羊糞與尾菜配比對高固體厭氧消化性能的影響

齊利格娃，張克強，2，田雪力，翟中葳，2，杜連柱，2，丁飛飛，梁軍鋒，2*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.農業農村部大理農業環境科學觀測實驗站，云南 大理 671004）

近年來，隨著集約化、規模化農業的快速發展，我國農業廢棄物的產量與日俱增。據報道，我國每年羊糞與尾菜產量分別高達4千萬t[1]與1億t[2]。這些農業廢棄物多數未得到有效處理而直接排放到環境中，成為影響土壤、水體等環境的污染源。如何解決畜禽糞便、尾菜等農業廢棄物對環境的污染問題已經成為眾多學者研究的熱點。

在各種農業廢棄物的處理方式中，厭氧消化技術是高效的處理方法之一，已在豬糞、雞糞、牛糞、秸稈等農業廢棄物的處理中得到廣泛應用[3-5]。但是，已有大量研究發現運用單一原料進行厭氧發酵的厭氧消化效率不高，而多種原料聯合進行厭氧共發酵可顯著提高厭氧消化效果[6-8]。張洪賓等[9]研究表明，將牛糞與小麥秸稈進行聯合厭氧發酵，其產氣量顯著高于牛糞與秸稈單獨厭氧發酵，其中牛糞與小麥秸稈配比為1∶1時的產氣量比牛糞單獨發酵提高11.5%。Lehtom?ki等[5]將牛糞與不同作物秸稈進行聯合發酵，可以使純牛糞的單位容積甲烷產量提高16%～65%。目前，已有少量關于羊糞與農作物秸稈[10]、城市有機垃圾[11]、豬糞[12]等廢棄物聯合共發酵提高厭氧發酵效率的報道，但尚未見羊糞與尾菜聯合厭氧消化方面的研究報道。

因此，本試驗以羊糞與尾菜作為發酵原料，在初始有機負荷為45 g VS·L-1、中溫（37±1℃）條件下進行高固體聯合厭氧發酵，研究羊糞與尾菜配比對厭氧消化性能的影響，通過對不同原料配比的累積揮發性固體（VS）甲烷產率及修正的Gompertz動力學模型模擬產氣過程，確定較優的原料配比，以期為羊糞與尾菜高固體聯合厭氧發酵在工程上的應用提供理論與技術指導。

表1 發酵原料及接種物的基本理化性質Table1 Basic characteristics of substrates and inoculums

圖1 羊糞與尾菜的有機組分含量Figure1 Organic composition of sheep manure and vegetable residues

圖2 厭氧試驗裝置Figure2 Anaerobic experimental setup

1 材料與方法

1.1 試驗材料

羊糞取自甘肅某規模化舍飼肉養殖場，剔除大塊石子等雜物后置于4℃冰箱中備用。尾菜取自甘肅某蔬菜種植合作社，為娃娃菜收割后的尾菜，經破碎均質后置于4℃冰箱中備用。接種物取自天津某運行良好的污水處理廠厭氧消化階段的厭氧活性污泥。發酵原料和接種物的基本理化特性與有機組分含量分別如表1、圖1所示。

1.2 試驗設計

試驗采用測壓法進行厭氧批式試驗。具體方法如下：采用有效容積為619 mL的厭氧瓶作為厭氧發酵裝置（圖2）。設置初始發酵體系的有機負荷為45 g VS·L-1，試驗共設置7個處理（表2），分別為羊糞與尾菜揮發性固體（VS）質量比1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1，每處理重復3次。試驗中接種物與底物的添加比設置為1.25∶1（VS質量比），用自來水補齊發酵體系的總質量至200 g，剩余頂空體積用于收集沼氣[13]。發酵原料添加完畢后，向厭氧發酵瓶中沖入氮氣，持續2 min，以排盡厭氧瓶頂部空間中的空氣，保持發酵體系的厭氧環境。然后在厭氧瓶頂部塞上丁基橡膠塞，并加蓋擰緊。將各厭氧瓶于37±1℃的恒溫培養箱中避光培養，每日用手搖晃2次，使發酵體系均勻。每日定期使用精密微量氣體壓力測定儀（GWH3111，德國）測定各厭氧瓶中的氣體壓力，并用氣體狀態方程將氣體壓力轉化為氣體體積。定期用注射器采集厭氧瓶頂部的氣體樣品，用于測定沼氣組分含量。

表2 試驗設計Table2 Experimental design

1.3 測定項目與方法

總固體含量（TS）、VS含量采用重量法測定[14]。總有機碳（TOC）由VS乘以0.47計算得到[15]。總氮（TN）采用凱氏定氮法測定，粗蛋白含量由凱氏氮乘以6.25計算得到[16]。根據吳曉杰[17]方法測定羊糞、尾菜和接種物的纖維素、半纖維素與木質素含量。可溶性糖采用蒽酮-硫酸法測定[18]。粗脂肪根據GB/T 5009.6—2003中酸水解法測定。

沼氣組分含量通過氣相色譜儀測定（Trace1300，Thermo，美國），色譜柱采用2 m×φ3 mm的Porapak Q柱，檢測器為熱導檢測器（TCD），采用高純氦氣作為載氣，測定條件為：載氣流速8 mL·min-1，柱溫40℃，檢測器溫度200℃，進樣口溫度120℃[19]。

揮發性脂肪酸（VFAs）通過氣相色譜法測定[20]，色譜柱為30 m×0.35 mm×1 μm的毛細管柱；進樣口溫度為200℃，檢測器溫度為220℃，載氣流速8 mL·min-1。根據胡榮篤[21]的計算方法，將發酵液中各種脂肪酸的濃度換算成乙酸的濃度來計算分析。

1.4 數據處理與統計分析

試驗數據利用Microsoft Excel 2007進行處理，采用SPSS軟件進行方差統計分析和相關性分析。

試驗動力學分析采用修正的Gompertz模型模擬發酵過程中累積VS甲烷產率，該模型可計算厭氧高固體發酵最終甲烷產量、最大產甲烷速率和遲滯期[22-26]。模型方程見式（1）：

式中：M為t時刻累積VS甲烷產率，mL·g-1；P為最終累積VS甲烷產率，mL·g-1；Rm為最大VS產甲烷速率，mL·g-1·d-1；λ為遲滯期，d。

圖3 各處理日產氣量的變化Figure3 The change of daily biogas yield in each treatment

2 結果與討論

2.1 羊糞與尾菜配比對產沼氣性能的影響

羊糞與尾菜不同配比厭氧發酵的日產沼氣產率見圖3。由圖3可知，羊糞單獨厭氧處理（1∶0）在發酵期間僅在第7 d出現一個產氣高峰，日產沼氣量為99 mL。羊糞單獨發酵處理產氣啟動相對滯后，產氣狀態不佳，這可能是由于羊糞的木質素含量很高，不易水解，使得纖維素、半纖維素沒有被有效降解利用，產甲烷菌無法獲得充足的代謝底物，影響其轉化效率[27]。羊糞與尾菜配比為3∶1、2∶1的處理，在發酵期間有兩個產氣高峰，第一個產氣高峰均出現在第2 d，日產沼氣量分別為99、136 mL，第二個產氣高峰分別在第7、8 d出現，日產沼氣量分別為128、157 mL。1∶1、1∶2、1∶3處理在發酵期間有三個產氣高峰，第一個產氣高峰均在第2 d出現，日產沼氣量分別為142、136、151 mL，第二個產氣高峰均在第8 d出現，日產沼氣量分別為178、187、193 mL，第三個產氣高峰分別在第13、15、16 d出現，日產沼氣量分別為105、100、99 mL。尾菜單獨發酵處理（0∶1）在發酵期間有兩個產氣高峰，但第二個產氣高峰與其他處理相比出現時間較晚，這是由于尾菜纖維素、粗蛋白含量較高，易被發酵型細菌水解，在發酵過程中出現了一定程度的揮發性脂肪酸（VFAs）積累，抑制甲烷菌的生長[28]。由此可見，與羊糞或尾菜單獨發酵相比，羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵能夠較大程度地提高生物降解能力和沼氣產量，這與韓文彪等[11]對城市有機垃圾和羊糞進行聯合厭氧發酵的試驗結果一致。

羊糞與尾菜不同配比厭氧發酵的累積VS甲烷產率見圖4和表3。由圖4和表3可知，羊糞與尾菜聯合厭氧發酵可提高甲烷產率。當羊糞與尾菜聯合厭氧發酵時，在發酵的第12 d（厭氧發酵活躍期），各配比（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）累積VS甲烷產率均顯著高于羊糞單獨厭氧發酵處理和尾菜單獨厭氧發酵處理（P＜0.05），分別較羊糞和尾菜單獨發酵處理提高37.2%～69.7%和142.0%～199.4%。在發酵的第32 d（厭氧發酵結束期），各配比（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的累積VS甲烷產率分別為181.6、158.7、194.2、184.6、197.2 mL·g-1VS，均顯著（P＜0.05）高于羊糞單獨發酵處理（147.9 mL·g-1VS），較該處理提高了 7.3%～33.3%；與尾菜單獨發酵處理相比，羊糞與尾菜聯合發酵各處理的累積甲烷產率雖均較低，但羊糞與尾菜1∶1、1∶3配比與尾菜單獨發酵處理相近，方差分析結果顯示差異均不顯著。由此可見，羊糞與纖維類原料適宜的配比不僅可以提前產氣高峰時間，還可以提高甲烷產量、加快產氣速率。張鳴等[29]運用羊糞與麥稈進行聯合厭氧發酵，發現羊糞單獨厭氧發酵最終累積產氣量為6 386.3 mL，而羊糞與麥稈聯合發酵（C/N值為25）最終累積產氣量達到10 072.5 mL，這與本研究的結果一致。

圖4 各處理累積VS甲烷產率的變化Figure4 The change of cumulative methane yield in each treatment

表3 不同配比處理累積VS甲烷產率差異顯著性分析（mL·g-1VS）Table3 Variance analysis of different proportions of cumulative methane yield（mL·g-1VS）

2.2 羊糞與尾菜配比對甲烷含量的影響

實驗過程中各處理甲烷體積分數變化見圖5。如圖5所示，發酵起始階段主要是水解酸化階段，0～5 d時，試驗各處理CH4濃度變化大致相似，主要呈逐漸上升的趨勢，發酵前期主要是上升階段。隨著發酵的進行，甲烷的濃度逐漸趨于穩定，最終維持在60%左右。其中，羊糞與尾菜各配比處理甲烷濃度隨著發酵時間的延長增長較快，而羊糞單獨發酵處理（1∶0）與尾菜單獨發酵處理（0∶1）甲烷濃度則明顯增加較慢。羊糞單獨發酵處理甲烷濃度在整個發酵周期內均低于其他處理；尾菜單獨發酵處理甲烷濃度在發酵的0～5 d幾乎沒有增長，發酵6 d后才呈緩慢增長趨勢，前期的遲滯期較長。

圖5 各處理甲烷體積分數變化Figure5 The change of methane content in each treatment

圖6 不同配比發酵體系TS和VS降解率對比Figure6 Degradation efficiency of TS and VS in different proportions

表4 羊糞與尾菜不同配比產甲烷性能比較Table4 Methane producing performance comparison of different proportions

2.3 羊糞與尾菜配比對TS、VS降解率的影響

不同配比發酵體系TS和VS降解率對比見圖6。發酵原料的TS、VS降解率是衡量厭氧消化性能的重要指標[30]。羊糞與尾菜不同原料配比TS、VS降解率采用發酵前后發酵體系總TS、VS量計算。由圖6可知，添加尾菜各處理的TS降解率為23.2%～28.8%，均顯著高于（P＜0.05）羊糞單獨厭氧發酵處理；VS降解率隨著尾菜比率的增加而提高，1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1處理的降解率分別為 23.9%、29.4%、33.0%、33.5%、35.2%、35.4%、43.2%。

2.4 厭氧發酵甲烷轉化效率

羊糞與尾菜不同配比產甲烷性能見表4。羊糞與尾菜中的碳水化合物、蛋白質等有機質組分含量會影響發酵原料的生物轉化產甲烷效率（BDA）[16]。半纖維素、纖維素、粗蛋白、可溶性糖、粗脂肪、VFAs的分 子 式 可 分 別 表 示 為 C5H8O4、C6H10O5、C5H7O2N、C6H12O6、C57H104O6、C2H4O2，根據M?ller等[31]的公式計算出它們的理論VS甲烷產率分別為467、415、496、373、1014、370 mL·g-1VS。結合羊糞與尾菜有機組分含量（圖1）及VFAs含量，計算BDA，結果如表4所示。由表4可知，羊糞與尾菜配比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的處理BDA值分別為49.4%、44.0%、55.9%、55.3%、60.3%，均明顯高于羊糞單獨發酵處理。這與各處理累積VS甲烷產率顯示出相同的試驗結果。尾菜單獨發酵處理BDA值最高，達到64.6%，而羊糞單獨發酵處理BDA值最低，為38.2%。從圖1可以看出，尾菜纖維素含量很高，纖維素是鏈狀高分子化合物[32]，在發酵過程中可直接被微生物利用。因此，純尾菜處理甲烷轉化效率較高。從圖1亦可看出，羊糞木質素含量很高，由于木質素不易水解，故羊糞單獨厭氧發酵處理的甲烷轉化效率較低。Labatut等[33]對數十種木質素原料進行發酵試驗，結果也表明木質素高的原料甲烷產率較低。

2.5 累積VS甲烷產率動力學模型

試驗采用修正的Gompertz模型模擬羊糞與尾菜聯合厭氧發酵過程，模擬結果見表5，其擬合度較好，R2均在0.99以上。由表5可知，羊糞與尾菜不同配比處理（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的預測最大日VS產甲烷速率均大于羊糞單獨發酵處理，分別提高了58%、31.9%、110.1%、88.4%、117.4%。其中1∶1與1∶3處理預測最大日VS產甲烷速率較高，分別為14.5、15.0 mL·g-1·d-1。同時羊糞與尾菜不同配比處理（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）的遲滯期（λ）與達到最大VS累積甲烷產量90%所需的時間（T90）均明顯短于尾菜單獨發酵處理，分別縮短5.8、5.8、4.6、4.0、3.2 d與 3.8、2.8、6.7、4.7、5.4 d。由此可見，羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵可加快厭氧消化啟動速率并縮短發酵周期。

2.6 羊糞與尾菜配比協同效果分析

羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵后，依據甲烷產率情況，對厭氧發酵協同效果進行分析。將羊糞與尾菜單獨厭氧消化時累積VS甲烷產率數值按照羊糞與尾菜配比計算得出混合組累積VS甲烷產率即為預測值，將預測值與實測值進行比較，結果見表6。由表6可見，羊糞與尾菜配比為3∶1、1∶1、1∶2、1∶3處理的實測值與預測值差值分別為21.1、21.2、3.3、11.7 ml·g-1VS，且標準誤差明顯低于差值，表明均存在協同效應。可見，羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵可產生協同作用。混合原料發酵有利于均衡厭氧發酵體系中的營養元素，解決羊糞單獨厭氧發酵產氣量低和尾菜易酸化的問題，同時增加厭氧系統的緩沖能力[34]，提高厭氧發酵系統的穩定性。

表5 修正的Gompertz模型模擬結果Table5 Kinetics results form modified Gompertz model

表6 羊糞與尾菜配比協同效應分析Table6 Synergy effect analysis of different proportions

3 結論

（1）羊糞和尾菜聯合進行高固體厭氧發酵可提高產甲烷性能。與羊糞單獨厭氧發酵相比，羊糞與尾菜各配比處理均可顯著提高累積VS甲烷產率（P＜0.05）；與尾菜單獨厭氧發酵相比，各處理均可顯著加快產甲烷速率（P＜0.05）。

（2）羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵符合修正的Gompertz方程（R2＞0.99），可用該方程模擬該厭氧消化過程。模型模擬結果表明，羊糞與尾菜聯合高固體厭氧發酵可加快厭氧消化啟動速率并縮短發酵周期。

（3）在中溫高固體厭氧消化工程應用中，建議羊糞與尾菜VS配比為1∶1，設計水力停留時間為20 d，累積VS甲烷產率為194.2 mL·g-1VS。