玉米废醪与猪粪混合厌氧消化试验研究*

杨乐， 许国芹, 王昌梅， 柳静, 赵兴玲,杨红, 吴凯， 梁承月, 尹芳， 张无敌

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.红河学院，云南 蒙自 661100)

据统计，我国每年猪粪排放量已超过40亿吨，位居全国畜禽粪便排放量之首[1]，目前对于猪粪的处理方式主要包括集中储存利用、好氧堆肥和厌氧消化等3种处理方式[2].厌氧消化方式不仅非常适合于集中化养猪场，还可以产生沼气作为燃料，弥补养猪场所需能耗，具有良好的环保效益和经济效益[3].

废醪具有良好的可生化性，但由于碱度非常低，若采用未长时间驯化的接种物进行厌氧消化会导致启动慢和酸化等问题.当前大部分研究都是通过向体系投加碱性物质以控制pH来保障实验顺利进行[4-5]，并不适用于实际应用.

多种原料混合发酵在20世纪80年代由Hills[6]提出.研究者们认为混合厌氧消化可以结合不同底物的优势，通过协同作用，调节碳氮质量分数比、营养和水分，提高系统发酵效率[7-8].Assche等[9]通过将猪粪与纤维素混合进行厌氧消化，结果表明产气效率较纯猪粪提高了2倍；姚猛等[10]将牛粪和餐厨垃圾混合进行厌氧消化，结果表明体系所产沼气中甲烷的占比稳定为52.3%～59.5%.SENSAI等[11]将木薯酒糟和猪粪混合进行高温沼气发酵，发现不同混合配比底物的产气具有较大差异，主要原因是质量配比影响了系统的碳氮比以及酸碱缓冲体系.

猪粪氮含量高，发酵过程中会逐步转化为氨氮，可很好地缓解系统酸化的问题[12-13]；同时玉米废醪中碳含量相对较高，与猪粪混合可为厌氧系统提供适宜的碳氮比，有利于厌氧消化的快速启动.因此，本试验以猪粪与玉米废醪作为底物，通过批量方式，在中温(32±1)℃条件下，通过对不同质量配比下的产沼气特性的分析、动力学拟合以及对原料间的协同作用计算，并结合试验过程中挥发性有机酸(VFAs)的变化，探究不同质量配比对混合原料厌氧消化系统的影响，找出适宜的配比参数，为提高猪粪与玉米废醪厌氧消化产沼气效率提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米废醪：由本实验室中试设备经“双酶法”[14]酒精发酵所得，发酵后将醪糟固液分离，固形物即玉米废醪.猪粪：取自昆明市官渡区某农户养猪场.在4 ℃冰箱中密封放置，取样后向其中通入高纯氮气，保持其相对厌氧环境.接种污泥：取自某污水处理厂二次沉淀池，经脱水处理后定时投加适量玉米废醪，常温驯化3个月所得.试验材料理化性质如表1所示.

表1 试验材料理化性质

1.2 试验装置与试验设计

试验装置为实验室自制的批量式发酵装置[15].试验在(32±1)℃下进行.设置了5组TS浓度为8%的实验组和1组空白组，各有3个平行.发酵瓶有效容积为400 mL，接种物所占体积为40%.各试验组分别以纯猪粪(试验组A)、纯玉米废醪(试验组B)、猪粪和玉米废醪按一定比例(以TS质量计)的混合物(试验组C、D、E)为发酵原料，空白组只添加接种物，具体试验设计如表2所示.

表2 试验设计

1.3 测定项目及方法

TS(总固体含量)和VS(挥发性固体含量)按常规方法[16]测定；TC(总碳)用碳硫分析仪(HF2000型)测定；TN(总氮)用凯氏定氮仪(K1100)测定；日产气量通过气袋收集后，利用针筒从取样口抽取的方式测定；甲烷含量用气相色谱仪(GC7900)测定，实验过程中每日测定并计算出当日产甲烷量；pH值用PHS-3C型酸度计(精度0.01)测定；VFAs(挥发性有机酸)使用气相色谱仪(GC9790II)测定，按文献[17]的方法对样品进行预处理.pH和VFAs均每5 d测定一次.

1.4 数据处理

1.4.1 动力学分析

厌氧消化过程中累计产甲烷情况可以用修正Gompertz方程

H(t)=Hm·exp{-exp[Rme(λ-t)+1]}

(1)

进行拟合[18]；式中，H(t)为系统在t时刻的实际累积产甲烷量，单位mL；Hm为拟合最大累积产甲烷潜力，单位mL；Rm为拟合最大产甲烷速率，单位mL/d；λ为迟滞时间，单位d.

1.4.2 协同作用分析

以单一物料实际产甲烷量为计算依据，得出混合物料理论产甲烷量[19]，混合原料的协同作用可以用SEI(协同作用指数)来体现，计算公式为

(2)

式中，MET0为混合原料实际总产甲烷量，单位mL；METn为第n种原料单独厌氧消化总产甲烷量，单位mL；Pn为混合原料中第n种原料质量与其单独厌氧消化时的质量之比，%.

2 结果与分析

2.1 产甲烷特性分析

2.1.1 日产甲烷量与累积产甲烷量

物料在不同混合比例条件下厌氧发酵的日产甲烷量与累积产甲烷量变化如图1(a)和(b).

A组和B组为单一原料发酵，实验周期分别为49 d和58 d，C组、D组和E组为混合原料发酵，实验周期分别为54、47 d和43 d.其中A组共3个产甲烷高峰，前3 d日产甲烷较少，第6天出现第1个高峰(109 mL)，第13天和第22天出现第2个和第3个高峰，日甲烷产量分别为176 mL和138 mL；B组前期产甲烷较少，测定料液pH发现出现了酸化现象，至第20天产甲烷量开始升高，到第22天、第27天和第35天分别出现3个产甲烷高峰，日产甲烷分别为97、252 mL和328 mL；C组和D组产甲烷规律较一致，均呈现3个高峰，第1个高峰都在第2天达到，分别为84 mL和72 mL，且从第3天开始迅速降低，第2个高峰均在第20～21天达到，甲烷量分别为224 mL和353 mL，第3个高峰则均在第36～38天达到，分别为147 mL和109 mL；E组同样有3个产气高峰，分别在第3天、第11天和第21天出现，分别为128、300 mL和199 mL，与A组类似的是，该组在试验前期并未出现产甲烷量迅速降低的情况.

由图1(b)可见， 混合物料的累积产甲烷量均高于单一物料，且随着猪粪占比的增加，最终累积产甲烷量有上升趋势，C组、D组和E组累积产气量分别达3 763.01、4 016.46 mL和4 593.97 mL，分别比单一猪粪发酵(A组)高出12.49%、20.07%和37.33%，比单一玉米废醪发酵(B组)高出8.88%、16.21%和32.92%.

A组在前3 d内，厌氧发酵处于启动阶段，系统产甲烷量较少；在第4-39天，厌氧发酵处于稳定运行阶段，累计产甲烷量增长迅速；在第40-49天，厌氧发酵处于结束阶段，累积产甲烷量增幅较小趋近于0.

B组在启动前期累积产甲烷量较长时间内维持较低数值，至第20天日产气量恢复，且至第26天日产甲烷均超过50 mL，这表明系统已逐步恢复；第36-58天，系统累积产气量逐步趋于稳定.

C组和D组的累积产甲烷量变化较为相似，均在前2-3 d表现出较高的增长速度，而后在一定时间内增长非常缓慢，中期又迅速增长，后期速度减缓并逐渐趋于稳定.对比试验组B、C、D和E，不难发现随着猪粪添加量的增加，试验前期累计产甲烷量增长平缓期和物料发酵时间逐渐缩短，这表明向玉米酒糟中投加猪粪进行厌氧消化不仅有助于提高系统厌氧消化的稳定性，还能缩短发酵周期，提高产甲烷效率.

E组产甲烷与A组类似，不仅能以较快速度启动，且并无类似B、C和E三组的相对平缓期，中后期与其他组类似，均在趋于平稳后保持稳定，不再有较大波动.

2.1.2 系统产甲烷能力动力学分析

采用修正Gompertz方程对各试验组累积产甲烷量进行曲线拟合(图1(b))，得到拟合结果如表3，该方程可以对各试验组厌氧发酵过程进行很好的模拟，相关性系数R2均达到0.99以上，拟合值(Hm)与实测值相对偏差均小于10%.A组拟合所得累积产甲烷潜力Hm高于B组，而最大产甲烷速率Rm显著低于后者，说明纯猪粪最高产甲烷速率比纯废醪更低，但以较高的速率生产甲烷所持续的时间更长；混合试验组C、D和E的Hm值均高于单一物料试验组，且不难发现随着混合物料中猪粪占比的增加，Hm值与Rm值均呈现出上升趋势，说明在废醪中添加猪粪比例越高，厌氧体系产甲烷效率提升越显著.

表3 修正Gompertz方程拟合结果

表3中λ值表示迟滞时间，其大小可用来表示厌氧体系中相关微生物适应所处环境所用时间的长短[18].由表3可知，原料为纯废醪的B组迟滞时间长达22.81 d，远远高于其他试验组，而随着猪粪的添加量的增加，微生物的适应时间显著缩短，各组迟滞时间的排序与图1(b)所出现的累积产甲烷量增长缓慢的时间排序一致，也验证了较高的废醪含量对厌氧消化体系存在负面影响.

2.2 料液VFAs浓度的变化

图2 各试验组VFAs浓度变化Fig.2 Variation of VFAs concentration of each group

定时测定各试验组VFAs浓度变化如图2所示.

各组VFAs浓度均呈现先升高后降低的趋势，这是由于猪粪和废醪均属有机固废，其中固形有机成分在试验前期进入液相转化为VFAs[20]，导致VFAs浓度的升高.在VFAs的浓度达到高峰后，随着体系中产甲烷菌活性增强，被逐步消耗.

在试验初期，各组VFAs浓度相差不大，均在500 mg/L上下.其中A组VFAs在第10天便达到浓度峰值，为5 910.12 mg/L，然后被迅速利用，试验过程中乙酸相对占比较高，且各成分均未出现积累.B组的峰值在第20天才出现，为8 890.31 mg/L，且VFAs降解速度较慢，至试验结束后料液VFAs浓度依然在2 000 mg/L上下.在试验前期各种有机酸均出现积累，中后期乙酸和丁酸占比下降，而丙酸则出现较明显的积累，根据乔玮等[21]的研究，乙酸和丁酸可直接被产甲烷菌利用，而丙酸则不可，丙酸的积累可能是导致纯废醪产甲烷能力受限的主要原因.C组由于发酵原料中废醪占比高，因此VFAs浓度随反应时间的变化与B组类似，不同之处在于峰值更低，为7 159.29 mg/L，且中后期丙酸积累程度更轻.D组和E组VFAs浓度变化趋势类似A组，即峰值出现更快，且均不超过6 000 mg/L，同时可以在较短时内被迅速降解，之后并未出现特定的一种或几种有机酸的积累；不难发现，猪粪的加入对于废醪厌氧消化系统水解产物的降解效果较为显著.

2.3 协同作用分析

根据式(2)对试验进行协同作用分析，得到结果如表4.

表4 玉米废醪与猪粪不同质量配比产甲烷协同作用分析

可见在混合厌氧消化时，随着猪粪量的增加，二者的SEI值逐渐增大.当混合质量(以TS计)比例达到1∶2(玉米废醪∶猪粪)时，相比其他比例(2∶1和1∶1)的SEI值分别高出 23.10%和16.25%.说明在猪粪含量高于玉米废醪的情况下，混合物料间的协同作用使其厌氧消化的产甲烷量更高，这种积极的协同作用可能是由于混合原料在适宜的配比下，其C/N达到适宜的比例，在厌氧消化启动时通常较适宜的C/N为10∶1～30∶1[22].宏观或微观营养物质的补充增强了缓冲能力，提高了厌氧微生物的活性，从而能更好地完成产甲烷过程[23].

3 结语

(1)猪粪与玉米废醪混合厌氧消化比纯猪粪或玉米废醪表现出更好的产气效果，在TS为 8%条件下，废醪与猪粪质量之比(以TS计)为1∶2时，不仅发酵周期最短，累积产甲烷量也达到3个混合试验组的最大值4 593.97 mL，比纯猪粪和玉米废醪分别高出37.33%和32.92%.

(2)由修正Gompertz方程对各试验组累积产甲烷量的拟合结果可知，在玉米废醪中添加猪粪可缩短厌氧体系中微生物的适应时间，缩短程度与猪粪添加量正相关.

(3)纯废醪作为底物进行厌氧消化时，系统VFAs测定结果表明丙酸的积累可能是导致其产甲烷能力受限制的主要原因，进而导致发酵周期延长，而猪粪的加入可使体系形成较好的酸碱缓冲，有效避免了酸化的产生.

(4)将玉米废醪与猪粪混合可调节发酵原料的C/N，平衡宏观或微观的营养成分，通过协同作用，使混合原料的实际产甲烷量比基于单一原料计算所得的理论产甲烷量更高.