底物質量分數對牛糞玉米秸稈聯合厭氧消化性能的影響

朱教寧 ，李永平 ，湯 昀 ，史向遠 ，王秀紅 ，張靜璇 ，高 莉 ，郭常蓮

（1.山西農業大學 山西有機旱作農業研究院，山西 太原 030031；2.省部共建有機旱作農業國家重點實驗室（籌），山西 太原 030031；3.山西農業大學 資源環境學院，山西 太原 030031；4.山西農業大學，山西 太原 030031）

隨著國民經濟的發展，我國農業經營模式逐漸向規模化、專業化發展，畜禽糞便和農作物秸稈等廢棄物也隨之產生，不僅產量巨大而且產生較為集中，這些農業廢棄物如果得不到合理的處置和消納，其帶來的環境污染問題將成為制約農業規模化發展的主要問題[1-2]。厭氧消化技術是指厭氧微生物利用有機物質在特定的環境條件下發酵生產沼氣的過程，其優點主要有：能耗低、能量轉化率高。有研究表明，農作物秸稈通過厭氧消化產生沼氣后，其熱效率較直接焚燒提高了94%；資源化程度高，除了能生產清潔能源沼氣外，發酵的殘余物沼液、沼渣還可作為有機肥用于作物栽培[3-5]。因此，厭氧消化技術已成為農業廢棄物能源化利用的重要技術手段。

厭氧消化是一個非常復雜的生化過程，其反應效果受諸多因素的影響，其中，底物固體質量分數是影響厭氧消化產氣性能的重要因素，其過高或過低都不利于厭氧消化反應的正常進行[6]。底物固體質量分數過低，水分含量大，單位容積里可供微生物利用的有機物和營養物質含量少，發酵效率低。裴占江等[7]研究發現，總固體（Total solid，TS）質量分數為3%時，豬糞15～35 ℃發酵的平均池容產氣率為0.121 L/（L·d），僅為TS 質量分數8% 時的11.36%，不利于厭氧發生器的充分利用。然而，底物固體質量分數過高，含水量少，發酵原料不易分解，容易造成中間產物的累積，對厭氧微生物產生毒害，也會導致產氣不穩定，甚至失敗。常華等[8]研究發現，豬糞的TS 質量分數大于6%時，丁酸在發酵系統中發生累積，抑制了產甲烷菌的活動，導致日均產甲烷量降低。王菊華等[9]研究發現，混合蔬菜廢棄物的底物質量分數由3%提升至6%時，消化系統中的揮發性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）出現了累積，對產甲烷過程產生了明顯的抑制，揮發性固體（Volatile solid，VS）產沼氣潛力由324.94 mL/g 降低至35.25 mL/g。喬瑋等[10]在進行雞糞中溫批次試驗中發現，TS 質量分數由5%增加至15% 時，TS 產甲烷率由253 mL/g 降低至173 mL/g，原因是固體質量分數提升導致了氨氮的累積，降低了微生物利用乙酸產甲烷的活性。

由于反應底物的組成和性質不同，其厭氧消化性能存在著較大的差異，底物固體質量分數對不同發酵原料厭氧消化性能的影響也不盡相同。另外，前人的研究大多是基于底物的TS 質量分數開展的，而VS 更能夠代表底物有機質的含量，目前基于底物VS 質量分數的相關研究還鮮見報道。為此，本研究以牛糞和玉米秸稈的混合物為原料，采用批量消化的試驗方式，在中溫條件下綜合考察不同VS 質量分數對牛糞玉米秸稈聯合厭氧消化產氣性能、系統穩定性及有機物降解率的影響，以獲得適宜的底物VS 質量分數，為以牛糞玉米秸稈為原料的沼氣工程提供技術參考。

1 材料和方法

1.1 材料

牛糞為山西省晉中市榆次區東陽鎮養牛場的鮮牛糞，去除雜物后測得TS 質量分數為23.1%，VS 質量分數為19.1%，碳氮比（C/N）為21.5；玉米秸稈取自山西農業大學東陽基地玉米試驗田，自然晾干后進行多次粉碎至粉末狀，測得TS 質量分數為91.1%，VS 質量分數為84.4%，C/N 為59.6；接種污泥為山西農業大學東陽基地穩定運行沼氣池中的發酵底泥，TS 質量分數為7.9%，VS 質量分數為4.5%。

1.2 反應裝置

厭氧消化發生器如圖1 所示。

圖1 厭氧消化發生器Fig.1 Anaerobic digestion generator

反應裝置為山西農業大學山西有機旱作農業研究院沼氣技術實驗室自制的1 L 厭氧消化發生器，主要材質為玻璃，分反應裝置、集水裝置和集氣裝置3 個部分。其中，反應裝置由上、下2 個部分組成，上部為排水集氣區，下部為厭氧消化反應區，集水裝置主要為集水瓶，集氣裝置主要為集氣袋。消化原料經進料口進入到厭氧消化反應區，反應后產生的沼氣經導氣管進入到排水集氣區，隨著沼氣量增加，排水集氣區氣體壓力逐漸增大，當壓力達到一定程度時，排水集氣區內的水經橡膠連接軟管進入到集水瓶內，測量集水瓶內水的體積得到沼氣產量；需要測定沼氣中甲烷的含量時，將止水夾打開，氣體進入到集氣袋[11]。

1.3 試驗設計

根據前期研究結果，將牛糞與玉米秸稈按照VS 比1∶1 配混[12]，接種物VS 占比30%，反應底物質量為550 g，在中溫35 ℃條件下進行30 d 的批量式厭氧消化試驗。按照混合物VS 質量分數3%、5%、7%、9%、11%設置5 個處理，分別記為T1、T2、T3、T4、T5，每處理5 個重復。沼氣產量每天測定，沼氣中的甲烷含量每2 d 測定1 次，消化液的pH、氨氮、揮發性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）和總堿度（Total alkalinity，TA）每5 d 測定1 次，反應底物的TS、VS 質量分數分別于反應前和反應后各測定1 次。

1.4 測定指標及方法

TS 質量分數采用烘干法測定，將原料置于鼓風干燥箱中，在105 ℃條件下烘干至恒質量[13]；VS質量分數采用灼燒法測定，將烘干后的樣品放置于馬弗爐中，在600 ℃條件下灼燒至恒質量[13]；氨氮采用蒸餾-中和滴定法，具體參考HJ 537—2009；VFAs和TA 測定分別采用比色法和電位滴定法[13]；pH 采用CyberScan PC 300 便攜式多參數測定儀測定；甲烷含量采用安捷倫氣相色譜儀（7890B）測定。

1.5 數據分析

利用Excel 2010 進行數據整理和繪圖，采用SPSS 19.0 軟件對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 產氣特性分析

2.1.1 日產氣量 由圖2 可知，各處理組日產氣量的整體變化規律相似，均為先升高，維持一段時間（8～12 d）較高水平產氣后迅速降低，最后進入平緩下降階段。T2～T5處理組均有2 個明顯的產氣高峰，第1 個產氣高峰均出現在產氣第2 天，此時為水解酸化階段，水解酸化菌將消化原料中的大分子有機物降解為小分子有機物質，此時氣體中的主要成分為CO2。第2 個產氣高峰均出現在第6 天，T2～T5處理的峰值日產氣量分別為513.0、673.6、802.5、845.2 mL，此時已進入產甲烷階段，產甲烷微生物利用水解酸化階段產生的有機酸生成CH4。而T1處理沒有出現明顯的第2 個產氣高峰，且日產氣量始終維持在較低的水平上，峰值日產氣量出現在第6 天，為257.1 mL，這表明底物的VS 質量分數低，可供水解酸化菌降解的有機物含量少，后續產甲烷微生物利用的有機酸就少，產氣量較低。

圖2 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化日產氣量的變化Fig.2 Variation of daily biogas production with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.1.2 累積產氣量 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化累積產氣量的變化如圖3所示。

圖3 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化累積產氣量的變化Fig.3 Variation of cumulative biogas production with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

從圖3 可以看出，總體上各處理的累積產氣量均呈先快速升高后趨于平穩增長的趨勢。1～12 d為快速增長期，增長速率為T5>T4>T3>T2>T1，反應第12 天時，T1、T2、T3、T4、T5處理的累積產氣量分別為2 353.8、4 411.0、6 702.4、8 094.8、8 447.0 mL，分別占總累積產氣量的72.5%、74.6%、75.3%、75.2%、72.6%；12 d 后，隨著消化料液中小分子有機質的消耗，各處理的累積產氣量增長放緩并趨于平穩。最終各處理累積產氣量由高到低排序為T5（11 503.3 mL）>T4（10 658.4 mL）>T3（8 898.5 mL）>T2（5 916.0 mL）>T1（3 246.9 mL）。底物VS 質量分數由3% 提高到5%、5% 提高到7%時，累積產氣量分別增加82.2%、50.4%；而當底物VS 質量分數由7% 提高至9%、9% 提高至11% 時，其增幅僅分別為21.0%、7.9%。即底物VS 質量分數越高累積產氣量越大，但增幅卻逐漸減小。

2.1.3 甲烷含量 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化甲烷含量的變化如圖4 所示。

圖4 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化甲烷含量的變化Fig.4 Variation of methane content with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

由圖4 可知，各處理甲烷含量的整體變化趨勢基本相同，表現為先迅速增加后增幅減緩，隨后緩慢下降，最終穩定在60%～65%，直到產氣結束。各處理間的差異主要體現在產氣初期和產氣高峰期內（第0～12 天）。反應初期，各處理甲烷含量迅速升高，且底物VS 質量分數越高，增幅越大。T3、T4、T5處理的甲烷含量在第4 天即達到50%以上，反應進入產甲烷階段[14]，而T1、T2處理較滯后，分別在第10 天和第8 天進入產甲烷階段。T2～T5處理甲烷含量的峰值均落在產氣第12 天，分別為68.6%、68.3%、66.7%、66.3%，T1處理的峰值出現在第18 天，為65.7%。最終，T1、T2、T3、T4、T5處理的產甲烷均值分別為56.1%、59.2%、60.3%、59.5%、59.8%，T1處理顯著低于其他處理（P<0.05），T2～T5處理之間無顯著差異（表1）。由此可見，底物VS 質量分數過低，厭氧微生物可利用的營養物質較少，不利于產甲烷階段的快速啟動和甲烷含量的提升。

表1 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化的產甲烷特性指標Tab.1 Methane characteristic index with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.1.4 容積產甲烷率 由表1 可知，容積產甲烷率隨底物VS 質量分數的增加而增加，但是其增加幅度逐漸減小，經計算，底物VS 質量分數由3%提高到5%、5%提高到7%時，容積產甲烷率分別增加88.5%、61.4%；而當底物VS 質量分數由7%提高至9%、9% 提高至11% 時，其增幅分別僅為12.4%、11.0%。T1～T5處理的容積產甲烷率分別為59.2、111.4、179.6、206.7、231.8 mL/（L·d），各處理間均存在顯著性差異（P<0.05）。

2.1.5 VS 產甲烷量 從表1 可以看出，VS 產甲烷量隨底物VS 質量分數的提升呈先升高后降低的趨勢。底物VS 質量分數由3%（T1）提升至7%（T3）時，VS 產甲烷量由153.8 mL/g 提高至199.9 mL/g；繼續提升底物VS 質量分數時，VS 產甲烷量開始下降，T4、T5處理的VS 產甲烷量分別降至179.0、164.2 mL/g。T3處理的VS 產甲烷量最高，且顯著高于其他處理（P<0.05），分別較T1、T2、T4、T5處理高出30.0%、15.1%、11.7%、21.7%。

2.2 VS 去除率分析

由圖5 可知，VS 去除率隨著底物VS 質量分數的提升而下降，各處理的VS 去除率在30%～75%。其中，T1處理的VS 去除率可達74.8%，顯著高于其他處理（P<0.05）。T2、T3處理的VS 去除率分別為64.0%和61.0%，均大于60%，二者之間無顯著差異。當底物VS 質量分數進一步升高時，VS 去除率明顯下降，T4、T5處理的VS 去除率分別僅為36.8%和33.1%，分別較T1處理降低了38.0、41.7 百分點，且二者之間差異不顯著，但均顯著低于其他處理（P<0.05）。

圖5 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化的VS 去除率比較Fig.5 Comparison of removal rate with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.3 消化料液的理化指標分析

2.3.1 pH 和VFAs 反應初期，消化底物中的大分子有機物在微生物的水解作用下迅速分解為脂肪酸等小分子有機質。從圖6可以看出，消化第5天，各處理的VFAs 質量濃度均增長至整個消化周期的最高點，且底物VS 質量分數越高，增長速率越快，VFAs 質量濃度越高。隨著消化反應的進行，產甲烷菌開始利用VFAs 生成甲烷氣體，VFAs 的質量濃度在第5 天后開始下降。T1處理的底物VS質量分數低，VFAs 質量濃度變化幅度小且一直處于較低的水平，可供產甲烷菌利用的有機質就少，因此，產氣量較低。T2、T3處理的VFAs 質量濃度在消化第15 天后便快速降低至較低的水平范圍內（<700 mg/L），并保持至反應結束。而T4、T5處理的VFAs 質量濃度從第10 天后便趨于穩定，一直維持在較高的水平（1 300～2 000 mg/L）直至反應結束，這表明此時消化系統的產甲烷菌對VFAs 的利用能力降低，VFAs 出現了一定程度的累積[15]。

圖6 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化VFAs 質量濃度的變化Fig.6 Variation of VFAs mass concentration with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

由圖7 可知，各處理的pH 在第5 天達到整個反應周期的最低值，T1～T5處理分別為5.8、5.8、5.6、5.4、5.3；隨后開始逐漸升高，發酵15 d 后各試驗組的pH 值均穩定在6.5～7.2。由于出現VFAs 累積，T4、T5處理的pH 值相較于其他處理整體偏低，但整體上仍處在適宜的范圍內（6.5～8.0）[16]。

圖7 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化pH 的變化Fig.7 Variation of pH with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

2.3.2 VFAs/TA 和氨氮 消化液中的堿度可以對揮發性脂肪酸起到中和與緩沖作用，因此，VFAs/TA 值常用來表示消化系統的穩定性。普遍認為，VFAs/TA<0.3，消化系統穩定；0.30.8，消化系統嚴重失穩[16]。由圖8 可知，T1～T3處理整個消化周期的VFAs/TA 值均小于0.3，系統始終處于穩定狀態。而T4、T5處理從發酵第5 天至反應結束VFAs/TA 均位于0.3～0.5，表明消化系統的緩沖能力下降，受到VFAs 累積的抑制，系統不穩定。

圖8 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化VFAs/TA 的變化Fig.8 Variation of VFAs/TA with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

氨氮是厭氧消化過程的中間產物，是微生物生長代謝重要的氮源，然而氨氮質量濃度過高也會對微生物產生抑制作用，因此，氨氮也是影響消化系統穩定性的要素之一，一般認為，氨氮質量濃度大于1 500 mg/L 時，會抑制產甲烷菌的活性[17-19]。圖9為各處理消化系統中氨氮質量濃度的變化情況，整體上底物VS 質量分數越大氨氮的質量濃度越高。發酵初期，底物中的含氮有機物被微生物分解利用產生氨氮，各處理的氨氮質量濃度增加，在消化第5 天達到最高值，T1～T5處理的氨氮質量濃度分別為396.7、456.6、573.6、765.0、896.4 mg/L，均小于1 500 mg/L，未達到氨氮抑制水平。隨著消化天數的延長氨氮質量濃度呈逐漸下降的趨勢，直至反應結束。可見，各處理在整個消化過程中均未出現氨氮抑制。

圖9 不同VS 質量分數牛糞和玉米秸稈聯合厭氧消化氨氮質量濃度的變化Fig.9 Variation of ammonia nitrogen mass concentration with different VS mass fraction of the mixed anaerobic digestion of cow dung and corn straw

3 討論

3.1 不同底物VS 質量分數條件下的產甲烷潛力分析

VS 產甲烷量代表消化原料的產甲烷潛力，表征消化系統對有機物質的利用潛力，體現的是厭氧消化技術的能源化利用價值[20]。本研究發現，牛糞和玉米秸稈混合原料的產甲烷潛力隨底物VS 質量分數的提升呈先增加后降低。底物VS 質量分數由3%提升至7%時，消化原料的產甲烷潛力也隨之升高；當底物VS 質量分數提升至7%以上后，產甲烷潛力不再提高，出現下降趨勢。喬小珊[21]、張振等[22]的研究也發現，適當的提高底物VS 質量分數，可以增加發酵系統的營養物質含量，有利于厭氧微生物的快速生長，消化原料產甲烷潛力隨之提高；當底物VS 質量分數過高時，含水量減少、VFAs 積累，厭氧微生物的活性降低，消化原料的產甲烷潛力下降，這與本試驗的研究結果吻合。

3.2 不同底物VS 質量分數條件下的有機物降解效果分析

VS 去除率代表有機物質的降解效果，表征消化系統對有機污染物的處理能力，是厭氧消化技術在環境保護方面的價值體現[10,23]。本試驗條件下，VS 去除率隨底物VS 質量分數的提升而降低，底物VS 質量分數為3%、5%、7%時，VS 去除率均大于60%，保持在較高的水平上；但是當底物VS 質量分數提升至9%、11%時，VS 去除率下降較為明顯，均降至40%以下，此時大部分有機物質仍殘留在厭氧消化液中未得到處理，不但造成了消化原料的資源浪費，還會大大增加后續沼液沼渣無害化處理的成本。經分析，VS 質量分數為9%和11%時，消化系統內出現了VFAs 的累積，抑制了厭氧微生物的活性，破壞了系統的穩定性，導致微生物對有機物質降解能力下降，這與杜靜等[24]、楊祎楠等[25]的研究結果相似。

3.3 不同底物VS 質量分數條件下的消化系統穩定性分析

消化料液的VFAs、VFAs/TA、氨氮等理化指標與厭氧微生物的代謝活動密切相關，其變化情況影響著消化系統的穩定性[3，26]。有學者認為，VFAs質量濃度小于1 000 mg/L 時，消化系統穩定運行；當VFAs 質量濃度大于1 000 mg/L 時，消化系統是否穩定均存在可能性，具體與消化原料的固體質量分數和種類有關[15]。本研究中，底物VS 質量分數為3%～7%時，VFAs 質量濃度在整個消化周期內均小于1 000 mg/L，這說明水解產生的VFAs 能夠迅速被產甲烷菌利用，系統的水解酸化作用和產甲烷作用達到了動態平衡[27]。當VS 質量分數提升至9%和11%時，VFAs 質量濃度從消化第5 天開始便一直維持在1 000 mg/L 以上，且VFAs/TA 值大于0.3，由此可見，VFAs 在消化系統中出現了累積，導致系統處于不穩定的狀態。本試驗中，不同底物VS 質量分數下的氨氮質量濃度均在合理的范圍中，未出現氨氮抑制。

4 結論

本研究結果表明，綜合產氣效率、系統的穩定性及有機物的降解率考慮，適宜的底物VS 質量分數應為7%。此時，VS 產甲烷量最高，為199.9 mL/g；有機物降解率較高，為64.0%；系統穩定運行。