。该波长附近吸收平台的逐渐明显，说明消化液中芳香族化合物含量逐渐增加。芳香族化合物属于难降解有机物，该物质在消化液中的累积，表明消化液的可生物降解性变差。另一种是测定某一特定波长下的吸光度和吸光度比值，以区别有机质在结构上的差别。一般的饱和有机物在近紫外区无吸收, 含共轭双键或苯环的有机物在紫外区有明显的吸收或特征峰, 含苯环的简单芳香族化合物的主要吸收波长在250～260 nm, 多环芳烃吸收波长向紫外区长波方向偏移[21]。280 nm处的紫外吸收主要是由含碳碳双键物质的震动产生，如可溶性芳香环有机化合物[19]、腐殖质中的木质素磺酸及其衍生物[20]，该波长处紫外吸收强度的高低表明了消化液中芳香族化合物含量的多少。实际应用中，发生在254nm和280nm处的紫外吸收，均可用于表征有机质的芳香性构化程度，其值越大，芳香性构化程度越高[32]，而SUVA280更能够反应高聚合度芳香烃化合物的存在情况。在厌氧消化中后期(37 d以后)，消化液中可降解有机物逐渐被消耗殆尽，消化液中残留的有机物逐渐发生聚合，向具多环芳烃结构的腐殖质类物质转化，生物降解性变差，表现为消化液提取液的SUVA254和SUVA280逐渐上升。

杨铨大[33]的研究得出，厌氧消化过程不但不能通过生物作用将腐殖质降解掉，而且还可能将腐殖质的前体物(如木质素)或细胞物转化生成少量腐殖质。郝晓地等[34]的研究得出，在中温厌氧消化下消化液固体残留物中出现芳香族化合物的沉积。本研究中，通过三维荧光分析发现，常温厌氧消化初期，消化液中的有机物以胡敏素为主，随消化反应的继续，消化液中胡敏素含量不断升高，同时出现酪氨酸蛋白类物质。胡敏素积累到一定水平后浓度开始下降，直至消失，然后再发生浓度累积。酪氨酸的含量也经历出现、浓度累积和下降的循环变化过程；在消化反应后期，厌氧消化液中胡敏素和酪氨酸的含量增加，可以认为消化体系中酪氨酸和胡敏素由于不参与厌氧消化反应而发生累积，同时推测存在着胡敏素向酪氨酸转化的过程。对三维荧光谱图进行分析，计算得出常温消化过程中木质素指数和总纤维素指数的变化规律，随试验的进行，猪粪中的纤维素和半纤维素被水解为多糖和类蛋白质，其含量逐渐降低，而木质素因不可被水解而沉积下来，所占比例逐渐增加。这些结果与中温厌氧消化结果相一致[33-34]

杨朝勇[35]和欧阳文翔[36]都对中温厌氧消化系统的消化液进行了傅里叶变化红外光谱分析，发现有机质含量的高低直接影响消化反应的进行。本研究中，也对消化液中的固体残留物进行傅里叶变化红外光谱分析和热重分析，发现自厌氧消化反应开始起消化液固体残留物中的有机物总量及易降解有机物含量都下降，这和杨朝勇[35]和欧阳文翔[36]的发现是一致的。

综上，常温条件下，猪粪产CH4总量为151.12 mL/g VS，日最高产气量为3.75 mL/g VS；与中温厌氧消化相比，常温条件下，产甲烷菌表现出较低活性，造成了CH4产量较低的现象。常温厌氧消化条件下的有机物迁移转化规律与中温厌氧消化条件下基本相同：消化液中有机物浓度降低，但其中胡敏素、酪氨酸含量升高；原料中的纤维素和半纤维素不断被分解，木质素则在消化液中沉积下来。此外，常温厌氧消化系统的固体残留物中存在碳酸盐沉积的现象，这可能是常温厌氧消化CH4产生量减少的原因之一。