齊利格娃，高文萱，杜連柱，梁軍鋒，孔德望，沈 晨，張克強(qiáng)

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糞草比對(duì)豬糞與稻草干發(fā)酵產(chǎn)沼氣及古菌群落的影響

齊利格娃1，高文萱1，杜連柱1，梁軍鋒1，孔德望1，沈 晨2，張克強(qiáng)1※

（1. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2. 中新天津生態(tài)城管委會(huì)建設(shè)局，天津 300191）

為獲得豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵較佳原料配比，采用批次試驗(yàn)在進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷（organic loading rate，OLR）為90 g/(L·d)和中溫（(37±1) ℃）的條件下研究豬糞與稻草揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）質(zhì)量比（1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1）對(duì)干發(fā)酵厭氧消化性能的影響。結(jié)果表明，豬糞與稻草不同配比累積VS甲烷產(chǎn)率分別為188.8、204.0、213.4、198.1、168.5、169.6和124.7 mL/g，豬糞與稻草配比為2∶1時(shí)累積VS甲烷產(chǎn)率最高，與豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理相比甲烷產(chǎn)率提高13.0%。協(xié)同效應(yīng)分析表明，豬糞與稻草不同配比聯(lián)合厭氧干發(fā)酵均存在協(xié)同作用，當(dāng)配比為2∶1時(shí)協(xié)同效應(yīng)最大，增率達(dá)到27.5%。古菌群落分析表明，發(fā)酵前后各配比古菌Shannon指數(shù)下降幅度與累積甲烷產(chǎn)率變化規(guī)律一致，當(dāng)配比為2∶1時(shí)Shannon指數(shù)下降幅度最大，達(dá)到29.1%；為試驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)菌屬，其相對(duì)豐度與累積甲烷產(chǎn)率呈正相關(guān)。在中溫厭氧干發(fā)酵工程應(yīng)用中，建議豬糞與稻草VS配比為2∶1，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為36 d。

甲烷；糞；發(fā)酵；稻草；古菌

0 引 言

近年來(lái)，隨著集約化、規(guī)?；r(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈已成為中國(guó)最主要的生物質(zhì)能源[1]。中國(guó)畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量分別達(dá)到38億t與10.4億t[2]，其中豬糞排放總量在幾種畜禽糞便中居于首位[3]。然而這些生物質(zhì)能源并未得到有效的利用，畜禽糞便直接排放與農(nóng)作物秸稈的焚燒對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。厭氧發(fā)酵技術(shù)可以高效利用這類(lèi)生物質(zhì)能源，從而減少環(huán)境污染。其中聯(lián)合厭氧發(fā)酵相較于單一原料厭氧發(fā)酵不僅可以顯著提高厭氧消化性能[4－7]，而且能夠同時(shí)利用畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈，其產(chǎn)生的沼氣可供使用并具有經(jīng)濟(jì)效益[8]。

為獲得較佳的產(chǎn)氣性能，需要對(duì)發(fā)酵原料配比進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前對(duì)于豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵的報(bào)道較少，劉戰(zhàn)廣等[9]的研究表明，調(diào)節(jié)糞草比并不能提高原料的產(chǎn)氣潛力，在營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)改良方面有一定促進(jìn)作用；柳楊青等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，豬糞與稻草混合干法厭氧發(fā)酵接種比為1.2%的處理平均單位TS產(chǎn)氣率最大；Riya等[11]研究了不同體系TS濃度對(duì)豬糞與稻草高溫 （55 ℃）厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明當(dāng)體系TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%時(shí)可獲得穩(wěn)定的甲烷產(chǎn)率。上述試驗(yàn)中缺乏對(duì)豬糞與稻草多種不同配比厭氧消化性能分析，且部分試驗(yàn)總產(chǎn)氣量并不是以揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）作為計(jì)算依據(jù)，導(dǎo)致不同來(lái)源的原料由于無(wú)機(jī)成分和含量不同而無(wú)法比較。

綜上所述，本試驗(yàn)以豬糞與稻草作為發(fā)酵原料，在進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷（OLR）為90 g/（L·d）、中溫（（37±1）℃）的條件下進(jìn)行聯(lián)合厭氧干發(fā)酵，研究豬糞與稻草配比對(duì)產(chǎn)氣性能及古菌的影響，通過(guò)不同原料配比累積VS甲烷產(chǎn)率及修正的Gompertz動(dòng)力學(xué)模型擬合產(chǎn)氣過(guò)程，確定較佳原料配比，以期為豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵工程提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞（pig manure，PM）取自天津市西青區(qū)某小型生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，為日產(chǎn)鮮豬糞，置于4 ℃冰箱中備用。稻草（rice straw，RS）為天津市寧河區(qū)某農(nóng)場(chǎng)風(fēng)干后的水稻秸稈，將稻草粉碎至2～3 cm，經(jīng)沼液浸泡，室溫馴化5 d備用。接種物（I）取自天津市玉祥牧業(yè)有限公司運(yùn)行良好的中溫厭氧反應(yīng)器，厭氧活性污泥經(jīng)10 000 r/min離心20 min，沉淀物（接種物）室溫馴化5 d，上清液用來(lái)浸泡稻草及調(diào)節(jié)發(fā)酵體系總固體含量（total solid，TS）。豬糞、稻草及接種物的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)酵原料及接種物的基本理化性質(zhì)

注：稻草基本理化性質(zhì)為用浸泡后的稻草進(jìn)行測(cè)定。TS為總固體，VS為揮發(fā)性固體。下同。

Note：The characteristics of rice straw were determined after soaking. TS is total solid, VS is volatile solid. The same below.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用500 mL玻璃瓶作為厭氧發(fā)酵裝置（見(jiàn)圖1），共設(shè)置7個(gè)處理（見(jiàn)表2），分別為豬糞與稻草VS質(zhì)量比1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3及0∶1，每處理重復(fù)3次。各處理進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷（OLR）均為90 g/（L·d），接種率為40%（接種物/OLR=0.4），用厭氧活性污泥離心后的上清液補(bǔ)齊發(fā)酵體系總質(zhì)量至200 g，攪拌均勻后裝瓶，并向厭氧發(fā)酵裝置中沖入氮?dú)?，持續(xù)3 min，以排盡裝置中的空氣，迅速塞上已連接集氣袋的丁基橡膠塞，并加蓋擰緊。將各厭氧發(fā)酵裝置于（37±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)。

發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣收集于3 L鋁制集氣袋中，每天定期使用200 mL玻璃注射器吸取集氣袋中的沼氣，以測(cè)沼氣產(chǎn)量，并定期用2 mL注射器采集氣體樣品，用于CH4和CO2含量測(cè)定。

1. 鋁制集氣袋 2. 硅橡膠管 3. 塑料蓋 4. 丁基橡膠塞 5. 沼氣 6. 混合發(fā)酵原料

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 分析方法

總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[12]；C、N采用元素分析儀（Vario EL cube，德國(guó)）測(cè)定；pH值：將樣品稀釋5倍后用pH計(jì)（Mettler－Toledo）測(cè)定。CH4和CO2含量通過(guò)氣相色譜儀測(cè)定(Trace1300，Thermo，美國(guó))，色譜柱采用2 m×3 mm的Porapak Q 柱，檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），溫度 200 ℃，高純氦氣作為載氣；測(cè)定條件：爐溫40 ℃，進(jìn)樣口與檢測(cè)器溫度200 ℃，載氣流速8 mL/min。

VFAs：樣品稀釋后用稀硫酸調(diào)節(jié)pH值＜3.0，離心（10 000 r/min），過(guò)濾（0.45m有機(jī)濾膜），濾液經(jīng)丙酮稀釋后采用Thermo-trace-1300氣相色譜儀測(cè)定VFAs（乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸），M12毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×1m），載氣為氦氣（恒流：7 mL/min），進(jìn)樣口溫度為200 ℃，F(xiàn)ID檢測(cè)器溫度為220 ℃。

DNA 采用Fast DNAs Spin Kit（Mpbio，美國(guó)）試劑盒提取，發(fā)酵前后各處理的3個(gè)重復(fù)分別提取DNA，通過(guò)超微量分光光度計(jì)（Nano Drop 2000，Thermo Scientific，Wilmington，美國(guó)）測(cè)定濃度，然后分別將各處理3個(gè)重復(fù)提取的DNA 混勻。樣品送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行宏基因組微生物分類(lèi)測(cè)序，測(cè)序類(lèi)群為古菌，測(cè)序平臺(tái)為Miseq 2×300 bp。

1.4 甲烷產(chǎn)率動(dòng)力學(xué)模型

試驗(yàn)采用修正的Gompertz模型模擬豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵過(guò)程中累積VS甲烷產(chǎn)率，通過(guò)擬合與修正可得出預(yù)測(cè)最大產(chǎn)甲烷速率R和遲滯期[13－15]。模型方程見(jiàn)式（1）。

式中為時(shí)刻累積VS甲烷產(chǎn)率，mL/g；為最終累積VS甲烷產(chǎn)率，mL/g；R為最大VS產(chǎn)甲烷速率，mL/(g·d)；為遲滯期，d；e為exp（1）=2.718 3。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞與稻草配比對(duì)產(chǎn)氣性能的影響

圖2為每日沼氣產(chǎn)量、甲烷體積分?jǐn)?shù)和累積VS甲烷產(chǎn)率變化曲線。由圖2a、2b可知，豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理（1∶0）在發(fā)酵前20 d產(chǎn)氣量低，最高日產(chǎn)沼氣量?jī)H為 163 mL，其甲烷體積分?jǐn)?shù)為47%，且呈下降趨勢(shì)；在發(fā)酵20 d以后，出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)沼氣量分別為177、190 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到55%、65%。在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理沼氣產(chǎn)量一直很低，原因在于豬糞主要由蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和脂肪等易降解的組分組成[16-17]，在厭氧干發(fā)酵過(guò)程中容易發(fā)生揮發(fā)性脂肪酸的積累，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。豬糞與稻草配比為3∶1、2∶1、1∶1處理，在發(fā)酵過(guò)程中均出現(xiàn)3個(gè)明顯的產(chǎn)氣高峰，第1個(gè)產(chǎn)氣高峰在第4天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為248、293、387 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為49%、51%、49%；第2個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第8、17、15天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為232、245、262 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到47%、61%、62%；第3個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第31、25、30天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為155、170、120 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為54%、58%、49%。豬糞與稻草配比為1∶2、1∶3處理，在發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰，且其幅度較3∶1、2∶1、1∶1處理大，第1個(gè)產(chǎn)氣高峰在第4天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為452、482 mL，但甲烷體積分?jǐn)?shù)較小，均為45%；第2個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第12、11天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量分別為317、370 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到60%。稻草單獨(dú)發(fā)酵處理（0:1）在發(fā)酵過(guò)程中共2個(gè)產(chǎn)氣高峰，分別在第4、7天出現(xiàn)，日產(chǎn)沼氣量為403和413 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)為45%和49%，短時(shí)間內(nèi)沼氣產(chǎn)量大幅度波動(dòng)，且在第7天后，日產(chǎn)沼氣量呈快速下降趨勢(shì)，這是由于稻草作為一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，不易水解，使得產(chǎn)甲烷菌無(wú)法獲得充足的代謝產(chǎn)物，影響其利用效率[18]。由此可見(jiàn)，與豬糞或稻草單獨(dú)發(fā)酵相比，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵可以較大提高生物降解能力和沼氣產(chǎn)量，并可均衡日產(chǎn)氣量，避免大幅度波動(dòng)，這與李東等[1]對(duì)稻草與雞糞進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 日沼氣產(chǎn)量、甲烷體積分?jǐn)?shù)和累積VS甲烷產(chǎn)率變化曲線

表3 不同豬糞稻草配比累積VS甲烷產(chǎn)率

注：同列不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters show significant difference at<0.05.

由圖2c和表3可知，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵可提高甲烷產(chǎn)率。當(dāng)豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵時(shí)，在發(fā)酵的第25天，各配比(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3)累積VS甲烷產(chǎn)率均顯著高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理和稻草單獨(dú)發(fā)酵處理(<0.05)，分別較豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理、稻草單獨(dú)發(fā)酵處理提高138.7%～199.4%和12.2%～40.7%。在發(fā)酵的第58天（厭氧發(fā)酵結(jié)束期）各配比累積VS甲烷產(chǎn)率分別為204.0、213.4、198.1、168.5及169.6 mL/g，除1∶2、1∶3處理外，累積VS甲烷產(chǎn)率均顯著(<0.05)高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理（188.8 mL/g），較豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理提高了4.9%～13.0%；與稻草單獨(dú)發(fā)酵處理相比，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵各處理累計(jì)VS甲烷產(chǎn)率均顯著(<0.05)高于稻草單獨(dú)發(fā)酵處理（124.7 mL/g），較稻草單獨(dú)發(fā)酵處理提高35.1%～71.1%。由此可見(jiàn)，豬糞與稻草適宜配比不僅可以提高甲烷產(chǎn)率，還可以加快產(chǎn)氣速率、提前產(chǎn)氣高峰時(shí)間。艾平等[19]對(duì)豬糞與稻草進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵，在同等條件下豬糞單獨(dú)厭氧發(fā)酵最終累積產(chǎn)氣量為316.4 mL/g，豬糞與稻草配比為1∶1時(shí)，累積產(chǎn)氣量最高，達(dá)到425.3 mL/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣率。

2.2 甲烷產(chǎn)率動(dòng)力學(xué)模型

試驗(yàn)采用修正的Gompertz模型模擬豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵累計(jì)VS甲烷產(chǎn)率，模擬結(jié)果見(jiàn)表4，各處理擬合度較好，2均在0.99以上，其中豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理不適用于該模型，并未列入表4。由表4可知，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵各配比隨著稻草比例的增加，預(yù)測(cè)最大VS產(chǎn)甲烷速率逐漸升高，遲滯期（）與達(dá)到最大累積VS甲烷產(chǎn)率90%所需的時(shí)間（90）逐漸減小。Wang等[20]將豬糞、秸稈及豬糞秸稈混合物分別進(jìn)行含固率為6%厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得出秸稈單獨(dú)發(fā)酵處理遲滯期最長(zhǎng)，與本試驗(yàn)結(jié)果相反，這可能是由于發(fā)酵體系含固率不同且本試驗(yàn)秸稈經(jīng)過(guò)沼液浸泡預(yù)處理導(dǎo)致。豬糞與稻草各配比預(yù)測(cè)累積VS甲烷產(chǎn)率分別為213.1、216.8、197.9、165.0及165.0 mL/g，均大于稻草單獨(dú)發(fā)酵處理（121.0 mL/g），分別較其提高了76.1%、79.2%、63.6%、36.4%和36.4%。由此可見(jiàn)，與豬糞單獨(dú)發(fā)酵處理相比，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵可加快厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速率并縮短發(fā)酵周期（圖2c）；與稻草單獨(dú)發(fā)酵處理相比，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵可提高原料產(chǎn)氣率。對(duì)于豬糞與稻草VS質(zhì)量比為2∶1的厭氧發(fā)酵，建議在工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為36 d。

2.3 豬糞與稻草配比協(xié)同效果分析

進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷（OLR）為90 g/(L·d)時(shí)，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵累積VS甲烷產(chǎn)率協(xié)同效應(yīng)分析如表5所示。實(shí)測(cè)值為各處理累積VS甲烷產(chǎn)率數(shù)值，預(yù)測(cè)值為將豬糞與稻草單獨(dú)厭氧發(fā)酵實(shí)測(cè)值按照豬糞與稻草不同配比計(jì)算得出的各混合組累計(jì)VS甲烷產(chǎn)率。

由表5可知，豬糞與稻草配比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3處理的差值分別為31.3、46.0、41.3、22.4、28.9，且SD值均小于差值，故豬糞與稻草聯(lián)合發(fā)酵各處理均存在協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)豬糞與稻草配比為2∶1時(shí)，累積VS甲烷產(chǎn)率實(shí)測(cè)值為213.4 mL/g，相同VS質(zhì)量條件下，豬糞與稻草單獨(dú)發(fā)酵實(shí)測(cè)值分別為188.8、124.7 mL/g，協(xié)同效應(yīng)明顯，提高了27.5%。3∶1、1∶1、1∶2和1∶3處理協(xié)同效應(yīng)分別提高了18.1%、26.4%、15.3%和26.5%。由此可見(jiàn)，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵存在協(xié)同效應(yīng)。高健等[21]在雞糞與NaOH預(yù)處理麥秸聯(lián)合厭氧發(fā)酵協(xié)同效果研究中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合厭氧發(fā)酵存在協(xié)同效應(yīng)，可以有效地均衡厭氧發(fā)酵體系中的營(yíng)養(yǎng)元素、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及緩沖能力。本試驗(yàn)豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵存在協(xié)同效應(yīng)，有效解決了豬糞單獨(dú)發(fā)酵易酸化、產(chǎn)氣量低、遲滯期長(zhǎng)以及稻草單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氣量波動(dòng)幅度大、累積產(chǎn)氣量不高的問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。

表4 修正的Gompertz模型模擬結(jié)果

注：90為達(dá)到最大累積VS甲烷產(chǎn)率90%所需的時(shí)間；ef=90－。

Note:90indicated the time taken to achieve 90% of maximum cumulative methane yield;ef=90－

表5 豬糞與稻草配比協(xié)同效應(yīng)分析

2.4 古菌群落多樣性分析

在相似度為97%的條件下利用Mothur做rarefaction分析得知發(fā)酵前后各處理古菌Shannon指數(shù)稀釋曲線隨著序列數(shù)增加而快速趨于平坦，說(shuō)明測(cè)序數(shù)據(jù)量合理，可以反應(yīng)樣品的Alpha多樣性[22]。

發(fā)酵前后各處理古菌豐富度及多樣性變化見(jiàn)表6。從Chao 和ACE 指數(shù)可知，各處理發(fā)酵前后古菌群落豐富度均存在一定差異。從Simpson指數(shù)可知，豬糞與稻草配比為1∶0、3∶1、2∶1和1∶1時(shí)，配比處理發(fā)酵前后古菌Simpson值均呈上升趨勢(shì)，上升幅度隨著稻草比例的增加而增加，分別為77.0%、101.9%、112.5%和224.1%；而當(dāng)配比為1∶2、1∶3、0∶1時(shí)，發(fā)酵前后古菌Simpson值呈下降趨勢(shì)，下降幅度隨著稻草比例的增加而增加，分別為3.1%、26.2%、31.5%。

表6 發(fā)酵前后各處理古菌豐富度和多樣性變化

發(fā)酵前后1∶0、3∶1、2∶1、1∶1和1∶2配比處理古菌Shannon值均呈下降趨勢(shì)，分別下降了8.2%、18.8%、29.1%、28.8%和7.7%。結(jié)合分析各配比累積VS甲烷產(chǎn)率（表3）可發(fā)現(xiàn)，甲烷產(chǎn)率越高的配比，其Shannon指數(shù)下降幅度越大。Wang等[23]研究土霉素濃度對(duì)豬糞與麥秸聯(lián)合厭氧發(fā)酵微生物的影響中同樣發(fā)現(xiàn)，共消化具有較高的產(chǎn)甲烷能力，有利于形成適宜的微環(huán)境及穩(wěn)定的生物群落結(jié)構(gòu)。

2.5 古菌群落結(jié)構(gòu)變化

本研究中古菌在屬水平上有7個(gè)主分類(lèi)，其中、和為優(yōu)勢(shì)菌屬。發(fā)酵前后古菌群落結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖3。豬糞與稻草配比為1∶0、3∶1、2∶1和1∶1處理中，發(fā)酵前后相對(duì)豐度均呈上升趨勢(shì)，分別上升51.4%、57.9%、53.3%和37.9%，1∶2、1∶3、0∶1配比處理發(fā)酵前后相對(duì)豐度均呈下降趨勢(shì)，分別下降13.9%、32.8%、48.9%；Hinsby等[24]在可排放甲烷的泥炭地中首次發(fā)現(xiàn)，其相對(duì)豐度的提高有利于厭氧干發(fā)酵甲烷的產(chǎn)生，結(jié)合圖3、表3可知，發(fā)酵后相對(duì)豐度與累積甲烷產(chǎn)率呈正相關(guān)。本研究中的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)古菌屬為乙酸型產(chǎn)甲烷菌，在厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)中抗逆性較強(qiáng)，可高效利用有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為甲烷[25-26]；1∶0、3∶1、2∶1、1∶1及0∶1配比處理發(fā)酵前后相對(duì)豐度均呈下降趨勢(shì)，分別下降53.2%、27.8%、33.7%、18.1%和55.9%；1∶2、1∶3配比處理發(fā)酵前后相對(duì)豐度均呈上升趨勢(shì)，分別上升48.3%、12.3%。為氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，可利用甲酸鹽、H2等電子供體還原CO2產(chǎn)生甲烷[27]，經(jīng)過(guò)厭氧消化過(guò)程后，各處理均大幅降低，失去優(yōu)勢(shì)菌群地位。Dennehy等[28]研究表明豬糞與餐廚垃圾的混合比例與古菌的多樣性無(wú)顯著相關(guān)，發(fā)酵結(jié)束時(shí)優(yōu)勢(shì)菌屬相對(duì)豐度隨著豬糞比例的增加而減少，這與本試驗(yàn)發(fā)酵后優(yōu)勢(shì)菌屬相對(duì)豐度變化一致。原因在于豬糞易降解的性質(zhì)容易發(fā)生揮發(fā)性脂肪酸的積累，抑制產(chǎn)優(yōu)勢(shì)菌屬的活性。

圖3 發(fā)酵前后古菌群落結(jié)構(gòu)變化

2.6 豬糞與稻草配比與環(huán)境因子及古菌群落間的相互作用關(guān)系

發(fā)酵前后古菌（屬水平）相對(duì)豐度、環(huán)境因子與各處理之間的關(guān)系見(jiàn)圖4；各處理VFAs中乙酸、丙酸含量見(jiàn)表7。發(fā)酵前環(huán)境因子TS、VFAs與優(yōu)勢(shì)菌屬呈正相關(guān)，pH值與其呈負(fù)相關(guān)（圖4a）。隨著稻草比例的提高，各樣品在主分類(lèi)軸CCA1（解釋76.4%差異）上從左到右依次排布，說(shuō)明豬糞與稻草配比成為影響古菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素。

圖4 發(fā)酵前后古菌典范對(duì)應(yīng)分析

發(fā)酵后、與的多度會(huì)隨著環(huán)境因子TS、VFAs值的增加而增加，與環(huán)境因子pH值的相關(guān)性較小。其中、為乙酸型產(chǎn)甲烷菌，厭氧干發(fā)酵體系中VFAs濃度的增加，可促進(jìn)2種菌屬的生長(zhǎng)，從而提高甲烷產(chǎn)率。豬糞與稻草配比為1∶0、3∶1、2∶1時(shí)樣品在CCA1（解釋82.6%差異）和CCA2（解釋13.9%差異）上均較為接近，而隨著稻草比例的提高樣品在CCA1上明顯變遠(yuǎn)，說(shuō)明發(fā)酵后古菌群落結(jié)構(gòu)受豬糞與稻草配比影響較強(qiáng)，較高的豬糞比例（1∶0、3∶1、2∶1）下古菌群落較為穩(wěn)定，并有利于優(yōu)勢(shì)菌群，而進(jìn)一步提高稻草比例時(shí)群落結(jié)構(gòu)改變較大，且不利于優(yōu)勢(shì)菌群，這是由于稻草不易水解的性質(zhì)導(dǎo)致在發(fā)酵過(guò)程中優(yōu)勢(shì)菌群沒(méi)有獲得充足的代謝產(chǎn)物，影響其利用效率。

表7 發(fā)酵前后乙酸、丙酸含量變化

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)豬糞與稻草不同揮發(fā)性固體（VS）質(zhì)量比（1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、0∶1）厭氧干發(fā)酵過(guò)程中日產(chǎn)氣量、累積VS甲烷產(chǎn)率、協(xié)同效應(yīng)及微生物多樣性等因素的考察，得到如下結(jié)論：

1）豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵符合修正的Gompertz方程（2＞0.99），可用該方程模擬干發(fā)酵過(guò)程；豬糞與稻草配比為2∶1時(shí)，累積VS甲烷產(chǎn)率最高，達(dá)到213.4 mL/g，分別較豬糞單獨(dú)發(fā)酵與稻草單獨(dú)發(fā)酵處理提高了13.0%和71.1%。與單獨(dú)厭氧發(fā)酵相比，豬糞與稻草聯(lián)合厭氧干發(fā)酵可提高產(chǎn)甲烷性能，并加快產(chǎn)氣速率、提前產(chǎn)氣高峰時(shí)間，均衡日產(chǎn)氣量，避免其大幅度波動(dòng)。

2）發(fā)酵前后各配比古菌Shannon指數(shù)下降幅度與累積VS甲烷產(chǎn)率變化規(guī)律一致，甲烷產(chǎn)率越高的配比，其Shannon指數(shù)下降幅度越大；豬糞與稻草配比為2∶1時(shí)，累積VS甲烷產(chǎn)率最高，其Shannon指數(shù)下降幅度為29.1%，均高于其他配比。為試驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)菌屬，其相對(duì)豐度與累積甲烷產(chǎn)率呈正相關(guān)。

3）在中溫厭氧干發(fā)酵工程應(yīng)用中，建議豬糞與稻草VS配比為2∶1，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為36 d。

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Influence of pig manure and rice straw mass ratio on its biogas production and archaeal communities in dry anaerobic co-digestion system

Qi Ligewa1, Gao Wenxuan1, Du Lianzhu1, Liang Junfeng1, Kong Dewang1, Shen Chen2, Zhang Keqiang1※

(1.,,300191,; 2.,300191,)

Compared with wet anaerobic digestion, dry anaerobic digestion has the advantages of water conversation, low requirements on the composition of raw materials, less biogas slurry drainage, and low treatment cost of residues. With the increasing scarcity of water resources in the world, this technology is in line with resource utilization and water resources management. However, dry anaerobic digestion also has problems such as ammonia suppression, acid inhibition, and material flow problems. Studies have shown that compared with sole raw material anaerobic digestion, co-digestion can improve methane production performance and gas production rate, advance gas production peak time, balance daily gas production and avoid large fluctuations. To obtain better gas production performance, it is necessary to study the ratios of raw materials. With the rapid development of intensive and large-scale agriculture, livestock manure and crop straw have become China's most important biomass energy. The annual output of livestock manure and crop straw in China reached 3.8 billion tons and 1.04 billion tons respectively, and the total amount of pig manure discharge is the first in several livestock manure. The direct discharge of livestock manure and the burning of crop straw are serious harm to the environment. Pig manures and rice straw were used as raw materials to study the effects of ratios of pig manure to rice straw on gas production performance and archaea. The gas production process was simulated using index of the accumulation VS methane yield by modified Gompertz kinetic model. Therefore, in order to obtain the optimal proportion of raw materials in dry anaerobic batch digestion, the various substrate ratios of pig manure to rice straw at 1∶0, 3∶1, 2∶1, 1∶1, 1∶2, 1∶3, and 0∶1 were tested at 37 ℃and 90 g/(L·d) organic loading rate. The results showed that the cumulative methane yields on volatile solids reached 188.8, 204.0, 213.4, 198.1, 168.5, 169.6 and 124.7 mL/g from ratios of pig manure to rice straw at 1∶0, 3∶1, 2∶1, 1∶1, 1∶2, 1∶3 and 0:1, respectively. The highest accumulative methane yields on volatile solids was from pig manure∶rice straw = 2∶1, which increased by 13.0% compared to that from the sole pig manure as substrate. Synergistic effect analysis showed that synergistic effects existed between pig manure and rice straw at the different mass ratios. The highest synergistic effect was from pig manure∶rice straw = 2∶1, and increase rate was 27.5%. The analysis of archaeal communities showed that the decline of the Shannon index before and after fermentation was consistent with the change of methane production. When the substrate ratio of pig manure and rice straw was 2∶1, the Shannon index decreased the most, reaching 29.1%.was the dominant genera in our anaerobic digestion, and the abundance ofwas positively correlated to methane production. For practical project application, the substrate ratio of pig manure to rice straw at 2∶1 is recommended, and the retention time is suggested for 36 d. The results provide theoretical and technical guidance for large scale dry anaerobic co-digestion of pig manure and rice straw biogas project.

methane; manures; fermentation; rice straw; archaeal

齊利格娃，高文萱，杜連柱，梁軍鋒，孔德望，沈晨，張克強(qiáng). 糞草比對(duì)豬糞與稻草干發(fā)酵產(chǎn)沼氣及古菌群落的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：232－238. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.030 http://www.tcsae.org

Qi Ligewa, Gao Wenxuan, Du Lianzhu, Liang Junfeng, Kong Dewang, Shen Chen, Zhang Keqiang. Influence of pig manure and rice straw mass ratio on its biogas production and archaeal communities in dry anaerobic co-digestion system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 232－238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.030 http://www.tcsae.org

2018-09-11

2018-10-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0800801），天津市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（ITTPRS2017008）。

齊利格娃，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物的處理與利用。Email：qlgw9346@163.com

張克強(qiáng)，博士，研究員，主要從事養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)研究。Email：kqzhang68@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.030

S216.4

A

1002-6819(2018)-23-0232-07