不同载体材料对牛粪固定床厌氧发酵的影响

白 岩,洪秀杰,刘金力 ,王彦杰 ,杨宏志,周兆芳

(1.黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，黑龙江八一农垦大学 生命学院，黑龙江 大庆 163319；2.大庆市农业技术推广中心，黑龙江 大庆 163411；3.黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319；4.黑龙江省集贤县二九一农场农业技术推广中心，黑龙江 双鸭山 155923 )

目前我国市场经济提高，人民生活水平富足，从而畜牧业和养殖业迅速发展[1]，产生大量的畜禽粪便。畜禽粪便堆放没有处理设施，导致我国畜禽粪便环境污染日益严重[2]。牛粪在畜禽养殖粪便中约占为70%，但与其他粪便相比，牛粪产气率不高[3]。为提高牛粪的产气率，采用传统的厌氧发酵连续搅拌式反应器工艺，具有能耗低、设备简单、灭菌效果好等优点[4]，但发酵时间长、沼气产量低、微生物易随发酵产物排出而浪费等缺点[5]。林长松[6]等采用炭纤维载体固定床厌氧发酵工艺，研究表明COD去除率和产气效果较好。

作为载体材料需具有比表面积大、多孔[7]，为微生物固定和生长提供良好条件[8]，增加微生物与载体之间的接触面积，有利于微生物附着在载体上，形成生物膜，减少了料液中被冲走的微生物的数量，保持较多的生物量，增加了反应器中微生物的密度[9-10]，同时减缓水力剪切的影响，使生物膜难以脱落[11]，从而增加了底物、气体、微生物的接触机会，提高传质效果[12]，促进厌氧发酵。与普通厌氧发酵相比，固定床发酵产废水量少，降低了后续处理的负担；微生物固定床载体可以循环使用、而且大多数载体材料成本较低；与微生物悬浮生长相比，提高反应器中的微生物浓度，保护微生物，缩短HRT，从而提高反应器效率；微生物固定化对有毒有害物质有较强的承受能力，具有一定的稳定性；简化了工艺，节省成本等优势[13]。

本试验以牛粪为发酵原料，采用不同载体固定床厌氧发酵，优化发酵参数，提高牛粪的产气率。

1 材料与方法

1.1 发酵原料与反应器装置

发酵原料：新鲜牛粪取自黑龙江八一农垦大学动物科技学院实验基地，其主要性质为：pH值 7.3，总固体含量(TS)18.1%，挥发性固体含量(VS)11.8%，碳氮比(C/N)30.6∶1。试验前通过过筛去除牛粪中的杂物，并粉碎大块牛粪。用自来水稀释至所需浓度，通过搅拌使牛粪和水混合均匀。

酸化阶段：所采用的酸化装置为1 L的无盖螺口瓶，每次搅拌前安装搅拌装置进行搅拌[14]；产甲烷阶段：试验所采用的全混式固定床厌氧发酵反应器：圆柱形结构，有效面积为10.5 L，罐高31.0 cm、半径为10.4 cm，主要材料为不锈钢材质。发酵罐顶部设有排气管和进料口，底部设有排料装置和电机搅拌装置，通过隔层水浴加热控制恒温。气体收集装置：圆柱形容器，主要材料为有机玻璃材质。反应器装置如图1所示。

1.温控仪；2.进料口；3.搅拌电机；4.排气口；5.搅拌桨；6.固定床骨架；7.保温隔层；8.取样口；9.导气管；10.点气口；11.集气筒；12.配重。图1 厌氧发酵反应装置示意图

1.2 载体材料与载体骨架

本试验选用竹纤维膜、碳纤维膜和塑胶网作为载体材料，这3种材料都具有稳定的理化性质、较大的比表面积、较低的成本价格等特点。碳纤维、竹纤维膜、塑胶网的比表面积分别为2321,5282和1135m2·g-1。载体骨架：圆柱台结构，主要材料为不锈钢质，该骨架结构具有机械强度高，不易变型，以防被微生物腐蚀，利于多次使用的特点。骨架顶部半径6.5 cm，底部半径12.0 cm，高度25.0 cm，骨架侧面的八根不锈钢棒起支撑和使载体附着的作用，把骨架分成8个面，被平分的8个面中的两个对立面不固定载体材料，其余的面通过使用耐磨抗腐的渔线把载体材料固定在骨架上。使用该骨架固定载体材料有利于较多的物料接触到载体，从而有利于微生物的附着和固定[15]。

1.3 试验设计

1.3.1 固定床载体材料筛选试验

根据牛粪厌氧发酵的产气效果和COD去除率对载体材料进行筛选。试验所选用的3种载体材料表面积相同，固定在相同大小和样式的骨架上，置入厌氧反应器中。在有效体积10.5 L的反应器中装料9.0 L，浓度为8%的牛粪，初始pH值 7.3，通过隔层水浴控制发酵温度35℃±1.5℃。每24 h放料600 mL，同时进料600 mL。所进料液为同浓度的经酸化相酸化的牛粪料液。每次进料之后进行机械搅拌30 min(约120 r·min-1)。稳定运行10 d后记为发酵开始，发酵周期30 d。每处理3次重复，以不加载体材料的处理作对照。

1.3.2 固定床发酵参数对产气效果的影响

在图1的装置中，加入筛选获得的载体材料，经酸化相酸化96 h得到的牛粪料液作为原料进行厌氧发酵[14]，稳定运行10 d后，以产气效果和COD去除率为指标，研究搅拌间隔、料液浓度、温度和HRT对牛粪厌氧发酵产气的影响，每个处理3次重复。

1.3.2.1 搅拌间隔对产气效果的影响

在发酵温度为35℃±1.5℃，初始料液浓度为8%，HRT为10 d时，搅拌间隔(搅拌30 min，搅拌频率120 r·min-1，下同)设置为12 h，24 h，36 h。

1.3.2.2 料液浓度对产气效果的影响

发酵温度为35℃±1.5℃，搅拌间隔为18 h，HRT为10 d时，初始料液浓度设置为4%，6%，8%，10%。

1.3.2.3 发酵运行温度对产气效果的影响

初始料液浓度为8%，搅拌间隔为18 h，HRT为10 d时，设置发酵温度30℃，35℃和40℃。

1.3.2.4 HRT对产气效果的影响

发酵温度为35℃±1.5℃，初始料液浓度为8%，搅拌间隔为18 h时，设置HRT为6，9，12，15 d和18 d。

1.3.3 优化条件下全混式固定床运行对比试验

以经酸化相酸化96 h得到的牛粪料液为原料，以碳纤维膜为载体，以单因素优化出最佳的搅拌间隔、进料浓度、运行温度、固定床为发酵参数，采用全混式固定床进行厌氧发酵，以全混式发酵反应器为对照。通过沼气总产量、甲烷含量、甲烷总产量、VS去除率和COD去除率进行对比。

1.4 测定指标及方法

采用排水集气法来测定沼气日产率，每日取样测定一次；通过利用便携式沼气分析仪(GA2000)测定沼气中甲烷含量，发酵30 d内的沼气日产量总和与甲烷日产量总和，即为该处理沼气累积产量与甲烷累积产量。采用烘干称重法测定料液中的TS和VS[16]；采用便携式pH计(B-712)测定pH值；采用气相色谱(GC9720)测定挥发性脂肪酸(VFA)[17]；采用快速消解分光光度法(上海菁华752)测COD[18]；采用全自动比表面分析仪 (TriStarⅡ3020)测定供试原料的比表面积[19]。

2 结果与分析

2.1 不同固定床载体材料对牛粪厌氧发酵产气效果的影响

2.1.1 不同载体材料对固定床厌氧发酵沼气产量的影响

不同载体材料对沼气产气率的影响见图2，各组沼气产气率在整个发酵过程中都趋于稳定，波动不明显。碳纤维膜载体材料的沼气产气率最高，有26 d沼气日产率高于其他处理。而对照组沼气日产率相对较低。不同载体材料对沼气产气率和甲烷产气率影响见图3。碳纤维膜载体材料累积沼气产量为290.5 mL·g-1，累积甲烷产量为154.1 mL·g-1，碳纤维膜的产气率均高于其他处理，与对照组相比，沼气总产量提高12.1%，甲烷总产量提高15.6%。夏吉庆[20]等研究表明，添加载体材料，使微生物附着在载体上，形成生物膜，提高产气效率。可见，由产气效果可以看出，在其他发酵条件相同的情况下，厌氧发酵产气率反应了载体材料对微生物固定化的影响。

图2 不同载体材料对牛粪固定床厌氧发酵VS沼气产气率的影响

图3 不同载体材料对牛粪固定床厌氧发酵VS产气率的影响

2.1.2 不同载体材料对固定床厌氧发酵COD去除率的影响

不同载体材料对固定床厌氧发酵COD去除率的影响见图4，碳纤维膜载体材料的COD去除率为69.2%，明显高于其他处理(p<0.01)，与对照组相比，COD去除率提高17.5%。可见，所选3种载体材料的COD去除率由高到低依次为碳纤维膜、竹纤维膜、塑胶网。

图4 不同载体材料对牛粪固定床厌氧发酵COD去除率的影响

2.2 运行参数对碳纤维膜载体固定床产气率的影响

2.2.1 全混式固定床不同搅拌间隔对厌氧发酵的影响

不同搅拌间隔对沼气产气率影响见图5。各组沼气产气率在整个发酵过程中变化趋势基本相同，波动不明显，随着发酵时间的延长，发酵初期产气率快速升高，发酵后期产气率趋于稳定，24 h搅拌间隔产气率最高。不同搅拌间隔对沼气产气率和甲烷产气率影响见图6，24 h搅拌间隔的沼气累积产量和甲烷产量分别为323.3 mL·mg-1和162.7 mL·mg-1，明显高于其他处理。

图5 牛粪固定床不同搅拌间隔对VS沼气产气率的影响

图6 牛粪固定床不同搅拌间隔对VS产气率的影响

高凯旋[21]认为搅拌能促进物料和温度的均匀，提高沼气的产气效率。但过度搅拌又会对厌氧发酵产生负作用，影响沼气发酵的正常进行。李道义[22]等研究表明，轻度搅拌被证明可以使进料分散，有利于形成一个新的絮凝中心，从而有效提高厌氧发酵的产气效果和稳定性。本试验中搅拌间隔24 h对应的累积产气量高于其他处理，说明搅拌间隔为24 h时，牛粪产气效果最好。

2.2.2 不同处理料液浓度对牛粪固定床厌氧发酵的影响

不同处理料液浓度对沼气产气率影响见图7。各组沼气产气率在整个发酵过程中呈上升趋势。随着发酵时间的延长，产气率提高，发酵后期产气率趋于稳定，8%料液浓度的产气率最高。不同处理料液浓度对沼气产气率和甲烷产气率影响见图8，8%料液浓度的沼气累积产量和甲烷产量分别为348 mL·g-1和174.8 mL·g-1，明显高于其他处理。

图7 牛粪固定床不同处理料液浓度对VS沼气产气率的影响

图8 牛粪固定床不同处理料液浓度对VS产气率的影响

贾丽娟[23]等研究表明，在一定范围内，发酵料液浓度越大，微生物数量越多，有利于原料有机物的降解，因此发酵启动较快。李志忠[24]等认为料液浓度过高，一方面需要的接种量较大，接种物不足导致产甲烷菌数量相对有限；另一方面由于料液水解速率高，传质不均匀，抑制了产甲烷菌的活性和产气反应。本试验中8%料液浓度对应的累积产气量高于其他处理，说明料液浓度为8%时，牛粪产气效果最好。

2.2.3 牛粪固定床不同运行温度对厌氧发酵的影响

不同运行温度对沼气产气率影响见图9。各组沼气产气率在整个发酵过程中变化趋势有波动影响，无明显规律。随着发酵时间的延长，产气率提高，发酵后期产气率趋于稳定，运行温度35℃的产气率最高。不同运行温度对沼气产气率和甲烷产气率影响见图10，运行温度35℃的沼气累积产量和甲烷产量分别为343.8 mL·g-1和189.1 mL·g-1，明显高于其他处理。

图9 牛粪固定床不同运行温度对VS沼气日产气率的影响

图10 牛粪固定床不同运行温度对VS产气率的影响

KuandykDinara[25]等认为采用高温或中温发酵能提高产甲烷菌和其它有益微生物的活性，并随着温度的升高提高降解有机物的能力，从而提高产沼量。庞震鹏[26]等研究表明，中温发酵产出的甲烷含量比高温略高。发酵温度过低，微生物的繁殖水平会降低，产气效率低下。本试验中运行温度35℃对应的累积产气量高于其他处理，说明运行温度为35℃时，牛粪产气效果最好。

2.2.4 牛粪固定床不同HRT对厌氧发酵的影响

不同HRT对沼气产气率影响见图11，在发酵时间1～9 d时，随着发酵时间延长，产气率提高，9 d后产气率趋于稳定。HRT在12 d时产气率最高。不同HRT对沼气产气率和甲烷产气率影响见图12，运行温度35℃的沼气累积产量和甲烷产量分别为308.2 mL·g-1和155.2 mL·g-1，明显高于其他处理。

图11 牛粪固定床不同HRT对VS沼气日产气率的影响

图12 牛粪固定床不同HRT对VS产气率的影响

罗立娜[27]等认为在适宜的HRT条件下，产酸菌的产酸速率与产甲烷菌利用有机酸的产酸速率达到平衡时，产气量最大，产气效率最高。HRT过长，进入反应器中的营养物质较少，微生物生长可利用的物质少，产气量较低。乔玮[28]等研究表明，HRT过短，反应体系已经不再产气，表明此阶段的HRT不足以维持微生物的生长和代谢平衡，微生物被冲出反应器。本试验中HRT在12 d时对应的累积产气量高于其他处理，说明HRT为12 d时，牛粪产气效果最好。

2.3 不同发酵参数下的牛粪碳纤维膜载体固定床COD去除率结果

在每种参数试验进料相同条件下，所研究的各参数COD去除率见表1。搅拌间隔对固定床厌氧发酵的影响试验中，搅拌间隔为24 h 时COD去除率最高，料液浓度对固定床厌氧发酵的影响试验中，料液浓度为8%时COD去除率最高，发酵温度对固定床厌氧发酵的影响试验中，运行温度为35℃时COD去除率最高，HRT对固定床厌氧发酵的影响试验中，HRT为12 d时COD去除率最高。

表1 不同参数下的牛粪碳纤维膜载体固定床COD去除率的变化

2.4 优化条件下全混式固定床运行对比试验

以牛粪为原料，碳纤维膜为载体的全混式固定床进行厌氧发酵。选取主要发酵参数为搅拌间隔12 h,进料浓度8%,运行温度35℃,HRT 12 d,发酵30 d，以全混式发酵反应器为对照。将发酵前后的主要参数相比较见表2。本试验可以看出，全混式固定床发酵与全混式发酵相比，沼气总产量、甲烷含量、甲烷总产量、COD去除率、VS去除率分别提高13.69%,6.10%,20.64%,31.27%,15.69%。与对照相比，采用全混式固定床进行发酵，牛粪产气效果更好。

表2 全混式固定床与全混式反应器厌氧发酵主要参数的比较

3 讨论

通过改进厌氧发酵反应器类型及工艺可以达到提高反应器处理能力和产气量的效果。本研究采用不同载体固定床厌氧发酵优化了传统厌氧发酵反应器的启动慢、运行不稳定的缺点和产气率低的问题，而生物量流失是厌氧生物工程中急需解决的问题。

李杰[29]等研究表明牛粪厌氧发酵时添加适合于微生物附着的载体，可以显著提高沼气生产效率。将微生物固定于载体上形成附着的生物膜，从而减少料液中的微生物被冲刷出反应器，提高了反应器内微生物的密度，同时使微生物和料液可以长时间的接触。本试验中，竹纤维膜、碳纤维膜和塑胶网及对照的产气量在发酵的第13天左右达到高峰，碳纤维膜载体材料的沼气产气率最高，与对照组相比，沼气总产量提高12.1%、甲烷总产量提高15.6%；碳纤维膜载体材料的COD去除率与对照组相比提高17.5%。得出加入碳纤维膜载体材料后的骨架加入到牛粪厌氧发酵固定床，不仅可以提高厌氧发酵系统的产气率，也可以有效提高厌氧发酵系统的COD去除率。

在厌氧发酵过程中，通过搅拌，可促进沼气的扩散效果，可使微生物与料液充分接触，可破除发酵罐上层结壳，可使发酵罐内温度和浓度均匀，从而影响厌氧发酵效果[30]。本研究发现，不同搅拌间隔的产气速率随着发酵时间先增加后趋于稳定。其原因在于：过度搅拌对厌氧消化的影响主要体现在厌氧互营性菌群的空间位置改变、中间产物的代谢紊乱等方面[31]，对厌氧发酵产生负作用；不同料液浓度的产气速率随着发酵时间先增加后趋于稳定，其原因在于：浓度过高的料液会阻碍传热传质过程，使发酵微生物生长受到影响，导致基质利用率降低[32]；同时因为缺水使产酸菌代谢减缓，导致积累过量VFA，造成酸中毒，从而影响发酵过程[33]；温度是影响菌体代谢活动重要因素，不同运行温度的产气速率随着发酵时间先增加后降低，35℃时达到最大值，楚莉莉[34]等采用响应面法优化牛粪厌氧发酵的最佳发酵参数，结果表明，发酵温度为35℃时，可获得最大累积产气量，这与本研究结果相符；HRT对甲烷含量的影响。甲烷含量是衡量厌氧发酵过程的一个重要指标，能反映出反应器内的发酵状态[35]。不同HRT的产气速率随着发酵时间先增加后趋于稳定，其原因在于：HRT的长短影响投料负荷的高低，当HRT过短时，微生物大量随出水流出，导致产甲烷微生物密度过小，pH值表现出一定的酸败趋势，使微生物无法充分利用底物，影响产气的质量，当HRT过长时，产甲烷微生物的密度足够大，但底物可利用营养成分不足，导致产气量不高，只有当HRT适合时，产酸菌的产酸速率与产甲烷菌利用有机酸的速率达到平衡时，产气量最大，产气效率最高[36-37]。

4 结论

试验得出产气率最高的载体材料是碳纤维膜，以碳纤维膜为载体材料，单因素优化出最佳的搅拌间隔、进料浓度、运行温度、固定床HRT分别为24 h，8%，35℃，12 d。碳纤维膜材料拥有良好的生物相容性，减少甲烷菌的流失，促进微生物附着到载体上，形成生物膜，促进厌氧发酵。碳纤维膜固定床在最佳发酵条件下，产气率明显提高，COD去除率也显著提高。因此在最佳发酵参数的条件下，牛粪采用碳纤维膜固定床反应器进行厌氧发酵，产气率最高。