北方农户多元有机垃圾混合厌氧发酵研究

李文哲，肖 笛，井洪晶，孙 勇，王 明

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

我国大部分城市垃圾已实现干湿分离，而分散式农村垃圾干湿分离问题一直难以解决，特别是有机湿垃圾（如厨余垃圾和人类粪便）[1]。近年来，常采用厌氧发酵法将有机垃圾转化为沼气、沼液和沼渣，解决农村污染和资源化利用，产物满足家庭日常所需[2]。研究表明单一原料厌氧发酵出现营养不足等问题，常加入其他有机干垃圾调质后开展混合厌氧发酵[3]。杜静等研究发现在人类粪便中分别添加稻秸、尾菜、牛粪可提高产气率[4]。秦佳佳等分别将人类粪便与牛粪、鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵，得出最优配比提高产沼气潜力[5]。研究表明，适当混合比例影响产气效率，但受区域和气候限制，北方地区有机垃圾混合厌氧发酵研究鲜有报道。

本研究对北方典型农户开展问卷调研，采用响应面-中心组合试验设计法[6-7]。为寻求最适原料混合比例对厨余垃圾、人类粪便和玉米秸秆开展混合厌氧发酵试验，对改善北方农村生活环境和用能结构具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

厨余垃圾、人类粪便（不含尿液）和玉米秸秆均取自巴彦县红光乡。厨余垃圾混合均匀后用食物粉碎机粉粹成黏稠状。将混合均匀人类粪便和厨余垃圾均放入4℃冰箱中保存；玉米秸秆收集风干后用JFSD-100-Ⅱ粉碎机粉碎成直径为0.5~2 mm备用。接种物取自东北农业大学农牧废弃物高值化团队实验室厌氧发酵后沼液，取后放入广口瓶，在（35±2）℃条件下用牛粪驯化60 d直至不再产气。原料和接种物基本特性见表1。

1.2 农村家庭产生有机垃圾调研

以巴彦县红光乡农户为研究对象，从实际角度出发调查农村家庭有机垃圾产量，经查阅收集相关资料，设定问卷内容，广泛征集农户意见，了解家庭情况，设计调查问卷初稿。预调查后，选取有效问题展开调研，共回收有效问卷1 000份，使用SPSS26.0软件对有机垃圾产生量作单因素方差分析[8]。随机选取20个农户，于2019年10~11月对其产生有机垃圾取样并测定成分。

表1 原料和接种物基本特性Table1 Basic properties of substrates and inoculum

1.3 试验装置

试验装置如图1所示，主要由发酵装置和控温装置组成。各试验组同时水浴加热，温度范围为±2℃。

1.4 响应面法试验设计

利用Design-Expert 8.0.6软件，采用中心组合试验设计方法，以累计甲烷量为响应值Y，设计3因素5水平试验，每个变量编码分别在高水平（+1）、低水平（-1）、中心点（0）和对应于α两个外点（α=2k/4，在本研究中k=3，故α=1.68179），设计共20组试验。试验因素与水平见表2。

采用批式中温厌氧发酵法，以2.5 L广口瓶作为厌氧发酵混合反应器，工作体积为1.75 L。本试验发酵液总TS浓度为8%，并用相同蒸馏水替代发酵原料作对照组以排除内源甲烷含量干扰，按照相应比例混合均匀后装入厌氧反应器中，用N2冲洗3 min后，橡胶塞用透明玻璃胶密封，产生气体用2.5 L气体采样袋收集，放置在（35±2）℃恒温水浴槽厌氧混合发酵，直至不再产气试验结束。每日定期手动晃动摇瓶2次，每次1 min，每2 d取样分析发酵液指标，每24 h测定气体成分。

1.5 测定指标和数据分析

用APHA方法测定TS和VS[9]。pH计（PHSJ-4F）测量酸碱度。海得铝箔气体采样袋每日收集厌氧发酵产生气体，排水法测量产气量[10]。

Agilent-6890N气相色谱仪测定沼气气相组分（CH4、N2、H2和CO2），其色谱条件为：不锈钢柱型号为TDX-01，柱温为170℃，运行2.5 min，总流量为30.8 mL·min-1，进样口温度为室温，TCD检测器温度为220℃，载气为氩气，尾吹气为氮气。斯卡拉尔流动分析仪测定氨氮含量。元素分析仪（EA 3000）测定C、H、N元素含量。O元素含量通过假设C+H+O+N=99.5%确定[11]。Design-Expert 8.0.6软件用作试验方案设计和数据分析。采用SPSS26.0、Origin 2017作统计分析和绘图。

图1 试验装置Fig.1 Test device

表2 试验因素水平和编码Table 2 Experimental factors and coding

2 结果与分析

2.1 农村有机垃圾调研结果

根据表3可知，农村家庭主要为3~4人。通过方差分析可知，P<0.01说明不同家庭人数厨余垃圾和人类粪便产量差异显著，随家庭人数增加厨余垃圾和人类粪便产量也呈增长趋势，平均每人每日厨余垃圾产量约561.42 g，人类粪便产量约673.71 g，调查结果与Wang等研究一致[12-13]。故以每户3~4人计算，每户产生厨余垃圾约1.69~1.80 kg；人类粪便约2.02~2.16 kg。

2.2 响应面分析结果

2.2.1 模型建立

根据中心组合试验设计方案得到试验结果见表4。采用Design-Expert 8.0.6软件对20组试验数据作多项拟合回归分析，建立多元二次回归方程，如下：

式中，Y-预测结果响应值，累计甲烷量（mL）；A-原料中厨余垃圾（TS）所占比例、B-原料中人类粪便（TS）所占比例、C-原料中玉米秸秆（TS）所占比例。

2.2.2 模型可靠性分析

检验回归方程有效性及3个影响因素对累计甲烷量影响，数学模型方差分析结果见表5。由表5可知，A（厨余垃圾所占比例）、B（人类粪便所占比例）、C（原料中玉米秸秆所占比例）P值均小于0.0001，说明三者均为响应值极显著项（P<0.05）。表5中模型F值为2 842.71，P<0.05，模型总决定系数R2=0.9996，预测复相关系数（PredR2=0.9975）与调整后多重相关系数（AdjR2=0.9993）合理一致。此外，失拟项P>0.05，故差异不显著，表明所建立模型可作分析与预测。变异系数（C.V.=0.21%）较小，说明试验数据精密度和可靠度较高，此模型拟合度较适合分析响应值Y（累计甲烷量）。预测模型最优组合为原料中厨余垃圾（TS）所占比例为0.23、人类粪便（TS）所占比例为0.44、玉米秸秆（TS）所占比例为0.09，预测累计甲烷量为9 930 mL。

表3 方差分析Table3 Analysisof variance

表5 二次模型方差分析Table5 Varianceanalysisof quadratic model

由表5可知，依据系数F值（A=103.78、B=4 151.24和C=120.70），说明各因素影响程度主次顺序为：B>C>A。二次项3个因素显著性B2>A2>C2，表示3个影响因素对累计甲烷量影响有交互作用，而非单因素线性关系影响，故可通过数学建模表示3个因素对累计甲烷量影响。

2.2.3 因素间交互作用

采用Design-Expert 8.0.6软件分析3个因素之间交互作用，确定每个因素最佳水平，通过3D响应面图和2D等高线图直观有效表示回归模型，获得最大响应值Y。

如图（2~4）所示，原料中厨余垃圾所占比例（A）、原料中人类粪便所占比例（B）和原料中玉米秸秆所占比例（C）3个因素与累计甲烷量呈抛物线关系。其中响应曲面坡度缓急表示两因素间交互作用对响应值影响程度，坡度越平缓，交互作用影响越小，反之交互作用越明显，图中3个响应曲面均为开口向下锅盖形状曲面，且在所选范围内存在响应值极高值，即响应面最高点；由等高线图可知交互作用影响效果最大范围，得到最优响应值对应因素水平，得出原料最优配比。

如图2所示，在原料中玉米秸秆所占比例（C）为0情况下，研究原料中厨余垃圾所占比例（A）和原料中人类粪便所占比例（B）对累计甲烷量影响。A曲线变化平缓，B曲线变化较大，由此说明原料中人类粪便所占比例（B）比原料中厨余垃圾所占比例（A）影响更显著。当原料中厨余垃圾所占比例（A）为0.41，原料中人类粪便所占比例（B）为0.23时，累计甲烷量达到峰值。

如图3所示，在原料中人类粪便所占比例（B）保持为0情况下，研究原料中厨余垃圾所占比例（A）和原料中玉米秸秆所占比例（C）对累计甲烷量影响。A曲线变化平缓，C曲线变化较大，说明原料中玉米秸秆所占比例（C）比原料中厨余垃圾所占比例（A）影响更显著。当原料中厨余垃圾所占比例（A）为0.23，原料中玉米秸秆所占比例（C）为0.1时，累计甲烷量达到峰值。

如图4所示，在原料中厨余垃圾所占比例（A）为0情况下，研究原料中人类粪便所占比例（B）和原料中玉米秸秆所占比例（C）对累计甲烷量影响。C曲线变化平缓，B曲线变化较大，说明原料中人类粪便所占比例（B）比原料中玉米秸秆所占比例（C）影响更显著。当原料中人类粪便所占比例（B）为0.41，原料中玉米秸秆所占比例（C）为0.1时，累计甲烷量达到峰值。

如图（2~4）所示，随原料中厨余垃圾，人类粪便和玉米秸秆所占比例升高，累计甲烷量经历先升后降过程，较低或较高原料混合比例均对累计甲烷量有负面影响，而最大累计甲烷量仅在适当原料混合比例条件下得到。当原料混合比例不均衡时，导致水解过程中复杂有机物在微生物作用下产生可溶性化合物，可降解部分在厌氧发酵过程中降解，剩余微生物导致甲烷产量相对较低。当原料中含碳量较大原料过多，导致产酸量过大，酸类化合物抑制后续厌氧发酵中产甲烷菌，使产气量降低。结果表明，三者混合厌氧发酵可产生协同作用，同时处理厨余垃圾、人类粪便和玉米秸秆方法可行。

图2 厨余垃圾和人粪便所占比例对累积甲烷量影响Fig.2 Effectsof ratio of kitchen wasteto human feces on methane accumulation

2.2.4 试验验证

为验证模型准确性，选取原料配比（厨余∶人类粪便∶玉米秸秆）为23∶44∶9较优参数开展厌氧发酵试验，且保证预测试验其他条件不变，重复5次平行试验。初始混合原料C/N约为24，经28 d发酵后，试验累计甲烷量实际值（10 035 mL）与理论预测值（9 930 mL）接近，其相对误差为1.06%，说明该条件可代替最优值，此时最大TS产气率和甲烷含量为330 mL·g-1和59.25%。

2.3 用能分析

若将每户产出有机垃圾全部用以厌氧转化，每日可产沼气约1.5 m3，可产能3.3 kWh。JFSD-100-Ⅱ粉碎机功率为0.37 kW，粉碎优化试验中玉米秸秆用时约20 min，用能约0.12 kWh；普通家庭热水壶功率约0.13 kW，每日用能约0.65 kWh；普通家庭电磁炉功率约1 kW，以每日平均使用1 h为计，用能约1 kWh；普通家庭电饭煲功率约为1 kW，以每日平均使用1 h为计，用能约1 kWh。因此，产生的沼气全部用以发电，可满足普通家庭日常使用。

图3 厨余垃圾和玉米秸秆所占比例对累积甲烷量影响Fig.3 Effects of ratio of kitchen waste and corn straw on methane accumulation

图4 人粪便和玉米秸秆所占比例对累积甲烷量影响Fig.4 Effects of ratio of human feces and corn straw on methaneaccumulation

3 结 论

a.实地调研得到北方农户主要为每户3~4人，且产生厨余垃圾和粪便无显著差异，每日产生厨余垃圾约为1.69~1.80 kg，粪便约为2.02~2.16 kg。

b.响应面法成功优化厨余垃圾、人类粪便和玉米秸秆混合发酵初始原料配比，确定最佳原料TS配比（厨余∶人类粪便∶玉米秸秆）为23∶44∶9，总固体浓度（TS）为8%时，甲烷含量达到59.25%，可获得最大TS产气率为330mL·g-1，若将每户产出有机垃圾全部用以厌氧转化，每日可产沼气1.5 m3以上，可发电约3.3 kWh，满足3~4人普通家庭日常饮食。