不同沼液回流比对鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵性能的影响分析

朱教宁，高 莉，张静璇，李永平，汤 昀，史向远，王秀红

（1.山西农业大学 山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030031；2.省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西 太原 030031；3.农业农村部有机旱作农业重点实验室（部省共建），山西 太原 030031；4.有机旱作农业山西省重点实验室，山西 太原 030031；5.山西农业大学 资源环境学院，山西 太原 030031）

随着我国人口的不断增加和社会经济的高速发展，人们对粮食和肉类等的需求加大，种植业和养殖业迅速发展，由此产生了大量的农业废弃物，以畜禽粪便和作物秸秆为主的农业废弃物已成为我国农村地区面源污染的主要来源[1]。厌氧发酵产沼气技术在处理有机废弃物的同时，还能够生产清洁能源沼气，是废弃物能源化利用的重要技术手段。近年来，以农业废弃物为原料的沼气工程数量不断增加，规模也在不断扩大。据统计，截至2017年末，全国处理农业废弃物的沼气工程有109 732处，总池容2 006.86万m3；其中，大型沼气工程7 631处，总池容862.09万m3[2]。然而，沼气工程运行过程中会产生大量的沼液，沼液中有机物、氨氮含量高，若不经过处置直接排放会对环境造成二次污染。

沼液回流是将排出的沼液代替稀释用水回用到发酵系统中，此技术一方面可将微生物和未及时分解的营养物质重新返回到发酵系统中，提高产气效率；另一方面，可节约稀释用水量，减少沼液的排放，是沼气工程常用的沼液减量手段[3-4]。冉文娟等[5]认为沼液回流能提升牛粪和玉米秸秆的产甲烷率和总固体（Total solid，TS）去除率，其中以100%回流比效果最好。王欣等[6]提出沼液回流能提高玉米秸秆厌氧消化的产气性能和有机物降解率，其中以回流比为75%时效果最佳。任安东等[7]的研究结果表明，沼液回流有利于发酵料液传质，促进微生物对有机物的利用，从而提升系统稳定性和产气量。

然而，也有文献报道，过高的沼液回流比会导致氨氮、挥发性脂肪酸（Volatile fatty acid，VFA）等中间物质的累积，影响产气量和有机物去除率。WU等[8]的研究结果表明，当以回流比为60%开始沼液回流后，鸡粪厌氧发酵料液的VFA 和氨氮质量浓度分别由1 600、2 600 mg/L 提升至8 000、5 000 mg/L，日容积产沼气量由1.4 L/（L·d）下降至0.8 L/（L·d）。苏小红等[9]认为较高的回流比率（＞60%）会降低牛粪厌氧发酵化学需氧量（Chemical oxygen demand，COD）去除率。李慧莉等[10]认为污泥与秸秆混合发酵时，50%回流量时甲烷产量最大、TS去除率最高，但是进一步提高回流比会导致氨氮浓度提升，进而对产气过程产生抑制。可见，沼液回流比应该控制在适宜范围内，才能保证厌氧发酵系统绿色运行，达到利用沼液减少沼液外排的目的。

目前，进行单一原料厌氧发酵沼液回流的研究比较多，而对混合底物的相关研究较少，以鸡粪和玉米秸秆为混合原料的相关研究还未见报道。因此，拟以鸡粪和玉米秸秆的混合物为研究对象，探究不同回流比对厌氧发酵性能的影响，为沼液回流的实际应用提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

鸡粪取自山西省太谷县，去除杂质并搅拌均匀后使用；玉米秸秆取自山西省榆次区东阳镇，在田间自然风干后粉碎待用；接种物来自山西农业大学东阳基地中试沼气站，取回静置10 d 后去除上清液，将剩余的沉淀物储存备用。鸡粪、玉米秸秆、接种物的基本性质见表1。

表1 试验材料的基本性质Tab.1 Basic properties of the materials

1.2 试验装置

试验装置为带有加热及自动搅拌装置的厌氧发生器，总容积为10 L，具体见参考文献[11]。

1.3 试验设计

试验包括2 个阶段，即启动稳定阶段和回流阶段，采用中温35 ℃发酵。各反应罐均按照鸡粪与玉米秸秆挥发性固体（Volatile solid，VS）质量比6∶4，料液浓度（以VS计）为7%，接种物含量30%，料液总质量7.5 kg，一次性进料启动发酵罐，批量式静态发酵40 d。之后采取半连续式厌氧发酵方式，按照水力停留时间（Hydraulic retention time，HRT）21 d，每日进出料，每次进出料前对料液进行1次搅拌，搅拌时长20 min，搅拌强度为60 r/min[12]。运行一段时间待产气量、甲烷含量和pH 值等指标稳定后进入回流阶段。此阶段的目的是启动并稳定运行厌氧发生器。

回流阶段亦采用半连续式厌氧发酵方式，按照由低到高逐渐提高回流比的方式进行试验。具体操作方法：按照HRT=21 d 每日进出料，进料料液的浓度和配比与启动阶段一致。出料料液经过孔径为2 mm 的筛网过滤后得到的沼液以一定的回流比[0（对照，CK）、25%、50%、75%、100%，回流比计算方法详见公式（1）］取代水进行鸡粪与玉米秸秆混合物料的稀释（回流液不足时以水补齐），每个回流比运行1个HRT。每日测定沼气产量和沼气中的甲烷含量，每7 d测定1次发酵液的pH值及VFA、总氨氮（Total ammonia，TAN）、COD、碱 度（Total alkalinity，TA）质量浓度，试验运行3 组发生器作为3次重复，取平均值进行分析。回流阶段厌氧发生器的运行参数见表2。

表2 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵试验运行参数Tab.2 Operation parameters of different reflux ratio treatments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

1.4 指标测定

日产沼气量采用排水集气法测定；沼气中甲烷含量利用气相色谱仪[7890B，安捷伦科技（中国）有限公司]测定；TS 含量和VS 含量采用烘干法测定后以差重法计算；pH 值采用多参数水质测量仪（CyberScan PC300，美国EUTECH 公司）测定；VFA、TA 质量浓度分别采用比色法、电位滴定法测定；氨氮质量浓度采用蒸馏中和滴定法测定；COD 质量浓度采用重铬酸钾法测定[11]。

1.5 指标计算

回流比计算公式：

式中，r为回流比，V0为回流沼液量，V1为每日进料需要添加的水量。

游离氨氮（Free ammonia，FAN）质量浓度计算公式[13]：

式中，CFAN为发酵料液FAN 质量浓度；CTAN为发酵料液TAN 质量浓度；Ka 为NH3的解离常数，35 ℃时pKa=8.9；pH为厌氧发酵料液的pH值。

COD去除率计算公式：

式中，w为COD 去除率；C进为进料COD 质量浓度；C出为出料COD质量浓度。

1.6 数据处理

试验数据采用SPSS 15.0、Excel 2010 进行整理和分析，通过Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液理化性质

2.1.1 pH 值和VFA 质量浓度 由图1 和图2 可知，pH 值和VFA 质量浓度整体上均随沼液回流比的提升而增加。对照组和25%回流组pH 值变化较为平缓，介于7.65～7.75，处于厌氧发酵系统适宜的发酵条件范围（pH 值介于6.5～7.8）[14]。当回流比继续提升时，pH 值迅速增加，回流比为50%、75%、100%处理组的pH 值增加至7.83～8.19，均已超出了厌氧微生物适宜的pH 值范围。VFA 的变化趋势与pH 值相似，25%回流组VFA平均质量浓度为1 394.82 mg/L，与对照组（1 239.59 mg/L）差异不大，说明从回流液中带回到发酵系统中未完全分解的有机物质能够被产甲烷菌迅速分解，转化为甲烷气体。回流比为50%时，VFA 平均质量浓度迅速增加至2 990.18 mg/L，但在整个回流周期中较为稳定。当提升回流比至75%、100%时，VFA 质量浓度开始出现较大波动，表现为随发酵时间的延长而不断升高，从第70天的4 797.64 mg/L升高至第105天的6 819.61 mg/L，表明此时VFA 在发酵系统已出现严重的累积。值得注意的是，当回流比＞25%时，VFA 随回流比的提高而急剧升高，发酵系统的pH 值却不降反升，这是由于高回流比处理大量的氨氮和无机碳重新回到发酵系统中，增加了发酵料液的碱度，导致pH 值升高。

图1 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液pH值Fig.1 Biogas slurry pH value of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

图2 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液VFA质量浓度Fig.2 Biogas slurry VFA content of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.1.2 COD 质量浓度 发酵液中COD 质量浓度可代表溶解在发酵液中有机物质的含量，发酵原料经水解酸化形成小分子有机物质，COD 质量浓度升高，产甲烷菌利用小分子有机物质产甲烷，COD 质量浓度降低。COD 质量浓度的动态平衡表明，厌氧发酵的水解和产甲烷化是平衡的，稳定运行的发酵系统COD质量浓度不应出现较大波动[15-16]。COD质量浓度变化趋势如图3 所示，对照组COD 质量浓度较低且变化幅度小，说明小分子有机物质的产生速率和利用速率相当。回流比为25%时，COD 质量浓度较对照组略有提升，但差异较小，这表明沼液回流带回到系统中的大部分COD 被微生物利用转化成了甲烷。当回流比继续提升时，大量未完全分解的有机物质被带回到发酵系统中，导致有机物的产生速率大于产甲烷速率，有机物质开始慢慢累积，COD 质量浓度随发酵时间的延长而不断升高。且回流比越大，有机物累积越显著，COD 质量浓度越高，50%、75%、100%回流组的平均COD质量浓度分别为9 687.57、13 022.47、16 072.50 mg/L，分别较对照（5 590.67 mg/L）高出73.28%、132.93%、187.49%。

图3 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液COD质量浓度Fig.3 Biogas slurry COD content of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.1.3 氨氮质量浓度 氨氮对厌氧微生物的生长具有重要作用，少量氨氮（50～200 mg/L）可促进厌氧微生物的代谢和合成，但是氨氮浓度过高会对厌氧微生物尤其是产甲烷菌产生抑制作用。研究表明，游离氨对产甲烷菌的抑制性更强，在没有经过驯化的厌氧发酵系统中，当FAN 质量浓度＞200 mg/L 便会对产甲烷菌产生明显的抑制作用，因此，通常认为200 mg/L 为FAN 质量浓度的抑制限值[16-17]。图4和图5 分别为不同回流比条件下各处理组TAN、FAN 质量浓度的变化趋势。如图4 所示，不同回流比的TAN 质量浓度较对照组均有所增长。回流比为0、25%、50%时，其发酵周期内的TAN 质量浓度变化波动较小，平均质量浓度分别为1 561.34、2 118.50、2 452.31 mg/L；回流比为75%、100%时，TAN 质量浓度开始随发酵时间的增加而快速升高，氨氮开始出现累积，平均质量浓度分别为2 953.00、3 767.76 mg/L，分别为对照组的1.89、2.41 倍。FAN质量浓度的变化趋势亦为如此，由图5知，当回流比为0、25%时FAN 质量浓度变化平稳且均小于200 mg/L，随后，FAN 质量浓度随发酵天数的延长逐渐升高，50%回流比的发酵末期（第63天）FAN 质量浓度已达222.90 mg/L。当回流比上升至75%、100%时，FAN 质量浓度为282.87～604.68 mg/L，平均质量浓度分别为303.14、522.15 mg/L，大大超过了FAN质量浓度的抑制限值。可见，氨氮随沼液回流至厌氧发酵系统，引起了发酵系统氨氮质量浓度的增加，且回流比越大，质量浓度增加越多，回流比为75%、100%时FAN 质量浓度已超过了产甲烷菌的抑制限值。

图4 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液TAN质量浓度Fig.4 Biogas slurry TAN content of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

图5 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液FAN质量浓度Fig.5 Biogas slurry FAN content of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.1.4 TA质量浓度和VFA/TA 碱度是发酵料液中和H+（氢离子）的能力，可以对发酵系统产生的挥发性脂肪酸起到缓冲作用，维持发酵系统的稳定[18]。因此，VFA/TA 常用来表征发酵系统的稳定性，研究表明，稳定的厌氧发酵系统的VFA/TA 应小于0.3，高于0.3 提示系统出现不稳定因素[19]。由表3 可知，整体上，回流试验组的TA 高于CK，回流可以将出料沼液中的氨氮、碳酸盐、碳酸氢盐等致碱物质重新带回到发酵系统中。由不回流进入25%回流后，回流沼液中的一部分致碱物质进入发酵系统，而此时VFA 含量较低，对致碱物质的消耗较小，碱度出现了快速增长，25%回流组的VFA/TA 较对照有所降低，均小于0.3，发酵系统稳定。继续提高回流比时，碱度增长速度放缓并趋于稳定，而系统中的VFA 却在快速增长，使得VFA/TA 开始上升，系统的缓冲能力变弱。回流比为50%时，VFA/TA＜0.3，发酵系统尚处于稳定状态；当回流比提升至75%、100%时，VFA/TA＞0.3，发酵系统不稳定。

表3 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵稳定性指标Tab.3 Stability parameters of different reflux ratio treaments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.2 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵的COD去除率

图6 为不同回流比条件下COD 去除率的变化趋势。如图6A 所示，回流比为25%的处理组较对照组的COD 去除率略有提升，且二者在其发酵周期内COD 去除率波动不大，较为稳定；当回流比＞25%时，COD 去除率开始迅速下降，且随发酵时间的延长而逐渐降低。由图6B 可知，回流比为25%处理组的COD 平均去除率大于对照组，为62.40%，较对照（60.22%）提高2.18 个百分点，但差异未达到显著水平（P＞0.05）；其余处理组均显著低于对照组（P＜0.05），回流比为50%、75%、100%的处理组COD 平均去除率分别为48.46%、37.85%、29.56%，较对照分别降低11.76、22.37、30.66 个百分点。这说明，控制回流比为25%时，能够促进发酵系统中产甲烷菌对COD 的利用。当回流比继续提高时，一方面回流沼液中未完全分解的有机物质回流至发酵系统中，引起COD 的不断增大；另一方面，如前所述，VFA 和氨氮的累积抑制了产甲烷菌的新陈代谢作用，COD产生速率远大于消耗速率，从而导致了COD 去除率的降低。

图6 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液COD去除率Fig.6 Biogas slurry COD removal rate of different reflux ratio treatments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.3 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵的产气特性

2.3.1 日产沼气量和甲烷含量 图7为不同沼液回流比的日产沼气量和甲烷含量的变化情况。如图7所示，随着回流比的提升，日产沼气量整体呈先升高后降低的趋势。回流比为25%时，日产沼气量较对照有所提高。当回流比继续提升时，日产沼气量开始下降。且当回流比为0、25%、50%时，各回流周期内的日产沼气量均较稳定，无明显波动。当提升回流比至75%、100%时，其回流周期内的日产沼气量随发酵时间的延长而逐渐降低，分别由第64天的6.92 L/d 下降至第84 天的6.07 L/d，下降12.28%，由第85 天的6.08 L/d 下降至第105 天的4.75 L/d，下降21.88%，这表明此时厌氧发酵系统受到了抑制，呈现不稳定状态[17]。整个试验阶段，甲烷含量均较稳定，介于57.24%～60.89%；且不同回流比条件下各发酵系统的甲烷含量平均值相差不大，回流比为0、25%、50%、75%、100%时，甲烷含量均值分别为59.03%、58.82%、58.34%、58.43%、59.90%，即沼液回流对发酵系统的甲烷含量影响不显著。

图7 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵甲烷含量和日产沼气量Fig.7 Methane content and daily biogas production of different reflux ratio treatments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

2.3.2 总产气量 由图8 可知，各处理沼气总产量和甲烷总产量随回流比的提升呈现相同的变化趋势。回流比为25%时产气性能最佳，沼气总产量和甲烷总产量均为最高，分别为164.70、96.87 L，较对照（154.01、90.90 L）分别提高6.94%、6.56%，且与对照差异达到了显著水平（P＜0.05）。当回流比＞25%时，沼气总产量和甲烷总产量开始随回流比的提高不断下降，且均显著低于对照（P＜0.05）。回流比为50%、75%、100%处理甲烷总产量分别为87.08、79.31、69.66 L，较对照分别降低4.20%、12.76%、23.37%。这与前述75%、100%的沼液回流引起了发酵料液VFA 和氨氮的大量累积相对应，系统的稳定性下降，导致了产气量的降低。

图8 不同回流比鸡粪和玉米秸秆混合厌氧发酵沼液总产气量Fig.8 Total gas production of different reflux ratio treatments by anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover

3 结论与讨论

回流比是厌氧发酵工程沼液回流重要的工艺参数，选择合适的回流比能够有效规避回流沼液中氨氮、难降解物质、VFA 等物质的累积对发酵系统带来的不利影响[20-21]。本研究结果表明，回流比为25%时，产气量较高，COD 去除率高，且发酵系统处于稳定状态。当回流比为75%、100%时，均表现为TAN 升高且随发酵时间的延长而不断增加，发生明显累积，TAN 积累导致pH 值升高，FAN 升高，从而抑制了产甲烷菌的代谢活动；产甲烷菌的生长受到影响，水解酸化形成的中间产物VFA 得不到及时分解，也出现累积。在这种“累积—抑制—累积”的循环作用下，发酵系统很快失去稳定，导致产气下降、COD 去除率降低。WU 等[8]、SHAHRIARI 等[22]分别在鸡粪、餐厨垃圾沼液回流的研究中也发现了这一规律，在较高的回流比条件下，氨氮累积是引起系统发酵稳定性下降从而导致产气量降低的主要原因，这与本研究结果相一致。因此，在高含氮量原料的厌氧发酵系统中，回流比不宜过高[23]。虽然回流比为50%的发酵系统VFA 和氨氮没有出现明显的累积，但是有机物质的不及时分解还是引起了COD 去除率的降低，使得沼液黏度增加，传质能力下降，同样导致了产气量降低[16]。

值得注意的是，本研究采用混合原料作为发酵底物来调节碳氮比，但是在高回流比下还是发生了氨氮抑制，原因可能是秸秆中含有大量的木质纤维素[24-28]，降解速度缓慢，在连续进料和高回流比的冲击下，其对氨氮抑制的调节过程较为缓慢，当系统已经形成抑制后很难得到恢复[29-30]。WU等[8]采用吹脱对沼液进行处理后再回流，发酵系统中的氨氮质量浓度由5 000 mg/L 降至3 000 mg/L，日容积沼气产率由0.8 L/（L·d）提升至1.4 L/（L·d）。可见，采取一定的措施降低氨氮含量，可以缓解氨氮抑制给回流带来的消极影响。但是，吹脱会给沼气工程带来一定的动力消耗和尾气污染，其经济性还需进一步讨论[31]。

在本研究条件下，当回流比为25%时，产气效果最佳，沼气产量和甲烷产量最高，分别为164.70、96.87 L，较未回流组分别提高6.94%、6.56%，COD平均去除率最高为62.40%，较未回流组提高2.18个百分点，发酵系统处于稳定状态。但是，当回流比继续提升时，系统产气量和COD 去除率均因氨氮抑制出现下降趋势。因此，探索经济有效的氨氮去除方法，缓解氨氮在沼液回流中的抑制作用，进一步提升沼液回流效果，将是下一步研究工作的重点。