于佳動,劉新鑫,,趙立欣,馮 晶,陳建坤,郭占斌
·農業資源循環利用工程·
基于微好氧同步預升溫的序批式厭氧干發酵特性
于佳動2,劉新鑫1,2,趙立欣3,馮 晶2,陳建坤2,郭占斌1※
(1. 黑龍江八一農墾大學工程學院,大慶 163319;2. 農業農村部規劃設計研究院農村能源與環保研究所,農業農村部農業廢棄物能源化利用重點實驗室,北京 100125;3. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081)
序批式厭氧干發酵是規模化處理農業農村廢棄物生產清潔能源的重要技術,存在物料分解速率低、運行能耗高、傳質傳熱不均勻等突出問題,制約甲烷產率的提高。該研究通過調節發酵初期反應器溶氧濃度,建立微好氧同步預升溫高效序批式厭氧干發酵體系,進一步研究微好氧狀態下物料自升溫、分解、中間產物性質,以及關鍵微生物群落對促進物料升溫及甲烷生產的作用機制。結果表明:微好氧環境使物料升溫速率提高27.12%,產甲烷過程不依靠外源加熱溫度仍可保持在42.48 ℃以上。發酵初始階段的少量曝氣使厭氧發酵過程中間產物轉化效率顯著提升(<0.05),特別是丙酸積累含量下降了82.63%,累積沼氣和甲烷產量分別提高了56.76%和41.79%。細菌、和古菌、有利于促進微好氧同步預升溫和甲烷生產效率提升,并與降解率和有機酸濃度具有顯著的相關性。該研究可為探索序批式厭氧干發酵實際工程高效調控工藝提供理論基礎。
發酵;溫度;農業廢棄物;微好氧
厭氧干發酵技術正逐漸成為處理有機固體廢棄物實現清潔能源生產的重要選擇[1],含固率可達到25%~40%,與當前沼氣工程普遍使用的濕法厭氧發酵技術相比具有物料處理量大、容積產氣率高、沼液產生量少等優點。國外新建沼氣工程60%以上選擇厭氧干發酵技術,已形成產業化發展,使用的物料主要為易降解酸化的餐廚垃圾、城市污泥等[1]。中國農業廢棄物木質纖維素含量(40%~80%)較高,難降解,直接使用國外技術工藝導致產氣效率不足國外的50%[2],而且,由于高含固率物料傳質傳熱困難,運行能耗較高[3],大多工程不能連續穩定運行,極大限制了該技術在中國的推廣應用。所以,在提高產氣效率的同時,尋找降低能耗,或不依靠外部能耗投入可直接實現物料原位預升溫是解決上述問題的關鍵所在。
近年來,給沼氣工程增溫的主要技術主要有電熱膜、太陽能、生物質鍋爐加熱等技術為主,或通過自耗氣的形式利用沼氣鍋爐可實現30%~40%的能耗節約[2]。然而,上述增溫方式均需要消耗外部能耗,甲烷產率得不到實質性提升,不利于規模化工程的長期高效運行[4]。另外,序批式厭氧干發酵自身傳熱效率差,即使采用外源加熱的方式,物料不同區域的溫度也很難上升均勻,在東北寒冷地區甚至出現“冷芯”運行的情況,嚴重影響產甲烷效率[3]。一些研究也證明了序批式厭氧干發酵反應器依靠外部能源增溫,當距離加熱盤管近的物料區域升高到目標溫度,距離加熱盤管遠端的物料區域溫度平均低4~12 ℃,升溫時間滯后約5~7 d[3-4]。
通過向物料曝氣的方式可顯著提升物料溫度,許多好氧堆肥的研究表明,向堆體中通入適量的氧氣,堆肥到達高溫期時間可縮短3 d以上。并且,堆體各點熱量分布均勻[5]。近年來,向厭氧發酵反應器適當曝氣來提高物料分解效率和甲烷產率的研究明顯增加,調節合適的溶氧濃度加速木質纖維素物料的分解,為產甲烷菌群提供合適的中間產物,改善產甲烷效率。Zhou等[6]研究了不同溫度和曝氣時間下預曝氣對稻草等難降解木質纖維素結構的生物降解作用,物料分解率為16.2%、17.7%和11.1%。Khanal等[7-8]研究了微曝氣可以清除硫化氫、促進水解和保持低VFAs濃度,從而提高厭氧發酵系統的整體穩定性。然而,上述研究并未關注到通過調節曝氣量提高反應器增溫,以及對厭氧干發酵特性方面的影響,特別是針對難降解秸稈、牛糞等農業廢棄物,通過曝氣建立微好氧發酵環境使更多的物料分解并均勻升溫,有利于序批式厭氧干發酵體系的高效運行,其協同作用機制仍需進一步探明。
本文以玉米秸稈-牛糞為混合原料,通過適量曝氣建立微好氧發酵環境使干發酵系統實現微好氧同步預升溫效果。當溫度到達中溫厭氧發酵目標溫度后,停止曝氣,轉為厭氧環境進行甲烷生產。對上述過程系統研究了微好氧預升溫及厭氧干發酵分解、中間產物累積及產甲烷特性,探明了關鍵微生物群落性質,揭示了厭氧干發酵過程物質轉化與微生物群落動態演替過程的協同關系,為該技術的進一步高效應用提供理論支撐。
本試驗所用原料為玉米秸稈和牛糞,玉米秸稈取自河北省張家口市崇禮縣某農場,取回后,粉碎成粒徑3~5 cm,試驗室通風處保存,混料前,測定秸稈TS(Total Solids)為89.58%。牛糞取自河北省廊坊市三河市某使用干清糞收集工藝的規模化奶牛養殖場,牛糞取回后放置在常溫下(25 ℃)試驗室保存,取用前,測定牛糞TS為24.29%,揮發性固體含量(Volatile Solid Content,VS)為16.58%。接種物來自本試驗室其他序批式厭氧干發酵裝置試驗結束產出的沼渣,并進一步厭氧培養至不產氣作為本次試驗接種物,測定其TS為18.90%,VS為13.21%。
序批式厭氧干發酵反應器為車庫式反應器(如圖1),長方體結構,體積為200 L,物料填裝在孔徑為5 mm的滲濾網上,在反應器上方設有雙排噴淋管,在噴淋管上設有直徑為0.5 mm的小孔;在反應器內兩側布有保溫水夾層,保溫材料選用聚氨酯發泡,厚度約10 cm,保溫性能良好;在反應器上方設有溫度感應器;在反應器底部設有滲濾液收集罐,收集的沼液通過回流管道由蠕動泵定時定量控制噴淋;反應器的篩網盤下方有微孔曝氣管路;產生的沼氣通過濕式流量計進行計數,然后用氣袋進行收集。

圖1 序批式厭氧干發酵反應器
試驗設計對比微好氧同步預升溫厭氧干發酵體系與厭氧干發酵體系發酵性質的差異,從而揭示微好氧同步預升溫厭氧干發酵機制。在預試驗基礎上,試驗以玉米秸稈、牛糞為混合原料(秸稈∶牛糞=6∶4),設計2組試驗,一組為微曝氣組,預升溫階段曝氣頻率為4次/d,通過曝氣調節建立微好氧環境,溶氧量控制在0.5~2 mg/L之間。當物料自升溫溫度達到38 ℃以上停止曝氣,溫度下降超過1 ℃時重啟曝氣,在不影響甲烷含量條件下繼續維持微曝氣預升溫;對照組為非曝氣組,發酵全過程為密閉厭氧發酵狀態。2組反應器在預升溫發酵初始階段的噴淋頻率均為6次/d,在厭氧發酵階段噴淋頻率調整為4次/d,單次噴淋量與物料干物質比均為0.4。實時測定微好氧預升溫階段的反應器內溫度,當曝氣組反應器溫度達到42 ℃時停止曝氣進行厭氧發酵。微曝氣組和非曝氣組反應器均無外源加熱。
試驗過程中,每天相同時段記錄試驗室環境濕度和反應器內溫度,監測甲烷含量、沼氣產量,取滲濾液樣品檢測pH和氧化還原電位(Oxidation-reduction Potential, ORP)。滲濾液每隔3 d保存1次,并檢測可溶性物質(Soluble Chemical Oxygen Demand, sCOD)、有機酸、氨氮(NH4+-N)含量等指標;在進料后、曝氣結束階段和厭氧發酵結束階段分別取固體物料進行干物質、揮發性物質以及纖維素、半纖維素、木質素含量測定。取對應固體、液體樣品測試微生物群落多樣性。
原料及分解過程物料TS和VS根據美國APHA方法測定[9],使用水銀溫度計記錄環境溫度,用溫度傳感器記錄反應器內物料溫度,溫度傳感器位置位于物料中心處。使用LMP-1型濕式防腐氣體氣體流量計(阿爾法儀器公司,長春)記錄沼氣產量(L),并用沼氣成分測定儀(Biogas check,Geotech,英國)測定甲烷含量(CH4%),累積產氣量的計算參照文獻[10];微曝氣通過氣泵自帶流量計監測流量,在計算產氣量時,微曝氣量不計入沼氣產量。使用便攜式pH計(SX-610,上海三信,中國)和氧化還原電位計(SX-630,上海三信,中國)監測發酵過程的pH值和ORP的變化;纖維素、半纖維素和木質素相對含量(%)采用范式洗滌法[11]測定;采用氣相色譜儀(Agilent 7820A)分析發酵周期結束時反應器內物料乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸共6種有機酸組分,測試前樣品需12 000 r/min 離心30 min,取上清液過0.25m濾膜,過濾后的液體與甲酸1:1混合后上機測試,測定程序及方法參照文獻[12];采用5B-2C型COD快速測定儀(哈希,美國)測定sCOD,方法參照GB1194-89《COD測定重鉻酸鉀法》[13];氨氮濃度測定使用水楊酸紫外分光光度計法測定[7];采用Miseq高通量測序技術,對發酵周期內物料細菌、古菌特征進行高通量測序分析[14]。使用Microsoft Excel 2019、Origin 2018和Adobe Illustrator Artwork 23.0等進行基礎數據處理與圖形繪制。
微好氧預升溫對序批式厭氧干發酵產氣特性的影響如圖2所示,其中,圖2a為沼氣產量的變化,微曝氣2 d后,累積沼氣產量從第7天開始差距逐漸增大,發酵60 d,沼氣產量一直呈現上升趨勢,微曝氣組累積沼氣產量比非曝氣的提高了56.76%。甲烷含量如圖2b所示,由于反應器前期進行微曝氣,反應器內還存有一部分空氣,因此,微曝氣組甲烷含量在11 d內低于非曝氣組,第6天,微曝氣甲烷體積分數迅速升高到40%以上,2組反應器甲烷含量穩定在55.53%和54.23%,第45天后,甲烷含量開始逐漸下降。Rocamora等[15]研究表明,序批式厭氧干發酵發酵甲烷含量呈現由高到低的趨勢,當體系內可溶性物質消耗殆盡,產甲烷菌得不到有效物料,即停止產氣,可能是甲烷含量快速下降的原因。累積甲烷產量如圖2c所示,微曝氣7 d后,微曝氣組甲烷產量迅速增加,甲烷產量平均提高41.79%,在第5到第15天為產甲烷快速期,整體上累積甲烷含量曝氣組是非曝氣組的1.5倍,并逐漸下降。實際工程中,微曝氣序批式厭氧干發酵周期不超過20 d,有利于甲烷產量的迅速累積。進一步計算發酵前20 d微曝氣反應器的容積產沼氣率為1.1 m3/(m3·d),與國內報道的序批式厭氧干發酵平均容積產氣率相比增加了約37.5%,與國外使用易降解原料以及使用濕法厭氧發酵技術的反應器平均容積產氣率2~4 m3/(m3·d)尚存在一定差距[2],仍需進一步圍繞提升難降解底物干發酵過程物質轉化效率和傳質傳熱水平進行深入研究,并進一步對影響微好氧同步預升溫產氣效率的關鍵因素進行優化。Capela等[16]指出,適當增加曝氣量有利于增加物料中兼性厭氧發酵細菌的水解活性,在保持產甲烷菌活性的前提下,不僅能促進物料分解速率,還有利于甲烷產量的提升。

圖2 序批式厭氧干發酵產氣特性
適宜的發酵溫度可以促進微生物的轉化活性。圖3為序批式厭氧干發酵系統溫度變化特性。

圖3 序批式厭氧干發酵溫度的變化
微好氧預升溫第2天即達到42.28 ℃,而非曝氣組溫度雖有上升,但僅有32.97 ℃。厭氧發酵階段,微曝氣組平均溫度為42.47 ℃,溫度并未因進入厭氧狀態而下降,在產甲烷過程不依靠外源加熱溫度仍可保持在42.48 ℃以上,微好氧環境使物料升溫速率提高27.12%,除反應器具有良好的保溫性能外,發酵罐內的氧氣消耗過程也可提供熱量[3],而非曝氣組平均溫度為35.01 ℃,比非曝氣反應器平均溫度高21.29%。López等[17]證明,向反應器曝氣可增加厭氧發酵系統水解酸化細菌生產水解酶的能力,有利于纖維素、半纖維素等大分子物質的降解和熱量產出。李蘋等[18]通過向密閉式VTD100堆肥反應器大量曝氣,堆體內部在缺氧狀態下溫度迅速升高到60 ℃以上。本研究中,微曝氣可在2 d內迅速達到厭氧干發酵所需要的中溫厭氧發酵溫度,升溫過程物料分解的特性仍需進一步評價。
有氧條件下,微生物依靠有氧呼吸進行產熱與底物分解,發酵過程物料分解特性如表1所示,微曝氣后,物料TS、VS降解率達到35.38%和54.61%,而非曝氣組僅有17.61%和39.14%,微曝氣顯著提升了物料干物質降解率,也有利于揮發性成分的降解轉化。

表1 玉米秸稈與牛糞混合物中各組分含量的變化
注:A為微曝氣反應器,B為非曝氣反應器;1為進料階段,2為曝氣結束階段,3為厭氧發酵結束階段,下同。
Note: A is micro aeration reactor, B is non aerated reactor; 1is feeding stage, 2 is end of aeration stage, 3 is end stage of anaerobic fermentation,the same below.
厭氧干發酵結束后,物料TS、VS降解率仍然比非曝氣組高1.5倍。進一步探究物料木質纖維素組分分解特性顯示,微曝氣組纖維素、半纖維素和木質素降解率分別比非曝氣組提高61.39%、28.35%、77.72%,微好氧同步預升溫過程提高木質纖維素降解57.88%~85.53%。纖維素水解是影響厭氧發酵產甲烷效率的限速步驟,甲烷產量受到木質纖維素成分的制約,與木質纖維素降解率具有顯著相關性[19]。在本文中(第2.1節),微曝氣階段產氣率在發酵前期(第7天)迅速增加,累積甲烷產量也在第5~15天達到上升高峰,木質纖維素成分在產氣高峰期內分解率迅速提高,為可溶性物質的生成提供潛能。
可溶性物質含量(sCOD)變化如圖4a所示,經過微曝氣階段,sCOD濃度比非曝氣組提高74.67%,厭氧干發酵階段平均維持在1 722.98 mg/L,微曝氣顯著增加可溶性物質的積累(<0.05),使更多的水解產物被產酸細菌轉化為有機酸(乙酸)成為可能[20]。
圖4b為厭氧干發酵體系有機酸濃度和pH值的變化,微曝氣結束時總有機酸累積含量由392.51 mg/L上升到465.73 mg/L,微曝氣增加了有機酸的積累。厭氧干發酵階段有機酸積累含量為丙酸>乙酸>戊酸>丁酸,丙酸濃度平均占總有機酸濃度的53.99%。乙酸和丁酸累積含量較少,其快速轉化有利于甲烷產量的迅速增加,而丙酸的累積易導致厭氧干發酵體系氫分壓的增加,降低丙酸轉化效率[21-22]。發酵初始階段的少量曝氣使厭氧發酵過程中間產物轉化效率顯著提升(<0.05),特別是丙酸積累含量下降了82.63%。厭氧干發酵階段,微曝氣組丙酸濃度由285 mg/L在第33天消耗殆盡,體系pH值始終保持在6.8~7.5(圖4b),微曝氣加速有機酸的生成與轉化是該體系甲烷產量(第3.1節)升高的原因之一。
適宜的氨氮含量可為厭氧干發酵體系提供緩沖并給微生物增殖提供可溶性氮源[23],其濃度的變化如圖4c所示,曝氣結束后,微曝氣組與非曝氣組氨氮濃度分別為124.56和218.02 mg/L,厭氧干發酵階段,平均為296.15和383.22 mg/L,非曝氣組氨氮濃度比微曝氣組提高31.95%,微曝氣增加了氨氮的轉化效率,與此同時,氧化還原電位(ORP)始終保持在?370到?270 mV范圍內(圖4d),也為產甲烷菌的生長提供適宜的電位環境[24]。

細菌群落多樣性如圖5所示,優勢細菌為、、、和,占總細菌群落的70%~80%。微曝氣結束時,豐度顯著升高。張蕾等[25]報到,木質纖維素原料厭氧干發酵體系豐度的增加有利于提高物料水解效率、加速有機酸的轉化,使pH保持中性,促進甲烷生產。本研究有機酸含量的變化規律也表明(第2.4節),微曝氣加速了有機酸生成與轉化,而非曝氣組有機酸濃度有積累的現象。當厭氧干發酵結束,微曝氣組豐度是非曝氣組的1.9倍,同時,含量下降。之前的研究對高含固率條件下農業廢棄物水解酸化及厭氧發酵過程細菌群落研究也發現,、豐度提高有利于促進體系有機酸的生產并激素乙酸化,為產甲烷菌提供更多的物料[26]。本研究第2.1節研究表明,微曝氣組厭氧干發酵階段甲烷產量平均比非曝氣組提了41.79%,和豐度的提高對產甲烷效率的保持起到積極作用。

圖5 目水平細菌多樣性分析
不同干發酵體系古菌群落特性如圖6所示,優勢古菌為,微曝氣導致豐度迅速增加,與非曝氣組相比提高了89.56%。厭氧干發酵結束后,微曝氣使重新占據主導優勢,而非曝氣組的豐度顯著提升(<0.01)。Cuzin等[27-29]研究表明,厭氧干發酵體系原料含固率較高,水解酸化階段形成較高濃度的中間代謝產物,以嗜乙酸代謝為主的產甲烷菌豐度的增加有利于發酵體系中間產物的轉化,是厭氧干發酵過程的優勢古菌。本研究中,微曝氣組提高了有機酸轉化及產甲烷效率,增加了嗜乙酸產甲烷菌的豐度,而非曝氣組厭氧干發酵階段古菌群落的構成可能導致中間產物轉化效率的下降。

圖6屬水平古菌多樣性分析
圖7a、7b為微曝氣和非曝氣處理的細菌、古菌群落非度量多維標度(NMDS)分析圖,Stress為0.002 9和0.002,證明NMDS圖中各物料點間距能夠較好地反映微生物群落的差異。兩點間距離越大證明物料間差異越顯著。微好氧曝氣預升溫厭氧干發酵過程,細菌、古菌群落均發生了極顯著的改變(<0.01),在不同環境因子的作用下促進了升溫速率及物料分解轉化能力,提高了甲烷產量,形成了有利于甲烷生產的厭氧干發酵菌群,與環境因子的相互作用關系仍需要進一步評價。

圖7 細菌和古菌整體分布格局
圖7c為環境因子與微生物群落相互作用關系分析圖。可以看出,微曝氣階段溫度的迅速升高有利于厭氧干發酵甲烷產量的提升。與此同時,物料降解率的提高促進了有機酸的轉化效率,從而與甲烷產量呈現顯著正相關性(<0.05)。以及嗜乙酸型、可顯著促進物料降解與甲烷生產,特別是微曝氣導致與體系溫度、甲烷產量呈極顯著正相關性(<0.01),通過微生物群落的優化,加速了物質轉化效率和甲烷產量。
1)微好氧同步預升溫對序批式厭氧干發酵甲烷產量影響顯著,微好氧曝氣的累積產甲烷量是非曝氣的1.5倍,甲烷產量平均提高41.79%,累積產氣量提高了56.76%。在微好氧曝氣條件下,累積產氣量為4 793.92 L。
2)微好氧同步預升溫加快了反應器內物料的升溫速率,微曝氣組平均溫度為42.47 ℃,非曝氣組平均溫度為35.01 ℃,比非曝氣反應器平均溫度高21.29%,加快厭氧發酵的水解過程。
3)微好氧同步預升溫過程提高木質纖維素降解率57.88%~85.53%,并加快了有機酸和氨氮的轉化效率,丙酸轉化率提高了82.63%。
4)受到微好氧同步預升溫影響,、豐度顯著提高,并與、、具有協同作用,促進甲烷生產。
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Characteristics of sequencing batch dry anaerobic fermentation with microaerobic preheating
Yu Jiadong2, Liu Xinxin1,2, Zhao Lixin3, Feng Jing2, Chen Jiankun2, Guo Zhanbin1※
(1.163319,; 2.,,,100125,; 3100081,)
China is a big agricultural country, which produces a lot of agricultural waste every year. With the improvement of China’s agricultural productivity, agricultural wastes such as straw and livestock manure are relatively concentrated, which creates appropriate conditions for the application of sequencing batch dry anaerobic digestion (SBD-AD) technology to produce methane. Sequential batch anaerobic dry fermentation is an important technology for large-scale processing of agricultural and rural wastes to produce clean energy. It has such outstanding problems as low decomposition rate of materials, high operating energy consumption, and uneven mass and heat transfer, which limit the increase in methane yield.In this study, by adjusting the dissolved oxygen concentration in the initial reactor of the fermentation, a microaerobic simultaneous pre-heating and efficient sequential batch anaerobic dry fermentation system was established to further study the self-heating, decomposition, intermediate product properties and key microbial communities. The mechanism of promoting material heating and methane production.The results show that the micro-aerobic speeds up the heating rate of the materials in the reactor, which is 27.12% higher than the un-aerated temperature; the temperature of methanogenesis can be maintained above 42.48 ℃ without relying on external heating. A small amount of aeration in the initial stage of fermentation significantly improved the conversion efficiency of intermediate products in the anaerobic fermentation process (<0.05). The lignocellulose degradation rate was increased by 57.88% -85.53% compared with the non-aerated group; the sCOD concentration was increased by 74.67% compared with the non-aerated group. The concentration of ammonia nitrogen in the non-aeration group is increased by 31.95% compared with the micro-aeration group, and micro-aeration increases the conversion efficiency of ammonia nitrogen; in particular, the accumulation of propionic acid decreased by 82.63%. The concentration was consumed by 285 mg/L on the 33rd day, and the system pH value was always maintained at 6.8-7.5. After 7 days of micro-aeration, the cumulative biogas production gap gradually increased, and the methane output of the micro-aeration group increased rapidly. On the 5th to 15th days, it was a rapid period of methane production. Overall, the cumulative methane content in the aeration group was 1.5 tines of the non-aeration group after 60 days of fermentation, the cumulative biogas and methane production increased by 56.76% and 41.79%, respectively. Bacteria,and archaeaare conducive to promoting microaerobic simultaneous pre-heating and methane production efficiency, and have a significant correlation with degradation rate and organic acid concentration. This study provides a theoretical basis for exploring the efficient engineering control process of the sequential batch anaerobic dry fermentation.
formentation; temperature; agricultural waste; microaerobic
于佳動,劉新鑫,趙立欣,等. 基于微好氧同步預升溫的序批式厭氧干發酵特性[J]. 農業工程學報,2020,36(10):213-219.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026 http://www.tcsae.org
Yu Jiadong, Liu Xinxin, Zhao Lixin, et al. Characteristics of sequencing batch dry anaerobic fermentation with microaerobic preheating[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 213-219. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026 http://www.tcsae.org
2020-03-03
2020-04-30
現代農業產業技術體系專項資金資助(CARS-02);農業農村部規劃設計研究院自主研發項目(ZZYFCGPY201901)
于佳動,博士,工程師,主要從事農業廢棄物厭氧干發酵技術裝備研究。Email:yujiadong010@163.com
郭占斌,博士,教授,主要從事農業機械設計研究。Email:329984136@qq.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026
X712
A
1002-6819(2020)-10-0213-07