响应面法优化生物炭与牛粪混合厌氧发酵工艺

王 粟，史风梅，李家磊，裴占江，高亚冰，刘 杰

(1.黑龙江省农业科学院 农村能源与环保研究所，农业农村部种养结合重点实验室，黑龙江省秸秆能源化重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086； 2.黑龙江省农业科学院 食品加工研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

随着我国农业产业结构的调整，畜牧养殖业发展迅猛，产生的畜禽粪污年产量达40亿吨左右[1]，给区域生态环境带来了巨大威胁[2]。厌氧发酵技术是处理畜禽粪污的主要途径之一[3-4]，不仅能够制备生物燃气，提供清洁能源，实现畜禽粪污的能源转换[5]，还可消除畜禽粪污随意堆置丢弃所引发的一系列环境污染问题。

影响沼气发酵的因素很多，除温度、总固体浓度等工艺调节[6-7]，为了增强厌氧发酵体系缓冲能力，增加微生物活性，提升传质效果，国内外研究多采用投放金属离子等外源添加剂[8-9]，达到提升厌氧发酵效率的目的，但工艺复杂，处理成本高，同时，重金属等有毒有害物质的增加或富集，也为沼渣沼液还田使用带来一定的安全风险[10]。

生物炭是生物质在缺氧或绝氧条件下不完全燃烧所生成的固态炭质，具有可溶性低、高度羟酸酯化和芳香化结构，大孔隙度和比表面积，富含多种微量元素和小分子有机物等特点[11]，并已在土壤修复、植物营养及污水处理等领域应用研究获得了一定成果[12-14]。近年来，国内外学者利用生物炭在厌氧发酵方面进行了探索和研究，冯晶[15]等利用不同材质制备的生物炭材料，强化有机废弃物厌氧发酵，发现并阐述了生物炭可有效提升厌氧发酵系统酸、氨等抑制物质的缓冲能力，可为微生物提供良好的生长载体，增强微生物种间电子传递的介质；许彩云[16]等研究了不同制备工艺生物炭材料对猪粪中温厌氧发酵的影响，生物炭的添加可有效缩短厌氧发酵的延滞期，产气量较纯猪粪处理提高了77%～96%；潘君廷[17]等研究了生物炭添加对鸡粪厌氧消化的影响，其产气率提高了45%，氨氮浓度得到了很好的抑制；石笑羽[18]等添加生物炭强化餐厨垃圾厌氧发酵效率，其表面金属元素和官能团使其具有较高的碱度，提高了系统缓冲能力，最大日甲烷产量可提高24%。因此，本研究采用不同作物秸秆及稻壳制备生物炭材料，通过比选研究其对牛粪厌氧发酵的影响，并利用中心组合设计试验(Box-Benhnken Design)，运用响应面法，对工艺参数进行优化，以期为畜禽粪污的资源化利用和无害化处理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪取自黑龙江省哈尔滨市双城区米特利农业发展有限公司长产奶牛养殖场，采集后密封于透明聚乙烯袋中，于4℃环境保存备用; 接种活性污泥取自黑龙江省农业科学院农村能源与环保研究所沼气发酵罐，实验前将接种污泥置于35℃，2 Hz摇床上震荡24 h,减少内生沼气对结果的影响[11]。

生物炭以黑龙江省农业科学院国家级农业示范园区废弃的玉米秸秆、水稻秸秆及水稻稻壳为原料，分别粉碎后经40目筛筛取留存，3种生物炭原料分别经炭化炉，在600℃条件下炭化20 min，随后移至炭化炉出气口冷却5 min，防止高温炭化产物在空气中自燃。生物炭冷却至室温后，将其研磨筛选，采用去离子水洗涤除去灰分[18]，在100℃烘箱中烘干后备用。试验材料物化性质如表1所示。

表1 试验原料基本性质

1.2 试验装置

试验采用500 mL广口瓶为厌氧发酵反应容器，反应体系为350 mL，采用排饱和食盐水法收集沼气，发酵瓶、集气瓶与计量瓶之间以乳胶管连接，装置密封口用石蜡密封，使用前进行漏气检测，以保证装置密封性，实验装置见图1[5]。

A．恒温水浴锅； B.集气瓶； C.计量瓶； D.发酵瓶

1.3 试验设计与方法

1.3.1 单因素试验设计

分别以玉米秸秆(Y)、水稻秸秆(S)和水稻稻壳(K)作为制备生物炭原料，在牛粪底物TS浓度为6%，培养温度30℃，运行至反应启动后第30天条件下，根据生物炭投放量的不同(2%,4%,6%,8%,10%,12%,15%)，以累计产气量作为评价标准，比选确立不同生物炭原料对牛粪沼气发酵效果的影响；并以TS、发酵温度作为基本参数，在一定范围内，调整单一因素的数值，研究其对沼气发酵产气量的影响，每处理3 次重复，接种时厌氧瓶内充入500 mL·min-1氮气，保持6 min 以上，使反应系统处于严格的厌氧环境。

1.3.2 响应面试验设计

以单因素试验为依据，根据Box-Behnken中心组合进行三因素三水平实验设计，选取生物炭添加量、发酵温度和牛粪底物TS浓度3种沼气发酵因素作为自变量，分别以A,B,C表示，以-1,0,1表示3个自变量的3个水平，以气体产气量为响应值Y，运用Design Expert8.0软件程序，确定生物炭与牛粪混合厌氧发酵最佳工艺条件。

1.4 测定方法

总固体含量(TS) 采用烘干法测定；挥发性固体含量(VS) 采用灼烧法测定；液体pH值采用pH计(PHS-3G型)检测;生物炭pH值检测，采用生物炭与超纯水质量体积1∶10比例混合，于振荡器中震荡4 h，用pH计测定上清液pH值；沼气产量采用排水法测定[17-19]。

2 结果与分析

2.1 单因素对厌氧发酵效率的影响

以水稻秸秆炭、玉米秸秆炭和稻壳秸秆炭3种不同生物炭原料的投加浓度比例(以TS计)为基本参数，当牛粪底物TS浓度为6%，发酵温度为30℃条件下，以累计产气量为评价指标，比较不同生物炭原料对厌氧发酵的影响。由图2可知，添加3种生物炭原料，沼气发酵累计产气量均随着添加比例的增加呈现先升高后降低的趋势，通过比选，水稻秸秆生物炭原料添加效果明显高于玉米秸秆生物炭和水稻稻壳生物炭，当投放比例在8%时，累计产气量最高达2639 mL,原料产气率为135.75 mL·g-1TS。因此，确定添加水稻秸秆炭，投放比例为8%(以TS计)最为适宜。

图2 不同生物炭对厌氧发酵的影响

图3 底物浓度对厌氧发酵的影响

图4 底物温度对厌氧发酵的影响

在一定范围内，对其中任一项因素进行调整，并固定其他因素为0水平，以累计产气量为评价指标，进行单因素试验。在水稻秸秆炭添加浓度为8%，培养温度30℃，运行至反应启动后第30天条件下，以不同的牛粪原料TS浓度(2%,4%,6%,8%,10%和12%)为基本参数，考察TS牛粪底物浓度对厌氧发酵的影响，由图3可知，产气量随着TS浓度的增大呈现先上升后大幅下降的趋势，TS在8%时为适宜浓度。

在TS牛粪底物浓度为6%，水稻秸秆炭添加浓度为8%，运行至反应启动后第30天条件下，以发酵温度(15℃,20℃,25℃,30℃,35℃,40℃和45℃)为基本参数，考察发酵温度对厌氧发酵的影响，由图3可知，产气量随着发酵温度的增加，呈现先大幅升高后趋于平缓的趋势，发酵温度为40℃时为最适发酵温度。

2.2 Box-Behnken试验结果分析

在单因素试验基础上，进行响应面Box-Behnken试验，试验设计的因素与水平如表2所示，试验各因素及其试验结果见表3。利用Design-Expert V 8.0.6.1软件对表2的试验结果进行次多项式回归模型方程拟合，获得回归模型方程为：

表2 Box-Behnken 设计试验因素与水平

表3 各因素组合及结果

Y=2679.8-42.37A+46B+44.38C-43AB+80.75AC+43.5BC-159.03A2-260.78B2-54.52C2

表4 回归模型方差分析

图5 厌氧发酵产气效果预测值与实测值

p值可检查各因素的显著性，由p值结果可知，模型中AC,A2,B2对厌氧发酵产气效果影响极显著，A,B,C,C2对产气效果影响显著，其余因素不显著。由F值大小可知，对厌氧发酵影响强弱的顺序为B>C>A，即发酵温度>TS浓度>水稻秸秆炭浓度。

2.3 因素交互作用分析

根据回归方程，利用Design Expert8.0软件进行响应面试验，所得各因子响应面分析及等高线图，各因素交互作用产生的等高线为椭圆状，表明两者交互作用对厌氧发酵产气效果影响显著。由图6和图7可知，发酵温度与水稻秸秆炭两者交互，产气量随着发酵温度与水稻秸秆炭添加浓度的升高呈现逐渐增加的趋势，达到最大值后缓慢下降，同时，厌氧发酵产气量对温度的变化比水稻秸秆炭添加量的变化敏感。

图6 温度与水稻秸秆炭两因素交互作用的响应曲面

图7 温度与水稻秸秆两因素交互作用的等高线图

牛粪底物TS浓度与水稻秸秆炭两者交互对厌氧发酵产气效果的影响，由图8和图9可知，产气量随着TS浓度和水稻秸秆炭添加浓度的升高呈现缓慢增加的趋势，达到最大值后，厌氧发酵产气效果对水稻秸秆炭因素更加敏感，随着添加浓度的增加呈快速下降趋势。由图10和图11可知，厌氧发酵产气效果随着TS浓度和发酵温度的提高呈现先上升后下降的趋势，同时可知厌氧发酵产气效果对发酵温度变化比TS浓度变化更加敏感。

图8 TS与水稻秸秆炭两因素交互作用的响应曲面

图9 TS与水稻秸秆炭两因素交互作用的等高线图

图10 TS与温度两因素交互作用的响应曲面

图11 TS与温度两因素交互作用的等高线图

2.4 模型优化

通过模型优化，最优工艺条件预测为发酵温度41℃，TS为8.9%，水稻秸秆炭(以TS计)为7.9%，预测产气量为2693 mL。为了验证优化条件的准确性和可靠性，在最优工艺条件下进行厌氧发酵验证试验，试验设置3次重复取平均值，获得试验数据值为2735 mL±37 mL,与方程预测值误差在2%之内，说明响应面试验设计模型条件可取。

3 结论

采用单因素试验，比选不同生物炭原料对厌氧发酵产气效率的影响，结果表明，水稻秸秆生物炭原料添加对厌氧发酵产气量的提升最为明显达到2639 mL。采用响应面法对厌氧发酵工艺参数进行优化，3种厌氧发酵因素对产气效果影响均达到显著，影响程度强弱的顺序为发酵温度>TS浓度>水稻秸秆炭浓度。通过两两交互分析，发现牛粪与水稻秸秆炭混合厌氧发酵时达到显著水平，产气效果对发酵温度的影响更为敏感，说明在适宜的发酵温度和TS浓度下，厌氧发酵产气量会随着水稻秸秆炭的浓度升高而升高。通过试验，获得最佳工艺条件是发酵温度41℃，TS为8.9%，水稻秸秆炭为7.9%，该条件下厌氧发酵产气量达到2735 mL±37 mL。