孔德望 宋香育 張克強(qiáng)

摘要：以降低厭氧干發(fā)酵過(guò)程揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）積累、提高產(chǎn)氣性能為目的，研究滲濾液回流、分層接種及2種處理組合的工藝措施對(duì)豬糞添加蛭石體系中溫（37 ℃）發(fā)酵性能的影響。結(jié)果表明，滲濾液回流能夠降低發(fā)酵體系中的VFAs和氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各組VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.80 mg/g，分層接種條件下回流組總VFAs和乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于不回流組;氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，38 d時(shí)各處理組質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.72、2.95、2.79 mg/g，均低于對(duì)照組（3.06 mg/g），整個(gè)過(guò)程中兩回流組氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于對(duì)應(yīng)不回流組;滲濾液回流組的累積揮發(fā)性物質(zhì)（VS）甲烷產(chǎn)量為212.0 mL/g，分別比其他3個(gè)處理組高6.1%、8.4%和9.9%，由修正的Gompertz方程預(yù)測(cè)得到最大累積VS產(chǎn)甲烷量、最大產(chǎn)甲烷速率和達(dá)到最大累積VS甲烷產(chǎn)量90%所需的時(shí)間（T90）分別為207.7 mg/g、14.9 mL/（g·d）和19.8 d，均優(yōu)于其他處理組;分層接種與不分層接種的累積VS產(chǎn)甲烷量在前10 d差異極顯著（P<0.05），末期無(wú)顯著差異。

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵;豬糞;滲濾液回流;分層接種

中圖分類(lèi)號(hào)： X705 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）14-0300-06

近年，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，畜禽糞便量也隨之激增，2011年產(chǎn)生總量約為25.45億t，其中清運(yùn)量?jī)H占 0.90%，有相當(dāng)大比例的畜禽糞便未得到有效處理[1-2]，不僅浪費(fèi)了資源，而且造成嚴(yán)重的空氣污染、氮磷及重金屬污染、抗生素的遷移和病原菌擴(kuò)散等危害[3-5]。厭氧干發(fā)酵因其產(chǎn)生清潔能源、能耗低、有機(jī)負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的處理[6-7]，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在啟動(dòng)慢、傳質(zhì)差、難攪拌、酸積累和運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題[8-10]。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了眾多研究，其中滲濾液回流是研究的重點(diǎn)。該工藝能提高發(fā)酵罐內(nèi)底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微生物總量，并加強(qiáng)底物、微生物與水分間的相互接觸和作用，提高系統(tǒng)緩沖能力和產(chǎn)氣量，對(duì)于濕發(fā)酵同時(shí)能實(shí)現(xiàn)沼液減排，降低后續(xù)深度處理的壓力[11-12]。徐霄等以干稻草和豬糞為原料，比較不回流、每天回流、產(chǎn)氣趨勢(shì)下降后回流以及兩相法回流等4種方式，發(fā)現(xiàn)回流處理的總產(chǎn)氣量較不回流對(duì)照分別提高了9.53%、23.13%和12.74%，其中，以產(chǎn)氣趨勢(shì)下降后再回流的方式為最優(yōu)，表明回流能將底物中局部積累的酸沖洗、溶解至濾液，明顯提高產(chǎn)氣率[13];王馨儀等在對(duì)餐廚垃圾的沼液回流試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，30%的回流比使系統(tǒng)日平均產(chǎn)氣量提高13.0%，在反應(yīng)后15 d，不同回流比下的揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）平均值均低于不回流組，回流能使VFAs降解更充分，提高系統(tǒng)的緩沖能力[14]。

在滲濾液回流的同時(shí)，袁巧霞等在反應(yīng)器內(nèi)部增加分層床，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行分層，結(jié)果表明，分層對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量、最大產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)等均有顯著影響，當(dāng)床層厚度由 250 mm 降為150 mm時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣率由135.7 mL/g增加到 172.1 mL/g，提高了26.8%[15]。作為一種吸附材料，聶發(fā)輝研究了蛭石對(duì)污水中氨氮的吸附作用，發(fā)現(xiàn)蛭石具有較高的吸附容量，飽和吸附量為20.83 mg/g[16];但是蛭石應(yīng)用于厭氧發(fā)酵中鮮有報(bào)道，宋香育的前期研究表明，將蛭石添加在豬糞中進(jìn)行發(fā)酵，能增加體系游離水含量、提高傳質(zhì)效率和微生物的繁殖速率、避免酸積累[17]。另外，蛭石作為一種土壤改良劑能降低植物對(duì)重金屬的吸收[18]，有利于沼渣的后續(xù)農(nóng)用。

因此，本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，于豬糞中添加適量的蛭石，研究滲濾液回流和分層接種對(duì)厭氧干發(fā)酵的影響，為豬場(chǎng)糞污的厭氧發(fā)酵處理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞和蛭石取自天津市某養(yǎng)殖有限公司，取當(dāng)日產(chǎn)鮮豬糞冷藏于（4±1） ℃的冰箱中，20～40目的蛭石儲(chǔ)存于陰涼干燥處。消化污泥取自天津市某牧業(yè)有限公司穩(wěn)定運(yùn)行的中溫厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，離心（10 000 r/min，20 min）后的固體作為接種物。原料和接種物特性見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵試驗(yàn)于2012年6月21日至2012年7月27日，在農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所（天津市南開(kāi)區(qū)）的恒溫發(fā)酵室中進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，4種發(fā)酵方式均以豬糞和蛭石混合物為底物（干物質(zhì)質(zhì)量比為3 ∶ 1），接種率為30%（以TS計(jì)，m接種物/m發(fā)酵體系=0.3），總進(jìn)料量為850 g（TS含量為20%），每種發(fā)酵方式3個(gè)重復(fù)。T0為對(duì)照組;TR：滲濾液收集于反應(yīng)器底部，每3 d回流1次;TL：接種物和發(fā)酵底物不混合，依次分3層進(jìn)料;TLR：接種物和底物依次分3層進(jìn)料，滲濾液收集于反應(yīng)器底部，每3 d回流1次。進(jìn)料結(jié)束后向各反應(yīng)器中通入氮?dú)猓懦龤堄嗟目諝?，?chuàng)造厭氧環(huán)境，最后將反應(yīng)器置于（37±1） ℃恒溫發(fā)酵室內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵。

每日測(cè)量產(chǎn)氣量、甲烷及二氧化碳的體積分?jǐn)?shù);每3 d采集消化樣品，測(cè)量pH值、VFAs和氨氮等指標(biāo)，分層接種的反應(yīng)器采集底部的滲濾液測(cè)量以上指標(biāo)，以避免分層結(jié)構(gòu)被破壞。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用有效容積為1 L的有機(jī)玻璃材質(zhì)的立式反應(yīng)器（圖1），其中TR和TLR反應(yīng)器距底部5 cm處安裝孔徑為 1.0 mm 的可摘卸多孔濾板，產(chǎn)生的滲濾液通過(guò)濾板進(jìn)入收集室用于回流，T0和TL反應(yīng)器不放置濾板。

1.4 分析方法

干物質(zhì)量和揮發(fā)性物質(zhì)采用重量法測(cè)定，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用滴定法測(cè)定，總有機(jī)碳（TOC）含量采用總有機(jī)碳分析儀（德國(guó)元素）測(cè)定[19];pH值：樣品稀釋10倍后用pH計(jì)（Mettler-Toledo）測(cè)定;氣體產(chǎn)量用濕式氣體流量計(jì)測(cè)量，CH4和CO2的百分含量及揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用前期試驗(yàn)的處理及分析方法[17]。

1.5 累積產(chǎn)甲烷曲線(xiàn)擬合

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)甲烷特性

由圖2可知沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)、每日VS產(chǎn)甲烷量和累積VS產(chǎn)甲烷量的變化趨勢(shì)，而表3顯示了各處理累積VS產(chǎn)甲烷量差異顯著性。其中，各處理的產(chǎn)甲烷規(guī)律相似，在甲烷的體積分?jǐn)?shù)上，對(duì)照組在6 d達(dá)到50%，而TR、TL和TLR處理分別為5、5、4 d，表明3種處理均能夠在發(fā)酵初期快速提高甲烷的含量，15 d后甲烷體積分?jǐn)?shù)均低于50%并開(kāi)始逐漸下降，表明體系中還有大量的物質(zhì)沒(méi)有降解，同時(shí)，日VS產(chǎn)甲烷量開(kāi)始下降，累積VS產(chǎn)甲烷量也基本達(dá)到穩(wěn)定。日VS產(chǎn)甲烷量在5、12 d前后為2個(gè)產(chǎn)氣高峰期。

滲濾液回流組TR的37 d累積VS產(chǎn)甲烷量為 212.0 mL/g，分別比T0、TL和TLR高6.1%、8.4%和9.9%;同時(shí)，日VS產(chǎn)甲烷量在前15 d也高于其他組，2個(gè)高峰日的VS甲烷產(chǎn)量分別為15.9、17.6 mL/（g·d），由此可知，滲濾液回流能適當(dāng)提高產(chǎn)氣性能[21]，但差異不明顯，可能由于本試驗(yàn)把3 d累積產(chǎn)生的滲濾液全部回流，未達(dá)到最佳回流比和時(shí)間。

分層接種的2組（TL、TLR）累積VS產(chǎn)甲烷量相當(dāng)且最低，TLR組日產(chǎn)甲烷量?jī)H在4～15 d高于TL，由此可見(jiàn)，滲濾液回流對(duì)分層處理的產(chǎn)氣效率也有一定的提高，但效果甚微。由表3可知，TL與T0、TR和TLR在前20 d累積VS產(chǎn)甲烷量存在顯著差異。

2.2 pH值和VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖3、圖4可知試驗(yàn)中pH值和VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)，由圖5可知各處理的乙酸變化趨勢(shì)一致，前13 d含量均偏低，與宋香育等研究的豬糞厭氧干發(fā)酵過(guò)程中前9 d的乙酸變化情況[22]相似，這是由于30%的接種率為發(fā)酵體系提供了充足的產(chǎn)甲烷菌，水解產(chǎn)生的乙酸未積累。隨著反應(yīng)進(jìn)行，水解產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)速度超過(guò)產(chǎn)甲烷菌[23]，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，并在16～34 d維持在相對(duì)較高水平，之后快速下降?？俈FAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，均低于已報(bào)道的抑制質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.0 mg/g[23]，表明該試驗(yàn)過(guò)程無(wú)明顯酸積累現(xiàn)象。對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，4組處理的pH值變化均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，與總VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化相反，可見(jiàn)雖然固態(tài)樣品稀釋后測(cè)量pH值會(huì)產(chǎn)生一定偏差，但總體變化規(guī)律仍可以反映發(fā)酵體系中VFAs的利用和積累情況。

在T0對(duì)照組中，處理16 d的總VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高（0.42 mg/g），但是pH值未出現(xiàn)明顯的下降，在8.1～8.2之間，可能是由于豬糞厭氧發(fā)酵體系中較強(qiáng)的緩沖作用[24]。乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在處理4 d時(shí)為0.21 mg/g，之后降低到0.07～0.09 mg/g 的范圍內(nèi)，在處理16 d后升高到0.30 mg/g，略低于分層接種處理，與其他2組處理保持在一個(gè)水平。

在回流處理（TR）的發(fā)酵過(guò)程中，總VFAs和乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在0.07～0.24 mg/g和0.06～0.20 mg/g范圍內(nèi)變化，處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，除處理10 d前后，均低于對(duì)照組。同時(shí)對(duì)照?qǐng)D2-b，在4～14 d，滲濾液回流的2組（TR和TLR）日產(chǎn)甲烷量均對(duì)應(yīng)高于不回流組，可以看出滲濾液回流有助于加快發(fā)酵體系的傳質(zhì)速率，促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)酸向甲烷的快速轉(zhuǎn)化[25]。

在分層處理（TL）中，總VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.09～0.60 mg/g 內(nèi)變化。乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在處理16 d以后高于其他3組處理，在0.26～0.40 mg/g的范圍內(nèi)，可能是由于分層處理在接種物和底物的接觸面附近產(chǎn)生高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙酸，使該區(qū)域的微生物處于抑制狀態(tài)[26]。

滲濾液回流和分層接種結(jié)合的處理（TLR）中，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中總VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.07～0.30 mg/g的范圍內(nèi)變化，低于分層接種處理（TL），證明在分層接種的基礎(chǔ)上，回流對(duì)降低乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較好效果。

2.3 氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

氨氮是厭氧發(fā)酵過(guò)程中的重要指標(biāo)之一，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)會(huì)抑制微生物的產(chǎn)甲烷作用。以往關(guān)于氨脅迫的研究多集中于濕發(fā)酵過(guò)程，同樣它也存在于干發(fā)酵中，陳闖等對(duì)豬糞的厭氧干發(fā)酵研究表明，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.3 mg/g時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的產(chǎn)氣抑制[27];蔣建國(guó)等對(duì)廚余垃圾的高固體厭氧消化結(jié)果表明，前期氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.7 mg/g時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)氨氮抑制狀態(tài)，隨著微生物被馴化，系統(tǒng)抵抗力增強(qiáng)，隨著氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至3.0 mg/g時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)反而較為良好[28]。

由圖6可知，從發(fā)酵開(kāi)始到結(jié)束，各處理組的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸上升，在前15 d上升速度較快，15 d后逐漸趨于穩(wěn)定，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.06 mg/g，結(jié)合產(chǎn)甲烷特性可知，發(fā)酵體系未發(fā)生明顯的氨抑制現(xiàn)象，可能是因?yàn)轵问瘜?duì)氨氮具有較強(qiáng)的離子陽(yáng)離子交換性[16]，使得體系中的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，還有可能是由于干發(fā)酵傳質(zhì)效率低造成的。T0組和TL組的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本處于同一水平，在發(fā)酵過(guò)程中，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從1.69、1.83 mg/g升高至3.06、2.95 mg/g，在有滲濾液回流處理的發(fā)酵組中（TR和TLR），氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從1.69、1.74 mg/g升高至2.72、 2.79 mg/g，并且整個(gè)過(guò)程中兩回流組的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終低于對(duì)應(yīng)的不回流組，表明滲濾液回流能明顯降低體系的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 SCOD的變化

由圖7可知，各組SCOD除處理3 d外，均處于同一水平，且緩慢下降，與后期甲烷含量緩慢下降相一致。T0處理的SCOD質(zhì)量分?jǐn)?shù)在處理3 d（11.00 mg/g）前后高于回流處理，低于分層接種的2個(gè)處理，由此可見(jiàn)，發(fā)酵初期分層處理水解效率較高，此時(shí)滲濾液尚未回流，SCOD較低。

2.5 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)

采用修正的Gompertz方程對(duì)4組發(fā)酵的累積VS產(chǎn)甲烷量進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖8、表4。各組的擬合曲線(xiàn)均呈現(xiàn)很高的擬合度，因此修正的Gompertz方程可用于模擬預(yù)測(cè)發(fā)酵體系的相關(guān)參數(shù)。滲濾液回流的2組（TR、TLR）T90分別為19.8、21.5 d，均低于對(duì)應(yīng)的不回流組（T0、TL）;回流組（TR）的預(yù)測(cè)VS最大產(chǎn)甲烷量和最大產(chǎn)甲烷速率最大，分別為 207.7 mL/g 和14.9 mL/（g·d），但對(duì)比TL和TLR發(fā)現(xiàn)，除T90外回流組均無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，豬糞添加蛭石的厭氧干發(fā)酵中，滲濾液回流能縮短發(fā)酵周期，提高底物和接種物混合發(fā)酵體系產(chǎn)氣性，但對(duì)分層接種發(fā)酵效率無(wú)促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

滲濾液回流能夠降低厭氧干發(fā)酵體系中的VFAs和氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，縮短發(fā)酵周期，提高底物和接種物混合體系VS產(chǎn)氣率，但分層接種發(fā)酵中滲濾液回流對(duì)本試驗(yàn)的產(chǎn)氣性能無(wú)提升作用。

發(fā)酵前期分層接種和不分層組的累積甲烷產(chǎn)量存在顯著性差異，后期逐漸變小至無(wú)顯著性差異，分層對(duì)厭氧發(fā)酵的的甲烷體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有明顯影響。

Gompertz方程是針對(duì)厭氧濕發(fā)酵開(kāi)發(fā)的，但經(jīng)過(guò)修正后同樣能對(duì)添加蛭石的豬糞厭氧干發(fā)酵過(guò)程表現(xiàn)很好的擬合效果，因此修正的Gompertz方程可用于預(yù)測(cè)厭氧干發(fā)酵過(guò)程的相關(guān)參數(shù)。

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