滲濾液回流和分層接種對豬糞厭氧干發酵的影響

孔德望 宋香育 張克強

摘要：以降低厭氧干發酵過程揮發性有機酸（VFAs）積累、提高產氣性能為目的，研究滲濾液回流、分層接種及2種處理組合的工藝措施對豬糞添加蛭石體系中溫（37 ℃）發酵性能的影響。結果表明，滲濾液回流能夠降低發酵體系中的VFAs和氨氮質量分數，各組VFAs質量分數均低于0.80 mg/g，分層接種條件下回流組總VFAs和乙酸質量分數均低于不回流組;氨氮質量分數隨時間延長逐漸升高，38 d時各處理組質量分數分別為2.72、2.95、2.79 mg/g，均低于對照組（3.06 mg/g），整個過程中兩回流組氨氮質量分數均低于對應不回流組;滲濾液回流組的累積揮發性物質（VS）甲烷產量為212.0 mL/g，分別比其他3個處理組高6.1%、8.4%和9.9%，由修正的Gompertz方程預測得到最大累積VS產甲烷量、最大產甲烷速率和達到最大累積VS甲烷產量90%所需的時間（T90）分別為207.7 mg/g、14.9 mL/（g·d）和19.8 d，均優于其他處理組;分層接種與不分層接種的累積VS產甲烷量在前10 d差異極顯著（P<0.05），末期無顯著差異。

關鍵詞：厭氧發酵;豬糞;滲濾液回流;分層接種

中圖分類號： X705 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0300-06

近年，我國畜禽養殖業迅猛發展，畜禽糞便量也隨之激增，2011年產生總量約為25.45億t，其中清運量僅占 0.90%，有相當大比例的畜禽糞便未得到有效處理[1-2]，不僅浪費了資源，而且造成嚴重的空氣污染、氮磷及重金屬污染、抗生素的遷移和病原菌擴散等危害[3-5]。厭氧干發酵因其產生清潔能源、能耗低、有機負荷高等優點，被廣泛地應用于畜禽糞便、農作物秸稈等農業廢棄物的處理[6-7]，但在實際應用中，仍存在啟動慢、傳質差、難攪拌、酸積累和運行不穩定等問題[8-10]。

針對以上問題，國內外學者開展了眾多研究，其中滲濾液回流是研究的重點。該工藝能提高發酵罐內底物質量分數和微生物總量，并加強底物、微生物與水分間的相互接觸和作用，提高系統緩沖能力和產氣量，對于濕發酵同時能實現沼液減排，降低后續深度處理的壓力[11-12]。徐霄等以干稻草和豬糞為原料，比較不回流、每天回流、產氣趨勢下降后回流以及兩相法回流等4種方式，發現回流處理的總產氣量較不回流對照分別提高了9.53%、23.13%和12.74%，其中，以產氣趨勢下降后再回流的方式為最優，表明回流能將底物中局部積累的酸沖洗、溶解至濾液，明顯提高產氣率[13];王馨儀等在對餐廚垃圾的沼液回流試驗中發現，30%的回流比使系統日平均產氣量提高13.0%，在反應后15 d，不同回流比下的揮發性有機酸（VFAs）平均值均低于不回流組，回流能使VFAs降解更充分，提高系統的緩沖能力[14]。

在滲濾液回流的同時，袁巧霞等在反應器內部增加分層床，對發酵原料進行分層，結果表明，分層對累計產氣量、最大產氣量及甲烷體積分數等均有顯著影響，當床層厚度由 250 mm 降為150 mm時，累計產氣率由135.7 mL/g增加到 172.1 mL/g，提高了26.8%[15]。作為一種吸附材料，聶發輝研究了蛭石對污水中氨氮的吸附作用，發現蛭石具有較高的吸附容量，飽和吸附量為20.83 mg/g[16];但是蛭石應用于厭氧發酵中鮮有報道，宋香育的前期研究表明，將蛭石添加在豬糞中進行發酵，能增加體系游離水含量、提高傳質效率和微生物的繁殖速率、避免酸積累[17]。另外，蛭石作為一種土壤改良劑能降低植物對重金屬的吸收[18]，有利于沼渣的后續農用。

因此，本試驗在前期研究的基礎上，于豬糞中添加適量的蛭石，研究滲濾液回流和分層接種對厭氧干發酵的影響，為豬場糞污的厭氧發酵處理提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬糞和蛭石取自天津市某養殖有限公司，取當日產鮮豬糞冷藏于（4±1） ℃的冰箱中，20～40目的蛭石儲存于陰涼干燥處。消化污泥取自天津市某牧業有限公司穩定運行的中溫厭氧發酵反應器，離心（10 000 r/min，20 min）后的固體作為接種物。原料和接種物特性見表1。

1.2 試驗設計

厭氧發酵試驗于2012年6月21日至2012年7月27日，在農業部環境保護科研監測所（天津市南開區）的恒溫發酵室中進行。試驗設計見表2，4種發酵方式均以豬糞和蛭石混合物為底物（干物質質量比為3 ∶ 1），接種率為30%（以TS計，m接種物/m發酵體系=0.3），總進料量為850 g（TS含量為20%），每種發酵方式3個重復。T0為對照組;TR：滲濾液收集于反應器底部，每3 d回流1次;TL：接種物和發酵底物不混合，依次分3層進料;TLR：接種物和底物依次分3層進料，滲濾液收集于反應器底部，每3 d回流1次。進料結束后向各反應器中通入氮氣，排除殘余的空氣，創造厭氧環境，最后將反應器置于（37±1） ℃恒溫發酵室內進行發酵。

每日測量產氣量、甲烷及二氧化碳的體積分數;每3 d采集消化樣品，測量pH值、VFAs和氨氮等指標，分層接種的反應器采集底部的滲濾液測量以上指標，以避免分層結構被破壞。

1.3 試驗裝置

試驗采用有效容積為1 L的有機玻璃材質的立式反應器（圖1），其中TR和TLR反應器距底部5 cm處安裝孔徑為 1.0 mm 的可摘卸多孔濾板，產生的滲濾液通過濾板進入收集室用于回流，T0和TL反應器不放置濾板。

1.4 分析方法

干物質量和揮發性物質采用重量法測定，溶解性化學需氧量（SCOD）采用重鉻酸鉀法測定，氨氮質量分數采用滴定法測定，總有機碳（TOC）含量采用總有機碳分析儀（德國元素）測定[19];pH值：樣品稀釋10倍后用pH計（Mettler-Toledo）測定;氣體產量用濕式氣體流量計測量，CH4和CO2的百分含量及揮發性有機酸（VFAs，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸）質量分數采用前期試驗的處理及分析方法[17]。

1.5 累積產甲烷曲線擬合

2 結果與分析

2.1 產甲烷特性

由圖2可知沼氣中甲烷的體積分數、每日VS產甲烷量和累積VS產甲烷量的變化趨勢，而表3顯示了各處理累積VS產甲烷量差異顯著性。其中，各處理的產甲烷規律相似，在甲烷的體積分數上，對照組在6 d達到50%，而TR、TL和TLR處理分別為5、5、4 d，表明3種處理均能夠在發酵初期快速提高甲烷的含量，15 d后甲烷體積分數均低于50%并開始逐漸下降，表明體系中還有大量的物質沒有降解，同時，日VS產甲烷量開始下降，累積VS產甲烷量也基本達到穩定。日VS產甲烷量在5、12 d前后為2個產氣高峰期。

滲濾液回流組TR的37 d累積VS產甲烷量為 212.0 mL/g，分別比T0、TL和TLR高6.1%、8.4%和9.9%;同時，日VS產甲烷量在前15 d也高于其他組，2個高峰日的VS甲烷產量分別為15.9、17.6 mL/（g·d），由此可知，滲濾液回流能適當提高產氣性能[21]，但差異不明顯，可能由于本試驗把3 d累積產生的滲濾液全部回流，未達到最佳回流比和時間。

分層接種的2組（TL、TLR）累積VS產甲烷量相當且最低，TLR組日產甲烷量僅在4～15 d高于TL，由此可見，滲濾液回流對分層處理的產氣效率也有一定的提高，但效果甚微。由表3可知，TL與T0、TR和TLR在前20 d累積VS產甲烷量存在顯著差異。

2.2 pH值和VFAs質量分數變化

由圖3、圖4可知試驗中pH值和VFAs質量分數變化趨勢，由圖5可知各處理的乙酸變化趨勢一致，前13 d含量均偏低，與宋香育等研究的豬糞厭氧干發酵過程中前9 d的乙酸變化情況[22]相似，這是由于30%的接種率為發酵體系提供了充足的產甲烷菌，水解產生的乙酸未積累。隨著反應進行，水解產酸菌的生長速度超過產甲烷菌[23]，乙酸質量分數不斷增加，并在16～34 d維持在相對較高水平，之后快速下降。總VFAs質量分數在整個反應過程，均低于已報道的抑制質量分數 1.0 mg/g[23]，表明該試驗過程無明顯酸積累現象。對比圖3發現，4組處理的pH值變化均呈現緩慢上升的趨勢，與總VFAs質量分數的變化相反，可見雖然固態樣品稀釋后測量pH值會產生一定偏差，但總體變化規律仍可以反映發酵體系中VFAs的利用和積累情況。

在T0對照組中，處理16 d的總VFAs質量分數達到最高（0.42 mg/g），但是pH值未出現明顯的下降，在8.1～8.2之間，可能是由于豬糞厭氧發酵體系中較強的緩沖作用[24]。乙酸質量分數在處理4 d時為0.21 mg/g，之后降低到0.07～0.09 mg/g 的范圍內，在處理16 d后升高到0.30 mg/g，略低于分層接種處理，與其他2組處理保持在一個水平。

在回流處理（TR）的發酵過程中，總VFAs和乙酸質量分數分別在0.07～0.24 mg/g和0.06～0.20 mg/g范圍內變化，處于比較穩定的狀態，除處理10 d前后，均低于對照組。同時對照圖2-b，在4～14 d，滲濾液回流的2組（TR和TLR）日產甲烷量均對應高于不回流組，可以看出滲濾液回流有助于加快發酵體系的傳質速率，促進揮發性有機酸向甲烷的快速轉化[25]。

在分層處理（TL）中，總VFAs質量分數在0.09～0.60 mg/g 內變化。乙酸質量分數在處理16 d以后高于其他3組處理，在0.26～0.40 mg/g的范圍內，可能是由于分層處理在接種物和底物的接觸面附近產生高質量分數的乙酸，使該區域的微生物處于抑制狀態[26]。

滲濾液回流和分層接種結合的處理（TLR）中，整個發酵過程中總VFAs質量分數在0.07～0.30 mg/g的范圍內變化，低于分層接種處理（TL），證明在分層接種的基礎上，回流對降低乙酸質量分數具有較好效果。

2.3 氨氮質量分數的變化

氨氮是厭氧發酵過程中的重要指標之一，質量分數過高時會抑制微生物的產甲烷作用。以往關于氨脅迫的研究多集中于濕發酵過程，同樣它也存在于干發酵中，陳闖等對豬糞的厭氧干發酵研究表明，氨氮質量分數大于2.3 mg/g時，會出現明顯的產氣抑制[27];蔣建國等對廚余垃圾的高固體厭氧消化結果表明，前期氨氮質量分數超過1.7 mg/g時，系統呈現氨氮抑制狀態，隨著微生物被馴化，系統抵抗力增強，隨著氨氮質量分數升高至3.0 mg/g時，系統狀態反而較為良好[28]。

由圖6可知，從發酵開始到結束，各處理組的氨氮質量分數均逐漸上升，在前15 d上升速度較快，15 d后逐漸趨于穩定，最高質量分數為3.06 mg/g，結合產甲烷特性可知，發酵體系未發生明顯的氨抑制現象，可能是因為蛭石對氨氮具有較強的離子陽離子交換性[16]，使得體系中的氨氮質量分數降低，還有可能是由于干發酵傳質效率低造成的。T0組和TL組的氨氮質量分數基本處于同一水平，在發酵過程中，氨氮質量分數分別從1.69、1.83 mg/g升高至3.06、2.95 mg/g，在有滲濾液回流處理的發酵組中（TR和TLR），氨氮質量分數分別從1.69、1.74 mg/g升高至2.72、 2.79 mg/g，并且整個過程中兩回流組的氨氮質量分數始終低于對應的不回流組，表明滲濾液回流能明顯降低體系的氨氮質量分數。

2.4 SCOD的變化

由圖7可知，各組SCOD除處理3 d外，均處于同一水平，且緩慢下降，與后期甲烷含量緩慢下降相一致。T0處理的SCOD質量分數在處理3 d（11.00 mg/g）前后高于回流處理，低于分層接種的2個處理，由此可見，發酵初期分層處理水解效率較高，此時滲濾液尚未回流，SCOD較低。

2.5 產甲烷動力學

采用修正的Gompertz方程對4組發酵的累積VS產甲烷量進行擬合，見圖8、表4。各組的擬合曲線均呈現很高的擬合度，因此修正的Gompertz方程可用于模擬預測發酵體系的相關參數。滲濾液回流的2組（TR、TLR）T90分別為19.8、21.5 d，均低于對應的不回流組（T0、TL）;回流組（TR）的預測VS最大產甲烷量和最大產甲烷速率最大，分別為 207.7 mL/g 和14.9 mL/（g·d），但對比TL和TLR發現，除T90外回流組均無明顯優勢。由此可見，豬糞添加蛭石的厭氧干發酵中，滲濾液回流能縮短發酵周期，提高底物和接種物混合發酵體系產氣性，但對分層接種發酵效率無促進作用。

3 結論

滲濾液回流能夠降低厭氧干發酵體系中的VFAs和氨氮質量分數，縮短發酵周期，提高底物和接種物混合體系VS產氣率，但分層接種發酵中滲濾液回流對本試驗的產氣性能無提升作用。

發酵前期分層接種和不分層組的累積甲烷產量存在顯著性差異，后期逐漸變小至無顯著性差異，分層對厭氧發酵的的甲烷體積分數沒有明顯影響。

Gompertz方程是針對厭氧濕發酵開發的，但經過修正后同樣能對添加蛭石的豬糞厭氧干發酵過程表現很好的擬合效果，因此修正的Gompertz方程可用于預測厭氧干發酵過程的相關參數。

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