机械搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵性能的影响

朱教宁，李永平，庞震鹏，汤 昀

(1.山西农业大学/山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030031；2.山西省农业科学院 现代农业研究中心，山西 太原 030031)

随着我国农业的不断发展，畜禽粪便和作物秸秆等农业废弃物也增加。据统计，2016年全国畜禽粪便总产生量约为24.7 万t，其中，牛粪产生量最多，占比31%；农作物秸秆总产生量达9.84×104万t，其中，玉米秸秆产生量最大，占41.92%[1-2]。牛粪和玉米秸秆中含有丰富的有机物质，将其混合进行厌氧发酵既可以生产沼气缓解能源短缺，还可有效解决因其简单处理而导致的环境污染问题，具有能源开发和环境保护的双重意义[3-4]。

由于牛粪和玉米秸秆的黏度、密度等性质的差异，当牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵时，比单一原料发酵更容易产生料液分层现象[5-6]。发酵物料在静止状态时，由上而下分为浮渣层、悬浮层和沉渣层3层。浮渣层聚集着大量的发酵原料，但是微生物却很少，原料得不到充分利用，且秸秆很容易在此聚集而结壳，阻碍沼气的逸出，降低反应器的发酵效率[6]。机械搅拌是打破这种分层现象有效可行的措施之一。搅拌强度是机械搅拌的重要参数，国内外学者关于机械搅拌强度对厌氧发酵产气效率的影响进行了报道，普遍认为，适当强度的搅拌能够提高厌氧发酵的产气效率[7-10]。陈甲甲等[11]采用批式厌氧消化，探讨了搅拌强度对稻草厌氧消化产气情况及系统稳定性参数的影响，结果表明，搅拌强度为80 r/min的厌氧消化效果最好，挥发性固体(Volatile solid,VS)产气量为430.6 mL/g。齐力格娃[12]的试验结果表明，中温条件下，猪粪与稻草按配比为2∶1进行干发酵，总固体(Total solid,TS)含量为20.1%时，适宜的搅拌强度为15 r/min。余亚琴等[13]探讨了机械搅拌对蓝藻厌氧发酵产沼气的影响，结果表明，搅拌强度对蓝藻厌氧发酵的影响最大，当搅拌强度为56 r/min时，蓝藻的比产气速率、比产甲烷速率最大，分别为0.390、0.236 L/(L·g)。

受试验条件和发酵原料理化性质等因素的影响，不同试验条件下，不同发酵原料适宜的搅拌强度不尽相同。因此，在有机物厌氧发酵过程中，要根据发酵底物的特点和试验条件选择合适的搅拌强度参数。鉴于此，以牛粪和玉米秸秆混合原料为厌氧发酵物料，研究机械搅拌强度对混合原料厌氧消化性能的影响，探索适宜的搅拌强度参数，旨在为大中型沼气工程提供设计依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究选择牛粪和玉米秸秆作为试验发酵原料。其中，牛粪取自山西省晋中市榆次区东阳镇养殖场，去除杂质后于4 ℃的冰箱中保存备用；玉米秸秆取自山西省农业科学院东阳试验基地，自然风干后粉碎成5 mm左右的颗粒粉末备用；接种物为牛粪与玉米秸秆中温厌氧发酵后的沼液。供试材料化学性质详见表1。

表1 发酵原料和接种物的基本性质

1.2 试验装置

本研究采用的试验装置为安徽省滁州蓝宇环保设备制造有限公司生产的厌氧消化反应器。其主体为带保温夹层的圆柱形有机玻璃发酵罐，总容积10 L，有效容积7.5 L。顶部安装自动搅拌装置，进料口位于罐体上部，出料口安装在罐体底部，出料时通过阀门控制。试验用(35±1)℃的水浴在罐体保温夹层中循环流动，维持罐体内温度恒定。

1.3 试验设计

按照不同搅拌强度设置3个处理，分别计为T1:30 r/min、T2:60 r/min、T3:90 r/min，以不搅拌为对照(CK)，各处理重复3次，取平均值用于数据分析。将牛粪和玉米秸秆按照VS质量比7∶3进行配混，料液VS质量分数为7%，接种物含量30%，加水至料液总质量7 500 g，控制反应温度为(35±1)℃，每6 h搅拌1次，搅拌持续时长20 min，发酵时间设为35 d。

1.4 测定项目及方法

TS质量分数：105 ℃烘至质量恒定，利用质量差测定计算。

VS质量分数：550 ℃灼烧4 h，利用质量差测定计算。

纤维素、半纤维素和木质素含量：采用ANKOM A2000i全自动纤维分析仪测定。

日产沼气量：采用排水集气法测定，每日测定1次。

沼气成分：采用安捷伦7980B气相色谱仪每2 d对气体成分进行测定。具体参照庞震鹏等[14]的方法进行。

pH值：采用雷磁PHS-3C型酸度计测定，每7 d取料液测定1次。

挥发性脂肪酸(VFA)含量：采用比色法，每7 d取料液测定1次。

碱度：采用电位滴定法，每7 d取料液测定1次。

2 结果与分析

2.1 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产沼气性能的影响

2.1.1 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵日产沼气量的影响 由图1可知，各处理的日产沼气量的整体变化规律相似，均为先升高后降低，直至趋于平缓。各处理日产沼气量可分为2个阶段：第一阶段为产气高峰阶段，即发酵1 ～ 15 d，在此阶段出现了明显的“双峰”现象。T1、T2、T3处理和CK的日产沼气量峰值分别出现在第6、10、5、9天，分别为7.00、8.97、8.58、7.15 L，其中T2处理的峰值较高，分别比T1、T3处理和CK高出22.0%、4.3%、20.3%。第二阶段为产气平缓下降阶段，即发酵16～35 d，此阶段产气表现为缓慢下降并趋于平缓，各处理间差别不明显。引起不同搅拌强度条件下日产沼气量差别的原因可能是适中的搅拌强度既能分散浮在反应器顶部的秸秆，提高反应器的混合效果，又不会破坏微生物的菌群结构，保持较高的微生物活性[15]。

图1 不同搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵日产沼气量的影响

2.1.2 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵累积产沼气量的影响 由图2可知，总体上各处理的累积产沼气量均呈先快速升高后趋于平稳增长的趋势。第一阶段(发酵1～15 d)，低强度搅拌(T1)和不搅拌(CK)条件下，料液出现明显的分层现象，大量秸秆漂浮在反应器上方，微生物与物料不能充分接触，导致累积产沼气量偏低。而中高强度的搅拌(T2、T3)可使反应物料迅速混合，提高料液的传质、传热作用，增加微生物与反应物料的接触，产沼气量较高。此阶段T2、T3累积产沼气量较高，分别为87.63、85.09 L，较T1处理和CK分别高出15.6%、9.8%和13.1%、7.1%。第二阶段(发酵16～35 d)，随着发酵料液中有机质的消耗，各处理累积产沼气量增长缓慢并趋于平稳。其中高强度搅拌(T3)累积产沼气量的增长趋势较其他处理明显放缓，这可能是由于剧烈的搅拌作用破坏了前期已形成的微生物的絮状结构，导致微生物活性降低造成的[16]。最终各处理累积产沼气量由高到低的顺序为T2>T3>CK>T1，其中T2处理的累积产沼气量较高，为120.67 L，分别较T1、T3处理和CK高出11.6%、8.6%、10.0%。

图2 不同搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵累积产沼气量的影响

2.1.3 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵甲烷含量的影响 沼气中甲烷的含量可以判断出厌氧消化过程占优势的是产酸反应还是产甲烷反应，当产甲烷反应占优势时，甲烷的含量一般可达50%以上[17]。由图3可知，各处理甲烷含量的变化趋势基本一致，随发酵天数的增加，先迅速升高，后趋于平稳。发酵第5天，甲烷含量均达到60%以上，之后一直稳定在55%～70%，这表明各处理在发酵第5 天后开始进入稳定产气发酵阶段直至反应结束。T1、T2、T3处理和CK的平均甲烷含量分别为61.7%、60.7%、62.4%、60.5%，处于60%～63%。可见，搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的甲烷含量没有显著影响。

图3 不同搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵甲烷含量的影响

2.1.4 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵甲烷总产量的影响 由图4可知，T2处理的甲烷总产量显著高于其他处理，为71.44 L，分别较T1、T3处理和CK高出8.8%、8.4%、9.9%。而T1、T3处理和CK间无显著差异。即搅拌强度过高或过低都不能提高牛粪与玉米秸秆混合发酵的甲烷总产量，相对于不搅拌还会增加能耗。VS产甲烷量即发酵物料单位质量VS所产甲烷的体积，VS产甲烷量越高，表明物料单位质量有机质产生的甲烷量越多，发酵原料的产气潜力越高[18]。由图4可知，T2处理的VS产甲烷量显著高于其他搅拌强度处理和CK，为194.39 mL/g，较T1、T3处理和CK分别提高8.8%、8.4%、9.9%。说明强度适中的搅拌可提高反应物料的产气潜力，这与陈甲甲等[11]以稻草为原料进行厌氧消化，研究不同搅拌转速(40、80、120、160 r/min)消化效果试验得出的结果一致，认为适中的搅拌强度(80 r/min)可同时保证反应器内均一的温度、原料含量和较高的微生物活性，从而提高稻草的可生物降解性。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

2.2 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵系统稳定性的影响

2.2.1 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵系统pH值的影响 pH值是厌氧发酵过程中重要的控制参数，厌氧微生物的生命代谢活动与pH值有密切的关系[19]。厌氧发酵系统中，pH值控制在6.5 ～ 7.8，认为可以正常运行，此时产甲烷菌可保持较强的活性[20-21]。由图5可知，各处理的pH值均先下降后逐渐上升至一个稳定的范围内，pH值最低点均出现在发酵第7天，此时T1、T2、T3处理和CK的pH值分别为6.73、6.80、6.68、6.72，处于产酸阶段。之后料液的pH值很快上升，并稳定在7.00～7.30。整个发酵过程中，各处理的pH值处于6.60～7.30。可见，各处理的pH值均能在正常的范围内波动，且不同搅拌强度之间的变化不明显。

图5 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵系统pH值的影响

2.2.2 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵系统VFA/碱度的影响 厌氧发酵过程中，VFA的过度累积会造成发酵系统的酸化，影响产气效率甚至造成产气停滞；碱度是发酵料液结合氢离子的能力，能对料液中产生过酸物质起到缓冲作用[22]。因此，沼气工程中常用VFA/碱度值衡量厌氧发酵系统的稳定性，并作为厌氧发酵酸化失稳的预警指标[23]。通常认为，VFA/碱度值<0.4，厌氧发酵系统处于稳定状态；位于0.4～0.8，系统存在非稳定因素；VFA/碱度值>0.8，表明系统失稳，不适宜进行厌氧发酵。由图6可知，发酵过程中，各处理VFA/碱度值较稳定，存在小范围(波动幅度<0.6)的波动。其中，CK的VFA/碱度值整体上大于其他处理，说明搅拌对于提高厌氧发酵系统对抗酸积累的能力是有积极作用的。各处理的VFA/碱度值分别为：T1(0.27～0.32)、T2(0.24～0.29)、T3(0.25～0.33)和CK(0.29～0.35)，始终小于0.4，说明各发酵系统均处于稳定状态，未发生酸化。

图6 搅拌强度对牛粪与玉米秸秆混合发酵系统VFA/碱度值的影响

3 结论与讨论

在牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵过程中，搅拌对反应性能提升的影响不可忽略。搅拌可有效破除秸秆浮渣层，消除厌氧反应器内温度、原料含量等参数的不均分布，抑制毒性物质的积累，增强发酵底物与微生物的接触，从而提高牛粪与玉米秸秆混合发酵的产气性能[24-25]。然而，搅拌强度并非越大越好，本研究结果表明，搅拌强度过大时，牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的产气量和产气潜力均出现降低的趋势，这与陈甲甲等[11]、翟晓东[26]、芦汉超[27]的研究结果相一致。原因可能是过大的搅拌强度破坏了厌氧微生物的絮状结构，各类厌氧微生物的协同作用受到干扰，导致产气量降低[28]。同时，适度的搅拌强度还可有效降低厌氧发酵系统的动力能耗，这在沼气工程中具有重要的应用意义。本试验条件下，搅拌强度为60 r/min时，牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的产气性能较好。累积产沼气量、甲烷总产量和VS产甲烷量均较高，分别为120.67、71.44 L和194.39 mL/g，较不搅拌的处理高出10.0%、9.9%和9.9%。不同搅拌强度下，牛粪与玉米混合厌氧发酵进入稳定期后的甲烷含量处于55%～70%，T1、T2、T3处理和CK的平均甲烷含量分别为61.7%、60.7%、62.4%和60.5%，搅拌强度对甲烷含量无显著影响。

本试验条件下，搅拌强度对pH值影响不明显，各处理pH值始终维持在适宜的范围内。VFA/碱度值均小于0.4，厌氧发酵系统处于正常稳定运行阶段，其中，各搅拌处理的VFA/碱度值较不搅拌的低，即搅拌提高了厌氧发酵系统的稳定性。这与段小睿等[29]的研究结果不一致，他在研究搅拌速率对剩余污泥厌氧发酵产酸的影响中发现，一定搅拌速率下(20～80 r/min)，搅拌速率越大越有利于挥发性有机酸的积累。这可能与发酵原料种类不同有关，因为相对于单一发酵原料，本试验中牛粪与玉米秸秆的混合物料发酵，可提高发酵液的缓冲能力，降低挥发性有机酸、氨氮等有害物质的抑制，提高发酵系统的稳定性[30-36]。