脱水猪粪衍生生物炭在猪废水厌氧消化处理中的高效潜能

马永明

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

伴随着生产力和消费能力的不断提高，中国已经成为世界上最大的猪肉消费国。同时，猪粪作为一种高浓度的生物废弃物，含有高浓度的有机物，具有巨大的可再生能源回收潜力。然而，养猪过程中过度使用兽用抗生素和重金属的行为，使得猪粪中残留多重抗药性的基因，包括抗生素抗性基因(AGR)和金属抗性基因(MRG)[1]。猪粪的典型处理工艺是与生物工艺相耦合的固液分离技术，产生脱水猪粪(DSM)和猪废水[2]。尽管DSM富含有机物，但因其中含有大量木质纤维素残留物而使其生物降解性能受到抑制。因此，好氧堆肥或填埋成为中国两种常见的管理方案[3],但是这两种方案很难实现能源的有效回收。厌氧消化(AD)被认为是一种可行的处理养猪废水的技术，但是目前的低系统效率不仅降低了处理的质量，而且限制了能量的回收[4]。

最近的研究[4]中，导电碳基材料作为添加剂在AD中的应用被认为是改善系统性能的有效途径，其中生物炭因其对碳封存的重要意义而备受关注。有研究[5]表明，生物炭具有比表面积大、孔隙度大、吸附力强等特点，可在AD系统中提供额外的缓冲能力以缓解pH值下降，为微生物的附着生长或有害化合物的吸附提供表面场所，并能通过其电化学性质引发互营养化微生物之间的直接电子传递(DIET)。DSM作为一种高固含量、富含有机物的生物废弃物，在热解回收能源方面显示巨大的潜力。用DSM作为原料通过热解制备生物炭(DSMB)，然后采用这种生物炭提高猪废水的AD性能应该是可行的。然而，目前少有研究探索DSMB在养猪废水AD系统中使用的可行性。

为了填补上述研究空白，本研究考察了不同热解温度下制备的DSMB在养猪废水AD系统中的调控作用，以及DSMB的推广对沼气生产的影响，以期为养猪场猪粪的可持续利用提供新的见解和参考。

1 材料与方法

1.1 基质和种泥

试验基质收集自中国陕西省西安市当地一家养猪场的新鲜猪粪。默认猪粪密度为1 g/cm3，称量600 mL的新鲜原始猪粪加入1 L自来水进行稀释，并用50目不锈刚筛网过滤去除混合液中的颗粒状固体，以模拟大型养猪场固液分离技术。试验种泥收集自陕西省西安市餐厨垃圾处理厂厌氧发酵单元。试验前，基质和种泥在4 ℃下保持均不超过一周时间。

1.2 脱水猪粪生物炭(DSMB)的制备与表征

脱水猪粪收集自中国山西省吉安市某猪粪处理厂的固液分离单元，该厂污水日处理量为60 m3。在制备DSMB之前，将脱水猪粪(DSM)于105 ℃下干燥过夜。本试验考虑在三种典型的温度下制备生物炭，分别为300 ℃、500 ℃、700 ℃，生物炭分别命名为DSMB- 300、DSMB- 500和DSMB- 700。

脱水猪粪衍生生物炭(DSMB)的产率和灰分含量根据木炭化学分析的标准测验方法确定[6]。DSMB的有机元素组成利用元素分析仪(Elementar公司varioel cube)在CHNS模式下进行，通过样品在纯氧中燃烧以及热导检测含量。pH值的测定是将浓度5%的DSMB悬浮液在室温下摇匀24 h后采用便携式pH计(日本堀场Model-pH11)测量。DSMB表面有机官能团采用傅立叶变换红外光谱仪(ThermoFisher,USA)在衰减全反射ATR仓模式下进行测试分析。DSMB表面的微观结构利用扫描电子显微镜(Quantum600F,USA)观察。DSMB电导率(EC)的测定是根据不同温度下制备的DSMB的电导率范围，在压强范围2～20 MPa内，分别采用四探针粉末电导率仪及四端子法高阻仪(晶格电子公司ST2272)测试。DSMB的氧化还原电子交换容量(EEC)则以量化供电子能力(EDC)和得电子能力(EAC)来表示[7],测量采用三电极电化学体系，包括8 mL玻璃碳缸(德国)作为工作电极和反应容器，以Ag/AgCl电极为参比电极，以2.25 cm2铂片为对电极。

1.3 试验设置

试验设置了4个试验组，其中包括添加DSMB的3个试验组和不添加脱水猪粪生物炭(DSMB)的对照组(CT)。每个血清瓶中工作体积为90 mL，包括50 mL种泥和40 mL养猪废水，通过稀释确保基质和种泥的接种比为3∶1。DSMB- 300、DSMB- 500及DSMB- 700的投加剂量均为20 g/L，添加生物炭的试验组分别命名为DSMB3、DSMB5及DSMB7。同时设置由50 mL种泥和40 mL自来水组成的空白组，量化接种后产生的甲烷量。

在试验过程中，用玻璃注射器定期测量顶空气体体积，然后立即分析顶空气体成分。收集取样点完全混合液，分析pH、可溶性COD、挥发性脂肪酸(VFA)、微生物电子传递系统活性。在产甲烷曲线趋于平缓后结束试验，收集混合物并保存在-20 ℃下，直到进行微生物分析。

1.4 分析方法

采用热处理系统(DRB2000,HACH,USA)测量COD值。使用气相色谱仪- 热导检测器(GC- TCD)测定CH4、N2、H2和CO2的组成比例。VFA的测定包括乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯和戊酸酯，采用配备毛细管柱(DB- FFAP,Agilnent,USA)的气相色谱仪- 火焰离子化检测器(GC- FID,Fuli,China)进行分析。

微生物群落通过高通量测序进行分析。选择引物进行细菌测序扩增的聚合酶链式反应(PCR)。

2 结果与讨论

2.1 DSMB的特点

傅立叶变换红外光谱FT- IR分析揭示了随着热解温度的升高DSMB上有机官能团的转化，结果如图1所示。

图1 三种DSMB的有机官能团分布

DSMB的电导率(EC)如图2所示。检测结果表明，不同温度下制备的DSMB的电导率相差较大，且随着热解温度的升高，DSMB的电导率(EC)由2.2×10-7μs/cm呈指数增长到9.4×104μs/cm。DSMB- 300和DSMB- 500与传统碳基材料相比EC要低得多，表明它们对环境中电子转移行为的调节作用更弱[9]。

图2 三种DSMB的电导率

2.2 添加DSMB对猪废水AD性能的影响

DSMB对甲烷产生的影响如图3所示。由图3可以看出，添加3种DSMB均对猪废水产甲烷有积极影响。在对照组(CT)中，产甲烷的延滞期为10.9 d，而添加DSMB试验组的产甲烷延滞期缩短了2～3 d。同时，DSMB的添加使最大产甲烷能力提高了18.29%～23.58%。对照组(CT)的最大产甲烷潜力为541.9 mL/gVS,相比之下，DSMB3组的产甲烷潜力略高，而DSMB5和DSMB7的产甲烷潜力与对照组(CT)相近。

图3 养猪废水AD系统中试验组累计产甲烷曲线

各试验组的pH值变化如图4所示。由图4可知，AD系统中各组的pH值稳定维持在6.9～7.9。进一步分析AD过程中可溶性COD与VFA浓度，结果如图5所示。在各试验组中，可溶性COD和VFA浓度表现出相似的动态变化，均从开始到第7天呈上升趋势，然后逐渐下降直到反应结束，但添加DSMB可显著加快产甲烷延滞期后可溶性COD 和VFA的降解速率。从第7天到第13天，3个DSMB试验组的可溶性COD浓度从7 961.1～8 311.9 mg/L迅速下降到4 483.2～5 103.0 mg/L，并在第17天维持在低于3 200 mg/L的水平。而CT组的可溶性COD浓度下降缓慢，持续时间延长至第13～17天，且整个过程可溶性COD浓度均高于添加DSMB的测试组。

图4 养猪废水AD系统中试验组pH值曲线

图5 猪废水AD过程中试验组溶解性COD及VFA浓度

导致AD过程效能不好的一个关键因素是VFA积累引起的pH值降低。在本研究中，VFA累积浓度最高为5 938.4～6 912.7 mgCOD/L，各组pH值相对稳定，这表明VFA积累对pH降低的风险可以被忽略。丙酸和乙酸是试验组积累的主要类型，随着甲烷产生的开始，DSMB减轻了VFA的积累。DSMB3、DSMB5、DSMB7试验组的总VFA浓度在第7～13天分别下降了61.2%、64.8%和40.0%，而CT在同一时间内下降了12.4%。由此看来，低热解温度下制备的DSMB对VFA降解的促进作用更显著。

2.3 微生物种群的演替调控

通过PCR技术，得到微生物种群的基因总谱，如图6所示。通过筛选DSMB3和CT的常见微生物种群，分析可能促进AD性能的关键微生物种群，以揭示DSMB- 300促进AD性能的潜在机制。

图6 微生物在CT和DSMB3中的相对丰度

从图6可知，厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌(Bacteroidetes)、嗜热菌(Thermotogae)、氯屈曲菌(Chloroflexi)和扁平菌(Planctomycetes)是CT和DSMB3中的优势门，占90%以上。这些菌类微生物在AD中较为常见，主要负责水解代谢和产酸代谢。与CT相比，DSMB3中Firmicutes的相对丰度从56.1%下降到49.7%，而Bacteroidetes和Thermotogae的相对丰度分别增加了21.3%和200.5%，这被认为是高效产甲烷的表现[10]。在本研究中，DSMB3中相对丰度较高的Thermotogae加速了水解和酸化阶段的发生，这也证明了DSMB- 300对Thermotogae的富集和高速新陈代谢具有重要意义。

2.4 DSMB对猪废水潜在作用机制的分析

从能量回收性能来看，DSMB主要加速甲烷产生过程，在温度300 ℃条件下制备的DSMB表现出最优的产甲烷性能。具有一致性的是，添加DSMB的3个试验组的INT- ETS活性均高于CT，且DSMB3的活性表现出最大水平,如图7所示。因此，添加DSMB主要增强了潜在的直接种间电子传递(DIET)，从而促进了互营氧化产甲烷效能。

图7 不同试验组的INT- ETS活性比较

基于当前认知，外源投加剂可能通过提高电导率(EC)或氧化还原两种途径增强DIET。研究的理化表征表明，随着热解温度的升高，DSMB的EC呈指数增长趋势，而EEC呈下降趋势(图8)。同时，在300 ℃条件下制备的DSMB对潜在电活性菌进行富集，这可能是因为通过DIET途径促进互营氧化产甲烷。因此可以合理地假设，至少对于DSMB来说EEC比EC在介导DIET和加速甲烷生成方面发挥了更重要的作用。

图8 不同试验组的EAC比较

3 结论

本文研究分析了DSMB的特点，并将其作为添加剂用于验证猪废水高效AD的可行性。结果表明，300～700 ℃制备的3种DSMB主要促进了厌氧产甲烷阶段VFA的降解进而提高甲烷产率，而DSMB- 300表现最佳。根据电化学特征和微生物群落分析，证实了DSMB作为氧化还原活性介质在共养产甲烷过程中促进潜在DIET的关键作用。本文为养猪场的生物废物可持续发展提供了新的思路。