不同載體材料對牛糞固定床厭氧發酵的影響

白 巖,洪秀杰,劉金力 ,王彥杰 ,楊宏志,周兆芳

(1.黑龍江省寒區環境微生物與農業廢棄物資源化利用重點實驗室，黑龍江八一農墾大學 生命學院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶市農業技術推廣中心，黑龍江 大慶 163411；3.黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319；4.黑龍江省集賢縣二九一農場農業技術推廣中心，黑龍江 雙鴨山 155923 )

目前我國市場經濟提高，人民生活水平富足，從而畜牧業和養殖業迅速發展[1]，產生大量的畜禽糞便。畜禽糞便堆放沒有處理設施，導致我國畜禽糞便環境污染日益嚴重[2]。牛糞在畜禽養殖糞便中約占為70%，但與其他糞便相比，牛糞產氣率不高[3]。為提高牛糞的產氣率，采用傳統的厭氧發酵連續攪拌式反應器工藝，具有能耗低、設備簡單、滅菌效果好等優點[4]，但發酵時間長、沼氣產量低、微生物易隨發酵產物排出而浪費等缺點[5]。林長松[6]等采用炭纖維載體固定床厭氧發酵工藝，研究表明COD去除率和產氣效果較好。

作為載體材料需具有比表面積大、多孔[7]，為微生物固定和生長提供良好條件[8]，增加微生物與載體之間的接觸面積，有利于微生物附著在載體上，形成生物膜，減少了料液中被沖走的微生物的數量，保持較多的生物量，增加了反應器中微生物的密度[9-10]，同時減緩水力剪切的影響，使生物膜難以脫落[11]，從而增加了底物、氣體、微生物的接觸機會，提高傳質效果[12]，促進厭氧發酵。與普通厭氧發酵相比，固定床發酵產廢水量少，降低了后續處理的負擔；微生物固定床載體可以循環使用、而且大多數載體材料成本較低；與微生物懸浮生長相比，提高反應器中的微生物濃度，保護微生物，縮短HRT，從而提高反應器效率；微生物固定化對有毒有害物質有較強的承受能力，具有一定的穩定性；簡化了工藝，節省成本等優勢[13]。

本試驗以牛糞為發酵原料，采用不同載體固定床厭氧發酵，優化發酵參數，提高牛糞的產氣率。

1 材料與方法

1.1 發酵原料與反應器裝置

發酵原料：新鮮牛糞取自黑龍江八一農墾大學動物科技學院實驗基地，其主要性質為：pH值 7.3，總固體含量(TS)18.1%，揮發性固體含量(VS)11.8%，碳氮比(C/N)30.6∶1。試驗前通過過篩去除牛糞中的雜物，并粉碎大塊牛糞。用自來水稀釋至所需濃度，通過攪拌使牛糞和水混合均勻。

酸化階段：所采用的酸化裝置為1 L的無蓋螺口瓶，每次攪拌前安裝攪拌裝置進行攪拌[14]；產甲烷階段：試驗所采用的全混式固定床厭氧發酵反應器：圓柱形結構，有效面積為10.5 L，罐高31.0 cm、半徑為10.4 cm，主要材料為不銹鋼材質。發酵罐頂部設有排氣管和進料口，底部設有排料裝置和電機攪拌裝置，通過隔層水浴加熱控制恒溫。氣體收集裝置：圓柱形容器，主要材料為有機玻璃材質。反應器裝置如圖1所示。

1.溫控儀；2.進料口；3.攪拌電機；4.排氣口；5.攪拌槳；6.固定床骨架；7.保溫隔層；8.取樣口；9.導氣管；10.點氣口；11.集氣筒；12.配重。圖1 厭氧發酵反應裝置示意圖

1.2 載體材料與載體骨架

本試驗選用竹纖維膜、碳纖維膜和塑膠網作為載體材料，這3種材料都具有穩定的理化性質、較大的比表面積、較低的成本價格等特點。碳纖維、竹纖維膜、塑膠網的比表面積分別為2321,5282和1135m2·g-1。載體骨架：圓柱臺結構，主要材料為不銹鋼質，該骨架結構具有機械強度高，不易變型，以防被微生物腐蝕，利于多次使用的特點。骨架頂部半徑6.5 cm，底部半徑12.0 cm，高度25.0 cm，骨架側面的八根不銹鋼棒起支撐和使載體附著的作用，把骨架分成8個面，被平分的8個面中的兩個對立面不固定載體材料，其余的面通過使用耐磨抗腐的漁線把載體材料固定在骨架上。使用該骨架固定載體材料有利于較多的物料接觸到載體，從而有利于微生物的附著和固定[15]。

1.3 試驗設計

1.3.1 固定床載體材料篩選試驗

根據牛糞厭氧發酵的產氣效果和COD去除率對載體材料進行篩選。試驗所選用的3種載體材料表面積相同，固定在相同大小和樣式的骨架上，置入厭氧反應器中。在有效體積10.5 L的反應器中裝料9.0 L，濃度為8%的牛糞，初始pH值 7.3，通過隔層水浴控制發酵溫度35℃±1.5℃。每24 h放料600 mL，同時進料600 mL。所進料液為同濃度的經酸化相酸化的牛糞料液。每次進料之后進行機械攪拌30 min(約120 r·min-1)。穩定運行10 d后記為發酵開始，發酵周期30 d。每處理3次重復，以不加載體材料的處理作對照。

1.3.2 固定床發酵參數對產氣效果的影響

在圖1的裝置中，加入篩選獲得的載體材料，經酸化相酸化96 h得到的牛糞料液作為原料進行厭氧發酵[14]，穩定運行10 d后，以產氣效果和COD去除率為指標，研究攪拌間隔、料液濃度、溫度和HRT對牛糞厭氧發酵產氣的影響，每個處理3次重復。

1.3.2.1 攪拌間隔對產氣效果的影響

在發酵溫度為35℃±1.5℃，初始料液濃度為8%，HRT為10 d時，攪拌間隔(攪拌30 min，攪拌頻率120 r·min-1，下同)設置為12 h，24 h，36 h。

1.3.2.2 料液濃度對產氣效果的影響

發酵溫度為35℃±1.5℃，攪拌間隔為18 h，HRT為10 d時，初始料液濃度設置為4%，6%，8%，10%。

1.3.2.3 發酵運行溫度對產氣效果的影響

初始料液濃度為8%，攪拌間隔為18 h，HRT為10 d時，設置發酵溫度30℃，35℃和40℃。

1.3.2.4 HRT對產氣效果的影響

發酵溫度為35℃±1.5℃，初始料液濃度為8%，攪拌間隔為18 h時，設置HRT為6，9，12，15 d和18 d。

1.3.3 優化條件下全混式固定床運行對比試驗

以經酸化相酸化96 h得到的牛糞料液為原料，以碳纖維膜為載體，以單因素優化出最佳的攪拌間隔、進料濃度、運行溫度、固定床為發酵參數，采用全混式固定床進行厭氧發酵，以全混式發酵反應器為對照。通過沼氣總產量、甲烷含量、甲烷總產量、VS去除率和COD去除率進行對比。

1.4 測定指標及方法

采用排水集氣法來測定沼氣日產率，每日取樣測定一次；通過利用便攜式沼氣分析儀(GA2000)測定沼氣中甲烷含量，發酵30 d內的沼氣日產量總和與甲烷日產量總和，即為該處理沼氣累積產量與甲烷累積產量。采用烘干稱重法測定料液中的TS和VS[16]；采用便攜式pH計(B-712)測定pH值；采用氣相色譜(GC9720)測定揮發性脂肪酸(VFA)[17]；采用快速消解分光光度法(上海菁華752)測COD[18]；采用全自動比表面分析儀 (TriStarⅡ3020)測定供試原料的比表面積[19]。

2 結果與分析

2.1 不同固定床載體材料對牛糞厭氧發酵產氣效果的影響

2.1.1 不同載體材料對固定床厭氧發酵沼氣產量的影響

不同載體材料對沼氣產氣率的影響見圖2，各組沼氣產氣率在整個發酵過程中都趨于穩定，波動不明顯。碳纖維膜載體材料的沼氣產氣率最高，有26 d沼氣日產率高于其他處理。而對照組沼氣日產率相對較低。不同載體材料對沼氣產氣率和甲烷產氣率影響見圖3。碳纖維膜載體材料累積沼氣產量為290.5 mL·g-1，累積甲烷產量為154.1 mL·g-1，碳纖維膜的產氣率均高于其他處理，與對照組相比，沼氣總產量提高12.1%，甲烷總產量提高15.6%。夏吉慶[20]等研究表明，添加載體材料，使微生物附著在載體上，形成生物膜，提高產氣效率。可見，由產氣效果可以看出，在其他發酵條件相同的情況下，厭氧發酵產氣率反應了載體材料對微生物固定化的影響。

圖2 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發酵VS沼氣產氣率的影響

圖3 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發酵VS產氣率的影響

2.1.2 不同載體材料對固定床厭氧發酵COD去除率的影響

不同載體材料對固定床厭氧發酵COD去除率的影響見圖4，碳纖維膜載體材料的COD去除率為69.2%，明顯高于其他處理(p<0.01)，與對照組相比，COD去除率提高17.5%。可見，所選3種載體材料的COD去除率由高到低依次為碳纖維膜、竹纖維膜、塑膠網。

圖4 不同載體材料對牛糞固定床厭氧發酵COD去除率的影響

2.2 運行參數對碳纖維膜載體固定床產氣率的影響

2.2.1 全混式固定床不同攪拌間隔對厭氧發酵的影響

不同攪拌間隔對沼氣產氣率影響見圖5。各組沼氣產氣率在整個發酵過程中變化趨勢基本相同，波動不明顯，隨著發酵時間的延長，發酵初期產氣率快速升高，發酵后期產氣率趨于穩定，24 h攪拌間隔產氣率最高。不同攪拌間隔對沼氣產氣率和甲烷產氣率影響見圖6，24 h攪拌間隔的沼氣累積產量和甲烷產量分別為323.3 mL·mg-1和162.7 mL·mg-1，明顯高于其他處理。

圖5 牛糞固定床不同攪拌間隔對VS沼氣產氣率的影響

圖6 牛糞固定床不同攪拌間隔對VS產氣率的影響

高凱旋[21]認為攪拌能促進物料和溫度的均勻，提高沼氣的產氣效率。但過度攪拌又會對厭氧發酵產生負作用，影響沼氣發酵的正常進行。李道義[22]等研究表明，輕度攪拌被證明可以使進料分散，有利于形成一個新的絮凝中心，從而有效提高厭氧發酵的產氣效果和穩定性。本試驗中攪拌間隔24 h對應的累積產氣量高于其他處理，說明攪拌間隔為24 h時，牛糞產氣效果最好。

2.2.2 不同處理料液濃度對牛糞固定床厭氧發酵的影響

不同處理料液濃度對沼氣產氣率影響見圖7。各組沼氣產氣率在整個發酵過程中呈上升趨勢。隨著發酵時間的延長，產氣率提高，發酵后期產氣率趨于穩定，8%料液濃度的產氣率最高。不同處理料液濃度對沼氣產氣率和甲烷產氣率影響見圖8，8%料液濃度的沼氣累積產量和甲烷產量分別為348 mL·g-1和174.8 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖7 牛糞固定床不同處理料液濃度對VS沼氣產氣率的影響

圖8 牛糞固定床不同處理料液濃度對VS產氣率的影響

賈麗娟[23]等研究表明，在一定范圍內，發酵料液濃度越大，微生物數量越多，有利于原料有機物的降解，因此發酵啟動較快。李志忠[24]等認為料液濃度過高，一方面需要的接種量較大，接種物不足導致產甲烷菌數量相對有限；另一方面由于料液水解速率高，傳質不均勻，抑制了產甲烷菌的活性和產氣反應。本試驗中8%料液濃度對應的累積產氣量高于其他處理，說明料液濃度為8%時，牛糞產氣效果最好。

2.2.3 牛糞固定床不同運行溫度對厭氧發酵的影響

不同運行溫度對沼氣產氣率影響見圖9。各組沼氣產氣率在整個發酵過程中變化趨勢有波動影響，無明顯規律。隨著發酵時間的延長，產氣率提高，發酵后期產氣率趨于穩定，運行溫度35℃的產氣率最高。不同運行溫度對沼氣產氣率和甲烷產氣率影響見圖10，運行溫度35℃的沼氣累積產量和甲烷產量分別為343.8 mL·g-1和189.1 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖9 牛糞固定床不同運行溫度對VS沼氣日產氣率的影響

圖10 牛糞固定床不同運行溫度對VS產氣率的影響

KuandykDinara[25]等認為采用高溫或中溫發酵能提高產甲烷菌和其它有益微生物的活性，并隨著溫度的升高提高降解有機物的能力，從而提高產沼量。龐震鵬[26]等研究表明，中溫發酵產出的甲烷含量比高溫略高。發酵溫度過低，微生物的繁殖水平會降低，產氣效率低下。本試驗中運行溫度35℃對應的累積產氣量高于其他處理，說明運行溫度為35℃時，牛糞產氣效果最好。

2.2.4 牛糞固定床不同HRT對厭氧發酵的影響

不同HRT對沼氣產氣率影響見圖11，在發酵時間1～9 d時，隨著發酵時間延長，產氣率提高，9 d后產氣率趨于穩定。HRT在12 d時產氣率最高。不同HRT對沼氣產氣率和甲烷產氣率影響見圖12，運行溫度35℃的沼氣累積產量和甲烷產量分別為308.2 mL·g-1和155.2 mL·g-1，明顯高于其他處理。

圖11 牛糞固定床不同HRT對VS沼氣日產氣率的影響

圖12 牛糞固定床不同HRT對VS產氣率的影響

羅立娜[27]等認為在適宜的HRT條件下，產酸菌的產酸速率與產甲烷菌利用有機酸的產酸速率達到平衡時，產氣量最大，產氣效率最高。HRT過長，進入反應器中的營養物質較少，微生物生長可利用的物質少，產氣量較低。喬瑋[28]等研究表明，HRT過短，反應體系已經不再產氣，表明此階段的HRT不足以維持微生物的生長和代謝平衡，微生物被沖出反應器。本試驗中HRT在12 d時對應的累積產氣量高于其他處理，說明HRT為12 d時，牛糞產氣效果最好。

2.3 不同發酵參數下的牛糞碳纖維膜載體固定床COD去除率結果

在每種參數試驗進料相同條件下，所研究的各參數COD去除率見表1。攪拌間隔對固定床厭氧發酵的影響試驗中，攪拌間隔為24 h 時COD去除率最高，料液濃度對固定床厭氧發酵的影響試驗中，料液濃度為8%時COD去除率最高，發酵溫度對固定床厭氧發酵的影響試驗中，運行溫度為35℃時COD去除率最高，HRT對固定床厭氧發酵的影響試驗中，HRT為12 d時COD去除率最高。

表1 不同參數下的牛糞碳纖維膜載體固定床COD去除率的變化

2.4 優化條件下全混式固定床運行對比試驗

以牛糞為原料，碳纖維膜為載體的全混式固定床進行厭氧發酵。選取主要發酵參數為攪拌間隔12 h,進料濃度8%,運行溫度35℃,HRT 12 d,發酵30 d，以全混式發酵反應器為對照。將發酵前后的主要參數相比較見表2。本試驗可以看出，全混式固定床發酵與全混式發酵相比，沼氣總產量、甲烷含量、甲烷總產量、COD去除率、VS去除率分別提高13.69%,6.10%,20.64%,31.27%,15.69%。與對照相比，采用全混式固定床進行發酵，牛糞產氣效果更好。

表2 全混式固定床與全混式反應器厭氧發酵主要參數的比較

3 討論

通過改進厭氧發酵反應器類型及工藝可以達到提高反應器處理能力和產氣量的效果。本研究采用不同載體固定床厭氧發酵優化了傳統厭氧發酵反應器的啟動慢、運行不穩定的缺點和產氣率低的問題，而生物量流失是厭氧生物工程中急需解決的問題。

李杰[29]等研究表明牛糞厭氧發酵時添加適合于微生物附著的載體，可以顯著提高沼氣生產效率。將微生物固定于載體上形成附著的生物膜，從而減少料液中的微生物被沖刷出反應器，提高了反應器內微生物的密度，同時使微生物和料液可以長時間的接觸。本試驗中，竹纖維膜、碳纖維膜和塑膠網及對照的產氣量在發酵的第13天左右達到高峰，碳纖維膜載體材料的沼氣產氣率最高，與對照組相比，沼氣總產量提高12.1%、甲烷總產量提高15.6%；碳纖維膜載體材料的COD去除率與對照組相比提高17.5%。得出加入碳纖維膜載體材料后的骨架加入到牛糞厭氧發酵固定床，不僅可以提高厭氧發酵系統的產氣率，也可以有效提高厭氧發酵系統的COD去除率。

在厭氧發酵過程中，通過攪拌，可促進沼氣的擴散效果，可使微生物與料液充分接觸，可破除發酵罐上層結殼，可使發酵罐內溫度和濃度均勻，從而影響厭氧發酵效果[30]。本研究發現，不同攪拌間隔的產氣速率隨著發酵時間先增加后趨于穩定。其原因在于：過度攪拌對厭氧消化的影響主要體現在厭氧互營性菌群的空間位置改變、中間產物的代謝紊亂等方面[31]，對厭氧發酵產生負作用；不同料液濃度的產氣速率隨著發酵時間先增加后趨于穩定，其原因在于：濃度過高的料液會阻礙傳熱傳質過程，使發酵微生物生長受到影響，導致基質利用率降低[32]；同時因為缺水使產酸菌代謝減緩，導致積累過量VFA，造成酸中毒，從而影響發酵過程[33]；溫度是影響菌體代謝活動重要因素，不同運行溫度的產氣速率隨著發酵時間先增加后降低，35℃時達到最大值，楚莉莉[34]等采用響應面法優化牛糞厭氧發酵的最佳發酵參數，結果表明，發酵溫度為35℃時，可獲得最大累積產氣量，這與本研究結果相符；HRT對甲烷含量的影響。甲烷含量是衡量厭氧發酵過程的一個重要指標，能反映出反應器內的發酵狀態[35]。不同HRT的產氣速率隨著發酵時間先增加后趨于穩定，其原因在于：HRT的長短影響投料負荷的高低，當HRT過短時，微生物大量隨出水流出，導致產甲烷微生物密度過小，pH值表現出一定的酸敗趨勢，使微生物無法充分利用底物，影響產氣的質量，當HRT過長時，產甲烷微生物的密度足夠大，但底物可利用營養成分不足，導致產氣量不高，只有當HRT適合時，產酸菌的產酸速率與產甲烷菌利用有機酸的速率達到平衡時，產氣量最大，產氣效率最高[36-37]。

4 結論

試驗得出產氣率最高的載體材料是碳纖維膜，以碳纖維膜為載體材料，單因素優化出最佳的攪拌間隔、進料濃度、運行溫度、固定床HRT分別為24 h，8%，35℃，12 d。碳纖維膜材料擁有良好的生物相容性，減少甲烷菌的流失，促進微生物附著到載體上，形成生物膜，促進厭氧發酵。碳纖維膜固定床在最佳發酵條件下，產氣率明顯提高，COD去除率也顯著提高。因此在最佳發酵參數的條件下，牛糞采用碳纖維膜固定床反應器進行厭氧發酵，產氣率最高。