接种比在中温与低温条件下对猪粪产甲烷潜力的影响研究

王安吉，马文林

(1. 北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 102616；2. 北京中认检测技术服务有限公司，北京 100176；3. 北京建筑大学北京市应对气候变化研究和人才培养基地，北京 102616)

根据粮农组织(FAO)统计数据，2020年全球因家畜粪便管理引起的甲烷排放占农业活动甲烷排放总量的6.63%[1]。由于家畜粪尿对环境有潜在的负面影响力，因此需要适当的处置策略[2]。Li等[3]的研究表明，1头猪在其畜牧生命周期内会因粪便管理产生1.34 kg甲烷。中国是世界养猪第一大国，每年猪粪便管理产生的甲烷排放量巨大。

粪便最大产甲烷能力(B0)是粪便管理温室气体排放和减排量核算中重要的特征参数，可用于估算甲烷排放因子，进而评估单一物料及混合物料的产甲烷潜力(BMP)[4-5]。BMP常用单位质量挥发性固体(VS)的产甲烷量表示，单位为mL/g或m3/kg。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)制定的《国家温室气体清单指南》给出了全球各大洲猪粪便管理B0缺省值，亚洲地区为0.29 m3/kg，该缺省值与我国现阶段的实际生产情况具有一定差异，只适合用于区域清单研究，对于特定猪场猪粪管理甲烷排放评价常存在较大不确定性。因此，使用亚洲水平的缺省值评估我国猪场粪便管理甲烷排放情况，估算结果将具有较高的不确定性。

尽管可以通过实测方法得到较为准确的B0值，但BMP测试具有试验条件相对复杂、测试周期长和成本较高等特点，对于大部分畜牧企业来说较难完成[6-7]。而且，目前尚未制定统一规范的BMP测试方法，不同实验室在进行猪粪BMP测试时，采用不同的试验条件，得出的B0值存在较大差异[8-15]。

本文研究中温与低温条件下不同接种比例对猪粪BMP的影响，并对猪粪产甲烷过程进行动力学分析，旨在为提出猪粪BMP统一测试方法提供科学依据，以期降低猪粪管理甲烷排放量核算不确定性。

1 材料与方法

1.1 样品来源与处理

猪粪样品取自于北京市东郊某猪场的母猪舍。猪场存栏仔猪380头、母猪105头和育肥生长猪570头，猪舍采用干清粪方式。鲜母猪粪样品从母猪舍漏缝地板采集，于实验室内置于35 ℃下进行风干处理，除杂后研磨过40目筛网备用。

接种液取自北京某牛场沼气工程(两个50 m3的发酵罐)排放的沼液。在实验室内对沼液经过除杂处理，并于35 ℃条件下进行为期1个月的培养后用于猪粪中温BMP试验。在中温试验结束后，对反应瓶中混合发酵液进行浓缩，并于23 ℃条件下培养1个月后进行猪粪低温BMP试验。

在试验开始前利用质量法分别测定接种液与猪粪的总固体(TS)和灰分含量(以质量计)，计算得到其VS值，样品TS、VS与灰分值见表1。

表1 接种液与猪粪的TS、VS与灰分值

1.2 试验装置

利用全自动甲烷潜力测试系统(AMPTS-II，碧普)进行猪粪中温BMP试验。试验装置如图1表示，由厌氧消化单元、CO2固定单元与气体体积测定单元3部分构成。其中，样品消化单元由600 mL玻璃反应瓶、恒温水浴锅与自动搅拌装置组成；CO2固定单元由100 mL玻璃吸收瓶和底座组成，试验开始前向每个玻璃吸收瓶中装入80 mL 3 mol/L的NaOH溶液，以吸收厌氧消化单元排出的CO2、H2S等酸性气体；气体体积测定单元内置温度与压力传感器，依据内置算法将产气数据自动转换为标准状况(1标准大气压，0 ℃)下的体积。

1. 厌氧消化单元；2. CO2固定单元；3. 气体体积测定单元。

1.3 试验设计

采用制备好的母猪粪样品，分别进行中温和低温BMP试验。固定各试验组初始总VS水平(猪粪VS+接种液VS)为3%，在此基础上根据试验设定的各反应瓶的反应体积、物料VS含量、猪粪与污泥比例，计算各反应瓶的物料投入水平，各组接种比(猪粪VS/接种液VS，S/I)详见表2。按照表2向各反应瓶添加猪粪与接种液后，用纯水补充至400 mL反应体积。

表2 不同温度条件下各试验组物料投入情况

如表2所示，中温和低温BMP试验均设1组空白组(仅含接种液)分别为MCK和LCK组，3组猪粪处理组，分别为M1、M2、M3和L1、L2、L3组，各试验组均设3个平行处理。试验期间，样品消化单元的自动搅拌系统实行间歇搅拌，测试系统每日自动记录各反应瓶的甲烷产生量，当甲烷日产量小于累积产气量的1%时测试系统自动终止试验。

1.4 厌氧消化动力学分析

将所得产甲烷数据利用修正的Gompertz模型[16]与Logistic模型[17]进行动力学拟合，模型分别如公式(1)与公式(2)所示。

(1)

(2)

式中：M(t)为t时刻每克VS的累计产甲烷量(mL)；BMP为每克VS的产甲烷潜力(mL)；Rmax为每克VS日最大产甲烷速率(mL)；e为自然常数；λ为延滞期(d)；t为发酵时间(d)。

以均方根误差(RMSE)，决定系数(R2)，赤池信息量准则值(AIC值)与贝叶斯信息量准则值(BIC值)作为模型的评估指标。RMSE常用于评价模型精度，该值越小模型精度越高[18]。R2用于评价模型拟合优度，R2越高模型拟合度越好[19]。AIC值与BIC值可评估模型的拟合程度，AIC值与BIC值越小，模型的拟合程度越好。AIC值与BIC值计算方法见公式(3)和公式(4)。在进行动力学拟合前，将所得猪粪的日甲烷产量与累积甲烷产量数据根据各组物料投入水平换算成每克VS的日产甲烷速率R(mL)与累积产甲烷量M(mL)。

(3)

(4)

式中：N为样本量；RSS为残差平方和；K为模型自变量个数。

2 结果与分析

2.1 BMP测试

2.1.1 中温 BMP测试

将各猪粪处理组产甲烷量减去MCK组产甲烷量，得到各处理组日甲烷产量与累积甲烷产量变化，如图2A和图2B所示。

由图2A可知，猪粪处理组在整个产甲烷过程中有相似的产甲烷变化规律。M1组、M2组和M3组3个处理组产甲烷的第1个峰值出现在第2天，第3天产气量出现小幅下降，第4天开始回升，第5天出现第2个产气峰值。该峰值是整个产甲烷过程中日产气量最高值，各试验组最大日甲烷产量从大到小依次排序为M3组[(373.72±2.33)mL]>M2组[(290.57±8.06)mL]>M1组[(208.40±10.59)mL]，最大日甲烷产量与猪粪接种比例呈显著正相关性(P<0.05)。第6天3个处理组日产气量骤降，下降幅度强于之前第1个峰值后出现的降幅。第7天产气量再次回升，但回升能力显著低于第2次峰值时的情况，M1组和M2组于第7天出现第3个产气峰值，M3组的第3个峰值出现在第8天，第3个峰值的产气量由高到低的顺序与甲烷最大产量从大到小的顺序相同，依次为M3组>M2组>M1组。在第3个产气峰值出现后各试验组的日产气量均呈现稳定下降趋势，分别于第15天、第16天和第18天结束产气，产甲烷周期与S/I呈显著正相关(P<0.05)。

由图2B可以看出，接种比例越高，总的产气时间越长、累积产气量越大。M1、M2和M3组累积甲烷产量分别为1 013.07、1 502.77和1 999.17 mL，猪粪累积甲烷产量与其接种比例呈显著正相关(P<0.05)。

计算得出，M1、M2与M3组的BMP值分别为(252.05±5.12)、(250.07±16.57)和(249.65±13.69)mL/g，不同接种比例猪粪的BMP无显著差异(P>0.05)，猪粪BMP平均值为(250.59±1.28)mL/g。

2.1.2 低温BMP测试

低温条件下LCK组未产气，各处理组日产甲烷量与累积甲烷产量变化如图3A和图3B所示。

图3 低温条件下不同处理组日产甲烷量(A)和累积甲烷产量(B)的变化

由图3A可知，3个猪粪处理组在整个产甲烷过程中均出现日甲烷产量峰值，但出现时间不同，分别为第8天、第10天和第16天，猪粪日产甲烷最高峰出现时间与接种比例呈显著正相关性(P<0.05)。各猪粪处理组日甲烷最大产量从大到小依次为L3组[(76.95±2.12)mL ]>L2组[(68.25±0.64)mL]>L1组[(54.65±6.15)mL]，表明猪粪接种比例越高，日产甲烷最大峰值越高，最大日甲烷产率与猪粪接种比例呈正相关性(P<0.05)。在日产甲烷最高峰出现后，3个猪粪处理组日产甲烷量逐渐下降。L1组第8天出现第2个产气峰值，但随后再次逐渐下降，直到第20天出现第3个日产甲烷量峰值，第2与第3个日产甲烷量峰值较前1 d差异约为3 mL。L2组日产甲烷量第2与第3个峰值分别出现在第15与第19天，L3组日产甲烷量第2与第3个峰值分别出现在第27与第31天。L1、L2和L3组分别于第28天、第34天和第41天结束产气。产甲烷周期与S/I呈显著正相关(P<0.05)。由图3B可以看出，接种比例越高，总的产气时间越长、累积产气量越大。经检验得出，猪粪累积甲烷产量与S/I显著正相关(P<0.05)。

当初始VS水平相同时，不同猪粪接种比例的产甲烷潜力无显著差异(P>0.05)，各猪粪处理组所得猪粪BMP分别为(183.42±9.18)、(189.02±11.25)和(191.88±3.50)mL/g，其均值BMP为(188.11±4.31 )mL/g，低于中温条件下的(250.59±1.28) mL/g。

2.2 厌氧消化动力学分析

2.2.1 中温猪粪产甲烷动力学模型

由图4与表3可知，在中温条件下修正的Gompertz模型的R2保持在0.991～0.997之间，均大于0.99，拟合程度良好。模型RMSE保持在4.67～6.97之间，AIC与BIC值保持在64.43～71.61和64.62～71.07范围内。Gompertz模型的预测结果分别为247.40 mL/g (S/I=0.5)，244.10 mL/g (S/I=1.0)和246.39 mL/g (S/I=2.0)。对于Logistic模型来说，其回归系数R2保持在0.981～0.991之间，均大于0.98，拟合程度良好。Logistic模型的预测结果分别为244.19 mL/g (S/I=0.5)，240.19 mL/g (S/I=1.0)和241.74 mL/g (S/I=2.0)。模型RMSE保持在7.70～10.12之间，AIC与BIC值保持在75.46～83.56和74.40～83.01范围内。通过对比2种模型的RMSE、AIC值与BIC值可知，修正的Gompertz 模型较Logistic模型能更好对中温条件下不同接种比例猪粪的BMP值进行预测。

A. S/I=0.5；B. S/I=1.0；C.S/I=2.0。

表3 中温条件下2种模型BMP拟合结果

2.2.2 低温猪粪产甲烷动力学模型

由图5与表4可知，在低温条件下修正的Gompertz 模型的R2保持在0.996～0.999之间，均大于0.99，拟合程度良好。模型RMSE保持在1.85～3.86之间，AIC值与BIC值保持在28.57～116.64和32.16～123.49范围内。修正的Gompertz模型的预测结果分别为181.41 mL/g(S/I=0.5)，186.24 mL/g(S/I=1.0)和193.50 mL/g (S/I=2.0)。对于Logistic模型来说，其R2保持在0.991～0.994之间，均大于0.99，拟合程度良好。Logistic模型的预测结果分别为177.58 mL/g (S/I=0.5)，181.88 mL/g (S/I=1.0)和189.18 mL/g (S/I=2.0)。模型RMSE保持在4.42～5.97之间，AIC与BIC值保持在90.92～152.43和94.51～159.28范围内。通过对比2种模型的RMSE、AIC值与BIC值可知，修正的Gompertz 模型较Logistic模型能更好地对低温条件下不同接种比例猪粪的BMP值进行预测。

A. S/I=0.5；B.S/I=1.0；C.S/I=2.0。

表4 低温条件下2种模型的BMP拟合结果

3 讨论

本研究中得出中温条件下猪粪的BMP值为(250.59±1.28)mL/g，不同接种比例猪粪的BMP无显著差异，这与其他文献报道不同。Lu等[20]在初始TS浓度8%的条件下按照猪粪与接种液3∶1(以TS计)的比例进行中温厌氧消化，得出以VS计的猪粪BMP值为227.2 mL/g；Santos等[21-22]以市政污水处理厂污泥为接种液，在8%的初始总固体量(TS)水平下采用0.65与1两种水平的接种比，测得葡萄牙中部地区养殖场猪粪的BMP值分别为0.329 m3/kg与0.568 m3/kg，其依据TS水平确定接种比例，得出不同接种比对猪粪BMP有较大影响；Liu等[23]以污水处理厂的污泥为接种液，按猪粪与污泥比例为1∶2(以VS计)进行试验，未控制初始VS水平，发现不同接种比下测试结果有较大差异；Hu等[24]以培养的微藻混合菌群为接种液，取初始VS水平5 g/L和猪粪与接种液比例1∶2(以VS计)，于中温条件下得出猪粪BMP值为547 mL/g。本研究测试结果与其他研究者所得结果不同的原因可能是本文接种比例以VS计，且接种物与猪粪来源与上述研究均有所不同；此外，本研究中猪粪的BMP值以标准状况(1标准大气压，0 ℃)体积给出，而上述其他研究未说明是否将数据转化为标准状况体积。从数据可比性角度考虑，试验条件与数据记录方式的不同将造成试验结果的差异，建议今后不同研究人员对BMP值应说明是标准状况下的修正体积还是试验环境条件下的实际体积。

4 结论

累积甲烷产量和最大日甲烷产量均与猪粪S/I呈显著正相关；中温或低温条件下，初始VS为3%时，不同S/I猪粪的BMP值无显著差异；修正的Gompertz模型较Logistic模型更适合对猪粪的BMP值进行预测；接种比不是猪粪BMP测试的限制因素，从节省物料与测试时间的角度考虑，建议将猪粪BMP值测试的S/I设为0.5。