基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性

于佳动，刘新鑫,，赵立欣，冯 晶，陈建坤，郭占斌

·农业资源循环利用工程·

基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性

于佳动2，刘新鑫1,2，赵立欣3，冯 晶2，陈建坤2，郭占斌1※

（1. 黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

序批式厌氧干发酵是规模化处理农业农村废弃物生产清洁能源的重要技术，存在物料分解速率低、运行能耗高、传质传热不均匀等突出问题，制约甲烷产率的提高。该研究通过调节发酵初期反应器溶氧浓度，建立微好氧同步预升温高效序批式厌氧干发酵体系，进一步研究微好氧状态下物料自升温、分解、中间产物性质，以及关键微生物群落对促进物料升温及甲烷生产的作用机制。结果表明：微好氧环境使物料升温速率提高27.12%，产甲烷过程不依靠外源加热温度仍可保持在42.48 ℃以上。发酵初始阶段的少量曝气使厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升（<0.05），特别是丙酸积累含量下降了82.63%，累积沼气和甲烷产量分别提高了56.76%和41.79%。细菌、和古菌、有利于促进微好氧同步预升温和甲烷生产效率提升，并与降解率和有机酸浓度具有显著的相关性。该研究可为探索序批式厌氧干发酵实际工程高效调控工艺提供理论基础。

发酵；温度；农业废弃物；微好氧

0 引 言

厌氧干发酵技术正逐渐成为处理有机固体废弃物实现清洁能源生产的重要选择[1]，含固率可达到25%～40%，与当前沼气工程普遍使用的湿法厌氧发酵技术相比具有物料处理量大、容积产气率高、沼液产生量少等优点。国外新建沼气工程60%以上选择厌氧干发酵技术，已形成产业化发展，使用的物料主要为易降解酸化的餐厨垃圾、城市污泥等[1]。中国农业废弃物木质纤维素含量（40%～80%）较高，难降解，直接使用国外技术工艺导致产气效率不足国外的50%[2]，而且，由于高含固率物料传质传热困难，运行能耗较高[3]，大多工程不能连续稳定运行，极大限制了该技术在中国的推广应用。所以，在提高产气效率的同时，寻找降低能耗，或不依靠外部能耗投入可直接实现物料原位预升温是解决上述问题的关键所在。

近年来，给沼气工程增温的主要技术主要有电热膜、太阳能、生物质锅炉加热等技术为主，或通过自耗气的形式利用沼气锅炉可实现30%～40%的能耗节约[2]。然而，上述增温方式均需要消耗外部能耗，甲烷产率得不到实质性提升，不利于规模化工程的长期高效运行[4]。另外，序批式厌氧干发酵自身传热效率差，即使采用外源加热的方式，物料不同区域的温度也很难上升均匀，在东北寒冷地区甚至出现“冷芯”运行的情况，严重影响产甲烷效率[3]。一些研究也证明了序批式厌氧干发酵反应器依靠外部能源增温，当距离加热盘管近的物料区域升高到目标温度，距离加热盘管远端的物料区域温度平均低4～12 ℃，升温时间滞后约5～7 d[3-4]。

通过向物料曝气的方式可显著提升物料温度，许多好氧堆肥的研究表明，向堆体中通入适量的氧气，堆肥到达高温期时间可缩短3 d以上。并且，堆体各点热量分布均匀[5]。近年来，向厌氧发酵反应器适当曝气来提高物料分解效率和甲烷产率的研究明显增加，调节合适的溶氧浓度加速木质纤维素物料的分解，为产甲烷菌群提供合适的中间产物，改善产甲烷效率。Zhou等[6]研究了不同温度和曝气时间下预曝气对稻草等难降解木质纤维素结构的生物降解作用，物料分解率为16.2%、17.7%和11.1%。Khanal等[7-8]研究了微曝气可以清除硫化氢、促进水解和保持低VFAs浓度，从而提高厌氧发酵系统的整体稳定性。然而，上述研究并未关注到通过调节曝气量提高反应器增温，以及对厌氧干发酵特性方面的影响，特别是针对难降解秸秆、牛粪等农业废弃物，通过曝气建立微好氧发酵环境使更多的物料分解并均匀升温，有利于序批式厌氧干发酵体系的高效运行，其协同作用机制仍需进一步探明。

本文以玉米秸秆-牛粪为混合原料，通过适量曝气建立微好氧发酵环境使干发酵系统实现微好氧同步预升温效果。当温度到达中温厌氧发酵目标温度后，停止曝气，转为厌氧环境进行甲烷生产。对上述过程系统研究了微好氧预升温及厌氧干发酵分解、中间产物累积及产甲烷特性，探明了关键微生物群落性质，揭示了厌氧干发酵过程物质转化与微生物群落动态演替过程的协同关系，为该技术的进一步高效应用提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验所用原料为玉米秸秆和牛粪，玉米秸秆取自河北省张家口市崇礼县某农场，取回后，粉碎成粒径3～5 cm，试验室通风处保存，混料前，测定秸秆TS（Total Solids）为89.58%。牛粪取自河北省廊坊市三河市某使用干清粪收集工艺的规模化奶牛养殖场，牛粪取回后放置在常温下（25 ℃）试验室保存，取用前，测定牛粪TS为24.29%，挥发性固体含量（Volatile Solid Content，VS）为16.58%。接种物来自本试验室其他序批式厌氧干发酵装置试验结束产出的沼渣，并进一步厌氧培养至不产气作为本次试验接种物，测定其TS为18.90%，VS为13.21%。

1.2 试验设备

序批式厌氧干发酵反应器为车库式反应器（如图1），长方体结构，体积为200 L，物料填装在孔径为5 mm的渗滤网上，在反应器上方设有双排喷淋管，在喷淋管上设有直径为0.5 mm的小孔；在反应器内两侧布有保温水夹层，保温材料选用聚氨酯发泡，厚度约10 cm，保温性能良好；在反应器上方设有温度感应器；在反应器底部设有渗滤液收集罐，收集的沼液通过回流管道由蠕动泵定时定量控制喷淋；反应器的筛网盘下方有微孔曝气管路；产生的沼气通过湿式流量计进行计数，然后用气袋进行收集。

图1 序批式厌氧干发酵反应器

1.3 试验设计

试验设计对比微好氧同步预升温厌氧干发酵体系与厌氧干发酵体系发酵性质的差异，从而揭示微好氧同步预升温厌氧干发酵机制。在预试验基础上，试验以玉米秸秆、牛粪为混合原料（秸秆∶牛粪=6∶4），设计2组试验，一组为微曝气组，预升温阶段曝气频率为4次/d，通过曝气调节建立微好氧环境，溶氧量控制在0.5～2 mg/L之间。当物料自升温温度达到38 ℃以上停止曝气，温度下降超过1 ℃时重启曝气，在不影响甲烷含量条件下继续维持微曝气预升温；对照组为非曝气组，发酵全过程为密闭厌氧发酵状态。2组反应器在预升温发酵初始阶段的喷淋频率均为6次/d，在厌氧发酵阶段喷淋频率调整为4次/d，单次喷淋量与物料干物质比均为0.4。实时测定微好氧预升温阶段的反应器内温度，当曝气组反应器温度达到42 ℃时停止曝气进行厌氧发酵。微曝气组和非曝气组反应器均无外源加热。

试验过程中，每天相同时段记录试验室环境湿度和反应器内温度，监测甲烷含量、沼气产量，取渗滤液样品检测pH和氧化还原电位（Oxidation-reduction Potential, ORP）。渗滤液每隔3 d保存1次，并检测可溶性物质（Soluble Chemical Oxygen Demand, sCOD）、有机酸、氨氮（NH4+-N）含量等指标；在进料后、曝气结束阶段和厌氧发酵结束阶段分别取固体物料进行干物质、挥发性物质以及纤维素、半纤维素、木质素含量测定。取对应固体、液体样品测试微生物群落多样性。

1.4 指标测试方法

原料及分解过程物料TS和VS根据美国APHA方法测定[9]，使用水银温度计记录环境温度，用温度传感器记录反应器内物料温度，温度传感器位置位于物料中心处。使用LMP-1型湿式防腐气体气体流量计（阿尔法仪器公司，长春）记录沼气产量（L），并用沼气成分测定仪（Biogas check，Geotech，英国）测定甲烷含量（CH4%），累积产气量的计算参照文献[10]；微曝气通过气泵自带流量计监测流量，在计算产气量时，微曝气量不计入沼气产量。使用便携式pH计（SX-610，上海三信，中国）和氧化还原电位计（SX-630，上海三信，中国）监测发酵过程的pH值和ORP的变化；纤维素、半纤维素和木质素相对含量（%）采用范式洗涤法[11]测定；采用气相色谱仪（Agilent 7820A）分析发酵周期结束时反应器内物料乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸共6种有机酸组分，测试前样品需12 000 r/min 离心30 min，取上清液过0.25m滤膜，过滤后的液体与甲酸1:1混合后上机测试，测定程序及方法参照文献[12]；采用5B-2C型COD快速测定仪（哈希，美国）测定sCOD，方法参照GB1194-89《COD测定重铬酸钾法》[13]；氨氮浓度测定使用水杨酸紫外分光光度计法测定[7]；采用Miseq高通量测序技术，对发酵周期内物料细菌、古菌特征进行高通量测序分析[14]。使用Microsoft Excel 2019、Origin 2018和Adobe Illustrator Artwork 23.0等进行基础数据处理与图形绘制。

2 试验结果与分析

2.1 产气特性

微好氧预升温对序批式厌氧干发酵产气特性的影响如图2所示，其中，图2a为沼气产量的变化，微曝气2 d后，累积沼气产量从第7天开始差距逐渐增大，发酵60 d，沼气产量一直呈现上升趋势，微曝气组累积沼气产量比非曝气的提高了56.76%。甲烷含量如图2b所示，由于反应器前期进行微曝气，反应器内还存有一部分空气，因此，微曝气组甲烷含量在11 d内低于非曝气组，第6天，微曝气甲烷体积分数迅速升高到40%以上，2组反应器甲烷含量稳定在55.53%和54.23%，第45天后，甲烷含量开始逐渐下降。Rocamora等[15]研究表明，序批式厌氧干发酵发酵甲烷含量呈现由高到低的趋势，当体系内可溶性物质消耗殆尽，产甲烷菌得不到有效物料，即停止产气，可能是甲烷含量快速下降的原因。累积甲烷产量如图2c所示，微曝气7 d后，微曝气组甲烷产量迅速增加，甲烷产量平均提高41.79%，在第5到第15天为产甲烷快速期，整体上累积甲烷含量曝气组是非曝气组的1.5倍，并逐渐下降。实际工程中，微曝气序批式厌氧干发酵周期不超过20 d，有利于甲烷产量的迅速累积。进一步计算发酵前20 d微曝气反应器的容积产沼气率为1.1 m3/(m3·d)，与国内报道的序批式厌氧干发酵平均容积产气率相比增加了约37.5%，与国外使用易降解原料以及使用湿法厌氧发酵技术的反应器平均容积产气率2～4 m3/(m3·d)尚存在一定差距[2]，仍需进一步围绕提升难降解底物干发酵过程物质转化效率和传质传热水平进行深入研究，并进一步对影响微好氧同步预升温产气效率的关键因素进行优化。Capela等[16]指出，适当增加曝气量有利于增加物料中兼性厌氧发酵细菌的水解活性，在保持产甲烷菌活性的前提下，不仅能促进物料分解速率，还有利于甲烷产量的提升。

图2 序批式厌氧干发酵产气特性

2.2 温度变化特性

适宜的发酵温度可以促进微生物的转化活性。图3为序批式厌氧干发酵系统温度变化特性。

图3 序批式厌氧干发酵温度的变化

微好氧预升温第2天即达到42.28 ℃，而非曝气组温度虽有上升，但仅有32.97 ℃。厌氧发酵阶段，微曝气组平均温度为42.47 ℃，温度并未因进入厌氧状态而下降，在产甲烷过程不依靠外源加热温度仍可保持在42.48 ℃以上，微好氧环境使物料升温速率提高27.12%，除反应器具有良好的保温性能外，发酵罐内的氧气消耗过程也可提供热量[3]，而非曝气组平均温度为35.01 ℃，比非曝气反应器平均温度高21.29%。López等[17]证明，向反应器曝气可增加厌氧发酵系统水解酸化细菌生产水解酶的能力，有利于纤维素、半纤维素等大分子物质的降解和热量产出。李苹等[18]通过向密闭式VTD100堆肥反应器大量曝气，堆体内部在缺氧状态下温度迅速升高到60 ℃以上。本研究中，微曝气可在2 d内迅速达到厌氧干发酵所需要的中温厌氧发酵温度，升温过程物料分解的特性仍需进一步评价。

2.3 物料及其木质纤维素成分降解率

有氧条件下，微生物依靠有氧呼吸进行产热与底物分解，发酵过程物料分解特性如表1所示，微曝气后，物料TS、VS降解率达到35.38%和54.61%，而非曝气组仅有17.61%和39.14%，微曝气显著提升了物料干物质降解率，也有利于挥发性成分的降解转化。

表1 玉米秸秆与牛粪混合物中各组分含量的变化

注：A为微曝气反应器，B为非曝气反应器；1为进料阶段，2为曝气结束阶段，3为厌氧发酵结束阶段，下同。

Note: A is micro aeration reactor, B is non aerated reactor; 1is feeding stage, 2 is end of aeration stage, 3 is end stage of anaerobic fermentation，the same below.

厌氧干发酵结束后，物料TS、VS降解率仍然比非曝气组高1.5倍。进一步探究物料木质纤维素组分分解特性显示，微曝气组纤维素、半纤维素和木质素降解率分别比非曝气组提高61.39%、28.35%、77.72%，微好氧同步预升温过程提高木质纤维素降解57.88%～85.53%。纤维素水解是影响厌氧发酵产甲烷效率的限速步骤，甲烷产量受到木质纤维素成分的制约，与木质纤维素降解率具有显著相关性[19]。在本文中（第2.1节），微曝气阶段产气率在发酵前期（第7天）迅速增加，累积甲烷产量也在第5～15天达到上升高峰，木质纤维素成分在产气高峰期内分解率迅速提高，为可溶性物质的生成提供潜能。

2.4 COD、有机酸、氨氮的变化

可溶性物质含量（sCOD）变化如图4a所示，经过微曝气阶段，sCOD浓度比非曝气组提高74.67%，厌氧干发酵阶段平均维持在1 722.98 mg/L，微曝气显著增加可溶性物质的积累（<0.05），使更多的水解产物被产酸细菌转化为有机酸（乙酸）成为可能[20]。

图4b为厌氧干发酵体系有机酸浓度和pH值的变化，微曝气结束时总有机酸累积含量由392.51 mg/L上升到465.73 mg/L，微曝气增加了有机酸的积累。厌氧干发酵阶段有机酸积累含量为丙酸>乙酸>戊酸>丁酸，丙酸浓度平均占总有机酸浓度的53.99%。乙酸和丁酸累积含量较少，其快速转化有利于甲烷产量的迅速增加，而丙酸的累积易导致厌氧干发酵体系氢分压的增加，降低丙酸转化效率[21-22]。发酵初始阶段的少量曝气使厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升（<0.05），特别是丙酸积累含量下降了82.63%。厌氧干发酵阶段，微曝气组丙酸浓度由285 mg/L在第33天消耗殆尽，体系pH值始终保持在6.8～7.5（图4b），微曝气加速有机酸的生成与转化是该体系甲烷产量（第3.1节）升高的原因之一。

适宜的氨氮含量可为厌氧干发酵体系提供缓冲并给微生物增殖提供可溶性氮源[23]，其浓度的变化如图4c所示，曝气结束后，微曝气组与非曝气组氨氮浓度分别为124.56和218.02 mg/L，厌氧干发酵阶段，平均为296.15和383.22 mg/L，非曝气组氨氮浓度比微曝气组提高31.95%，微曝气增加了氨氮的转化效率，与此同时，氧化还原电位（ORP）始终保持在−370到−270 mV范围内（图4d），也为产甲烷菌的生长提供适宜的电位环境[24]。

2.5 微生物群落特性

细菌群落多样性如图5所示，优势细菌为、、、和，占总细菌群落的70%～80%。微曝气结束时，丰度显著升高。张蕾等[25]报到，木质纤维素原料厌氧干发酵体系丰度的增加有利于提高物料水解效率、加速有机酸的转化，使pH保持中性，促进甲烷生产。本研究有机酸含量的变化规律也表明（第2.4节），微曝气加速了有机酸生成与转化，而非曝气组有机酸浓度有积累的现象。当厌氧干发酵结束，微曝气组丰度是非曝气组的1.9倍，同时，含量下降。之前的研究对高含固率条件下农业废弃物水解酸化及厌氧发酵过程细菌群落研究也发现，、丰度提高有利于促进体系有机酸的生产并激素乙酸化，为产甲烷菌提供更多的物料[26]。本研究第2.1节研究表明，微曝气组厌氧干发酵阶段甲烷产量平均比非曝气组提了41.79%，和丰度的提高对产甲烷效率的保持起到积极作用。

图5 目水平细菌多样性分析

不同干发酵体系古菌群落特性如图6所示，优势古菌为，微曝气导致丰度迅速增加，与非曝气组相比提高了89.56%。厌氧干发酵结束后，微曝气使重新占据主导优势，而非曝气组的丰度显著提升（＜0.01）。Cuzin等[27-29]研究表明，厌氧干发酵体系原料含固率较高，水解酸化阶段形成较高浓度的中间代谢产物，以嗜乙酸代谢为主的产甲烷菌丰度的增加有利于发酵体系中间产物的转化，是厌氧干发酵过程的优势古菌。本研究中，微曝气组提高了有机酸转化及产甲烷效率，增加了嗜乙酸产甲烷菌的丰度，而非曝气组厌氧干发酵阶段古菌群落的构成可能导致中间产物转化效率的下降。

图6属水平古菌多样性分析

2.6 微生物群落的空间分布及其与环境参数的关系

图7a、7b为微曝气和非曝气处理的细菌、古菌群落非度量多维标度（NMDS）分析图，Stress为0.002 9和0.002，证明NMDS图中各物料点间距能够较好地反映微生物群落的差异。两点间距离越大证明物料间差异越显著。微好氧曝气预升温厌氧干发酵过程，细菌、古菌群落均发生了极显著的改变（＜0.01），在不同环境因子的作用下促进了升温速率及物料分解转化能力，提高了甲烷产量，形成了有利于甲烷生产的厌氧干发酵菌群，与环境因子的相互作用关系仍需要进一步评价。

图7 细菌和古菌整体分布格局

图7c为环境因子与微生物群落相互作用关系分析图。可以看出，微曝气阶段温度的迅速升高有利于厌氧干发酵甲烷产量的提升。与此同时，物料降解率的提高促进了有机酸的转化效率，从而与甲烷产量呈现显著正相关性（<0.05）。以及嗜乙酸型、可显著促进物料降解与甲烷生产，特别是微曝气导致与体系温度、甲烷产量呈极显著正相关性（<0.01），通过微生物群落的优化，加速了物质转化效率和甲烷产量。

3 结 论

1）微好氧同步预升温对序批式厌氧干发酵甲烷产量影响显著，微好氧曝气的累积产甲烷量是非曝气的1.5倍，甲烷产量平均提高41.79%，累积产气量提高了56.76%。在微好氧曝气条件下，累积产气量为4 793.92 L。

2）微好氧同步预升温加快了反应器内物料的升温速率，微曝气组平均温度为42.47 ℃，非曝气组平均温度为35.01 ℃，比非曝气反应器平均温度高21.29%，加快厌氧发酵的水解过程。

3）微好氧同步预升温过程提高木质纤维素降解率57.88%～85.53%，并加快了有机酸和氨氮的转化效率，丙酸转化率提高了82.63%。

4）受到微好氧同步预升温影响，、丰度显著提高，并与、、具有协同作用，促进甲烷生产。

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Characteristics of sequencing batch dry anaerobic fermentation with microaerobic preheating

Yu Jiadong2, Liu Xinxin1,2, Zhao Lixin3, Feng Jing2, Chen Jiankun2, Guo Zhanbin1※

(1.163319,; 2.,,,100125,; 3100081,)

China is a big agricultural country, which produces a lot of agricultural waste every year. With the improvement of China’s agricultural productivity, agricultural wastes such as straw and livestock manure are relatively concentrated, which creates appropriate conditions for the application of sequencing batch dry anaerobic digestion (SBD-AD) technology to produce methane. Sequential batch anaerobic dry fermentation is an important technology for large-scale processing of agricultural and rural wastes to produce clean energy. It has such outstanding problems as low decomposition rate of materials, high operating energy consumption, and uneven mass and heat transfer, which limit the increase in methane yield.In this study, by adjusting the dissolved oxygen concentration in the initial reactor of the fermentation, a microaerobic simultaneous pre-heating and efficient sequential batch anaerobic dry fermentation system was established to further study the self-heating, decomposition, intermediate product properties and key microbial communities. The mechanism of promoting material heating and methane production.The results show that the micro-aerobic speeds up the heating rate of the materials in the reactor, which is 27.12% higher than the un-aerated temperature; the temperature of methanogenesis can be maintained above 42.48 ℃ without relying on external heating. A small amount of aeration in the initial stage of fermentation significantly improved the conversion efficiency of intermediate products in the anaerobic fermentation process (<0.05). The lignocellulose degradation rate was increased by 57.88% -85.53% compared with the non-aerated group; the sCOD concentration was increased by 74.67% compared with the non-aerated group. The concentration of ammonia nitrogen in the non-aeration group is increased by 31.95% compared with the micro-aeration group, and micro-aeration increases the conversion efficiency of ammonia nitrogen; in particular, the accumulation of propionic acid decreased by 82.63%. The concentration was consumed by 285 mg/L on the 33rd day, and the system pH value was always maintained at 6.8-7.5. After 7 days of micro-aeration, the cumulative biogas production gap gradually increased, and the methane output of the micro-aeration group increased rapidly. On the 5th to 15th days, it was a rapid period of methane production. Overall, the cumulative methane content in the aeration group was 1.5 tines of the non-aeration group after 60 days of fermentation, the cumulative biogas and methane production increased by 56.76% and 41.79%, respectively. Bacteria,and archaeaare conducive to promoting microaerobic simultaneous pre-heating and methane production efficiency, and have a significant correlation with degradation rate and organic acid concentration. This study provides a theoretical basis for exploring the efficient engineering control process of the sequential batch anaerobic dry fermentation.

formentation; temperature; agricultural waste; microaerobic

于佳动，刘新鑫，赵立欣，等. 基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：213-219.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026 http://www.tcsae.org

Yu Jiadong, Liu Xinxin, Zhao Lixin, et al. Characteristics of sequencing batch dry anaerobic fermentation with microaerobic preheating[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 213-219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026 http://www.tcsae.org

2020-03-03

2020-04-30

现代农业产业技术体系专项资金资助（CARS-02）；农业农村部规划设计研究院自主研发项目（ZZYFCGPY201901）

于佳动，博士，工程师，主要从事农业废弃物厌氧干发酵技术装备研究。Email：yujiadong010@163.com

郭占斌，博士，教授，主要从事农业机械设计研究。Email：329984136@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.026

X712

A

1002-6819(2020)-10-0213-07