多元混合物料协同厌氧消化产甲烷性能研究

李金平， 崔维栋， 黄娟娟， 王春龙， 刘 润

(1. 兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3. 兰州理工大学 能源与动力工程学院， 兰州 730050)

随着能源消耗和环境污染问题日益突出，厌氧发酵既能提供清洁能源沼气又能减少农牧废弃物污染而成为能源领域的研究热点[1]。根据研究调查，截至2009年底，中国规模化养殖场畜禽粪便的排量约8.37亿t，年沼气生产潜力约为472.1亿m3 [2]；2015年全国主要农作物秸秆可利用量为7.2亿t，其中玉米秸秆所占比例约为30%；蔬菜种植面积达2200万hm2，蔬菜总产量为7.85亿t[3]，蔬菜生产过程中产生的大量废弃物直接丢弃或填埋已造成严重的环境污染。厌氧消化是农牧废弃物资源化利用的有效途径之一，将单一原料的厌氧发酵转为混合发酵可以改善原料结构和营养特性，提高有机废弃物的甲烷产量和有机转化率[4]，从而成为国内外大量学者研究的热点之一。

为获得较佳的混合厌氧消化性能，需要对原料配比进行优化。Molinuevo-Salces B[5]等将果蔬废弃物与畜禽粪便进行混合厌氧发酵，结果表明两者混合厌氧发酵产气效果很好，单位原料甲烷产量从111提高到244 mL·g-1VS，挥发性固体去除率从50%提高到86%。冯亚君[6]等研究发现玉米秸秆与鸡粪配比1∶2时累计产甲烷量达到最大值为19488 mL，比单一玉米秸秆厌氧消化最终甲烷产量高出32.6%。魏珞宇[7]等研究不同配比牛粪与生活废弃物混合发酵时发现增加牛粪比例可提高厌氧发酵的累计产气量和发酵液中pH值得稳定性。厌氧消化技术最明显的发展趋势是两种或两种以上物料混合厌氧消化[8]，然而目前大多数研究基本上都针对两种发酵物料，对于多种混合物料厌氧发酵制沼气工艺研究尚比较少。因此，本试验以牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆为发酵原料，分别设定了单一原料、两种及3种混合原料发酵试验组，在中温(37℃±1℃)和固体质量分数为12%条件下进行厌氧消化产甲烷性能研究，并探讨原料的混合种类及配比对厌氧消化协同效应的影响，以期为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所需原料牛粪和玉米秸秆取自甘肃省兰州市晏家坪奶牛养殖农户，蔬菜废弃物取自甘肃省兰州市蔬菜批发市场，主要为废弃的番茄和白菜烂叶。将3种原料取回实验室后密封，冷藏于4℃冰箱中备用。所用的接种污泥取自兰州市红古区奶牛场沼气工程所产生的发酵液，添加鲜牛粪经(37℃±1℃)密封驯化30 d后所得。试验材料的理化性质如表1所示。

表1 试验材料的理化性质 (%)

1.2 试验装置与方法

本试验采用批式厌氧消化工艺。厌氧消化试验装置为1.5 L发酵瓶，有效填料容积为1.2 L。厌氧发酵固体质量分数为12%，设计接种率为发酵原料的30%，将发酵原料和接种物按照VS(挥发性固体)比例(见表2)混合后，添加一定量蒸馏水调至总固体质量分数为12%，装瓶，充氮气5 min排除发酵瓶中的空气。发酵瓶以带玻璃管的橡胶塞密封，通过乳胶管连接于3 L的铝塑复合膜气体采样袋，消化瓶置于恒温水浴箱中，在温度为(37℃±1℃)条件下进行厌氧发酵。每个试验组3个重复，试验期间发酵瓶每天手动摇晃3次以起到搅拌作用。每天晚上8点测量产气量及甲烷和二氧化碳的含量等指标。

表2 牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例

1.3 测定与分析方法

1.3.1 测定指标及方法

试验原料TS 采用恒定质量法，105℃干燥至恒定质量；VS 采用灼烧法，在550℃马弗炉灼烧4～6 h，冷却至恒重称质量；总氮采用凯氏定氮法测定；总碳采用重铬酸钾氧化法测定；厌氧消化过程中的每日产气量采用排水集气法测量，气体中甲烷和二氧化碳含量采用便携式沼气分析仪(Biogas 5000，英国Geotech公司)测定。根据日产气量及气体成分含量即可计算日产甲烷量和二氧化碳量。

1.3.2 混合厌氧消化协同效应分析

协同效应可以看作是混合厌氧消化所产生出的超过加权的单独消化所产生出的额外的甲烷产量。根据原料单独厌氧消化时的甲烷产量和在混合物料中所占的比例计算理论甲烷产量，其计算公式(1)如下[9]：

Mtheoretical=MCMgα+MVWgβ+MCSgγ/α+β+γ

(1)

式中：Mtheoretical为物料混合厌氧消化理论甲烷产量，mL·g-1VS；MCM，MVW和MCS分别代表了单一牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆厌氧消化甲烷产量，mL·g-1VS；α，β和γ分别代表了牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆在混合发酵中VS所占的比例。

1.3.3 产甲烷动力学分析

大量研究表明修正的Gompertz方程可以很好的模拟物料厌氧消化累计产气过程。本试验采用修正的Gompertz方程对各处理产甲烷过程进行拟合[10]。

(2)

式中：M为第t天的物料累计甲烷产量，mL·g-1；P为最终甲烷产量，mL·g-1；Rm为最大产甲烷速率，mL·g-1d-1；λ为迟滞时间，d；t为发酵时间，d；e为自然常数，2.718282。P，Rm和λ均可通过批式厌氧发酵实验数据拟合获得。

1.4 数据处理方法

原始数据用Excel 2013软件标准化处理后，采用Origin 8.5软件制图并进行修正的 Gompertz方程拟合累计产甲烷曲线，采用SPSS 18.0软件进行各试验组间显著性方差分析。

2 结果与分析

2.1 产甲烷性能

2.1.1 日产甲烷量

单一原料以及两种混合原料厌氧发酵的日产甲烷量变化情况如图l所示，不同原料日产甲烷量变化趋势有明显的区别。牛粪单独厌氧消化日甲烷产量在厌氧消化初期迅速升高，并分别于第4和10天达到产甲烷峰值，分别为1105 mL和725 mL。蔬菜废弃物在厌氧发酵初期产甲烷速率较慢，在第3天产甲烷量下降并在第5天达到谷值，之后产甲烷速率逐渐上升在第14天达到最大产甲烷峰值，为776 mL。玉米秸秆在厌氧消化前期产甲烷量较少，经一定停滞时间后进入产甲烷高峰期，并在第17和25 天甲烷产量达到峰值，分别为897和536 mL。牛粪和秸秆混合厌氧消化日产甲烷量在第11天达到峰值，虽然比牛粪单独厌氧发酵产甲烷峰值出现时间滞后了7 d，但其甲烷产量为1320 mL，比单一牛粪和玉米秸秆厌氧消化最高产甲烷峰值分别提高了16.3%和32.05%。蔬菜废弃物和玉米秸秆混合发酵最高日甲烷产量为1185 mL，与蔬菜废弃物和玉米秸秆单独厌氧消化相比，最高甲烷峰值分别高出34.51%和24.30%。

图1 单一原料以及两种混合原料日产甲烷量

这些结果可以进一步表明单一原料混合后进行厌氧消化其产甲烷性能显著优于单一原料，这主要是因为单一原料由于往往无法同时满足适宜的碳氮比和原料降解速率的条件，难以获得较高的甲烷产率和原料利用率，而原料混合发酵不仅可以弥补单一原料的发酵缺陷，还可以实现发酵原料间的优势互补，提高原料转化速率[11]。这与任海伟[12]等的研究结果一致，一方面，牛粪或蔬菜废弃物与玉米秸秆混合发酵正好平衡原料的碳氮比，为微生物生存提供了更好的条件，另一方面，各种原料在物理结构、营养组分及水分含量等方面的互补性，有利于创造更加均衡的条件，保证了稳定高效产甲烷过程的进行。

多元混合物料在不同比例条件下厌氧消化日产甲烷量如图2所示。由图2可见，不同试验组的日产甲烷量变化趋势基本相同，在整个厌氧消化过程中均出现2个明显的产甲烷峰值，但产甲烷峰值出现的时间和大小不一致，这主要是由于复杂有机物降解难易程度不同，导致物料混合厌氧消化是多阶段降解过程。其中不同的峰值可以表现出厌氧消化过程中的差异，第1个峰值主要是可溶性有机物的甲烷转化，第2个峰值是可生物降解的物质，甚至难生物降解的化合物进一步的溶解和甲烷化，之后微生物进入饥饿阶段[13]。

图2 3种混合物料日产甲烷量

牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合厌氧消化，各成分比例可影响甲烷日产率在整个发酵期间的变化。如图2所示，多元混合物料的产甲烷高峰期主要出现在厌氧消化前期。试验组 C1，C2，C3和C4在厌氧发酵启动后日产甲烷量迅速上升，分别在试验第10，8，5和6天日产甲烷量达到第1个峰值，分别为1395，1442，1262和1153 mL，维持短暂的高日产甲烷量后迅速降低，达到谷值后产甲烷速率又显著升高，分别在试验第16，14，10和13 天日产甲烷量达到第2个峰值，分别为1213，1489，1485和1459 mL，之后各组甲烷产率均迅速降低。从最高日产甲烷量及产甲烷速率上看，试验组C2的产甲烷性能明显优于其他试验组。与单一原料以及两种混合原料厌氧消化相比，多元混合物料厌氧消化两个产甲烷峰值强度明显增强，这主要是因为厌氧发酵是由多个微生物代谢过程和不同原料相互联系相互制约所形成的整体过程，多元物料混合厌氧消化有利于发酵体系内营养物质的平衡，丰富微生物多样性，提高其协同作用，从而增加厌氧消化产甲烷速率[14]。

2.1.2 累计甲烷产量

单一原料、两种及三种混合原料厌氧消化累计甲烷产量如图3和图4所示。各试验组的累计产甲烷量变化趋势基本相同，均表现为迅速增加后逐渐趋于稳定。如图3所示，经过43 d的厌氧消化，混合物料的最终甲烷产量均高于单一原料的累计甲烷产量。试验组A1,A2,A3,B1和B2组最终甲烷产量分别为14051，7332，12443，18256和15815 mL。试验组 C1，C2，C3和C4的累计产甲烷量分别为19258，20713，16209和15776 mL，比单一牛粪厌氧消化累计甲烷量产量分别高出27.04%，32.16%，13.31%和10.93%。试验组C2，牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例为1∶0.4∶0.6时产甲烷性能明显优于其他试验组，其最终甲烷产量比单一牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆厌氧消化分别提高了32.16%，64.60%和39.93%，比牛粪和玉米秸秆、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合发酵分别提高了11.86%和23.65。这说明牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆3种原料在一定比例下混合厌氧消化比单一原料以及两种混合原料发酵表现出更好的产甲烷性能。其原因除了与营养结构(C/N)优化有关，可能还与混合发酵的微生物群落或空间结构有关，多种原料混合后微生物菌群种类互补，且使发酵环境更适宜微生物生长和繁殖，增强了厌氧微生物种群之间的协同作用，从而提高厌氧消化产甲烷速率。

图3 单一原料以及两种混合原料累计甲烷产量

图4 3种混合原料累计甲烷产量

许多研究[15]表明不同物料之间的混合可以使C/N调整到最佳水平(20～30)，平衡缓冲能力或提供微生物所需的营养元素和微量元素。与各试验组相比，试验组C2累计甲烷产量最大为20713 mL，分别比C1，C3和C4试验组提高了7.02%，21.74%和23.84%。因此，混合比例是影响厌氧消化产甲烷性能的重要因素，优化混合原料组合及配比将是厌氧消化技术的重要发展方向。牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例为1∶0.4∶0.6是最合理的状态，有助于形成最佳C/N(22.86)和提高产甲烷速率。

2.2 厌氧消化协同作用

为了评估混合物料的协同作用对厌氧消化产甲烷性能的影响，对各试验组实际甲烷产量与理论甲烷产量进行分析。假设牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合后单独进行厌氧消化，未发生任何作用，则混合物料的理论甲烷产量应为3种物料甲烷产量的加权叠加。参照公式(1)的计算方法，根据牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆3种原料单独厌氧发酵时实际甲烷产量(215.18 mL·g-1VS，86.67 mL·g-1VS，157.09 mL·g-1VS)以及原料混合比例，计算其理论甲烷产量，结果如表3所示。

表3 混合物料厌氧消化甲烷产量实际值与理论值比较

由表3可以看出，各试验组理论甲烷产量均低于甲烷产量实际值，表明物料不同比例混合厌氧消化发生了积极的协同促进作用，显著提高了甲烷产量，但在不同混合比例条件下的协同作用有较大差异。与理论甲烷产量相比，试验组 B1，B2，C1，C2，C3和C4的实际VS 产甲烷量分别显著(p<0.05)提高了27.00%，36.94%，33.03%，39.83%，25.84%和26.62%。其中，试验组C2：牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆比例为1∶0.4∶0.6时对甲烷产量的提升效果39.83%优于其他试验组，比试验组B1协同作用值提高了32.21%，比试验组C1，C3和C4协同作用值分别提高了17.07%，35.12%和33.17%。因此，物料混合比例是实现厌氧消化协同效应最大值的1个重要参数。牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆3种原料混合厌氧消化协同作用贡献率为25.84%～39.83%，明显高于冯亚君[6]等以玉米秸秆与鸡粪两种物料协同作用值7.1%～17.7%。这与Pagés-Díaz J[16]等研究结论一致，多原料混合调整了原料C/N，营养成分更加均衡，显著增强厌氧消化过程中的协同效应，与单一物料厌氧消化相比，甲烷产量更高。

2.3 厌氧消化性能分析

VS去除率是评价厌氧消化效率的重要参数之一，从表4中可以看出混合发酵的VS降解率与单一原料相比均有明显提高，这说明混合厌氧消化系统中的大量有机物被微生物利用，从而有效地转化成 CH4及CO2等气体。在所有试验组中，试验组C2厌氧消化VS降解率最高为65.63%，比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化分别提高了16.14%，19.34%和29.88%；比牛粪和玉米秸秆、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合发酵分别提高了12.72%和15.25%。这可能是因为多元混合物料厌氧消化充分发挥了各种物料的协同作用，提高了原料的生物降解速率，促进了有机物水解转化为甲烷。试验组A3的VS降解率最低为46.02%，这主要与玉米秸秆的不平衡的营养特性(C/N)和木质纤维素结构有关。

2.4 产甲烷动力学分析

采用修正的Gompertz方程分别对各个试验组的累计产甲烷量进行拟合，所获得的拟合参数如表 4所示。通过修正的Gompertz方程拟合所得各试验组的相关系数R2值在0.9872～0.9986之间，这说明修正的Gompertz方程能够较好的反映物料厌氧消化产甲烷过程。厌氧消化期间日产甲烷量整体上决定了发酵全过程的最大产甲烷速率。与3种物料单独厌氧消化相比，除试验组F外，各试验组最大产甲烷速率Rm均明显提高，这表明混合厌氧消化协同作用提高了物能转化速率和产甲烷效率。其中，试验组C2具有最大产甲烷速率17.34 mL·d-1g-1，比单一牛粪厌氧消化和牛粪与玉米秸秆混合厌氧消化最大产甲烷速率分别提高了35.76%和17.19%，表现出较强的协同作用。

除了最大产甲烷速率Rm，迟滞时间λ也是反映厌氧消化性能的一个重要指标。与玉米秸秆单独厌氧消化相比，添加牛粪的各试验组总体表现出更短的迟滞时间，这是因为玉米秸秆在厌氧消化初期木质素与纤维素、半纤维素相互交联且结构致密，微生物对其降解速率较慢，而牛粪中可溶性物质含量较高、木质纤维结构较疏松以及混合原料中适宜的C/N有利于提高微生物在厌氧发酵初期对环境的适宜性，进而缩短延滞期[19]。试验组C2的迟滞时间为2.97 d，比牛粪和玉米秸秆混合发酵迟滞时间减少了1.22 d。因此，与两种原料混合厌氧消化相比，多元物料混合厌氧消化能够更加有效减少厌氧消化时间并提高厌氧消化的效率。

通过产甲烷参数分析与协同影响评估，多元混合物料厌氧消化的协同效应提高了原料生物降解性是产甲烷速率和累计甲烷产量提高的主要原因。在实际生产中，牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为1∶0.4∶0.6时，可显著提高厌氧消化产甲烷速率和缩短厌氧消化产甲烷时间，并且增加发酵物料的最终甲烷产量。

表4 修正Gompertz方程模型参数和生物降解性

3 结 论

(1)牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆3种原料在一定比例下混合后厌氧发酵比单一原料以及2种原料混合后发酵表现出更好的产甲烷性能。当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为1∶0.4∶0.6时，累计甲烷产量达到最大值为20713 mL，比其他混合物料甲烷产量增加了11.86%～23.65%。

(2)多元混合物料的协同作用是厌氧消化产甲烷性能提高的主要原因之一。其中，当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为1∶0.4∶0.6时，协同作用贡献率最高为39.83%，与其他混合比例相比提高了7.26%～35.12%。

(3)Gompertz方程能够较好的反映物料不同混合比例的产甲烷过程，可决系数R2在0.9872～0.9986之间。牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为1∶0.4∶0.6时具有最大产甲烷速率17.34 mL·d-1g-1，比牛粪单独厌氧消化、牛粪与玉米秸秆混合厌氧消化最大产甲烷速率分别提高了35.76%和17.19%。