添加蛭石對奶牛糞厭氧干發酵的影響

曾 靜， 尹 芳， 張無敵， 吳 凱， 王昌梅， 柳 靜， 趙興玲， 楊 紅

(云南師范大學 能源與環境科學學院， 云南 昆明 650500)

隨著我國居民對奶制品需求的增加，奶牛存欄量也在隨之增加。至2019年，我國奶牛存欄量為742萬頭，相應奶牛排糞量約20萬t。可見，每年奶牛排糞量巨大，對其進行減量化、資源化、無害化處理顯得尤為必要。厭氧消化工藝因其可以對糞便進行資源化利用，并產生沼氣等可再生能源的特點被廣泛應用。

厭氧消化分為厭氧濕發酵還有厭氧干發酵兩種，厭氧濕發酵是指總發酵濃度在10%以下的發酵方式，而厭氧干發酵一般是指發酵濃度高于20%的一種高濃度的厭氧消化方式[1]。 與濕發酵相比，厭氧干發酵具有耗水量小，沼液沼渣量少且營養物濃度高等多重優點[2]，但同時厭氧干發酵在啟動和運行時也會遇到一些難題，比如因發酵濃度過高使得VFAs積累導致系統酸化，或發酵啟動慢，產氣不穩定等[3]。

為了避免酸積累在厭氧干發酵處理固體廢棄物過程中的影響，外源添加劑近幾年被廣泛應用于厭氧干發酵進行研究，探討添加劑對發酵過程中酸積累的影響。李丹妮[4]等探究3種添加劑對豬糞厭氧干發酵的影響，實驗結果發現添加生物炭和蛭石的發酵體系中總揮發性有機酸(TVFAs)在第25天以后快速下降，隨著添加量增加，降低幅度也越大；海泡石作用并不明顯，然而相比不添加組，添加生物炭使得厭氧發酵遲滯期縮短30%～83%；在10%的添加比例下，蛭石、海泡石和生物炭分別使得揮發性固體含量(VS)產氣率提高了98.97%，76.78%和93.06%；在20%的添加比例下，最大VS產甲烷速率分別為3.62 mL·g-1，2.87 mL·g-1和3.15 mL·g-1；3種添加劑均緩解了豬糞干發酵的酸化過程，提高了產甲烷率，但其中添加蛭石效果更佳。宋香育[5]等研究發現在豬糞干發酵中添加蛭石可以使得發酵啟動時間縮短，在發酵產氣高峰期時降低了厭氧干發酵中的VFAs積累，提高了產氣率，累計VS產甲烷量也比豬糞單獨發酵提高了23.9%。可見，蛭石作為一種吸附性較強、有良好的陽離子交換性等的一種添加劑能使發酵快速啟動，并抑制VFAs的積累從而提高產甲烷率，有很好的應用前景。因此，本實驗以奶牛糞為原料，通過添加蛭石探究其對厭氧干發酵中酸積累及產氣效率的影響，為處理奶牛糞的實際沼氣工程提供理論參考價值。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料和接種物

奶牛糞取自云南省昆明市石林縣新希望雪蘭牧業有限公司，在開始發酵前先將牛糞進行自然風干處理，風干至所需含固量，據相關實驗和文獻報道，風干后的奶牛糞不會對物質造成顯著性影響[6]。接種物由本實驗室長期馴化的活性污泥為底物，并定量加入部分新鮮奶牛糞在37℃±1℃水浴條件下長時間恒溫馴化而得。奶牛糞以及接種物的基本物理性質見表1。

表1 原料特性 (%)

1.1.2 添加劑

本實驗所用添加劑為蛭石，蛭石是片狀結構的含鐵、鎂、水鋁硅酸鹽類礦物,具體礦物成分見表2。該蛭石于昆明斗南花卉市場某園藝店內購買，規格為2～4 mm，如圖1所示。通過對蛭石的SEM電鏡掃描(見圖2～圖4)，可以看到蛭石在放大5000倍的條件下呈現雜亂的雪花片狀結構，若放大到2萬倍條件下能看到蛭石成層板狀結構，內部有細小的間隔層。

表2 蛭石組分表 (%)

圖1 蛭石原圖

圖2 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖3 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖4 蛭石電鏡掃描(SEM)×20000

1.2 實驗裝置

實驗采用序批式實驗裝置，主要由發酵瓶、集氣瓶、計量瓶、1套溫控設備和1套PVC軟管組成。在發酵瓶頂部設有取樣口和集氣瓶口設有取氣口。實驗裝置如圖5所示。

圖5 實驗裝置示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設計

查閱相關實驗報道可知，奶牛糞干發酵的最適宜總固體含量(TS)濃度為22%[7]。因此，本實驗在37℃±1℃下恒溫進行，發酵瓶發酵總體積均為200 mL，實驗組發酵總TS為22%，共設置3個實驗組、1個對照組和1個空白組，每組設置3個平行。3個實驗組分別為2%實驗組、5%實驗組和8%實驗組，2%實驗組中蛭石添加量為發酵總TS體積的2%；5%實驗組中蛭石添加量為發酵總TS體積的5%；8%實驗組中蛭石添加量為發酵總TS體積的8%。對照組只添加奶牛糞和接種物，空白組只添加接種物。具體設計見表3。

表3 37℃±1℃溫度時不同發酵濃度實驗設計配比

1.3.2 實驗測定指標與方法

通過每天測量排水量記錄每個處理的沼氣產量[8]；采用火焰顏色比色卡法[9]并結合福立GC9790II型氣相色譜儀測定各處理組的甲烷濃度和揮發性脂肪酸含量[10]；pH值、總固體含量(TS)和揮發性固體含量(VS)是根據我們實驗室以往所采用的方法測定的[11]；總凱氏氮(TKN)采用凱氏定氮法[12]進行測定；總磷(TP)采用鉬藍法進行測定[13]。有機質采用重鉻酸鉀容量法(GB9834-88)進行測定；電鏡掃描(SEM)使用冷場發射掃描電子顯微鏡，5 kV加速電壓，工作距離6.6 mm。

1.4 數據統計學分析

使用Excel 2016軟件對實驗數據進行整理，繪圖使用Origin 2017軟件。使用SPSS 16.0軟件，采用單因素方差分析評估各處理間參數的差異，并且通過至少3個平行的實驗數據計算平均值和標準偏差。

2 結果與分析

2.1 不同添加量對厭氧干發酵甲烷含量的影響

所有實驗組和對照組實驗結果均已扣除空白組，下文同理。發酵實驗共進行了64 d，整理實驗數據后并繪制得到甲烷含量變化見圖6。從圖中可以看出，在不同蛭石添加量的實驗過程中，實驗快速啟動，發酵前4 d內各組甲烷含量迅速上升，甲烷含量達到40%以上。期間各實驗組甲烷含量上升速率接近，0%組(對照組)略微突出，其原因可能是蛭石對厭氧干發酵前期的酸化過程產生抑制作用，導致發酵體系酸化速度減緩，產生的揮發性有機酸(VFA)未能及時被產甲烷菌利用。發酵至第10天以后，8%組的甲烷含量明顯高于其他幾組，甲烷含量最高達到65%，其余幾組的甲烷含量則保持在55%～60%浮動，此時各組的產甲烷菌均處于活躍狀態。當發酵進行至第25天～30天時，8%組甲烷含量出現下降趨勢，甲烷含量最低下降至55%，隨后又恢復。之后的30 d甲烷含量基本保持平穩，直至發酵實驗結束。

圖6 發酵過程中甲烷含量變化

2.2 不同添加量對厭氧干發酵日產沼氣量及甲烷量的影響

從圖7日產沼氣量及圖8日產甲烷量隨時間的變化中可以看出，在蛭石不同添加量的實驗過程中，由于各組甲烷含量(見圖6)相近，所以日產沼氣量變化曲線與日產甲烷量變化曲線規律也相接近。發酵前期各組日產甲烷量皆迅速上升，至第10天各組日產甲烷量均達到峰值，隨后產甲烷量開始有所下降。其中，在產氣高峰期時段，添加了蛭石的實驗組日產甲烷量都明顯高于對照組(在第12天時產甲烷最高組與最低組相差了100 mL)，說明蛭石能明顯的促進發酵產氣。從圖8可以看出，2%組和5%組的日產甲烷量均高于另外2個組，故可以大致確定出蛭石最佳添加量為2%～5%。

圖7 日產沼氣量隨時間的變化

圖8 日產甲烷量隨時間的變化

2.3 不同添加量對厭氧干發酵累計產甲烷量的影響

從圖9累計產甲烷量中可以看出，蛭石不同添加量的實驗過程中累計產甲烷曲線變化符合厭氧發酵規律，發酵前5 d處于發酵滯留期，還未開始大量產甲烷。從第7天開始，各組進入產甲烷階段開始快速產甲烷，但發酵初期各組累計產甲烷量差異并不大。第20天以后可以看出，2%組和5%組曲線明顯高于其余兩組，說明2%組和5%組產甲烷效果更好；至第30天以后可以看出，5%組累積產甲烷量曲線高于2%實驗組，說明當蛭石添加量為5%時，實驗產甲烷效果最佳。以最佳產甲烷組別5%組來判定，在實際工程上可將HRT定為第34天。從最終累計產甲烷量可以看出，5%組累計產甲烷(7125 mL)大于2%組(6685 mL)大于8%組(6297 mL)大于0%組(5887 mL)。計算后可得，基于發酵總TS的基礎上添加5%，2%，8%的蛭石，分別提高了奶牛糞厭氧干發酵21.03%，13.54%，6.95%的產甲烷量。

圖9 累計產甲烷量隨時間的變化

通過計算得到各組的TS和VS產甲烷量、平均甲烷含量如表4。可以看出，5%組VS產甲烷量最高，達到270 mL·g-1VS；而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達到58.71%。綜合考慮，在奶牛糞的厭氧干發酵實驗中，外源添加劑蛭石最適宜的添加量應該保證在5%左右。

表4 不同蛭石添加量對厭氧干發酵產甲烷量的對比

2.4 不同添加量對發酵過程中有機酸變化的影響

從圖10可以看出，在發酵前期0%組的TVFAs快速上升。并結合日產甲烷量圖8發現，0%組的產甲烷高峰和TVFAs峰值都出現在第20天，此時TVFAs達到12.70 mg·g-1，略微抑制了產甲烷菌的作用，從而使得0%組產甲烷量低于其他幾組，不過并沒有因為酸積累嚴重而使得發酵失敗。后期隨著反應的進行，生成的VFA被產甲烷菌利用，TVFAs濃度呈現下降趨勢。在2%組，5%組和8%組中，TVFAs峰值出現略晚但均低于0%組峰值，并且在35 d以前，各實驗組有機酸含量明顯低于0%組，可以發現蛭石在厭氧干發酵前期能明顯抑制VFAs的生成，從而減輕酸化過程。而在發酵后期(第40天左右)可以看出添加蛭石的組別TVFAs高于0%組，此時抑制酸積累的效果便沒有很明顯。結合圖10TVFAs變化曲線和圖11乙酸變化曲線發現，乙酸的變化趨勢與TVFAs變化趨勢基本一致，且乙酸在有機酸中占主要地位。

圖10 發酵過程中TVFAs變化

圖11 發酵過程中乙酸變化

3 討論

本文在奶牛糞厭氧干發酵實驗的基礎上添加了蛭石進行發酵實驗，發現發酵初期添加蛭石的實驗組抑制了反應的TVFAs積累，減輕了酸化程度，從而導致有相對較高的有機酸含量的0%組在發酵高峰期的日產甲烷量低于實驗組。初步分析蛭石在發酵前期能減輕酸化作用的原因可能是因為蛭石屬于硅酸鹽，在水中時pH值為6～9，微偏堿性[14]，實驗剛開始加入蛭石后系統內pH值保持微堿性，能延緩發酵體系pH值在產酸階段快速下降至酸性，降低了產酸菌的活躍性，減少大量VFAs的生成，從而避免酸積累現象。并且蛭石是由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構成的具有限域結構的天然層狀礦物材料。由于其硅氧四面體的四價硅被三價鋁代替, 所以其層板帶負電荷，在帶負電的表面上通過正負電的吸引來進行吸附[15-16]；結合圖1～圖4發現，實驗所用蛭石呈層板狀，相關研究表明蛭石表面的多孔和層板邊緣的棱角是其具有吸附作用的原因之一[17]。因此，認為蛭石的吸附作用也對酸抑制產生了一定的影響。

添加蛭石在緩解酸化的同時也可以提升了干發酵的產甲烷效果，提前并提高發酵高峰，5%組VS產甲烷量最高，達到218 mL·g-1。而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達到58.71%，但累計產甲烷量略低，所以外源添加劑蛭石最適宜的添加量應該保證在5%左右。但是由于實驗的局限性，最適宜添加量為實驗室批量裝置實驗所獲得，沼氣工程上是否與其具有一致性需待進一步驗證，并且仍然需要進一步對添加蛭石具體抑制VFAs的作用機理進行研究。

4 結論

在奶牛糞厭氧干發酵實驗，添加蛭石在發酵前期能抑制VFAs的生成，減輕了酸化作用。同時，添加蛭石可以提升奶牛糞厭氧干發酵的產甲烷效果，提前并提高發酵高峰。而對于奶牛糞厭氧干發酵實驗的外源添加劑蛭石最佳的添加量在5%左右，其VS產甲烷量最高，達到218 mL·g-1。