劉新媛， 肖 娟， 聶家民， 張偉玉， 吳 楠， 楊 帆， 彭錦星

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院, 天津 300384)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是農(nóng)業(yè)污染源的重要組成部分，畜禽糞便的不當(dāng)排放也是造成環(huán)境中化學(xué)需氧量、總氮、總磷等污染物超標(biāo)的重要原因之一[1]，若能有效利用畜禽糞便中的營養(yǎng)物質(zhì)，即可以降低環(huán)境污染，又能發(fā)揮資源和能源價值。2010年中國肉雞出欄量和蛋雞出欄量總計約5×109只，產(chǎn)生的雞糞高達1.3×108t[2]。利用雞糞生產(chǎn)沼氣，不僅能提高雞糞綜合利用的品質(zhì)，還能制備能源氣體、減少污染排放，已得到廣泛的關(guān)注。

作為發(fā)酵底物，雞糞的氮素含量較高，厭氧發(fā)酵時易產(chǎn)生氨氮累積和產(chǎn)甲烷抑制。對此，大量研究采用富碳原料與雞糞共發(fā)酵，來調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的營養(yǎng)配比，提高發(fā)酵效率。文獻中，農(nóng)作物秸稈常作為雞糞發(fā)酵的共基質(zhì)[3-5]，但木質(zhì)化纖維素結(jié)構(gòu)難以在發(fā)酵過程中快速水解釋放有機質(zhì)。與農(nóng)作物秸稈相比，餐廚垃圾中含有大量微生物可直接利用有機成分，與雞糞混合發(fā)酵的協(xié)同作用明顯[6-7]。喬瑋[8]研究發(fā)現(xiàn)雞糞中溫發(fā)酵比高溫發(fā)酵產(chǎn)甲烷效率高，并且中溫發(fā)酵的能量消耗少，所以本研究采用中溫發(fā)酵條件。雞糞和餐廚垃圾在不同比例下混合發(fā)酵呈現(xiàn)不同的產(chǎn)氣規(guī)律，文獻[6,9]中多從日產(chǎn)氣量和甲烷濃度角度分析產(chǎn)氣特性，而對混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的動力學(xué)特性研究較少。本研究進行餐廚垃圾和雞糞中溫混合發(fā)酵批式試驗，探究不同混合比例下中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特征，并對產(chǎn)甲烷過程進行動力學(xué)分析。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵底物和接種污泥

接種污泥取自天津市津沽污水處理廠的厭氧消化池，其總固體(TS)濃度為7.6 g·L-1，揮發(fā)性固體(VS)濃度為3.4 g·L-1，pH值為7.2。

餐廚垃圾來自天津農(nóng)學(xué)院學(xué)生食堂，人工分揀去除塑料、木棒、紙巾等雜質(zhì)，按照體積比1∶1加水，通過九陽料理機破碎混合，破碎后呈均勻漿料狀，顆粒尺寸小于5 mm。雞糞來自天津西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)大柳灘村農(nóng)戶蛋雞養(yǎng)殖場，分離砂石、雞毛等雜物，攪拌混合待用。餐廚垃圾和雞糞的主要特性及成分見表1。

表1 餐廚垃圾和雞糞的特性

1.2 實驗設(shè)計

采用300 mL厭氧瓶進行混合發(fā)酵批式實驗，雞糞和餐廚垃圾的混合比例(VS之比)分別為2∶1，1∶1，1∶2，底物濃度為15 gVS·L-1。用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的初始pH值為7.0，加入K2HPO4/KH2PO4緩沖溶液(pH值7.0，0.1 mol·L-1)，混勻、定容到150 mL，通入高純氮氣10 min吹脫空氣，創(chuàng)造厭氧環(huán)境，用橡膠塞密封瓶口，在37℃培養(yǎng)箱中進行厭氧發(fā)酵，每日手動混合3次。以雞糞單獨發(fā)酵(混合比例為1∶0)和餐廚垃圾單獨發(fā)酵(混合比例為0∶1)為對照實驗，以不加底物、只加接種污泥發(fā)酵為空白實驗。每個發(fā)酵條件設(shè)兩組平行實驗。發(fā)酵過程中定時檢測產(chǎn)氣量和甲烷含量。若發(fā)酵液pH值降低到6.8以下，使用1% NaOH調(diào)節(jié)pH值至6.8～7.2。

1.3 測試方法

產(chǎn)氣量用玻璃針筒計量，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)態(tài)下(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0℃)的體積。甲烷含量采用氣相色譜法(Clarus 680，PerinElmer，美國)進行測定，色譜柱為毛細(xì)管柱(Elite-5, 30 m×0.25 mm×0.25 μm)，氮氣作載氣，流速為2 mL·min-1，柱溫150℃，檢測器溫度 250℃，進樣器溫度200℃，分流比為20∶1。pH值采用臺式pH計(pH6175，JENCO，美國)進行測定。多糖用蒽酮-濃硫酸法測定，以無水葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品。蛋白質(zhì)用lowry 法，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)樣品。TS采用烘干法，VS采用馬弗爐灼燒法進行測定。分析溶解性指標(biāo)前，將樣品用0.45 μm濾膜過濾，取濾液進行測試。

1.4 累積甲烷產(chǎn)量和累積沼氣產(chǎn)量的計算

累積甲烷產(chǎn)量實際值根據(jù)公式1進行計算。

V2=V1+VG×C2+V0×(C2-C1)

(1)

式中：V1和V2分別表示在t1和t2時刻的甲烷產(chǎn)量，mL；C1和C2分別表示厭氧瓶上空甲烷在t1和t2時刻的百分含量，%；V0表示厭氧瓶上空的氣體體積，mL；VG表示在t1和t2之間的時間段內(nèi)，玻璃針筒量出產(chǎn)氣體積，mL。

某時刻下的累積沼氣產(chǎn)量為從發(fā)酵起始到該時刻下收集到的總沼氣量。每個試驗組和對照組的累積甲烷產(chǎn)量和累積沼氣產(chǎn)量為該組所得的實際值與空白組的實際值之差。

1.5 動力學(xué)擬合

修正的Gompertz方程用來對不同反應(yīng)時間t下測得的累積甲烷產(chǎn)量進行擬合，如公式2所示。

(2)

式中：H為t時刻累積甲烷產(chǎn)量，mL；P為最大累積甲烷產(chǎn)量，mL；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率，mL·h-1；λ為產(chǎn)氣延遲時間，h；e=2.718281828。P，Rm和λ通過Excel 2010軟件回歸擬合得到。

1.6 厭氧消化一級動力學(xué)

一級動力學(xué)模型常用于描述復(fù)雜發(fā)酵底物的水解動力學(xué)，當(dāng)?shù)孜锝到夂图淄楫a(chǎn)生達到平衡時，則甲烷的累積情況能夠反映底物的降解速率，計算公式如公式3所示[10]。

ln[1-M(t)/Mmax]= -kt

(3)

式中：Mmax為最大累積甲烷產(chǎn)量，mL；Mt為t時刻的累積甲烷產(chǎn)量；k為轉(zhuǎn)化速率常數(shù)。Mmax由修正的Gompertz方程擬合得出，其值等于P；k通過繪制ln[1-M(t)/Mmax]與t的曲線，選取線性關(guān)系區(qū)域計算斜率的相反數(shù)得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量

不同比例下雞糞和餐廚垃圾混合發(fā)酵的氣體產(chǎn)量、產(chǎn)氣成分及甲烷產(chǎn)率，如表2所示。由表2可知，混合發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量最低，其次是雞糞單獨發(fā)酵，而餐廚垃圾單獨發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量最高。從表2中還可以看出，雞糞單獨發(fā)酵的甲烷總產(chǎn)量最低，與之相比，混合比例為2∶1，1∶1，1∶2及餐廚垃圾單獨發(fā)酵的甲烷總產(chǎn)量分別提高了0.7%，5.3%，13.5%及59.6%。上述結(jié)果表明，向雞糞中混合一定比例的餐廚垃圾，能夠提高厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量，并且隨著餐廚垃圾所占比例的提高，累積甲烷產(chǎn)量不斷增大，但增加幅度卻較低，仍然低于餐廚垃圾單獨發(fā)酵。

經(jīng)計算，雞糞和餐廚垃圾混合比例為1∶0，2∶1，1∶1，1∶2和0∶1時，厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率分別為159.4 mL·g-1VS，160.5 mL·g-1VS，167.9 mL·g-1VS，180.8 mL·g-1VS，254.4 mL·g-1VS，隨著餐廚垃圾所占比例的增加而增大。本研究中雞糞單獨的甲烷產(chǎn)率109.8 mL·g-1TS低于文獻中雞糞中溫發(fā)酵的173～253 mL·g-1TS[2]，本研究中雞糞與餐廚垃圾為2∶1時氣體產(chǎn)率350.4 mL·g-1TS，低于相同條件下文獻中的573 mL·g-1TS，高于雞糞與玉米秸稈按該比例混合時的氣體產(chǎn)率308.97 mL·g-1TS[4]。本研究的甲烷產(chǎn)量與文獻中有較大差異，這可能是由于接種污泥活性較低或者未充分適應(yīng)底物特性造成的。

不同混合比例下，累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化規(guī)律如圖1～圖5所示。從圖1可以看出，餐廚垃圾所占比例較高時(雞糞與餐廚垃圾之比為0∶1，1∶2和1∶1)，累積沼氣產(chǎn)量出現(xiàn)兩個明顯的快速增長期，分別在發(fā)酵的初期和中后期，而在餐廚垃圾所占比例較低時(混合比例為1∶0和2∶1)，累積沼氣產(chǎn)量只有一個明顯的快速增長期，處于發(fā)酵中后期。與累積沼氣產(chǎn)量相比，累積甲烷產(chǎn)量在所有混合比例下只在發(fā)酵中后期快速累積。結(jié)合累積沼氣和累積甲烷變化規(guī)律，可以推測在餐廚垃圾所占比例較高時，發(fā)酵初期沼氣的主要成分不是甲烷。通過測定發(fā)酵初期的pH值，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾所占比例較高時，pH值降低到5.7～6.6，說明這些混合比例下發(fā)酵初期出現(xiàn)了明顯酸化，此時累積沼氣的主要成分可能是氫氣和二氧化碳等發(fā)酵氣體。所以，向餐廚垃圾中混合一定比例的雞糞，有利于緩解餐廚垃圾單獨發(fā)酵初期易酸化的問題，該結(jié)論與孟穎[6]等人的一致。

沼氣中能體現(xiàn)資源利用價值的主要成分是甲烷，其百分含量一定程度上體現(xiàn)了沼氣的品質(zhì)，影響著沼氣凈化工藝的負(fù)荷、建設(shè)及運行成本。由表2可知，混合發(fā)酵和雞糞單獨發(fā)酵時，沼氣中最高甲烷濃度在55.5%～56.5%之間，而餐廚垃圾單獨發(fā)酵時的最高甲烷濃度達62.1%，顯著高于其他發(fā)酵條件。上述結(jié)果說明混合發(fā)酵對改善雞糞單獨發(fā)酵的沼氣品質(zhì)方面沒有顯著的作用，卻降低了餐廚垃圾單獨發(fā)酵的沼氣品質(zhì)。

表2 不同混合比例下雞糞和餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的氣體產(chǎn)量、成分及甲烷產(chǎn)率

圖1 雞糞單獨發(fā)酵的累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化曲線

圖2 雞糞∶餐廚垃圾2∶1比例下累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化曲線

圖3 雞糞∶餐廚垃圾1∶1比例下累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化曲線

圖4 雞糞∶餐廚垃圾1∶2比例下累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化曲線

圖5 餐廚垃圾單獨發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量、累積甲烷產(chǎn)量和pH值隨時間的變化曲線

2.2 修正的Gompertz方程對累積甲烷產(chǎn)量的動力學(xué)擬合

不同混合比例下雞糞和餐廚垃圾厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量及其動力學(xué)擬合曲線如圖6所示，相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)在表3中列出。表3中，擬合值和實測值的相關(guān)系數(shù)R2在0.99以上，表明修正的Gompertz方程能夠較好地描述雞糞和餐廚垃圾混合發(fā)酵和單獨發(fā)酵產(chǎn)甲烷的動力學(xué)過程。從表3可以看出，混合發(fā)酵的最大產(chǎn)甲烷速率在2.46～3.65 mL·h-1之間，是雞糞單獨發(fā)酵時的1.2～1.8倍，說明混合發(fā)酵有利于提高雞糞發(fā)酵的甲烷產(chǎn)生速率。餐廚垃圾單獨發(fā)酵的最大產(chǎn)甲烷速率為3.16 mL·h-1，低于雞糞和餐廚垃圾混合比例為2∶1的發(fā)酵條件，而高于其他發(fā)酵條件，說明適宜的混合比例能夠提高餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷速率，這可能是由于該混合比例下底物的營養(yǎng)配比更為適宜，因而微生物代謝活性較高。

甲烷發(fā)酵分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個階段，而產(chǎn)甲烷階段處于食物鏈的末端，若甲烷菌的數(shù)量和活性較低，復(fù)雜有機物的發(fā)酵可能出現(xiàn)明顯的延遲期。從表3中可以看出，與混合發(fā)酵相比，雞糞單獨發(fā)酵的延遲時間較短，而餐廚垃圾單獨發(fā)酵的延遲時間較長，這可能是由于發(fā)酵初期的酸化進一步抑制了甲烷菌活性，這個結(jié)果也說明雞糞單獨發(fā)酵和混合發(fā)酵能夠更好地維持甲烷菌適宜的生長環(huán)境，縮短延遲時間。

圖6 雞糞和餐廚垃圾厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量及修正的Gompertz方程擬合曲線

表3 修正的Gompertz方程動力學(xué)擬合參數(shù)

2.3 一級動力學(xué)模型對甲烷產(chǎn)量的動力學(xué)擬合

圖7通過一級動力學(xué)公式計算的關(guān)系圖，對快速產(chǎn)甲烷階段進行線性擬合，相應(yīng)動力學(xué)參數(shù)顯示在表4中。從表4中看到，R2在0.9517～0.9799之間，線性擬合情況良好，證明甲烷快速增長期，發(fā)酵底物向甲烷的轉(zhuǎn)化速率基本符合一級動力學(xué)模型。

圖7 不同混合比例下雞糞和餐廚垃圾混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的一級動力學(xué)擬合曲線

在發(fā)酵初期，水解酸化持續(xù)進行(可以從初期pH值降低到5.7～6.8推測到)，而產(chǎn)甲烷卻出現(xiàn)延遲，說明發(fā)酵初期產(chǎn)甲烷階段為限速步驟，該時期的水解動力學(xué)參數(shù)難以從甲烷產(chǎn)量上進行推測。在快速產(chǎn)甲烷期，產(chǎn)甲烷規(guī)律基本符合一級動力學(xué)模型，說明該階段水解速率與產(chǎn)甲烷速率具有相同的變化規(guī)律，水解階段為限速步驟，新生成的代謝產(chǎn)物累積較少，利用累積甲烷產(chǎn)量構(gòu)建的一級動力學(xué)模型可以間接衡量水解速率，相應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率常數(shù)也能一定程度上反映水解速率常數(shù)。

從表4中還可以看出，混合發(fā)酵的轉(zhuǎn)化速率常數(shù)在0.3504 d-1～0.4608d-1，顯著高于雞糞單獨發(fā)酵的0.1392 d-1，和餐廚垃圾單獨發(fā)酵的0.1896 d-1，說明混合發(fā)酵能夠提高雞糞或餐廚垃圾單獨發(fā)酵在快速產(chǎn)甲烷期的轉(zhuǎn)化速率。綜合表3和表4可以看出，雞糞和餐廚垃圾混合比例為2∶1時，最大產(chǎn)甲烷速率和轉(zhuǎn)化速率常數(shù)均最高，說明該條件下甲烷菌的代謝活性較高。本研究中的轉(zhuǎn)化速率常數(shù)處于文獻中報道的0.44 d-1～0.13 d-1[11-12]。

2.4 VS去除率

本研究中，有機質(zhì)去除率隨餐廚垃圾所占比例而增加。雞糞單獨發(fā)酵的VS去除率為35%，混合發(fā)酵比雞糞單獨發(fā)酵的VS去除率高了19.9%～33.6%，而餐廚垃圾單獨發(fā)酵的VS去除率最高，達到54%。有機物的去除率與厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率的變化規(guī)律一致。

表4 一級動力學(xué)模型的動力學(xué)擬合參數(shù)

3 結(jié)論

(1)雞糞和餐廚垃圾混合比例為1∶0,2∶1,1∶1,1∶2和0∶1時，厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率分別為159.4 mL·g-1VS，160.5 mL·g-1VS，167.9 mL·g-1VS，180.8 mL·g-1VS，254.4 mL·g-1VS，隨餐廚垃圾所占比例的增加而增大，餐廚垃圾單獨發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果最佳。

(2)與餐廚垃圾單獨發(fā)酵相比，混合發(fā)酵有利于改善發(fā)酵初期易酸化、啟動延遲期較長的問題。與雞糞單獨發(fā)酵相比，混合發(fā)酵有利于提高產(chǎn)氣率。然而，混合發(fā)酵在提高沼氣中甲烷濃度的作用上并不顯著。

(3)通過動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)混合比例為2∶1時，最大產(chǎn)甲烷速率和轉(zhuǎn)化速率常數(shù)均達到最高，說明適宜條件下混合發(fā)酵有利于提高甲烷菌代謝活性。