張國(guó)華，徐鵬程，田汝康

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266237)

單一底物由于自身性質(zhì)的局限性，在厭氧發(fā)酵過程中常常會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)不平衡、缺乏多樣化的微生物以及易受操作條件影響的問題，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)酵過程抑制物積累、產(chǎn)氣率低。相關(guān)的研究表明，厭氧共發(fā)酵能夠克服單一原料厭氧發(fā)酵的缺陷，厭氧共發(fā)酵是指將兩種或多種具有互補(bǔ)特性發(fā)酵底物混合消化以提高生物轉(zhuǎn)化率以及甲烷產(chǎn)量的技術(shù)[1]。厭氧共發(fā)酵可以達(dá)到1+1>2的促進(jìn)效果，維持發(fā)酵體系穩(wěn)定，平衡微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而加快并提高甲烷產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)混合厭氧消化的協(xié)同作用[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)厭氧共發(fā)酵平進(jìn)行了大量研究，同樣地，法國(guó)和英國(guó)對(duì)其沼氣產(chǎn)業(yè)采取了類似的策略：逐步開發(fā)以多種底物和有限使用能源作物為原料的共發(fā)酵技術(shù)[3]。

本研究通過批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，選取了典型有機(jī)廢棄物脫水污泥、玉米秸稈和牛糞，研究了它們?cè)诓煌壤聝蓛苫旌蠀捬醢l(fā)酵產(chǎn)甲烷特性，以期獲得最佳物料混合比例和更高的產(chǎn)甲烷效率，為混合物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的工程實(shí)踐提高理論依據(jù)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

各底物及接種物的理化性質(zhì)及來(lái)源見表1。污泥、牛糞取回后放在冰箱4℃儲(chǔ)存?zhèn)溆?，玉米秸稈取回后粉碎過10目篩，密封保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組分A、B、C三組，分別對(duì)應(yīng)脫水污泥與秸稈厭氧共發(fā)酵、脫水污泥與牛糞厭氧共發(fā)酵和玉米秸稈與牛糞厭氧共發(fā)酵，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組以揮發(fā)性固體進(jìn)行計(jì)算設(shè)置四種比例。對(duì)照組包括以脫水污泥、玉米秸稈和牛糞作為單一底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，接種物作為空白對(duì)照，每組設(shè)置3個(gè)平行，取得的樣品存于-20℃冰箱保存。發(fā)酵體系揮發(fā)性固體濃度為10 g·VS/L，接種比為底物揮發(fā)性固體的25%，發(fā)酵溫度為37℃，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min，發(fā)酵周期為30天。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2。

表2 混合發(fā)酵實(shí)驗(yàn)混合比例

注：以上比例基于揮發(fā)性固體。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

分析項(xiàng)目包括溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、氨氮、pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、甲烷含量和甲烷產(chǎn)量，其中SCOD采用重鉻酸鉀法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，pH采用德國(guó)賽多利斯公司產(chǎn)Pb-10型pH計(jì)測(cè)定，VFAs采用島津SPD-20A型液相色譜儀測(cè)定，氣體組成采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司產(chǎn)GC-7820型氣相色譜儀，沼氣產(chǎn)量采用排飽和氯化鈉溶液法收集。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能影響

各實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)甲烷量與累計(jì)產(chǎn)甲烷量如圖1所示。日產(chǎn)甲烷量可以形象直觀地反映混合物料的產(chǎn)甲烷性能，是厭氧消化過程中重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。日產(chǎn)氣量整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，日產(chǎn)氣高峰值主要集中出現(xiàn)在10～20 d之間。對(duì)于污泥和秸稈共發(fā)酵組，A1、A2和A4組在整個(gè)發(fā)酵階段均出現(xiàn)了2個(gè)產(chǎn)甲烷峰值，A3組只出現(xiàn)1個(gè)產(chǎn)甲烷峰值，最大日產(chǎn)甲烷量為A4在16天的162 mL。污泥與牛糞的2個(gè)產(chǎn)甲烷峰值均出現(xiàn)在10～12 d之間，且B1組和B2組的最大產(chǎn)甲烷峰值要明顯高于B3組和B4組，這可能是因?yàn)榍罢呓M合物料中高比例牛糞造成的。牛糞和污泥中含有的大量溶解性有機(jī)物被迅速地降解，達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)甲烷峰值，隨后，牛糞中含有的粗蛋白，纖維素、木質(zhì)素等難降解物質(zhì)[4]，在后續(xù)的發(fā)酵過程中實(shí)現(xiàn)分解產(chǎn)氣，從而產(chǎn)生了第二個(gè)較大的峰值。通過對(duì)比單一脫水污泥作為發(fā)酵物料的實(shí)驗(yàn)組來(lái)說(shuō)，牛糞的添加大大提高了日產(chǎn)甲烷量，說(shuō)明協(xié)同發(fā)酵體系更能均衡營(yíng)養(yǎng)成分，促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程。C2組與其他組的趨勢(shì)顯著不同，在整個(gè)厭氧發(fā)酵過程中一共出現(xiàn)了4個(gè)峰值，最高日產(chǎn)甲烷產(chǎn)量為160.5 mL，比單一牛糞和單一秸稈厭氧消化最高產(chǎn)甲烷峰值分別提高了333.8%和60.5%，這與任海偉[5]等的研究結(jié)果是一致的。在本實(shí)驗(yàn)中，混合物料發(fā)酵使原料的碳氮比處于均衡的狀態(tài)，提供了更加適宜的微生物生存條件，其次，由于各種原料在營(yíng)養(yǎng)組分、物理結(jié)構(gòu)等方面有一定的互補(bǔ)，保證了產(chǎn)甲烷過程高效穩(wěn)定的進(jìn)行。

圖1 不同厭氧共發(fā)酵體系日甲烷產(chǎn)量圖

Fig.1 Daily methane yields for different anaerobic co-digestion

污泥和秸稈協(xié)同發(fā)酵體系累積甲烷產(chǎn)量見圖2。當(dāng)污泥與秸稈以3∶1比例的混合時(shí)具有最高的累積甲烷產(chǎn)量，為933 mL。在厭氧發(fā)酵過程中底物的配比制約著甲烷的產(chǎn)量，除A3外，隨著污泥比例的增加，產(chǎn)氣量逐漸增加，這可能是因?yàn)槲勰嘀泻休^多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)含有的多種微生物使得秸稈中的細(xì)胞破壁，有機(jī)物得到釋放。當(dāng)?shù)孜锊捎妹撍勰唷门＜S=1∶2的比例時(shí)，所產(chǎn)生的累計(jì)產(chǎn)甲烷量最高，為260 mL。相比較而言，當(dāng)添加高比例的牛糞作為發(fā)酵物料時(shí)，可以獲得較高的累計(jì)產(chǎn)甲烷產(chǎn)量。在30 d 厭氧發(fā)酵結(jié)束后，各試驗(yàn)組最終累積甲烷產(chǎn)量中 C1 表現(xiàn)出最佳的產(chǎn)氣性能，643.64 mL，分別比 C2、C3 和 C4 試驗(yàn)組提高了173.6%、28.6%、35.5%，其最終甲烷產(chǎn)量比單一秸稈厭氧消化提高了51.16%。發(fā)酵過程中16～30 d為快速產(chǎn)甲烷時(shí)間段，這期間累計(jì)甲烷產(chǎn)量分別為最終甲烷產(chǎn)量的 89.2%、76.2%、87.4%、88.3%。厭氧微生物利用有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)甲烷主要集中厭氧消化中期 16～30 d內(nèi)，之后系統(tǒng)中產(chǎn)氣的有機(jī)物質(zhì)基本消耗完畢。試驗(yàn)組 C1甲烷產(chǎn)量曲線明顯表現(xiàn)出更快的發(fā)酵產(chǎn)甲烷速率，具有最高的甲烷生產(chǎn)潛力。

圖2 不同厭氧共發(fā)酵體系累計(jì)甲烷產(chǎn)量圖

Fig.2 Cumulative methane yields for different anaerobic co-digestion

多底物共發(fā)酵能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，Labatut等人[6]表明可以比較混合物料的產(chǎn)甲烷潛力與單個(gè)底物產(chǎn)甲烷潛力加權(quán)總和的大小來(lái)作為判斷協(xié)同或抑制作用的依據(jù)。共發(fā)酵協(xié)同效應(yīng)指數(shù)主要計(jì)算公式[7]如下所示：

(1)

式中：Bi,n-混合物料產(chǎn)甲烷潛力；

Bo,i-單一物料產(chǎn)甲烷潛力；

Boi,n-單一物料的產(chǎn)甲烷潛力加權(quán)平均值(%VS)；

底物i到n為共發(fā)酵，∑in%VSi=1，所以CPI值>1表明產(chǎn)生了協(xié)同作用，反之則產(chǎn)生了抑制作用。物料以不同比例混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部反應(yīng)，一種是混合發(fā)酵甲烷產(chǎn)量要多于單個(gè)底物計(jì)算的理論產(chǎn)量，即為協(xié)同效應(yīng)，CPI值>1；反之即為拮抗效應(yīng)，CPI值<1?；旌衔锪瞎舶l(fā)酵的協(xié)同效應(yīng)指數(shù)如圖3所示。對(duì)于秸稈與污泥混合的情況來(lái)說(shuō)，A4組(污泥∶秸稈=3∶1)CPI值最高，為4.84；對(duì)于污泥和牛糞混合的情況來(lái)說(shuō)，各組的CPI值均大于1，B4組(污泥∶牛糞=3∶1)CPI值最高，為3.4。對(duì)于牛糞與秸稈混合，除A2組外，其余CPI值均超過1，最高值為C4組(牛糞∶秸稈=3∶1)的1.56。這些結(jié)果表明不同底物以及不同的混合比例對(duì)厭氧發(fā)酵的進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

圖3 厭氧共發(fā)酵協(xié)同效應(yīng)指數(shù)圖

2.2 混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵SCOD變化的影響

SCOD的變化情況如圖4所示。從不同比例的脫水污泥和秸稈作為混合物料時(shí)SCOD的變化情況來(lái)看，前12天各組的SCOD值有顯著的上升，這主要是因?yàn)閰捬醢l(fā)酵水解菌將底物中大分子物質(zhì)分解成溶解性的小分子物質(zhì)，造成體系中SCOD濃度上升。A1和A3組的SCOD濃度在第16天后開始下降，且下降速度較快，這主要是厭氧發(fā)酵后期微生物數(shù)量多而導(dǎo)致的。A4組SCOD濃度在整個(gè)發(fā)酵過程中都維持在相對(duì)較低的水平，其最高值只有1149 mg/L，結(jié)合其高產(chǎn)氣來(lái)看，可能是分解出來(lái)的SCOD被迅速的轉(zhuǎn)化為了揮發(fā)性脂肪酸和沼氣。實(shí)驗(yàn)組B1、B3、B4的SCOD濃度在發(fā)酵初始均有所上升，其中B1和B4組的上升趨勢(shì)最為明顯，并在發(fā)酵開始第6天達(dá)到最大值，分別為839 mg/L和919 mg/L，然后開始下降。但是B2組的SCOD濃度最大值出現(xiàn)在第12天，為459 mg/L，而且在整個(gè)發(fā)酵階段的變化趨勢(shì)不明顯，與B3組一起，保持在相對(duì)較低的水平。其中C1、C2、C3組顯示出了類似的變化趨勢(shì)：在第6天三組達(dá)到SCOD峰值分別為3080，1700，2200 mg/L；而C4組先以最大的SCOD增長(zhǎng)率不斷增長(zhǎng)，在12天達(dá)到峰值4138 mg/L一直持續(xù)到第18天，隨后SCOD速率迅速下降。

圖4 不同厭氧共發(fā)酵體系溶解性COD變化圖

Fig.4 Variety of SCOD for different anaerobic co-digestion

2.3 混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵氨氮變化的影響

氨氮變化情況見圖5。含氮的有機(jī)質(zhì)分解成小分子，然后在氨化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化成為氨氮，氨氮可作為微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)源，還可以為系統(tǒng)提供一定的酸堿緩沖能力，但是當(dāng)其濃度超過1700 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)體系中的微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[8]。污泥與秸稈實(shí)驗(yàn)組A1、A2和A4的氨氮濃度穩(wěn)定在150～250 mg/L之間，而A3組的氨氮濃度在經(jīng)歷短暫的下降后又出現(xiàn)了顯著上升，達(dá)到338 mg/L，結(jié)合產(chǎn)氣情況發(fā)現(xiàn)，升高后的氨氮濃度對(duì)微生物造成了氨抑制，從而影響了產(chǎn)氣效果。實(shí)驗(yàn)B組中的氨氮濃度均隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，Baris等[9]研究結(jié)果表明，厭氧消化過程中，當(dāng)氨氮濃度適當(dāng)時(shí)具有調(diào)節(jié)酸堿度、防止酸積累的作用。牛糞與秸稈不同混合比例C1、C4組中氨氮含量變化較大，而C2、C3組氨氮含量較為平穩(wěn)。

圖5 不同厭氧共發(fā)酵體系氨氮變化圖

Fig.5 Variety of NH4+for different anaerobic co-digestion

2.4 混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵pH值變化的影響

表3 厭氧共發(fā)酵pH值隨時(shí)間變化表

各實(shí)驗(yàn)組的pH值變化見表3。為了保證厭氧協(xié)同發(fā)酵的順利啟動(dòng)，在厭氧發(fā)酵前期對(duì)各自體系的pH進(jìn)行了調(diào)節(jié)，即以碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)體系pH值為7.2。從表中看出，pH值均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，這可能是由于前期來(lái)自污泥或者牛糞中的易降解物質(zhì)水解，形成VFA，使pH值降低，而后隨著水解的進(jìn)行，大分子或者難降解的有機(jī)氮等被微生物分解成氨氮等，對(duì)體系進(jìn)行了調(diào)節(jié)，起到緩沖作用。在穩(wěn)定產(chǎn)氣過程中，pH值維持在6.5～7.2之間，組別之間無(wú)明顯差異，說(shuō)明發(fā)酵體系能夠正常進(jìn)行，協(xié)同厭氧發(fā)酵為其提供了更好的緩沖能力。

2.5 混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵VFAs變化的影響

圖6描述了VFAs的變化情況。由圖可知，總VFAs濃度整體呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì)，在發(fā)酵前期，發(fā)酵底物中的可降解有機(jī)物就在產(chǎn)酸菌的作用下被分解為各種有機(jī)酸(小分子鏈)，隨著時(shí)間的增加，其分解的有機(jī)酸的量就越來(lái)越多，所測(cè)得的VFAs濃度也就越大。當(dāng)發(fā)酵底物中的可降解有機(jī)物被分解完以后，VFAs的數(shù)值便不會(huì)再增加，而是隨著時(shí)間逐漸減小[10]。B組的VFAs濃度最大值分別為730、533、636和1250 mg/L，與其他底物含秸稈的實(shí)驗(yàn)組相比處于較低水平，可能是由于加入的秸稈較難分解(會(huì)在后期產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸)，且產(chǎn)酸菌要比產(chǎn)甲烷菌代謝速率快，所以經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的厭氧發(fā)酵之后，積累了較多的VFAs。周海東等人[11]研究了污泥與秸稈作為共同底物在中溫環(huán)境下的厭氧發(fā)酵特性，也指出秸稈在發(fā)酵前期水解不完全，后期仍在進(jìn)行水解產(chǎn)生VFAs，產(chǎn)甲烷菌利用不及時(shí)就會(huì)造成積累。當(dāng)污泥與秸稈比例為1∶2時(shí)，總VFAs在第18天達(dá)到最高值5783 mg/L，同時(shí)這也是整個(gè)厭氧發(fā)酵過程四個(gè)實(shí)驗(yàn)組中出現(xiàn)的最高總VFAs值，高的VFAs并沒有得到長(zhǎng)時(shí)間的積累，而是在第26天降為2543 mg/L，但這樣的濃度可能會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷造成抑制作用[12]。A4組在本實(shí)驗(yàn)過程中總VFAs濃度較低，最高值僅為2249 mg/L，隨后又降至2000 mg/L以下，較低的VFAs水平可能與較高的產(chǎn)氣和高效的產(chǎn)甲烷菌有關(guān)。

圖6 不同厭氧共發(fā)酵體系揮發(fā)性脂肪酸變化圖

Fig.6 Variety of VFAs for different anaerobic co-digestion

3 結(jié)論

(1)不同底物厭氧共發(fā)酵較單物料發(fā)酵甲烷產(chǎn)量顯著提高，底物的混合比例能夠明顯影響厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷特性，確定了不同物料進(jìn)行厭氧共發(fā)酵的最佳混合比例：當(dāng)脫水污泥與玉米秸稈比例(以揮發(fā)性固體質(zhì)量計(jì))為3∶1時(shí)；污泥與牛糞的最佳混合比例為1∶2；牛糞與秸稈的最佳混合比例為1∶1，30天的累計(jì)甲烷產(chǎn)量最高。不同底物及不同混合比例對(duì)厭氧共發(fā)酵產(chǎn)生不同影響，絕大多數(shù)共發(fā)酵產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。

(2)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧共發(fā)酵使發(fā)酵體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，混合底物使得體系的緩沖能力增強(qiáng)，溶解性化學(xué)需氧量、氨氮處在正常范圍，沒有發(fā)生氨抑制，揮發(fā)性脂肪酸在厭氧發(fā)酵過程中沒有出現(xiàn)積累造成酸抑制。