奶酪乳清、牛糞和菌糠厭氧共消化產甲烷性能

楊麗英， 邊喜龍， 于景洋， 孫彩玉， 王紅梅， 齊世華, 3

(1.黑龍江建筑職業技術學院， 哈爾濱 150025； 2.黑龍江科技大學 環境與化工學院， 哈爾濱 150022； 3.哈爾濱工業大學 環境學院， 哈爾濱 150090)

有機物厭氧消化是一個復雜的微生物代謝過程，主要包括水解階段、產酸階段、同型產乙酸階段和產甲烷階段[1]。參與上述階段的微生物菌群不同，但微生物群落之間存在一定的相互依賴關系。底物的化學組分及物理性質能夠影響微生物的代謝活性，這對于單底物厭氧消化是至關重要的[2]。例如，動物糞便通常含有難生物降解的纖維素、木質素等組物質，這不利于厭氧消化產甲烷。奶酪乳清富含容易降解的糖分(主要是乳糖)，并且C/N高，這可能導致厭氧消化系統的酸化及運行失敗。菌糠作為食用菌培養基剩余物，粗蛋白和粗脂肪等營養成分豐富，適宜進行厭氧消化。目前，采用兩種以上混合底物進行厭氧共消化的研究越來越多，通過底物混合可以改善營養平衡以利于微生物代謝。李珍[3]等以紫莖澤蘭和牛糞進行厭氧共消化，發現在草糞比1∶2，消化濃度20%及接種物濃度30%下，得到最高甲烷產率為123.05 mL·g-1VS。王艷芹[4]等發現在有機垃圾、牛糞和玉米秸稈配比為1∶1∶1條件下，厭氧消化系統可實現最大甲烷產率為278.92 mL·g-1VS。在某些情況下，通過底物厭氧共消化可以獲得比單底物消化更高的甲烷產量。Hublin and Zelic[5]曾以奶酪乳清和豬糞進行厭氧共消化，在混合比例為10∶90的條件下，獲得最大甲烷產率，并比豬糞單獨消化時提高了100%。到目前為止，以奶酪乳清、牛糞和菌糠3種原料作為厭氧共消化的研究卻沒有。本研究基于黑龍江地區獲取奶酪乳清、牛糞和菌糠原料方便，重點研究3種原料不同組合及不同混合比例下的產甲烷性能，為上述原料的厭氧消化資源化提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 接種污泥

接種污泥取自當地某制糖廠廢水處理系統厭氧池，經分析，污泥總固體(TS)含量為5.6%，揮發性固體(VS)含量為3.9%，pH值為7.3。在實驗之前，接種污泥在35℃下進行10 d的厭氧培養，以減少內源性甲烷產生。經預處理的污泥用清水稀釋至VS含量為1.5%，并接種450 mL至總容積為600 mL的螺旋蓋玻璃瓶中。接種污泥的化學組分可見表1。

1.2 消化原料

奶酪乳清取自黑龍江省某乳業有限公司，牛糞取自黑龍江省某畜牧養殖場，菌糠取自黑龍江某食用菌培養基地。經分析，奶酪乳清、牛糞和菌糠的TS含量分別為15.2%，17.1%和33.6%，VS含量分別為9.3%，11.1%和23.5%，C/N分別為84.4，34.4和10.1。3種原料儲存于4℃的冰箱內待用，它們的化學特性可見表1。

1.3 實驗設計

奶酪乳清、牛糞和菌糠3種原料的混合比例設計可見表2，每組3次重復，共計66個螺旋蓋玻璃瓶。每個螺旋蓋玻璃瓶中添加36 g消化底物(以VS計)并通氮氣5 min以維持厭氧條件，然后置于恒溫培養箱中在35℃下以90 rpm·min-1的頻率震蕩培養。

表1 接種污泥計及消化原料的化學組分

表2 實驗設計

1.4 分析方法

產氣量采用LML-1型濕式氣體流量計進行測定。氫氣、甲烷和二氧化碳含量采用7890B型氣相色譜(美國安捷倫)進行測定，配置熱電導檢測器，并采用氮氣作為載體(40 mL·min-1)。柱溫和檢測室的溫度分別為150℃和90℃。揮發性有機酸(VFAs)采用1260 Infinity II型液相色譜(美國安捷倫)進行測定，配置氫火焰離子檢測器，并采用氮氣作為載體(30 mL·min-1)。柱溫和檢測室的溫度分別為190℃和220℃。

C，N，H元素通過CHN-1000儀器(美國力可)進行測定，微量元素采用7700X ICP-MS儀器(美國安捷倫)進行測定。TS，VS，灰分和pH值通過國家標準方法[6]進行分析。

1.5 生物降解率計算(f)

生物降解率計算過程根據Vivekanand V[7]提出的方程確定：

CnHaObNc+(n-a/4-b/2+3c/4)H2O→(n/2+a/8-b/4-3c/8)CH4+(n/2-a/8+b/4+3c/8)CO2+cNH3

(1)

(2)

(3)

式中：CnHaObNc為有機物分子式；f為生物降解率，%；B為理論甲烷產量，L；Y為實際甲烷產量，L。

2 結果與討論

2.1 不同原料化學組分分析

菌糠的TS含量幾乎為奶酪乳清和牛糞TS含量的兩倍，VS含量亦高于奶酪乳清和牛糞的VS含量。考慮到菌糠的TS含量和VS含量及微量元素含量，菌糠具備較高產的甲烷潛能，從菌糠的低灰分含量值亦能看出。底物元素組成是評價其產甲烷性能的重要參數之一，尤其是C/N，平衡的C/N可有效促進微生物生長和減少氨的抑制。從表1可以看出，奶酪乳清的C/N最高，牛糞次之，菌糠最低，分別為84.4，34.4和10.1。厭氧消化最佳C/N在20～30之間，3種原料C/N均未在最優范圍內。盡管氮元素對微生物的生長是至關重要的，但高含氮量底物可能會導致游離氨的累積并抑制厭氧消化性能。不同原料的底物配比可確定不同的C/N，高含氮量的菌糠分別與低含氮量的牛糞和奶酪乳清進行混合消化，可調節適于微生物生長的C/N。

厭氧消化過程中微生物代謝需求的典型C∶N∶P∶S比為600∶15∶5∶1[8]。根據表1和表2可以計算，奶酪乳清、牛糞和菌糠的C∶N∶P∶S比分別為40.2∶0.5∶8.2∶1.0，15.0∶0.4∶1.5∶1.0和9.9∶1.4∶1.9∶1.0。這表明3種底物之間的營養比例差異較大，而且P和S元素含量充足。微量元素如鐵、鎳、鈷、硒、鉬、鎢對微生物的生長是重要的。根據Ebner J H[9]研究發現的厭氧微生物微量元素基本需求量，本系統菌糠中鐵、鎳、鈷含量不足，鉬含量剛好滿足最基本需求量，牛糞中鐵、鈷、硒、鉬含量充足，鎳含量剛好滿足最基本需求量，奶酪乳清中硒含量不足，鈷含量剛好滿足最基本需求量。但考慮到接種污泥中富含各微量元素，底物中微量元素含量的差異將對微生物代謝性能產生較小影響。

2.2 不同原料組合產甲烷性能

圖1為奶酪乳清、牛糞和菌糠單獨消化時的系統甲烷產率變化情況。從圖中可以看出，奶酪乳清、牛糞和菌糠單獨消化時的最大甲烷產率分別為291±18 mL·g-1VS，195±16.4 mL·g-1VS和731±22.7 mL·g-1VS。菌糠的甲烷產率最高，奶酪乳清次之，牛糞的甲烷產率最低。根據公式(1)和公式(2)計算可知，菌糠的生物降解率最高，為94%，牛糞的生物降解率最低，為32%。這是因為菌糠經菌絲分解后，其所含的粗纖維和木質素都大大降低，蛋白和脂肪大大提高，易于被厭氧微生物利用，而牛糞中含有大量難生物降解的纖維素、半纖維素等物質，難以被厭氧微生物利用降解[3]。本研究得到的甲烷產率可與其他研究結果比較，Amon[10]，Lo[11]和秦文弟[12]等分別曾以牛糞、奶酪乳清和菌糠作為單獨消化底物進行厭氧消化，可得到甲烷產率分別為136～296 mL·g-1VS，127～327 mL·g-1VS 和620 mL·g-1VS。

圖1 奶酪乳清、牛糞和菌糠單獨消化時系統甲烷產氣率的變化情況

圖2～圖5為不同原料組合混合消化時的甲烷產率變化情況。從圖中可以看出，在運行的第30 d，各組甲烷產率分別達到最大值。圖2為奶酪乳清和牛糞混合消化時的甲烷產率變化情況。在不同的混合比例(85∶15；75∶25；50∶50；25∶75；15∶85)下，系統最大甲烷產率分別達到313±11 mL·g-1VS，308±12 mL·g-1VS，289±10 mL·g-1VS，266±9 mL·g-1VS和247±8 mL·g-1VS。所有混合比例消化得到的甲烷產率高于牛糞單獨消化時得到的甲烷產率。當奶酪乳清和牛糞混合比例為85∶15和75∶25時，系統甲烷產率高于奶酪乳清單獨消化時的甲烷產率，這表明牛糞的少量添加可提高奶酪乳清的產甲烷性能，主要原因為牛糞的添加降低了底物的C/N，補充的氮元素有利于微生物厭氧消化。但隨著牛糞比例的提高，盡管氮含量在提高，但混合底物中難降解有機物含量增多，反而會導致甲烷產率呈下降趨勢。從表3可以看出，混合原料的生物降解度率隨牛糞比例的提高而降低，這主要與牛糞中含有的難生物降解組分有關，同時也從側面解釋了甲烷產率下降的原因。

圖2 奶酪乳清和牛糞在不同混合比例下消化產甲烷率的變化情況

從圖3可以看出，當對奶酪乳清和菌糠進行混合消化時，不同混合比例下可得到系統的最大甲烷產率在598±18 mL·g-1VS～722±16 mL·g-1VS之間，甲烷產率隨菌糠比例的提高逐步升高。較奶酪乳清單獨消化時的甲烷產率均有大幅度的提高，主要原因為菌糠的添加大大降低了混合底物的C/N。但不同混合比例下的甲烷產率均低于菌糠單獨消化時的甲烷產率，這表明奶酪乳清的增加會一定程度上影響菌糠的產甲烷性能，主要原因為奶酪乳清中的碳含量相對較低，導致被微生物利用的含碳有機物的量減少。隨著菌糠比例由15%提高到85%，混合原料的生物降解率由83%上升到92%(見表3)。

圖3 奶酪乳清和菌糠在不同混合比例下消化產甲烷率的變化情況

圖4為牛糞和菌糠混合消化時的甲烷產率變化情況。同樣的，最大甲烷產率隨菌糠比例的提高而增加，由267±7.5 mL·g-1VS提高到773±12 mL·g-1VS，且均高于牛糞單獨消化時的甲烷產率。當菌糠比例為75%和85%時，混合消化最大甲烷產率分別為751±12 mL·g-1VS和773±16 mL·g-1VS，高于菌糠單獨消化時的甲烷產率，這表明少量牛糞的添加會促進菌糠的產甲烷性能，主要原因為牛糞的添加提高了菌糠的堿度及微量元素(錳、鈷、鎳)，更有利于厭氧微生物的分解代謝活動。牛糞和菌糠混合消化的可生物降解度在79%～105%之間，而牛糞和菌糠單獨消化時的可生物降解度分別為32%和94%，菌糠比例的提高同樣會提高牛糞的生物降解率。理論上，有機物生物降解率總是低于100%，因為部分有機物難以被微生物利用或不可微生物降解，而且部分有機物(3%～15%)會被用于微生物的代謝生長[13]。本研究中，當菌糠比例為75%和85%時，生物降解率分別達到了101%和103%，這與樣品的異質性和元素組成測量的不確定性有關，樣品的異質性可能會影響元素成分分析的測量精度。

圖4 牛糞和菌糠在不同混合比例下消化產甲烷率的變化情況

表3 不同原料混合比下系統運行性能

圖5為奶酪乳清、牛糞和菌糠三種原料混合消化甲烷產率的變化情況。從圖中可以看出，在不同的混合比例(40∶40∶20；33∶33∶34；20∶20∶60；10∶10∶80)下，系統最大甲烷產率分別為332±16 mL·g-1VS，418±8 mL·g-1VS，607±11 mL·g-1VS和763±12 mL·g-1VS。較奶酪乳清和牛糞單獨消化得到的甲烷產率均由不同幅度的提高，當菌糠比例為80%時，系統甲烷產率高于菌糠單獨消化時的甲烷產率，這表明在此混合比例下，奶酪乳清和牛糞的少量添加可提高菌糠的產甲烷性能。

圖5 奶酪乳清、牛糞和菌糠在不同混合比例下消化產甲烷率的變化情況

3 結論

通過對奶酪乳清、牛糞和菌糠3種原料在不同組合、不同混合比例下產甲烷性能研究，得出如下結論：

(1)采用奶酪乳清和牛糞混合消化，系統最大甲烷產率較牛糞單獨消化時得到有效提高，當牛糞比例為15%和25%時，系統甲烷產率高于奶酪乳清單獨消化時的甲烷產率。

(2)采用奶酪乳清和菌糠混合消化，系統最大甲烷產率均高于奶酪乳清單獨消化值，但低于菌糠單獨消化時的甲烷產率。

(3)牛糞和菌糠混合消化時，當菌糠比例為75%和85%時，系統最大甲烷產率高于菌糠單獨消化時的甲烷產率。

(4)奶酪乳清、牛糞和菌糠混合消化得到的最大甲烷產率均高于奶酪乳清和牛糞單獨厭氧消化值，當奶酪乳清和牛糞比例分別為10%時，系統甲烷產率高于菌糠單獨消化時的甲烷產率。