接種比在中溫與低溫條件下對豬糞產甲烷潛力的影響研究

王安吉，馬文林

(1. 北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 102616；2. 北京中認檢測技術服務有限公司，北京 100176；3. 北京建筑大學北京市應對氣候變化研究和人才培養基地，北京 102616)

根據糧農組織(FAO)統計數據，2020年全球因家畜糞便管理引起的甲烷排放占農業活動甲烷排放總量的6.63%[1]。由于家畜糞尿對環境有潛在的負面影響力，因此需要適當的處置策略[2]。Li等[3]的研究表明，1頭豬在其畜牧生命周期內會因糞便管理產生1.34 kg甲烷。中國是世界養豬第一大國，每年豬糞便管理產生的甲烷排放量巨大。

糞便最大產甲烷能力(B0)是糞便管理溫室氣體排放和減排量核算中重要的特征參數，可用于估算甲烷排放因子，進而評估單一物料及混合物料的產甲烷潛力(BMP)[4-5]。BMP常用單位質量揮發性固體(VS)的產甲烷量表示，單位為mL/g或m3/kg。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)制定的《國家溫室氣體清單指南》給出了全球各大洲豬糞便管理B0缺省值，亞洲地區為0.29 m3/kg，該缺省值與我國現階段的實際生產情況具有一定差異，只適合用于區域清單研究，對于特定豬場豬糞管理甲烷排放評價常存在較大不確定性。因此，使用亞洲水平的缺省值評估我國豬場糞便管理甲烷排放情況，估算結果將具有較高的不確定性。

盡管可以通過實測方法得到較為準確的B0值，但BMP測試具有試驗條件相對復雜、測試周期長和成本較高等特點，對于大部分畜牧企業來說較難完成[6-7]。而且，目前尚未制定統一規范的BMP測試方法，不同實驗室在進行豬糞BMP測試時，采用不同的試驗條件，得出的B0值存在較大差異[8-15]。

本文研究中溫與低溫條件下不同接種比例對豬糞BMP的影響，并對豬糞產甲烷過程進行動力學分析，旨在為提出豬糞BMP統一測試方法提供科學依據，以期降低豬糞管理甲烷排放量核算不確定性。

1 材料與方法

1.1 樣品來源與處理

豬糞樣品取自于北京市東郊某豬場的母豬舍。豬場存欄仔豬380頭、母豬105頭和育肥生長豬570頭，豬舍采用干清糞方式。鮮母豬糞樣品從母豬舍漏縫地板采集，于實驗室內置于35 ℃下進行風干處理，除雜后研磨過40目篩網備用。

接種液取自北京某牛場沼氣工程(兩個50 m3的發酵罐)排放的沼液。在實驗室內對沼液經過除雜處理，并于35 ℃條件下進行為期1個月的培養后用于豬糞中溫BMP試驗。在中溫試驗結束后，對反應瓶中混合發酵液進行濃縮，并于23 ℃條件下培養1個月后進行豬糞低溫BMP試驗。

在試驗開始前利用質量法分別測定接種液與豬糞的總固體(TS)和灰分含量(以質量計)，計算得到其VS值，樣品TS、VS與灰分值見表1。

表1 接種液與豬糞的TS、VS與灰分值

1.2 試驗裝置

利用全自動甲烷潛力測試系統(AMPTS-II，碧普)進行豬糞中溫BMP試驗。試驗裝置如圖1表示，由厭氧消化單元、CO2固定單元與氣體體積測定單元3部分構成。其中，樣品消化單元由600 mL玻璃反應瓶、恒溫水浴鍋與自動攪拌裝置組成；CO2固定單元由100 mL玻璃吸收瓶和底座組成，試驗開始前向每個玻璃吸收瓶中裝入80 mL 3 mol/L的NaOH溶液，以吸收厭氧消化單元排出的CO2、H2S等酸性氣體；氣體體積測定單元內置溫度與壓力傳感器，依據內置算法將產氣數據自動轉換為標準狀況(1標準大氣壓，0 ℃)下的體積。

1. 厭氧消化單元；2. CO2固定單元；3. 氣體體積測定單元。

1.3 試驗設計

采用制備好的母豬糞樣品，分別進行中溫和低溫BMP試驗。固定各試驗組初始總VS水平(豬糞VS+接種液VS)為3%，在此基礎上根據試驗設定的各反應瓶的反應體積、物料VS含量、豬糞與污泥比例，計算各反應瓶的物料投入水平，各組接種比(豬糞VS/接種液VS，S/I)詳見表2。按照表2向各反應瓶添加豬糞與接種液后，用純水補充至400 mL反應體積。

表2 不同溫度條件下各試驗組物料投入情況

如表2所示，中溫和低溫BMP試驗均設1組空白組(僅含接種液)分別為MCK和LCK組，3組豬糞處理組，分別為M1、M2、M3和L1、L2、L3組，各試驗組均設3個平行處理。試驗期間，樣品消化單元的自動攪拌系統實行間歇攪拌，測試系統每日自動記錄各反應瓶的甲烷產生量，當甲烷日產量小于累積產氣量的1%時測試系統自動終止試驗。

1.4 厭氧消化動力學分析

將所得產甲烷數據利用修正的Gompertz模型[16]與Logistic模型[17]進行動力學擬合，模型分別如公式(1)與公式(2)所示。

(1)

(2)

式中：M(t)為t時刻每克VS的累計產甲烷量(mL)；BMP為每克VS的產甲烷潛力(mL)；Rmax為每克VS日最大產甲烷速率(mL)；e為自然常數；λ為延滯期(d)；t為發酵時間(d)。

以均方根誤差(RMSE)，決定系數(R2)，赤池信息量準則值(AIC值)與貝葉斯信息量準則值(BIC值)作為模型的評估指標。RMSE常用于評價模型精度，該值越小模型精度越高[18]。R2用于評價模型擬合優度，R2越高模型擬合度越好[19]。AIC值與BIC值可評估模型的擬合程度，AIC值與BIC值越小，模型的擬合程度越好。AIC值與BIC值計算方法見公式(3)和公式(4)。在進行動力學擬合前，將所得豬糞的日甲烷產量與累積甲烷產量數據根據各組物料投入水平換算成每克VS的日產甲烷速率R(mL)與累積產甲烷量M(mL)。

(3)

(4)

式中：N為樣本量；RSS為殘差平方和；K為模型自變量個數。

2 結果與分析

2.1 BMP測試

2.1.1 中溫 BMP測試

將各豬糞處理組產甲烷量減去MCK組產甲烷量，得到各處理組日甲烷產量與累積甲烷產量變化，如圖2A和圖2B所示。

由圖2A可知，豬糞處理組在整個產甲烷過程中有相似的產甲烷變化規律。M1組、M2組和M3組3個處理組產甲烷的第1個峰值出現在第2天，第3天產氣量出現小幅下降，第4天開始回升，第5天出現第2個產氣峰值。該峰值是整個產甲烷過程中日產氣量最高值，各試驗組最大日甲烷產量從大到小依次排序為M3組[(373.72±2.33)mL]>M2組[(290.57±8.06)mL]>M1組[(208.40±10.59)mL]，最大日甲烷產量與豬糞接種比例呈顯著正相關性(P<0.05)。第6天3個處理組日產氣量驟降，下降幅度強于之前第1個峰值后出現的降幅。第7天產氣量再次回升，但回升能力顯著低于第2次峰值時的情況，M1組和M2組于第7天出現第3個產氣峰值，M3組的第3個峰值出現在第8天，第3個峰值的產氣量由高到低的順序與甲烷最大產量從大到小的順序相同，依次為M3組>M2組>M1組。在第3個產氣峰值出現后各試驗組的日產氣量均呈現穩定下降趨勢，分別于第15天、第16天和第18天結束產氣，產甲烷周期與S/I呈顯著正相關(P<0.05)。

由圖2B可以看出，接種比例越高，總的產氣時間越長、累積產氣量越大。M1、M2和M3組累積甲烷產量分別為1 013.07、1 502.77和1 999.17 mL，豬糞累積甲烷產量與其接種比例呈顯著正相關(P<0.05)。

計算得出，M1、M2與M3組的BMP值分別為(252.05±5.12)、(250.07±16.57)和(249.65±13.69)mL/g，不同接種比例豬糞的BMP無顯著差異(P>0.05)，豬糞BMP平均值為(250.59±1.28)mL/g。

2.1.2 低溫BMP測試

低溫條件下LCK組未產氣，各處理組日產甲烷量與累積甲烷產量變化如圖3A和圖3B所示。

圖3 低溫條件下不同處理組日產甲烷量(A)和累積甲烷產量(B)的變化

由圖3A可知，3個豬糞處理組在整個產甲烷過程中均出現日甲烷產量峰值，但出現時間不同，分別為第8天、第10天和第16天，豬糞日產甲烷最高峰出現時間與接種比例呈顯著正相關性(P<0.05)。各豬糞處理組日甲烷最大產量從大到小依次為L3組[(76.95±2.12)mL ]>L2組[(68.25±0.64)mL]>L1組[(54.65±6.15)mL]，表明豬糞接種比例越高，日產甲烷最大峰值越高，最大日甲烷產率與豬糞接種比例呈正相關性(P<0.05)。在日產甲烷最高峰出現后，3個豬糞處理組日產甲烷量逐漸下降。L1組第8天出現第2個產氣峰值，但隨后再次逐漸下降，直到第20天出現第3個日產甲烷量峰值，第2與第3個日產甲烷量峰值較前1 d差異約為3 mL。L2組日產甲烷量第2與第3個峰值分別出現在第15與第19天，L3組日產甲烷量第2與第3個峰值分別出現在第27與第31天。L1、L2和L3組分別于第28天、第34天和第41天結束產氣。產甲烷周期與S/I呈顯著正相關(P<0.05)。由圖3B可以看出，接種比例越高，總的產氣時間越長、累積產氣量越大。經檢驗得出，豬糞累積甲烷產量與S/I顯著正相關(P<0.05)。

當初始VS水平相同時，不同豬糞接種比例的產甲烷潛力無顯著差異(P>0.05)，各豬糞處理組所得豬糞BMP分別為(183.42±9.18)、(189.02±11.25)和(191.88±3.50)mL/g，其均值BMP為(188.11±4.31 )mL/g，低于中溫條件下的(250.59±1.28) mL/g。

2.2 厭氧消化動力學分析

2.2.1 中溫豬糞產甲烷動力學模型

由圖4與表3可知，在中溫條件下修正的Gompertz模型的R2保持在0.991～0.997之間，均大于0.99，擬合程度良好。模型RMSE保持在4.67～6.97之間，AIC與BIC值保持在64.43～71.61和64.62～71.07范圍內。Gompertz模型的預測結果分別為247.40 mL/g (S/I=0.5)，244.10 mL/g (S/I=1.0)和246.39 mL/g (S/I=2.0)。對于Logistic模型來說，其回歸系數R2保持在0.981～0.991之間，均大于0.98，擬合程度良好。Logistic模型的預測結果分別為244.19 mL/g (S/I=0.5)，240.19 mL/g (S/I=1.0)和241.74 mL/g (S/I=2.0)。模型RMSE保持在7.70～10.12之間，AIC與BIC值保持在75.46～83.56和74.40～83.01范圍內。通過對比2種模型的RMSE、AIC值與BIC值可知，修正的Gompertz 模型較Logistic模型能更好對中溫條件下不同接種比例豬糞的BMP值進行預測。

A. S/I=0.5；B. S/I=1.0；C.S/I=2.0。

表3 中溫條件下2種模型BMP擬合結果

2.2.2 低溫豬糞產甲烷動力學模型

由圖5與表4可知，在低溫條件下修正的Gompertz 模型的R2保持在0.996～0.999之間，均大于0.99，擬合程度良好。模型RMSE保持在1.85～3.86之間，AIC值與BIC值保持在28.57～116.64和32.16～123.49范圍內。修正的Gompertz模型的預測結果分別為181.41 mL/g(S/I=0.5)，186.24 mL/g(S/I=1.0)和193.50 mL/g (S/I=2.0)。對于Logistic模型來說，其R2保持在0.991～0.994之間，均大于0.99，擬合程度良好。Logistic模型的預測結果分別為177.58 mL/g (S/I=0.5)，181.88 mL/g (S/I=1.0)和189.18 mL/g (S/I=2.0)。模型RMSE保持在4.42～5.97之間，AIC與BIC值保持在90.92～152.43和94.51～159.28范圍內。通過對比2種模型的RMSE、AIC值與BIC值可知，修正的Gompertz 模型較Logistic模型能更好地對低溫條件下不同接種比例豬糞的BMP值進行預測。

A. S/I=0.5；B.S/I=1.0；C.S/I=2.0。

表4 低溫條件下2種模型的BMP擬合結果

3 討論

本研究中得出中溫條件下豬糞的BMP值為(250.59±1.28)mL/g，不同接種比例豬糞的BMP無顯著差異，這與其他文獻報道不同。Lu等[20]在初始TS濃度8%的條件下按照豬糞與接種液3∶1(以TS計)的比例進行中溫厭氧消化，得出以VS計的豬糞BMP值為227.2 mL/g；Santos等[21-22]以市政污水處理廠污泥為接種液，在8%的初始總固體量(TS)水平下采用0.65與1兩種水平的接種比，測得葡萄牙中部地區養殖場豬糞的BMP值分別為0.329 m3/kg與0.568 m3/kg，其依據TS水平確定接種比例，得出不同接種比對豬糞BMP有較大影響；Liu等[23]以污水處理廠的污泥為接種液，按豬糞與污泥比例為1∶2(以VS計)進行試驗，未控制初始VS水平，發現不同接種比下測試結果有較大差異；Hu等[24]以培養的微藻混合菌群為接種液，取初始VS水平5 g/L和豬糞與接種液比例1∶2(以VS計)，于中溫條件下得出豬糞BMP值為547 mL/g。本研究測試結果與其他研究者所得結果不同的原因可能是本文接種比例以VS計，且接種物與豬糞來源與上述研究均有所不同；此外，本研究中豬糞的BMP值以標準狀況(1標準大氣壓，0 ℃)體積給出，而上述其他研究未說明是否將數據轉化為標準狀況體積。從數據可比性角度考慮，試驗條件與數據記錄方式的不同將造成試驗結果的差異，建議今后不同研究人員對BMP值應說明是標準狀況下的修正體積還是試驗環境條件下的實際體積。

4 結論

累積甲烷產量和最大日甲烷產量均與豬糞S/I呈顯著正相關；中溫或低溫條件下，初始VS為3%時，不同S/I豬糞的BMP值無顯著差異；修正的Gompertz模型較Logistic模型更適合對豬糞的BMP值進行預測；接種比不是豬糞BMP測試的限制因素，從節省物料與測試時間的角度考慮，建議將豬糞BMP值測試的S/I設為0.5。