牛粪分离液和玉米秸秆不同混合比例对厌氧发酵的影响

2021-01-04许从峰赵铎王海鹏申贵男袁媛高亚梅魏丹晏磊王伟东

黑龙江八一农垦大学学报 2020年6期

许从峰，赵铎，王海鹏，申贵男，袁媛，高亚梅，魏丹，晏磊，王伟东

（1.黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319；2.北京市农林科学院植物营养与资源研究所）

牛粪中经过瘤胃未消化的粗纤维占总固形物含量的50%以上，难于被厌氧微生物直接利用，致使牛粪厌氧发酵速度差异明显，整体发酵效率低，不利于生物质能源产业的发展[1-2]。用螺旋机对粪污进行固液分离预处理，能有效减少分离液中粗纤维和COD含量，降低黏度，使其成为厌氧发酵的优势原料，是规模化奶牛场粪便预处理的普遍措施[3-4]。

混合厌氧发酵是一种将两种或两种以上的发酵物料放入同一厌氧发酵装置内进行发酵的方式，不同性质的物料混合可以为微生物提供均衡的营养物质、微量元素[5-7]，克服单一发酵原料产气慢、发酵效率低等缺点[8-9]，是农业废弃物资源化的研究热点之一。厌氧发酵主要包括：水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，其中水解酸化阶段是厌氧发酵的主要限速步骤[10-11]，混合物料能调节发酵起始阶段底物的酸碱度，增强缓冲能力，使产气高峰提前[12-13]。一般认为，发酵原料的C/N 在25 左右最适宜微生物的生长[14-16]，秸秆的C/N 偏高，牛粪分离液偏低，将不同物料混合能显著改善C/N，促进木质纤维素的降解，提高发酵潜力[17]。虽然发酵原料中的碳素最终转化为CO2和CH4，但是微生物是整个过程中主要的执行者，它的功能和活性与甲烷产量密不可分，混合发酵有助于挥发性脂肪酸的积累[18]，增加微生物多样性，有利于厌氧发酵的进行[19]。试验选取牛粪分离液和玉米秸秆作为原料进行厌氧发酵批次试验，探讨牛粪分离液不同添加量对分离液与玉米秸秆混合发酵产沼气能力及纤维素、半纤维素和木质素降解效果的影响，为牛粪分离液和玉米秸秆混合厌氧发酵的研究提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用牛粪分离液取自黑龙江省安达市某牧场；玉米秸秆取自黑龙江八一农垦大学农学院试验基地，秸秆自然风干，粉碎至约5 mm 后置于干燥处备用；接种物取自黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室长期运行的常温厌氧发酵罐。原料的性质见表1。

表1 发酵原料的性质Table 1 The properties of fermentation materials

1.2 批次厌氧发酵体系建立

试验装置采用1 L 自制厌氧发酵瓶，瓶口处用硅胶塞密封，硅胶塞处出气口与3 L 集气袋相连，用于沼气的收集。试验采用批次厌氧发酵，设置发酵总体积为700 mL，其中接种物占总体积的50%，牛粪分离液添加量设置0、50、150、250 mL 共4 个处理（记为A 组、B 组、C 组、D 组），分别添加玉米秸秆调整总TS 为8%，发酵体积不够用蒸馏水补齐，每个处理3个重复，共12 个处理，在（37±1 ℃）恒温室内进行试验，每隔24 h 手动摇瓶5 min，沼气和甲烷产量利用GA2000 沼气分析仪（Geotech Biogas Check）测定。

1.3 测定方法

1.3.1 总固体含量和挥发性固体含量测定

总固体含量（Total Solids，TS）和挥发性固体含量（Volatile solids，VS）：采用烘干法和灼烧法进行测定[20]，首先将待测材样品放入电热鼓风干燥箱（GZX-9240MBE）中，105 ℃烘8 h 至恒重，冷却称重，记录数据，然后将烘干后的样品放入马弗炉（KSY-6-16A）中，500 ℃灼烧3 h 至恒重，冷却称重，记录数据。TS 和VS 的计算公式如下：

注：m0为坩埚重量；m1为烘干前样品与坩埚总重；m2为烘干后样品与坩埚总重；m3为灼烧后残留物与坩埚总重。

1.3.2 木质纤维素含量测定

利用FIWE3/6 纤维素测定仪（北京盈盛恒泰科技有限责任公司）采用范式法（Van Soest）测定木质纤维素含量[21]。首先将发酵后的样品置于电热鼓风干燥箱烘干，用植物粉碎机（FZ102）粉碎至40 目，称取1 g 样品（精度为1 mg），置于烘干的坩埚内，根据纤维素测定仪操作手册可测定酸性洗涤纤维（Acid detergent fiber，ADF）、中性洗涤纤维（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤木质素（Acid detergent lignin，ADL）测定。计算方法为：纤维素含量=ADF-ADL，半纤维素含量=NDF-ADF，ADL 即为木质素含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010、Origin 8.1 进行数据处理和绘图。利用SPSS.20 软件对试验数据进行单因素方差分析（One way ANOVA，Turkey 法）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对日产沼气量和累积产沼气量的影响

如图1 所示，所有处理组均在第1 d 达到产气高峰，其中B 组日产沼气量最高，为1 785 mL，D 组日产沼气量最低，为1 410 mL，第2 d 显著下降，第3 d开始上升，A 组、B 组、C 组、D 组分别在第5、5、4、3 d达到第二产气高峰，高峰期日产沼气量分别为733、783、827、793 mL，随后一直呈下降趋势。从图2 所知，各处理组累积产沼气量呈先上升后下降的趋势，其中C 组累积产沼气量最高，为6 283 mL，A 组累积产沼气量最低，为5 893 mL，比C 组降低6.21%，各处理组之间累积产沼气量差异不显著。根据以上结果可知，牛粪分离液与玉米秸秆混合处理组相较于未添加分离液处理组能有效提前产沼气高峰期，提高日产沼气量，提升累积产沼气量，随着分离液添加量的上升，最高日产沼气量和累积产沼气量有所下降。

图1 不同处理日产沼气量Fig.1 Daily biogas yield in different treatment

图2 不同处理累积产沼气量Fig.2 Cumulative biogas production in different treatment

2.2 不同处理对单日甲烷含量和日产甲烷量的影响

由表2 所示，所有处理组的单日甲烷含量均呈先上升后趋于稳定，随后下降的趋势，A 组、B 组、C组、D 组分别在第5、6、5、4 d 达到含量最高值，依次为59.60%、60.77%、62.40%和62.30%，其中B 组单日甲烷含量仅在第9 d 显著高于A 组，C 组单日甲烷含量分别在第2、3、4、7、8、9 d 显著高于A 组，D 组单日甲烷含量分别在第1、2、3、4、7 d 显著高于A 组，单日甲烷含量均值从大到小依次为C 组＞D 组＞B组＞A 组，分别为48.27%、47.55%、43.93%和42.91%，C组和D 组显著高于A 组和B 组。牛粪分离液与秸秆混合后对单日甲烷含量最高值影响不显著，对单日甲烷含量影响显著。日产甲烷量的趋势为先上升后下降（如图3 所示），其中A 组和B 组在第5 d 达到产甲烷高峰，分别为446 mL 和484 mL，C 组和D 组在第4 d 达到产甲烷高峰，分别为481 mL 和451 mL。根据以上结果可知，牛粪分离液与玉米秸秆混合厌氧发酵能有效提前产甲烷高峰，提高日产甲烷量。

2.3 不同处理对累积产甲烷量和TS 产甲烷率的影响

从图4 可知，各处理组累积产甲烷量趋势呈先上升后下降，跟累积产沼气量趋势相同，其中C 组累积产甲烷量最高，为2 806 mL，A 组累积产甲烷量最低，为2 113 mL，比C 组降低24.69%，不同处理组累积产甲烷量大小顺序为C 组＞D 组＞B 组＞A 组。如图5 所示，各处理TS 产甲烷率的趋势呈先上升后下降，其中A 组TS 产甲烷率最低，为106 mL·g-1，C 组TS产甲烷率最高，为134 mL·g-1，比A 组提高20.89%。牛粪分离液中含有足够的氮源，与玉米秸秆混合后可有效调节C/N，显著提升厌氧发酵的产甲烷效率，提高发酵潜力。

表2 不同处理单日甲烷含量Table 2 The methane content daily in different treatment

图3 不同处理日产甲烷量Fig.3 Daily methane yield in different treatment

图4 不同处理累积产甲烷量Fig.4 Cumulative methane production in different treatment

图5 不同处理TS 产甲烷率Fig.5 The methane production rate of TS in different treatment

2.4 不同处理对木质纤维素降解率的影响

对不同处理木质纤维素降解率进行测定，由图6可知，随着牛粪分离液添加量的增加，纤维素降解率为先上升后下降趋势，其中C 组纤维素降解率最高，达到77.39%，表明牛粪分离液与玉米秸秆适当混合有利于纤维素的降解，分离液添加量过多会抑制纤维素的降解。半纤维素降解率整体呈上升趋势，A 组降解率最低为69.38%，D 组降解率最高，为78.85%，牛粪分离液的添加有利于半纤维素的降解，各处理组半纤维素降解率差异不显著。木质素降解率呈先下降后上升的趋势，其中D 降解率最高，为31.07%，C 组纤维素最低，为7.64%。木质素降解趋势与纤维素的降解趋势相反，可能是由于随着分离液添加量的增加，发酵体系的C/N 不同，导致发酵过程中各处理组纤维素降解菌和木质素降解菌的比例发生变化，进而引起纤维素和木质素降解趋势产生差异。

图6 不同处理木质纤维素降解率Fig.6 The degradation rate of lignocellulose in different treatment

3 讨论

试验中，对发酵原料进行适当的搅拌有利于料液分布均匀，使微生物与发酵原料充分接触，为甲烷菌提供充足的代谢底物[22]，提升甲烷产量，在实际发酵工程中，搅拌速率和搅拌时间对沼气提升的具体影响还需进一步研究。在厌氧发酵过程中，随着牛粪分离液添加量的增加，日产沼气高峰提前，添加量达到150 mL 时累积产沼气量和累积产甲烷量达到最大值，当添加量增加至250 mL 时两者均出现下降，玉米秸秆中含有丰富的木质纤维素，其碳素含量偏高，经过固液分离预处理的牛粪分离液中含有大量的氮素，将牛粪分离液与玉米秸秆混合发酵能显著改善C/N，促进秸秆中木质纤维素的降解和分离液中氮素的转化，有利于提高沼气产量，促进厌氧发酵的进行，同时分离液添加量过多可能会造成发酵体系中氮素过剩，C/N 失衡，底物中可利用营养成分不足，抑制厌氧微生物的代谢能力[23]，导致甲烷累积产量下降。试验中各处理组累积产沼气量差异不显著，而累积产甲烷量差异显著，表明添加分离液的处理通过影响甲烷含量提升了产甲烷效果。由于固液分离的工艺不同，分离液的TS 相差较大[24]，试验牛粪分离液取自规模化奶牛场，与在实验室进行的手动固液分离相比更接近实际生产，在实际应用中分离液的具体添加量还需考虑温度、原料种类、分离液TS 和经济成本等多方面因素[25]。

余少杰等[26]研究外部添加氮源对玉米秸秆厌氧发酵的影响，发现适量的氮源能有效促进木质纤维素的降解，同时氮源过多会导致发酵体系易酸化，抑制相关微生物的生长，纤维素类物质降解率下降，这与试验研究结果相似。秸秆厌氧发酵中木质纤维素是主要的有机质来源，适当的添加氮源能促进发酵体系的营养平衡，提升细菌的丰度与多样性，尤其是与纤维素类物质降解有关的菌株[27]，能有效加速木质纤维素的分解转化，为甲烷菌提供足够的代谢所需营养物质[28]。木质纤维素的降解效果是评价发酵效果的一个单纯指标，我们认为厌氧发酵中涉及多种纤维素降解微生物与复杂的代谢过程，或者仅涉及少量的功能微生物参与代谢，不同发酵条件下木质纤维素降解与发酵效果的联系还需进一步探索。