接種量對農牧業混合原料干發酵產氣性能的影響

李金平， 趙立磊， 黃娟娟， 王春龍， 崔維棟

(1. 蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心， 甘肅 蘭州 730050； 2. 西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 甘肅 蘭州 730050； 3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 甘肅 蘭州 730050； 4.蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730050)

甘肅省2016年年產各類農作物秸稈資源2500.34萬噸，其中玉米秸稈達1349多萬噸，蔬菜種植面積達54.70 hm2，產量約1951.48萬噸，年產尾菜至少584萬噸，而其中種植面積最大的為甘藍，商品菜/尾菜為0.45，尾菜產生量巨大[1]。厭氧消化反應是實現農牧業有機廢棄物向生物燃氣轉化的有效途徑之一。作為厭氧消化反應的形式之一，干式厭氧發酵是反應底物固體含量大于20%的厭氧消化反應[2]。與濕式厭氧發酵相比，干發酵能夠適應各種來源的固體有機廢棄物，節約水資源，需水量低甚至不需要外加水[3]，外排沼液少，后續處理費用低[4]，占地面積小，更容易實現環境友好化及經濟最大化[5]。

關于干式厭氧發酵的研究已有一些，已有的研究表明混合原料干式厭氧發酵效果要優于單一原料干式厭氧發酵。李繼紅等使用土豆和秸稈混合作為底物和牛糞進行厭氧發酵，在中溫條件下與玉米秸稈單一原料發酵進行對照，發現玉米枯稈和土豆TS比為4∶1條件下, 混合原料的累積產氣量為439 mL·g-1TS，而玉米秸稈的累積產氣量為309 mL·g-1TS，比其單一原料厭氧發酵提高了31.4%[6]。Md Anisur Rahman[7]等使用家禽糞便分別與小麥秸稈和雜草在中溫條件下進行厭氧發酵，與家禽糞便單一原料發酵對照，發現經過90 d的發酵時間，混合發酵試驗組沼氣產量和生物甲烷均高于單一發酵組，其中最優比例的小麥秸稈和雜草試驗組累計產氣量相較于單一發酵組分別提高了30%和33.9%。混合原料進行厭氧發酵能提高營養物的平衡和增強微生物的協同效應進而提高有機質厭氧轉化效率的作用[8]。調整厭氧發酵原料與接種物的比例對厭氧發酵的結果有著決定性的影響。李文哲[9]等以稻桿為原料進行中溫發酵，以原料/接種物為1∶1，1∶2和1∶3進行對照，發現原料/接種物為1∶2的試驗組累計產氣量最高，分別比1∶1和1∶3試驗組高93.71%和15.14%，適量的接種物可以提高厭氧消化系統的緩沖能力，有利于產氣高峰提前。Gabriel Capson-Tojo等以餐廚廢棄物與接種物的VS比值分別為0.5，1和4比例進行了干發酵，發現只有0.5 gVS·g-1VS的發酵組會產生甲烷，其它兩組厭氧發酵體系的堿度不足以中和可揮發性脂肪酸，導致體系pH值過低，抑制古生菌，發生酸化停止產氣[10]。接種量直接影響厭氧發酵過程的啟動快慢及產氣率的高低。進料時如果接種量不足，將會導致發酵菌群減少易出現“酸中毒”現象[11]，接種量大，會造成TS降低，處理負荷降低會使反應器容積利用率低。

綜上所述，接種量和混合原料配比對厭氧發酵過程有著重要影響，結合甘肅省農牧業資源豐富與干式厭氧發酵的優勢，本文試驗研究了中溫(37℃±1℃)TS為20%條件下，不同數量接種污泥與牛糞玉米秸稈或牛糞甘藍菜葉混合后的干發酵過程。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈取自于甘肅省蘭州市魏嶺鄉，自然風干的玉米秸稈經粉碎搓揉成長度為3～5 cm的顆粒備用；牛糞取自蘭州市晏家坪奶牛養殖場；甘藍葉從蘭州理工大學后勤菜市場收集，切碎成了1～2 cm的顆粒；接種污泥為蘭州市紅古區奶牛場沼氣工程產生的沼液與牛糞按1∶1比例在37 ℃密封馴化30 d后所得的底物。試驗原料的理化特性如表1所示。

表1 試驗原料及接種物理化特性 (%)

1.2 試驗裝置及方法

厭氧消化試驗裝置為7.5 L發酵瓶，有效填料容積為5.0 L。將發酵原料和接種物按一定比例混合后，裝瓶，充氮氣 5 min排除反應器中的空氣，發酵瓶以帶玻璃管的橡膠塞密封，通過乳膠管連接于另一個7.5 L盛滿水的集氣瓶，通過排水法計算日產氣量。發酵瓶置于恒溫水浴箱中，在溫度(37℃±1℃)條件下進行厭氧發酵試驗。其中，牛糞分別與玉米秸稈和甘藍葉以7∶3和9∶1的比例(以TS計)混合，其中牛糞與秸稈為混合原料的最優比例為7∶3[12]，而以牛糞與甘藍葉為混合原料進行干發酵試驗，由于甘藍葉的TS較低，要想符合試驗設計發酵罐反應體系TS為20%的條件，牛糞與甘藍葉的比例只能為9∶1。接種污泥分別以總質量的20%，30%和40%接種量投加，通過計算，將原料與接種污泥混合均勻之后添加蒸餾水調整發酵瓶內TS至20%。各原料及接種物投加質量如表2所示。試驗期間每晚20∶00按時取樣測量發酵瓶內pH值及產氣情況，并在早晚定時水浴震蕩發酵罐30 min起到攪拌作用，間隔六天測量瓶內氨氮變化情況。

表2 各原料及接種物投加量

1.3 測量指標、測試方法與儀器

試驗原料TS采用恒定質量法，105℃烘干至恒定質量；VS采用灼燒法，在 550℃馬弗爐灼燒 4～6 h，冷卻至恒重稱質量；總氮采用凱氏定氮法測定；總碳采用重鉻酸鉀氧化法測定；氣體中甲烷含量采用便攜式沼氣分析儀(Biogas 5000, 英國Geotech公司)測定；pH值采用雷磁pH計(PHS-23C，上海儀電科學儀器股份有限公司)測定；氨氮含量采用水質分析儀(5B3C，蘭州連華環保科技有限公司)測定。

2 結果與分析

2.1 接種量對厭氧消化產甲烷特性影響

2.1.1 日產氣量

接種量影響厭氧發酵過程中產氣性能和啟動速度。圖1是混合原料牛糞與秸稈在不同數量的接種污泥條件下日產氣量隨時間變化的關系圖。從圖可以看出G2和G3厭氧發酵試驗在第1天就可以啟動，而接種量為20%的G1在第3天才開始產氣。這是由于經過馴化的接種污泥中含有大量的產甲烷菌，可以與混合原料接觸迅速發生反應開始正常產氣，并且接種量越多的試驗組第1天的產氣量越高，G3第1天產氣量就達到4.88 L，容積產氣率達0.98 L·L-1。接種量還影響到產氣高峰的早晚[13]，G1，G2，G3這3組試驗分別到達第1個產氣高峰所需時間分別為12 d，8 d和4 d，第2產氣高峰所需時間分別為17 d，12 d和10 d。第1個產氣高峰的出現是由于接種污泥中的產甲烷菌與混合原料中容易被降解的糖類經過水解、酸化階段形成的可揮發性脂肪酸反應生成甲烷，而第2個產氣高峰是由于玉米秸稈中被緩慢降解的木質素、纖維素經過水解、酸化階段形成的揮發性脂肪酸反應生成甲烷，而過程中越高的接種量就帶來越多的產甲烷菌，產氣高峰出現得更快[14]。試驗表明接種量可以有效地提高產氣量，提高接種量可以顯著地提高產氣速率。在一定范圍內，添加的接種量越多，產氣量越高。

圖1 玉米秸稈與牛糞為混合原料的日產氣量

圖2是牛糞與甘藍葉混合原料在不同數量的接種污泥條件下日產氣量隨時間變化的關系圖。從圖上可以看出G4，G5和G6試驗組都能正常啟動，接種量為30%的G5試驗組最大日產氣量為8.90 L，而G4和G6日產氣量分別為8.64 L和7.79 L。雖然蔬菜廢棄物進行發酵極易出現酸化現象，pH值迅速降低，會對體系內甲烷菌產生抑制，甚至導致反應停止[15]。但是在本試驗中為保證反應體系TS為20%，投加了大量的牛糞，而牛糞的氨氮含量較高可以改善體系中的酸堿度，使得反應正常進行。G5試驗組產氣量高于其他兩組，這說明以甘藍菜葉作為底物進行厭氧發酵，首先要控制好反應體系中的酸堿度，其次接種量并不是越高越好，接種量可以提高有機質的降解率，接種量越大，有機質利用率增加，單位有機質產氣率增高。但由于容積一定，30%的接種量的產氣量高于其它試驗組，這是由于高的接種量反而會降低反應器的容積利用率，接種污泥與有限的甘藍菜葉反應，過多的接種污泥反而不能使產氣最大化。

圖2 甘藍葉與牛糞為混合原料的日產氣量

2.1.2 累計產氣量

圖3是不同混合原料在不同量的接種污泥條件下累計產氣量隨時間變化的關系圖。其中G3試驗組在整個厭氧發酵階段累計產氣量為207.46 L，是G2試驗組累計產氣量153.02 L的1.36倍，是G1試驗組累計產氣量128.94 L的1.61倍。且G1，G2和G3試驗組平均甲烷含量分別為45.5%，50.3%和52.2%，累計產甲烷量分別為64.41 L，74.52 L和98.97 L。而G5試驗組在整個厭氧發酵階段累計產氣量分別為159.96 L，相較G4試驗組累計產氣量121.34 L提高了31.83%，相較G6試驗組累計產氣量114.65 L提高了39.52%。且G4，G5和G6試驗組平均甲烷含量分別為41.7%，47.8%和46.4%，累計產甲烷量分別為52.95 L，77.89 L和52.88 L。G1，G2和G3試驗組累計產氣量隨接種量的增加而增加；G4，G5和G6試驗組接種量為30%的試驗組累計產氣量高于其他兩試驗組。這可能是由于當牛糞與秸稈為混合原料時，秸稈中含有木質素、纖維素等大分子只能被緩慢降解的有機物可以保證厭氧發酵過程中始終有充足的底物被消化進而轉化為甲烷；而牛糞與甘藍葉為混合原料時，G6試驗組雖然接種量為40%，但在經過產氣高峰后，產氣量迅速降低，累計產氣趨勢明顯低于其它兩組。這是由于大量的接種物補充了大量的產甲烷菌，使得發酵初期大量消耗反應底物，雖然G6單位有機質利用率在同樣的容積的條件下遠高于G4和G5，但后期反應罐中發酵底物減少，產氣量也迅速減少，這也與劉榮厚[16]等人的研究結果一致。并且在每天定時震蕩罐體的同時發現，可能由于秸稈中的纖維物質，G1，G2和G3試驗組罐體內物料呈結塊狀，經過搖晃后狀態無明顯變化；而G4，G5和G6試驗組經過搖晃后由塊狀變為泥漿狀，蔬菜中含有大量水分，可以在發酵過程中產生自由水，增強發酵過程中物質的交換。

圖3 不同混合原料的累計產氣量

2.2 pH值及氨氮含量變化

厭氧發酵體系中的酸堿度是保證反應順利進行必要條件。一般認為，反應體系pH值應保持在6.8～7.2內，pH值無論低于6.4還是高于7.6，都會對產氣有抑制作用，一旦pH值低于5.0，則產甲烷菌會完全受到抑制[17]。而體系中的氨氮含量是維持pH值保持穩定的關鍵，厭氧消化過程的水解、酸化階段是將有機物大分子物質水解然后經過產酸菌作用生成揮發性脂肪酸，會導致體系pH值迅速降低，但大部分可被生物降解的有機氮被還原成消化液的氨，會調節體系的pH值，避免體系被酸化停止產氣。

圖4是牛糞與秸稈為混合原料進行厭氧發酵體系中pH值以及氨氮含量隨時間變化的關系圖，從圖可以看出3組試驗pH值及氨氮變化趨勢大致相同。反應開始前G1，G2和G3試驗組pH值都接近6.9左右，隨著反應進行，體系pH值迅速開始降低，其中G1試驗組在第6天，pH值已經降至6.14，之后pH值水平逐漸恢復正常，在12 d，pH值達6.83，同時G1試驗組也迎來第1個產氣高峰。而G3試驗組隨著反應的進行，體系pH值在經歷短暫的下降之后迅速回升，這是由于接種了大量的污泥的G3試驗組，大量的產甲烷菌消耗水解、酸化階段生成的可揮發性脂肪酸，平衡體系酸堿度，這也可能是G3試驗組在第4天就達到第一產氣高峰的原因。在整個發酵周期三組試驗組的氨氮含量均處于正常范圍，G1試驗組的氨氮含量范圍為396～1250 mg·L-1，G2試驗組的氨氮含量范圍為268～972 mg·L-1，G3試驗組的氨氮含量范圍為230～872 mg·L-1，何世均等人研究證明氨氮在當氨氮濃度小于 400 mg·L-1時，對體系表現為促進產甲烷作用，當氨氮濃度大于800 mg·L-1時開始表現為抑制產甲烷作用，抑制濃度為7%，并且抑制作用強度與氨氮濃度呈正相關，不會影響厭氧反應的進行[18]。當氨氮質量濃度為1500～3000 mg·L-1時，開始對厭氧發酵過程產生一定的抑制作用[19]。

圖4 玉米秸稈與牛糞為混合原料的pH值及氨氮含量

圖5是牛糞與甘藍葉為混合原料進行厭氧發酵體系中pH值以及氨氮含量的變化情況，從圖可以看出3個試驗組都從初始pH值6.9左右迅速降低，G6試驗組在第3天降到最低值6.03，這是由于蔬菜廢棄物容易發生酸化[20]，但本次試驗中甘藍葉的占比較低，接種污泥馴化時間長，使得G4，G5和G6試驗組都正常產氣，并沒有發生酸化現象。3組試驗組的氨氮含量均處于正常范圍，G4試驗組的氨氮含量范圍為170～1122 mg·L-1，G5試驗組的氨氮含量范圍為130～828 mg·L-1，G6試驗組的氨氮含量范圍為238～1054 mg·L-1。混合原料進行干式厭氧發酵，不僅使得系統酸堿度處于正常范圍內，還能通過協同作用提高產氣量，合適的接種量還能提升厭氧發酵的穩定程度，保證產氣的的穩定性。

圖5 甘藍葉與牛糞為混合原料的pH值及氨氮含量

2.3 各試驗組物質轉化效果

單位TS和VS產氣量可反映各試驗組混合原料可生物降解性，亦可表明接種量對混合原料干發酵的影響效果，如表3所示，且一般認為，累計產氣量達到總產氣量的80%的時間亦可考量厭氧發酵完成程度[21]，用T80表示。G3試驗組的TS和VS產氣量分別為203.4 mL·g-1和289.1 mL·g-1，TS和VS去除率分別為59.40%和58.15%，均為秸稈與牛糞混合試驗組最高，且T8019天即可達到；而G5試驗組除VS去除率59.06%外，其他數據均為甘藍葉與牛糞混合試驗組最高，G6試驗組VS去除率高的原因可能由于大量的接種液補充了大量的產甲烷菌，使得發酵初期大量消耗反應底物，厭氧發酵后期沒有足夠底物提供原料，這也與G6試驗組累計產氣量最終低于G5相呼應。

表3 不同接種量物質轉化效果的比較

3 結 論

(1)牛糞與秸稈為混合原料的試驗組，G3試驗組累計產氣量207.46 L，平均甲烷含量52.2%,日最高產氣量為11.76 L，日平均容積產氣率為1.09 L·L-1,累計產甲烷量98.97 L。在一定范圍內，接種量越高，累計產氣量越高，產氣高峰到來越快；G2和G3試驗組均能在第1天就開始產氣；并且長時間馴化的接種液可以改善厭氧發酵體系的酸堿度，體系中氨氮的含量也能維持在正常的范圍內。

(2)牛糞與甘藍葉為混合原料的試驗組，由于蔬菜廢棄物的特殊性，適中的接種量會使得厭氧反應產氣增高，并能維持極易被甘藍葉酸化的反應體系，體系中氨氮的含量也能維持在正常的范圍內；3個試驗組均能在第1天就完成啟動。

(3)干式厭氧發酵反應要使得產氣最大化和廢物減量最大化，反應條件控制條件極為嚴苛。但農牧業廢棄物混合發酵大大降低了原料篩選的難度，合適的配比與接種量也大大增加了產氣的效率，可以更好的為農牧業廢棄物的高效利用帶來指導意義。