張 振， 尹 芳， 張無敵， 趙興玲， 王昌梅， 吳 凱， 柳 靜

（云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500）

0 引言

隨著我國(guó)畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)中地位日益提高；奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)在不斷擴(kuò)大規(guī)模和數(shù)量的同時(shí)，也產(chǎn)生了很多的有機(jī)固體廢棄物和高濃度有機(jī)廢水[1]。 如果不能對(duì)這些農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行無害化、資源化處理，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[2]。 厭氧消化工藝對(duì)于處理畜糞類農(nóng)業(yè)廢棄物是一種行之有效的方法。

根據(jù)原料的固體含量（TS）不同，沼氣發(fā)酵可以分為厭氧濕發(fā)酵（TS＜15%）和厭氧干發(fā)酵（TS＞20%）。目前，國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)廣泛應(yīng)用濕發(fā)酵方法，即將堆放的糞便加水稀釋后送入反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵。 大量的加水造成了水資源的浪費(fèi)，而且發(fā)酵后的沼液須有足夠的土地消納，還存在沼液運(yùn)輸難的問題。 與厭氧濕發(fā)酵相比，厭氧干發(fā)酵具有耗水量小，沼液量少，沼渣營(yíng)養(yǎng)物濃度高，運(yùn)輸成本低，發(fā)酵設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在土地有限和水資源缺乏的地區(qū)，其優(yōu)勢(shì)更為突出[3]。 然而，厭氧干發(fā)酵在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中也有易酸化（VFA 產(chǎn)生過快）、啟動(dòng)慢、發(fā)酵過程中須進(jìn)行攪拌、產(chǎn)氣不穩(wěn)定等難題[4]。

在發(fā)酵過程中加入外源添加劑是解決酸化問題的一種方法。 文獻(xiàn)[5]將垃圾焚燒爐產(chǎn)生的灰分適當(dāng)?shù)靥砑又羺捬跸w系中， 可提高體系中一定的金屬含量， 有利于提高沼氣產(chǎn)量。 César Huilifir 研究顯示， 添加濃度為10，25，50，250，500 mg/L 的粉煤灰均可促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程，最大可提高甲烷產(chǎn)量達(dá)56%[6]。 通過分析顯示，灰分中含有不同的微量元素， 有利于維持厭氧體系中的酶活性，保證微生物的生長(zhǎng)代謝[7]。 文獻(xiàn)[8]指出，F(xiàn)e，Co，Ni 等元素能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和激活酶的活性，進(jìn)而加快甲烷的生物合成。

目前， 使用生物質(zhì)燒制的灰分作為外源添加劑進(jìn)行厭氧干發(fā)酵的研究較少。 本文旨在探究生物質(zhì)灰分添加量對(duì)于厭氧干發(fā)酵的影響， 在牛糞厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中， 按不同比例加入核桃殼燒制后的灰分，探究其對(duì)厭氧干發(fā)酵的影響，尤其是灰分添加量對(duì)體系酸化問題的影響。 本文可為牛糞的資源化、能源化利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 原料、添加劑和接種物

實(shí)驗(yàn)原料牛糞來自昆明市石林縣某牧場(chǎng)，模擬養(yǎng)殖場(chǎng)自然堆放晾曬后備用。核桃殼經(jīng)粉碎后，篩選粒徑為40～60 目的顆粒， 在105 ℃干燥箱中干燥24 h 后備用。在實(shí)驗(yàn)室用馬弗爐將核桃殼在600 ℃溫度下燒制3 h 后得到灰分。 對(duì)灰分進(jìn)行EDS 分析， 得到其元素含量：C 元素占72.04%，O元素占26.06%， 另含有少量微量元素Mg（0.16%），AI （0.09%），Si （0.22%），S （0.18%），K（0.43%），Ca（0.82%）。 接種物通過活性污泥以及新鮮奶牛糞在37 ℃條件下長(zhǎng)期馴化而得，不產(chǎn)氣后使用。 牛糞和接種物的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、總氮（TN）和總磷（TP）等含量的基本特性見表1。

表1 奶牛糞和接種物特性Table 1 Characteristics of cow manure and inoculum

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment

設(shè)計(jì)工作體積為200 ml， 反應(yīng)體系中TS 為21%。 實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組。 實(shí)驗(yàn)組分別添加發(fā)酵總TS 2%，6%，10%的灰分，對(duì)照組不添加灰分，僅是牛糞和接種物；每組各設(shè)3 個(gè)平行。 裝置密封后分別通N2不低于2 min， 保持良好的厭氧環(huán)境。 放置于37±1 ℃水箱中水浴保溫。 實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)如表2 所示。

1.3 測(cè)定方法

①TS，VS，氨氮的測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)方法。

②TN 測(cè)定使用凱氏定氮儀；TP 測(cè)定采用鉬藍(lán)分光光度法。

④pH 測(cè)定采用pH 計(jì)以及精密pH 試紙。

⑤采用排水集氣法測(cè)定產(chǎn)氣量， 日產(chǎn)甲烷量為日產(chǎn)氣量與當(dāng)天甲烷含量的乘積， 其數(shù)據(jù)為3組的平均值。

⑥CH4，VFA 含量利用氣相色譜儀測(cè)定，采用Porapak Q 不銹鋼填充柱， 柱溫80 ℃。 載氣為氮?dú)?，流量?0 ml/min；進(jìn)樣室溫度為80 ℃，檢測(cè)室熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）的檢測(cè)室溫度120 ℃，橋電流120 mA。 液相組分（乙醇、乙酸、丙酸、丁酸戊酸、異丁酸、異戊酸）由氣相色譜儀測(cè)定，色譜柱為30 mm×0.25 mm×0.25 μm 的熔融硅膠毛細(xì)管色譜，用高純氮?dú)庾鬏d氣，其氣體流速為30 ml/min；進(jìn)樣方式為分流進(jìn)樣，分流比為10：1，空氣和氫氣流速分別為400，30 ml/min。

⑦電鏡掃描使用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，5 kV 加速電壓，工作距離6.6 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加劑核桃殼灰分的表征

圖2（a），（b）分別為外源添加劑核桃殼灰分的數(shù)碼拍照?qǐng)D以及電鏡掃描圖。 從圖2（a）看到，核桃殼經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高溫燃燒，剩余下來的物質(zhì)為燃燒之后的灰分。 由電鏡掃描結(jié)果可知，在放大倍數(shù)5 000 倍，40 μm 的觀察水平下， 可看到許多不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，表面不光滑。有研究表明，利用馬弗爐燒制核桃殼生物炭的過程中，會(huì)在其表面產(chǎn)生不同大小的孔徑結(jié)構(gòu)[10]。 從圖2（b）看到，這些孔徑結(jié)構(gòu)在馬弗爐中600 ℃的溫度灼燒后已經(jīng)坍塌。

圖2 核桃殼灰分的數(shù)碼拍照?qǐng)D和電鏡掃描圖Fig.2 Digital photograph and scanning electron microscope and of walnut shell ash

2.2 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵甲烷含量的影響

圖3 為灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵甲烷含量的影響。

圖3 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵甲烷含量的影響Fig.3 Effect of ash addition on methane content in dry anaerobic fermentation

從圖3 可以看出， 不同灰分添加量的實(shí)驗(yàn)組呈現(xiàn)出不同的甲烷含量變化。 各組在實(shí)驗(yàn)前6 天處于發(fā)酵的滯留期，體系逐漸酸化，處于準(zhǔn)備產(chǎn)甲烷的階段；第7 天各實(shí)驗(yàn)組甲烷含量達(dá)到40%以上；到了第9 天后進(jìn)入了第一個(gè)甲烷含量高峰期，甲烷含量達(dá)到了55%以上，其中10%組的甲烷含量達(dá)到了60%； 第9 天之后各組甲烷含量都在50%上下浮動(dòng)。值得注意的是，在第35 天左右，對(duì)照組和2%組的甲烷含量略有下降； 在第50 天6%組、10%組的甲烷含量都開始快速上升， 但此時(shí)產(chǎn)氣已經(jīng)趨于結(jié)束。在反應(yīng)結(jié)束后，計(jì)算整個(gè)反應(yīng)周期里對(duì)照組、2%組、6%組、10%組的平均甲烷含量， 分別為50.39%，50.76%，52.43%，51.99%，可見6%組和10%組甲烷含量相對(duì)較高。

2.3 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響

圖4 曲線為灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響。

圖4 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響Fig.4 Effect of ash addition on daily methane production by dry anaerobic fermentation

由圖4 可以看出，從第1 天始，各組便開始快速產(chǎn)氣，產(chǎn)甲烷量日益增加，在第10 天左右達(dá)到了產(chǎn)甲烷的高峰期。對(duì)照組和2%組比6%組、10%組更快地達(dá)到產(chǎn)氣高峰， 其中2%組的高峰期產(chǎn)氣量顯著高于對(duì)照組， 日產(chǎn)甲烷達(dá)到300 ml 以上；6%組的高峰產(chǎn)甲烷量與對(duì)照組不相上下，10%組的高峰產(chǎn)甲烷量最低。高峰期之后，各組產(chǎn)甲烷量在此起彼伏中穩(wěn)定下降， 其中各實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵至第28 天出現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)甲烷的一個(gè)低谷，之后又恢復(fù)穩(wěn)定下降的趨勢(shì)。 在第36～40 天，各實(shí)驗(yàn)組又進(jìn)入另一個(gè)大幅度下降的階段，最后趨于平穩(wěn)。經(jīng)過57 d 的實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)酵結(jié)束。 從整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期來看， 牛糞厭氧干發(fā)酵在前25 d 產(chǎn)甲烷量較高，是發(fā)酵高峰期。

2.4 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)甲烷量的影響

圖5 灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)甲烷量的影響Fig.5 Effect of ash addition on accumulated methane production in dry anaerobic fermentation

圖5 為灰分添加量對(duì)厭氧干發(fā)酵累計(jì)甲烷量的影響。 實(shí)驗(yàn)前6 d 處于發(fā)酵滯留期，基本不產(chǎn)甲烷，待系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定后，第7 天起各組的甲烷產(chǎn)量迅速上升。 由圖5 可見，2%組累計(jì)產(chǎn)甲烷量上升最快，曲線的斜率在發(fā)酵的前、中期最大；6%組累計(jì)產(chǎn)甲烷量在前20 d 小于對(duì)照組，但是在20 d 以后超過對(duì)照組，在后期產(chǎn)甲烷量顯著高于對(duì)照組。最終產(chǎn)甲烷量由高至低的順序?yàn)?%組、6%組、對(duì)照組和10%組。 在實(shí)際沼氣工程中，可以將發(fā)酵過程中總產(chǎn)甲烷量達(dá)到80%的時(shí)間視為HRT，根據(jù)最佳產(chǎn)甲烷組別的2%組可將HRT 定為第31天。 由累計(jì)產(chǎn)甲烷量曲線圖可以得出：到發(fā)酵結(jié)束，2%組、6%組的產(chǎn)甲烷量分別為5 794.48 ml 和5 646.48 ml；對(duì)照組為4 794.6 ml；10%組為4 523.52 ml。由此可見，添加灰分量為2%組和6%組對(duì)牛糞的厭氧干發(fā)酵起到了促進(jìn)的作用， 使得產(chǎn)甲烷量分別提高了20.85%和17.77%。 實(shí)驗(yàn)證明，厭氧干發(fā)酵并非灰分添加量越多越好，10%組累計(jì)產(chǎn)甲烷量低于對(duì)照組， 說明灰分添加產(chǎn)生了抑制效果。 最適合的灰分添加量還須做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。 本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]得出的添加過量草木灰對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制的結(jié)果相似。

2.5 發(fā)酵結(jié)束后各組物質(zhì)特性情況

計(jì)算單位TS 產(chǎn)甲烷率和VS 產(chǎn)甲烷率。 反應(yīng)體系TS 為21%，一共有200 g 物質(zhì)，其中干物質(zhì)為42 g，可計(jì)算出的TS 產(chǎn)甲烷率（累計(jì)產(chǎn)甲烷量/干物質(zhì)的量）：2%組137.96 ml/g；6%組134.44 ml/g；對(duì)照組114.16 ml/g；10%組107.70 ml/g。 反應(yīng)體系的VS 為74%，則VS 產(chǎn)甲烷率（TS 產(chǎn)甲烷 率/反 應(yīng) 體 系VS）：2%組186.43 ml/g；6%組181.68 ml/g； 對(duì)照組154.27 ml/g；10%組145.54 ml/g。 在發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定的各組物質(zhì)TN（總氮）、TP（總磷）、NH3+（氨氮）、VFA（揮發(fā)性有機(jī)酸）和pH 值列于表3。

表3 發(fā)酵后各組物質(zhì)基本特性Table 3 Basic properties of each group after fermentation

通過對(duì)發(fā)酵后沼渣進(jìn)行總氮總磷含量的測(cè)定可見， 在整個(gè)發(fā)酵過程中， 氮素含量基本沒有損失， 驗(yàn)證了厭氧發(fā)酵工藝保留氮素的能力好于堆肥處理[12]。 發(fā)酵后含氮量平均達(dá)2.22%，含磷量平均達(dá)到2 052 mg/kg。 在發(fā)酵體系中添加灰分對(duì)沼渣還田無害，有利于發(fā)酵后的沼渣還田。

通過對(duì)發(fā)酵后沼渣的氨氮，VFA，pH 的測(cè)定，判斷發(fā)酵體系發(fā)酵是否良好。 Duan 研究表明，干發(fā)酵體系中氨氮為3 000～4 000 mg/L，會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生中等或嚴(yán)重的抑制效果，在氨氮小于2 000 mg/L 的條件下不會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用[13]。 本文實(shí)驗(yàn)中各組氨氮含量低于2 000 mg/L， 未產(chǎn)生抑制作用。 另外，由表3 還可以看出，添加灰分越多氨氮含量越高，未添加灰分的對(duì)照組氨氮含量最低。這可能是由于以灰分作為添加劑產(chǎn)生的影響，灰分添加提高了氨氮的水平。

本實(shí)驗(yàn)pH 也在適宜厭氧干發(fā)酵的范圍內(nèi)，且添加灰分越多pH 越高。 這是因?yàn)榛曳种械奶妓岣葔A性物質(zhì)溶于水后， 提高了發(fā)酵體系中的堿度。 因?yàn)閰捬醺砂l(fā)酵容易酸化，所以提高pH 有利于厭氧干發(fā)酵的進(jìn)行。 這說明該實(shí)驗(yàn)的酸堿緩沖體系良好，發(fā)酵完全。

VFA 是影響厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的重要因素之一，通過測(cè)定發(fā)酵末端產(chǎn)物VFA 的含量，可以判斷發(fā)酵原料水解后物質(zhì)是否完全轉(zhuǎn)換為乙酸等供給產(chǎn)甲烷菌利用以及體系是否發(fā)酵完全。 通常污泥CAD 消化池中VFA 濃度為200～300 mg/L，若VFA 濃度過高，會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用。VFA影響厭氧發(fā)酵的抑制機(jī)理與氨氮相似： 非離子化的VFAs 分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部并解離，造成pH 值改變，進(jìn)而影響微生物代謝[14]。 當(dāng)VFA 高于400 mg/L，厭氧發(fā)酵體系便會(huì)產(chǎn)生輕度抑制；當(dāng)VFA 高于1 000 mg/L， 厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)生中度抑制； 當(dāng)VFA高于3 000 mg/L， 體系將徹底酸化產(chǎn)生嚴(yán)重抑制的后果[15]。 本實(shí)驗(yàn)除對(duì)照組外，各組VFA 水平皆在50 mg/L 以下，均不產(chǎn)生抑制。 這可以說明經(jīng)過57 d 的發(fā)酵之后，各組的發(fā)酵都比較徹底，沒有過多的VFA 殘留。

發(fā)酵結(jié)束后各組的pH 值隨著灰分添加量加大而升高，VFA 隨著灰分添加量升高而降低。 對(duì)該結(jié)果進(jìn)行分析可知， 灰分中的無機(jī)物質(zhì)在厭氧干發(fā)酵易酸化的體系中形成了酸堿緩沖體系，起到了很好的保護(hù)作用，有益于厭氧干發(fā)酵的進(jìn)行。

3 結(jié)論

在牛糞厭氧干發(fā)酵添加灰分的實(shí)驗(yàn)中，6%組和10%組的甲烷含量高于對(duì)照組和2%組。 在整個(gè)發(fā)酵周期中，前25 d 為厭氧干發(fā)酵高峰期。 添加灰分2%組和6%組對(duì)牛糞厭氧干發(fā)酵起到了促進(jìn)的作用， 其產(chǎn)甲烷量比對(duì)照組分別提高了20.85%和17.77%。添加灰分10%組對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生了抑制作用，產(chǎn)甲烷量比對(duì)照組降低了5.65%。

在牛糞厭氧干發(fā)酵添加灰分實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定發(fā)酵體系的pH，VFA 數(shù)據(jù)顯示， 發(fā)酵體系的pH 值隨著灰分添加量加大而升高，VFA 隨著灰分添加量升高而降低。 這說明灰分在厭氧干發(fā)酵過程中起到保護(hù)作用， 在易酸化的體系中形成了酸堿緩沖，有利于厭氧干發(fā)酵的進(jìn)行。