馬文林，王安吉

（1.北京建筑大學(xué)，北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，北京102616；2.北京建筑大學(xué)，環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京102616）

為減緩氣候變化，《巴黎協(xié)定》確定了到2100 年末將全球平均氣溫升幅控制在不超過工業(yè)化前水平2 ℃的升溫目標(biāo)，并努力限制在1.5 ℃之內(nèi)[1]。甲烷對(duì)于全球升溫的影響作用，在所有溫室氣體種類中排位第二，僅次于二氧化碳。聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)表明，2020 年我國因畜禽糞便管理引起的甲烷排放占我國農(nóng)業(yè)活動(dòng)甲烷排放總量的8.42%[2]。因此，畜禽糞污管理導(dǎo)致的甲烷排放量對(duì)全球升溫有不可忽視的潛在負(fù)面影響力，需要采取適當(dāng)?shù)墓芾聿呗訹3]。我國是全球生豬飼養(yǎng)量最大的國家，Li 等[4]的研究得出一頭豬在其畜牧生命周期內(nèi)因糞便管理產(chǎn)生1.34 kg 甲烷排放量，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)我國豬糞管理的甲烷排放量，既利于明確我國在全球溫室氣體排放管理中的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也利于摸清家底，更有針對(duì)性地制定豬糞管理甲烷減排措施，為我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域乃至全國實(shí)現(xiàn)碳中和提供科技支持。

IPCC《國家溫室氣體清單指南》給出了畜禽糞便管理甲烷排放量的計(jì)算方法，即糞便管理甲烷排放量等于活動(dòng)數(shù)據(jù)[以糞便中揮發(fā)性固體（VS）質(zhì)量計(jì)的糞便量] 乘以排放因子（每單位質(zhì)量糞便VS 的甲烷排放質(zhì)量）。最大產(chǎn)甲烷能力（B0）是估算甲烷排放因子的關(guān)鍵參數(shù)[5]，IPCC《國家溫室氣體清單指南》針對(duì)全球各大洲給出了豬糞便管理B0缺省值（以VS 計(jì)），亞洲地區(qū)為0.29 m3·kg-1，使用亞洲水平的缺省值評(píng)估我國豬糞管理甲烷排放情況，估算結(jié)果會(huì)有較高的不確定性。

產(chǎn) 甲 烷 潛 力（Biochemical methane potential，BMP）可用于評(píng)估有機(jī)物的產(chǎn)甲烷活性[6-7]，它是直接獲取B0值的常用實(shí)驗(yàn)方法。但BMP 測(cè)試具有條件復(fù)雜和周期長等特點(diǎn)[8-9]，且至今無統(tǒng)一的測(cè)試方法，這在很大程度上影響了BMP 值測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。劉翌晨等[10]研究得出，不同生長期豬糞的BMP（以VS計(jì)）有顯著不同，妊娠母豬（230 mL·g-1）顯著低于保育豬（273 mL·g-1）與生長豬（272 mL·g-1）；徐文倩等[11]于37 ℃中溫條件下得出豬糞的BMP（以VS計(jì)）為0.38 m3·kg-1；楊紫怡[12]以污水處理廠污泥為接種物在37 ℃中溫條件下得出豬糞的BMP 為427 mL·g-1；Wang 等[13]研究了中溫條件下預(yù)熱處理對(duì)豬糞BMP的影響；張丹志等[14]分析了豬糞厭氧發(fā)酵有機(jī)酸代謝與微生物的相關(guān)性；王思淇等[15]研究了豬糞厭氧發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸對(duì)微生物群落的影響。以上研究表明，不同學(xué)者采用不同方法或不同來源接種液對(duì)不同豬糞進(jìn)行BMP 和相關(guān)指標(biāo)的分析，得出的測(cè)試結(jié)果存在較大差異，這將影響到B0值和甲烷排放量估算結(jié)果的準(zhǔn)確性，有可能加大糞便管理甲烷排放量和減排項(xiàng)目減排量估算的誤差，導(dǎo)致誤判糞便管理甲烷減排潛力。因此，為使不同研究者得出的BMP 具有可比性，取得符合我國實(shí)際排放水平的豬糞管理B0值，有必要盡早制定規(guī)范統(tǒng)一的BMP 測(cè)試方法。

根據(jù)BMP 測(cè)試方法可知，測(cè)試溫度、接種液微生物活性、底物與接種液比例、甲烷氣體計(jì)量方法等多方面因素都可能影響B(tài)MP 測(cè)試結(jié)果。本研究選取有機(jī)物厭氧反應(yīng)最普遍使用的中溫條件（35 ℃）、以微晶纖維素為參照物表征接種液微生物活性、利用能夠?qū)淄闅怏w體積自動(dòng)計(jì)量并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)換算的全自動(dòng)產(chǎn)甲烷潛力儀，研究不同底物與接種液比例對(duì)豬糞BMP 的影響，以期為提出豬糞BMP 統(tǒng)一測(cè)試方法提供科學(xué)依據(jù)。該方法的提出，對(duì)降低豬糞管理甲烷排放量核算結(jié)果不確定性至關(guān)重要。同時(shí)，本研究還對(duì)不同接種比反應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷過程中消化液的理化指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)反應(yīng)結(jié)束后的微生物群落進(jìn)行分析，以探索接種比對(duì)豬糞產(chǎn)甲烷過程中的理化指標(biāo)變化規(guī)律和微生物菌群特征的影響，為開展相關(guān)機(jī)理分析提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 樣品來源與處理

本實(shí)驗(yàn)所用豬糞樣品采集于北京市東部郊區(qū)某規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的母豬舍。該養(yǎng)殖場(chǎng)總存欄量1 055頭，包括仔豬380 頭、育肥生長豬570 頭和母豬105頭，豬舍采用干清糞方式。從母豬舍漏縫地板采集鮮母豬糞樣品，樣品于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)35 ℃下進(jìn)行風(fēng)干處理，除雜后研磨過40目篩備用。

本實(shí)驗(yàn)以豬糞為底物，以北京市北部某規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程（2 個(gè)容積為50 m3的沼氣發(fā)酵罐）排放的沼液為接種液。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)沼液進(jìn)行除雜處理，并于35 ℃環(huán)境下進(jìn)行為期1個(gè)月的培養(yǎng)后備用。

在實(shí)驗(yàn)開始前分別用燃燒法測(cè)定接種液與豬糞的總固體（TS）和灰分含量（以質(zhì)量計(jì)），計(jì)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（%）Table 1 TS，VS and ash values of inoculum and pig manure（%）

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究利用系統(tǒng)Ⅰ（AMPTS-Ⅱ，碧普）和系統(tǒng)Ⅱ（MultiTalent 203，碧臣）兩套全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試裝置進(jìn)行豬糞中溫厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，如圖1 所示，系統(tǒng)Ⅰ和系統(tǒng)Ⅱ的反應(yīng)瓶反應(yīng)體積分別為0.4 L和1.6 L。各系統(tǒng)均由厭氧消化單元、二氧化碳固定單元與氣體體積測(cè)定單元3 部分構(gòu)成。樣品消化單元由玻璃發(fā)酵瓶、恒溫水浴鍋與自動(dòng)攪拌裝置組成。二氧化碳固定單元由若干個(gè)容積為100 mL 的玻璃瓶組成，實(shí)驗(yàn)開始前向每個(gè)玻璃瓶裝入80 mL 3 mol·L-1的NaOH溶液以吸收厭氧消化單元排出的二氧化碳、硫化氫等酸性氣體。為保證不同環(huán)境條件下所產(chǎn)生甲烷的體積計(jì)量結(jié)果具有可比性，儀器將測(cè)得的產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)自動(dòng)換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況（0 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下的體積。

圖1 BMP裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the BMP apparatus

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)Ⅰ與系統(tǒng)Ⅱ采用相同的接種液和豬糞樣品，各實(shí)驗(yàn)組初始總VS 水平（豬糞+接種液）均設(shè)為3%，反應(yīng)溫度以恒溫水浴控制在（35.0±0.5）℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各反應(yīng)瓶的反應(yīng)體積、物料VS 含量、初始VS濃度以及物料接種比，計(jì)算各反應(yīng)瓶的物料投入水平，接種比以VS 計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表2。在各反應(yīng)瓶添加相應(yīng)物料后，用純水補(bǔ)充至相應(yīng)體積。本實(shí)驗(yàn)以豬糞為反應(yīng)底物，沼液為接種液，將豬糞與接種液的比例分別設(shè)置為1∶2、1∶1 與2∶1，即接種比（S/I）分別為0.5、1.0和2.0。

表2 系統(tǒng)Ⅰ和系統(tǒng)Ⅱ各實(shí)驗(yàn)組物料投入情況（g）Table 2 Material input for each experimental group in system Ⅰand system Ⅱ（g）

系統(tǒng)Ⅰ用于測(cè)試豬糞的BMP值，共15個(gè)反應(yīng)瓶，各反應(yīng)瓶反應(yīng)體積設(shè)為0.4 L，分為空白組（CK 組，僅含接種液）、纖維素對(duì)照組（CG組，纖維素和接種液的比例為1∶2）和處理組（M1 組、M2 組和M3 組，S/I 分別為0.5、1.0 和2.0）3 類5 個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組設(shè)3 個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間，自動(dòng)攪拌系統(tǒng)以120 r·min-1的速度間歇進(jìn)行攪拌工作。BMP 測(cè)試裝置每日自動(dòng)記錄各反應(yīng)瓶的甲烷產(chǎn)生量，當(dāng)甲烷日產(chǎn)量小于累積產(chǎn)氣量的1%時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止日產(chǎn)氣量記錄，同時(shí)終止實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)Ⅱ用于連續(xù)監(jiān)測(cè)豬糞的中溫厭氧消化過程，只設(shè)空白組和3 個(gè)處理組共4 個(gè)實(shí)驗(yàn)組，不設(shè)對(duì)照組和平行實(shí)驗(yàn)，各反應(yīng)瓶反應(yīng)體積設(shè)為1.6 L。自動(dòng)攪拌系統(tǒng)以120 r·min-1的速度間歇進(jìn)行攪拌工作。在反應(yīng)過程中定期從反應(yīng)瓶中取發(fā)酵混合液樣品，將其離心并過0.45 μm 濾膜后，對(duì)濾液進(jìn)行pH、氨氮、總氮與葡萄糖濃度檢測(cè)，各項(xiàng)理化指標(biāo)的檢測(cè)方法見表3。

表3 系統(tǒng)Ⅱ中各實(shí)驗(yàn)組相關(guān)指標(biāo)測(cè)試方法Table 3 Test methods of relevant indexes for each experimental group in System Ⅱ

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后從系統(tǒng)Ⅱ各反應(yīng)瓶中取出一定體積污泥進(jìn)行16S rRNA 測(cè)試，檢測(cè)厭氧消化系統(tǒng)的細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌的群落結(jié)構(gòu)，擴(kuò)增區(qū)域?yàn)閂4區(qū)，所用測(cè)序平臺(tái)為Novaseq-PE250，引物序列（5′→3′）如下：細(xì)菌引物為515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）和806R（GGACTACHVGGGTWTCT AAT）；產(chǎn)甲烷古菌 引 物 為1106F（TTWAGTCAGGCAACGAGC）和1378R（TGTGCAAGGAGCAGG GAC）。

1.4 厭氧消化動(dòng)力學(xué)分析

將所得產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)利用修正的Gompertz 模型[16]與Logistic 模型[17]進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合。以均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（R2）作為模型的評(píng)估指標(biāo)。RMSE 常用于評(píng)價(jià)模型精度，該值越小模型精度越高[18]，R2用于評(píng)價(jià)模型擬合優(yōu)度，R2越高模型擬合度越好[19]。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合前，將所得豬糞的日甲烷產(chǎn)量與累積甲烷產(chǎn)量數(shù)據(jù)根據(jù)各組物料投入水平換算成均以VS 計(jì)的日產(chǎn)甲烷速率（R，mL·g-1·d-1）與累積產(chǎn)甲烷量（M，mL·g-1）。修正的Gompertz模型與Logistic模型如公式（1）與公式（2）所示。

式中：M（t）為t時(shí)的累計(jì)產(chǎn)甲烷量（以VS 計(jì)），mL·g-1；A為最大產(chǎn)甲烷潛力（以VS計(jì)），mL·g-1；Rmax為最大產(chǎn)甲烷速率（以VS 計(jì)），mL·g-1·d-1；e 為自然常數(shù)；λ為延滯期，d；t為發(fā)酵時(shí)間，d。

2 結(jié)果與分析

2.1 BMP測(cè)試

各實(shí)驗(yàn)組日甲烷產(chǎn)量與累積甲烷產(chǎn)量變化如圖2所示。由圖2A可知，CK組第2天和第3天無甲烷產(chǎn)出，第4～6 天有少量甲烷產(chǎn)生，于第6 天自動(dòng)結(jié)束產(chǎn)氣記錄，表明接種液中有機(jī)物匱乏，基本不再產(chǎn)甲烷。3 個(gè)豬糞處理組在整個(gè)產(chǎn)甲烷過程中有相似的產(chǎn)甲烷變化規(guī)律。M1 組、M2 組、M3 組3 個(gè)處理組產(chǎn)甲烷的第一個(gè)峰值出現(xiàn)在第2 天，第3 天產(chǎn)氣量出現(xiàn)小幅下降，第4 天開始回升，第5 天出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)氣峰值。該峰值是整個(gè)產(chǎn)甲烷過程中日產(chǎn)氣量最高值，各處理組最大日甲烷產(chǎn)量從大到小依次排序?yàn)镸3 組（410.05 mL）＞M2 組（326.90 mL）＞M1 組（208.40 mL），表明豬糞接種比例越高，日產(chǎn)甲烷最大峰值越高，最大日甲烷產(chǎn)量與豬糞接種比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。第6 天3 個(gè)處理組日產(chǎn)氣量驟降，下降幅度強(qiáng)于之前第一個(gè)峰值后出現(xiàn)的降幅。第7 天產(chǎn)氣量再次回升，但回升能力顯著低于第二次峰值時(shí)的情況，M1 組和M2 組于第7 天出現(xiàn)第3 個(gè)產(chǎn)氣峰值，M3組的第3 個(gè)峰值出現(xiàn)在第8 天，第三個(gè)峰值的產(chǎn)氣量由高到低的順序與甲烷最大產(chǎn)量順序相同。在第三個(gè)產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)后各處理組的日產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢(shì)，M1、M2 和M3 組分別于第15 天、第16 天和第18天結(jié)束產(chǎn)氣。

圖2 不同處理組日甲烷產(chǎn)量和累積甲烷產(chǎn)量Figure 2 Daily methane and cumulative methane yields in different treatment groups

由圖2B 可以看出，接種比例越高，總的產(chǎn)氣時(shí)間越長、累積產(chǎn)氣量越大。M1、M2 和M3 組累積甲烷產(chǎn)量分別為1 068.5、1 558.2 mL和2 054.6 mL，豬糞累積甲烷產(chǎn)量與其接種比例顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

圖3 為豬糞處理組與微晶纖維素組的BMP 測(cè)試結(jié)果。由圖3 可知，M1、M2、M3 與CG 組產(chǎn)甲烷潛力（以VS 計(jì)）分別為（252.05±5.12）、（250.07±16.57）、（249.65±13.69）mL·g-1與（302.03±21.73）mL·g-1，不同接種比例處理組的BMP 無顯著差異（P＞0.05）。各豬糞處理組實(shí)驗(yàn)所得豬糞BMP 平均值為（250.59±1.28）mL·g-1。

圖3 對(duì)照組和各處理組產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試結(jié)果Figure 3 Results of BMP tests for control group and treatment groups

2.2 pH的變化

各實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程的pH變化情況見圖4。pH是影響厭氧發(fā)酵過程的重要條件因素，對(duì)微生物繁殖代謝、酶活性、物料溶解等有重要影響。由圖4可看出，不同實(shí)驗(yàn)組組間的發(fā)酵上清液pH變化具有較大差異，且無明顯規(guī)律性。但各組在厭氧消化結(jié)束后發(fā)酵上清液的pH均較初始狀態(tài)有所提升。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)組的pHFigure 4 pH in different experimental groups

2.3 氮的變化

各實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程的氨氮與總氮變化情況見圖5。從圖5A 可以看出，M1、M2 和M3 這3 組的氨氮濃度在厭氧消化前4 d 都呈上升趨勢(shì)。M1 組第4 天出現(xiàn)一個(gè)峰值（772.50 mg·L-1），且在第6 天迅速下降，降幅為8.16%。M2 組與M3 組第6 天的氨氮濃度也較第4 天有所下降，降幅分別為2.08%與3.81%。在反應(yīng)結(jié)束后，M1、M2 和M3 組的發(fā)酵上清液中的氨氮濃度較初始值分別增加28.37%、43.25%與60.85%。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)組的氮濃度Figure 5 Nitrogen concentration in different experimental groups

對(duì)于總氮（圖5B），各組BMP 測(cè)試完成后的發(fā)酵上清液中的總氮濃度均較初始狀態(tài)有所提高。M1、M2 和M3 組厭氧反應(yīng)結(jié)束后發(fā)酵上清液中的總氮濃度較初始值分別增加了27.23%、37.15%與80.49%。上清液中氨氮與總氮濃度較初始值增長幅度與接種比例呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

2.4 葡萄糖的變化

圖6 為不同實(shí)驗(yàn)組葡萄糖濃度的變化趨勢(shì)。從圖6 可以看出，各處理組發(fā)酵上清液中的葡萄糖濃度在厭氧消化期間呈下降-上升-再下降的波動(dòng)變化，且各處理組的葡萄糖濃度均于第6 天出現(xiàn)了明顯的峰值。

將圖6與圖2進(jìn)行比較觀察發(fā)現(xiàn)，第2天與第4天葡萄糖濃度均較前一次檢測(cè)結(jié)果有所降低，且當(dāng)日甲烷產(chǎn)量均較前一天有所提升，第4 天各豬糞處理組的發(fā)酵上清液的葡萄糖濃度處于最低值，各處理組日產(chǎn)甲烷量均較第3 天有所提高且均出現(xiàn)了日產(chǎn)甲烷峰值。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至第6 天時(shí)，各處理組均出現(xiàn)了葡萄糖濃度峰值，而日產(chǎn)甲烷量均呈現(xiàn)產(chǎn)甲烷低谷。在各組反應(yīng)結(jié)束前1～2 d，上清液中葡萄糖濃度均有所升高。由此表明，產(chǎn)甲烷過程與葡萄糖消耗有關(guān)，日甲烷產(chǎn)量高時(shí)，當(dāng)日葡萄糖濃度與前日相比較就處于下降情況，反之則升高。

2.5 細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌的變化

參與厭氧發(fā)酵反應(yīng)的微生物群系包括細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌。因此，反應(yīng)結(jié)束后，檢測(cè)了系統(tǒng)Ⅱ各實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌的相對(duì)豐度，相對(duì)豐度位于前20 的菌種情況如圖7與圖8所示。

圖7 不同實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌相對(duì)豐度Figure 7 Relative abundance of bacterial in different experimental groups

圖8 不同實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度Figure 8 Relative abundance of methanogenic archaea in different experimental groups

由圖7 可以看出，基于門水平，CK 組前3 種優(yōu)勢(shì)菌群為Bacteroidota（擬桿菌門）、Proteobacteria（變形菌門）與Firmicutes（厚壁菌門）。各豬糞處理組中豐度居前3 位的菌種均為厚壁菌門、擬桿菌門與Cloacimonadota，變形菌門與擬桿菌門的相對(duì)豐度均較CK組明顯下降，而厚壁菌門與Cloacimonadota 的相對(duì)豐度明顯上升。其中變形菌門在M1、M2 和M3 組的相對(duì)豐度由CK 的21.32%分別下降至4.95%、4.37%和3.09%，下降程度與接種比例呈正相關(guān)。對(duì)于豬糞處理組，在M2 組檢測(cè)到最高的擬桿菌門相對(duì)豐度與最低的厚壁菌門相對(duì)豐度。Thermotogota 和Synergistota的相對(duì)豐度均與接種比例呈負(fù)相關(guān)性。

基于屬水平，CK 組豐度居前3 的菌種為Bacteroidetes_VC2.1_Bac22、Pseudomonas（假單胞菌屬）與Thiopseudomonas（硫代單胞菌屬），豬糞處理組的Bacteroidetes_VC2.1_Bac22、Pseudomonas與Thiopseudomonas的相對(duì)豐度均較CK 組明顯下降，而DMER64、Clostridium_sensu_stricto_1與Candidatus_Cloacimonas的相對(duì)豐度較CK 組明顯上升，其中DMER64的相對(duì)豐度與接種比呈正相關(guān)性。

從圖8 可知，從門水平看，無論是否添加豬糞，Halobacterota 均是產(chǎn)甲烷古菌中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌。M1、M2 和M3 組中的Halobacterota 較CK 組的相對(duì)豐度有所提升。從屬水平看，Methanosaeta在各組中均為最優(yōu)勢(shì)菌種。相較CK 組，豬糞處理組的Methanosaeta的相對(duì)豐度有明顯提升，Methanobacterium與Methanospirillum的相對(duì)豐度明顯下降。Methanobacterium在M1、M2 和M3 組的相對(duì)豐度分別為CK 組的71.22%、74.42%與84.79%，相對(duì)豐度下降幅度與接種比例呈負(fù)相關(guān)。

2.6 厭氧消化動(dòng)力學(xué)分析

圖9 為中溫條件下采用兩種模型對(duì)不同接種比豬糞的累積產(chǎn)甲烷量的擬合結(jié)果。表4 為中溫條件不同接種比下兩種模型對(duì)累積產(chǎn)甲烷量的擬合參數(shù)。

由圖9 與表4 可知，在中溫條件下修正的Gompertz 模型預(yù)測(cè)的各接種比的最大產(chǎn)甲烷潛力分別為247.40 mL·g-1（S/I=0.5）、244.10 mL·g-1（S/I=1.0）和246.39 mL·g-1（S/I=2.0），其R2保持在0.991～0.997 之間，R2均大于0.99，擬合程度良好。對(duì)于Logistic 模型，預(yù)測(cè)的各接種比的最大產(chǎn)甲烷潛力分別為244.19 mL·g-1（S/I=0.5）、240.19 mL·g-1（S/I=1.0）和241.74 mL·g-1（S/I=2.0），其R2在0.981～0.991 之間，R2大于0.9，擬合程度良好。修正的Gompertz 模型的RMSE 數(shù) 值 范 圍 在4.67～6.97 之 間，Logistic 模 型 的RMSE 數(shù)值范圍在7.70～10.12 之間。通過對(duì)比R2與RMSE 可知，修正的Gompertz 模型較Logistic 模型能更好地對(duì)中溫條件下不同接種比例豬糞的產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行擬合。

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

本研究結(jié)果表明，針對(duì)同一物料，采用相同的測(cè)試溫度和初始VS 水平時(shí)，接種比對(duì)BMP 測(cè)試結(jié)果有影響，但差異不顯著。而Santos 等[20]以市政污水處理廠污泥為接種液，設(shè)定0.65 與1 兩種水平的接種比，測(cè)得葡萄牙中部地區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞的BMP 值分別為0.329 m3·kg-1與0.568 m3·kg-1，不同接種比下的測(cè)試結(jié)果有較大差異。兩項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)方案的差異主要是Santos等[20]的實(shí)驗(yàn)沒有采取固定的初始VS濃度。

微晶纖維素BMP 測(cè)試結(jié)果用來表征接種液的活性程度，因此，該實(shí)驗(yàn)組被作為BMP 測(cè)試的對(duì)照組（CG 組）。本研究測(cè)得CG 組的BMP 值為（302.03±21.73）mL·g-1。Zhu 等[21]于37 ℃條件下測(cè)得的微晶纖維素BMP 值為183.32 mL·g-1，同時(shí)其依據(jù)Buswell 公式計(jì)算出微晶纖維素的理論BMP 值為390.21 mL·g-1，本研究測(cè)得的微晶纖維素BMP 值達(dá)到理論產(chǎn)值的77%，說明本次實(shí)驗(yàn)所用的接種液活性良好。接種液活性對(duì)于BMP 測(cè)試結(jié)果有重要影響，規(guī)范接種液制備方法（包括接種液來源和接種液培養(yǎng)馴化方法），可使得不同研究對(duì)各種有機(jī)物料測(cè)得的BMP 值具有可比性。也有其他研究者進(jìn)行了豬糞BMP 值的測(cè)定，例如：Cao 等[22]將食品廢棄物中溫消化器污泥在37 ℃條件下培養(yǎng)3 d 后作為接種液，以美國俄亥俄州養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞為測(cè)試對(duì)象，在（37.0±0.5）℃中溫條件下測(cè)得其BMP 值為0.476 m3·kg-1；Wang 等[23]于35 ℃、6%初始TS濃度和7∶3的豬糞與接種液比例下得出豬糞的BMP 為239.00 mL·g-1；Xu 等[24]利用葡萄糖與醋酸鈉對(duì)污水處理廠污泥培養(yǎng)20 d 后作為接種液，在35 ℃、4%初始TS 濃度、底物與接種液的比例為1.14（以VS計(jì)）時(shí)得出豬糞的BMP為221.3 mL·g-1。

根據(jù)上述研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同研究者的研究結(jié)果間存在較大差異。歸納起來，豬糞來源、接種液來源和培養(yǎng)馴化方法、反應(yīng)溫度、實(shí)驗(yàn)初始VS 或TS水平是造成差異的主要原因。因此，為使得不同測(cè)試者對(duì)豬糞的BMP 測(cè)試結(jié)果具有可比性，應(yīng)對(duì)接種液制備方法、實(shí)驗(yàn)初始VS 水平和反應(yīng)溫度這3 方面關(guān)鍵測(cè)試條件進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。

3.2 氨氮變化量與日甲烷產(chǎn)量變化量的相關(guān)關(guān)系

高濃度氨氮對(duì)厭氧消化過程有抑制作用[25]。通過分析本實(shí)驗(yàn)厭氧消化液中氨氮含量與日甲烷產(chǎn)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氨氮濃度日變化量與日甲烷產(chǎn)量變化量之間存在一定的相互關(guān)系，因此分別計(jì)算了各處理組第2天較第0天、第4天較第2天、第6天較第4天、第9天較第6 天、第13 天較第11 天與第15 天較第13 天的日氨氮濃度變化量與甲烷日產(chǎn)量變化，結(jié)果見圖10。

圖10 不同處理組相關(guān)天數(shù)的氨氮濃度與日甲烷產(chǎn)量變化Figure 10 Variations of ammonia-N concentration and daily methane production on relevant days in different experimental groups

有機(jī)物通過厭氧消化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，同時(shí)也伴隨氨氮的產(chǎn)生。從圖2 曲線可得出，在豬糞厭氧消化前9 d，厭氧反應(yīng)體系經(jīng)歷了3 個(gè)產(chǎn)甲烷高峰。從圖10A 可看出，在整個(gè)反應(yīng)過程中，氨氮總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但期間存在往復(fù)上升與下降的波動(dòng)情況。圖10 同時(shí)表示厭氧反應(yīng)體系中氨氮含量日變化量與甲烷日產(chǎn)生量變化情況。從圖10 可以看出，厭氧消化早期（0～7 d），由于豬糞中可降解有機(jī)物含量多，厭氧消化反應(yīng)快，氨氮濃度變化和日產(chǎn)甲烷量變化都大，且氨氮變化量與日產(chǎn)甲烷量變化情況呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。例如，第0～6天，M1、M2和M3處理組的氨氮濃度變化量依次降低，對(duì)應(yīng)各組的甲烷日產(chǎn)生量增幅則逐一加大；第4～6 天，M1 組氨氮濃度下降最大，對(duì)應(yīng)的日產(chǎn)甲烷增長量最低；在厭氧消化中期（6～9 d），隨厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)行，豬糞中可降解有機(jī)物減少，反應(yīng)體系的日產(chǎn)氣量及其日變化幅度都相應(yīng)減少，但同時(shí)間段氨氮濃度增加趨勢(shì)未減緩，對(duì)比各組間氨氮濃度變化和日產(chǎn)甲烷量變化之間的關(guān)系可知，二者呈正相關(guān)關(guān)系；厭氧消化末期（9 d以后）與中期不同，氨氮濃度變化率明顯下降，其變化量與產(chǎn)甲烷變化量之間依然呈正相關(guān)關(guān)系。

3.3 日產(chǎn)甲烷量與葡萄糖的相關(guān)性

本研究中不同處理組均在第2 天出現(xiàn)首個(gè)日產(chǎn)甲烷峰值，然后產(chǎn)氣量下降，這是因?yàn)樨i糞中所含的易降解有機(jī)物經(jīng)厭氧水解反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成的產(chǎn)甲烷底物被消耗殆盡。隨反應(yīng)時(shí)間延長，豬糞中的大分子有機(jī)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌群可以利用的反應(yīng)底物，因此在第5天出現(xiàn)了第二個(gè)日產(chǎn)甲烷峰值。

乙酸是產(chǎn)甲烷的直接底物，而葡萄糖發(fā)酵是產(chǎn)生乙酸的途徑之一，葡萄糖經(jīng)乙酸路徑產(chǎn)甲烷的過程如下：

C6H12O6+2H2O→2CH3COOH+2CO2+4H2

4H2+CO2→2H2O+CH4

CH3COOH→CO2+CH4

由該方程組可知，發(fā)酵液中葡萄糖濃度的增加，有利于反應(yīng)向產(chǎn)甲烷過程偏移。觀察圖2 中第5～7天日產(chǎn)甲烷量和圖6 中同期葡萄糖濃度變化可知，第6 天日甲烷產(chǎn)量較第5 天顯著降低的原因或?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)大分子有機(jī)物分解生成的葡萄糖濃度不足所致。這也為第7 天各處理組日甲烷產(chǎn)量均較第6 天出現(xiàn)明顯增長提供了解釋基礎(chǔ)，第7 天發(fā)酵液中葡萄糖濃度增加促使乙酸濃度上升，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷作用，因此出現(xiàn)了日甲烷產(chǎn)量較第6 天有所增長的現(xiàn)象。

產(chǎn)甲烷菌利用底物產(chǎn)甲烷具有一定的濃度閾值，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀谝欢ㄖ禃r(shí)，不發(fā)生產(chǎn)甲烷過程[26-29]。此外，互營降解有機(jī)物對(duì)于代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移具有一定依賴性，代謝產(chǎn)物和甲烷產(chǎn)生速度與互營菌和產(chǎn)甲烷菌間的距離呈正相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)的類型和降解產(chǎn)物也會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[30]。在本研究中，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)各處理組葡萄糖濃度從大到小依次為M1[（43.92±0.11）mg·L-1] ＞M2[（38.96±0.11）mg·L-1] ＞M3[（27.54±0.11）mg·L-1] 。關(guān)于上清液中葡萄糖濃度與日產(chǎn)甲烷量的定量關(guān)系有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

（1）中溫條件下，初始揮發(fā)性固體濃度為3%時(shí)，母豬糞產(chǎn)甲烷潛力（BMP）為（250.59±1.28）mL·g-1，不同接種比例豬糞的產(chǎn)甲烷潛力無顯著差異（P＞0.05）。從優(yōu)化物料用量與時(shí)間成本考慮，豬糞BMP 測(cè)試的豬糞與接種液比例（以VS計(jì)）取1∶2為宜。

（2）豬糞累積甲烷產(chǎn)量和最大日甲烷產(chǎn)量均與豬糞接種比例呈顯著正相關(guān)性（P＜0.05）。

（3）豬糞厭氧消化過程中，厚壁菌門、擬桿菌門與Cloacimonadota為三大優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，Halobacterota在古菌中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。接種比對(duì)細(xì)菌和古菌中不同菌種的豐度均有影響。

（4）修正的Gompertz 模型較Logistic 模型更適合中溫條件下豬糞的厭氧消化動(dòng)力學(xué)分析。