添加蛭石对奶牛粪厌氧干发酵的影响

曾 静， 尹 芳， 张无敌， 吴 凯， 王昌梅， 柳 静， 赵兴玲， 杨 红

(云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明 650500)

随着我国居民对奶制品需求的增加，奶牛存栏量也在随之增加。至2019年，我国奶牛存栏量为742万头，相应奶牛排粪量约20万t。可见，每年奶牛排粪量巨大，对其进行减量化、资源化、无害化处理显得尤为必要。厌氧消化工艺因其可以对粪便进行资源化利用，并产生沼气等可再生能源的特点被广泛应用。

厌氧消化分为厌氧湿发酵还有厌氧干发酵两种，厌氧湿发酵是指总发酵浓度在10%以下的发酵方式，而厌氧干发酵一般是指发酵浓度高于20%的一种高浓度的厌氧消化方式[1]。 与湿发酵相比，厌氧干发酵具有耗水量小，沼液沼渣量少且营养物浓度高等多重优点[2]，但同时厌氧干发酵在启动和运行时也会遇到一些难题，比如因发酵浓度过高使得VFAs积累导致系统酸化，或发酵启动慢，产气不稳定等[3]。

为了避免酸积累在厌氧干发酵处理固体废弃物过程中的影响，外源添加剂近几年被广泛应用于厌氧干发酵进行研究，探讨添加剂对发酵过程中酸积累的影响。李丹妮[4]等探究3种添加剂对猪粪厌氧干发酵的影响，实验结果发现添加生物炭和蛭石的发酵体系中总挥发性有机酸(TVFAs)在第25天以后快速下降，随着添加量增加，降低幅度也越大；海泡石作用并不明显，然而相比不添加组，添加生物炭使得厌氧发酵迟滞期缩短30%～83%；在10%的添加比例下，蛭石、海泡石和生物炭分别使得挥发性固体含量(VS)产气率提高了98.97%，76.78%和93.06%；在20%的添加比例下，最大VS产甲烷速率分别为3.62 mL·g-1，2.87 mL·g-1和3.15 mL·g-1；3种添加剂均缓解了猪粪干发酵的酸化过程，提高了产甲烷率，但其中添加蛭石效果更佳。宋香育[5]等研究发现在猪粪干发酵中添加蛭石可以使得发酵启动时间缩短，在发酵产气高峰期时降低了厌氧干发酵中的VFAs积累，提高了产气率，累计VS产甲烷量也比猪粪单独发酵提高了23.9%。可见，蛭石作为一种吸附性较强、有良好的阳离子交换性等的一种添加剂能使发酵快速启动，并抑制VFAs的积累从而提高产甲烷率，有很好的应用前景。因此，本实验以奶牛粪为原料，通过添加蛭石探究其对厌氧干发酵中酸积累及产气效率的影响，为处理奶牛粪的实际沼气工程提供理论参考价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料和接种物

奶牛粪取自云南省昆明市石林县新希望雪兰牧业有限公司，在开始发酵前先将牛粪进行自然风干处理，风干至所需含固量，据相关实验和文献报道，风干后的奶牛粪不会对物质造成显著性影响[6]。接种物由本实验室长期驯化的活性污泥为底物，并定量加入部分新鲜奶牛粪在37℃±1℃水浴条件下长时间恒温驯化而得。奶牛粪以及接种物的基本物理性质见表1。

表1 原料特性 (%)

1.1.2 添加剂

本实验所用添加剂为蛭石，蛭石是片状结构的含铁、镁、水铝硅酸盐类矿物,具体矿物成分见表2。该蛭石于昆明斗南花卉市场某园艺店内购买，规格为2～4 mm，如图1所示。通过对蛭石的SEM电镜扫描(见图2～图4)，可以看到蛭石在放大5000倍的条件下呈现杂乱的雪花片状结构，若放大到2万倍条件下能看到蛭石成层板状结构，内部有细小的间隔层。

表2 蛭石组分表 (%)

图1 蛭石原图

图2 蛭石电镜扫描(SEM)×5000

图3 蛭石电镜扫描(SEM)×5000

图4 蛭石电镜扫描(SEM)×20000

1.2 实验装置

实验采用序批式实验装置，主要由发酵瓶、集气瓶、计量瓶、1套温控设备和1套PVC软管组成。在发酵瓶顶部设有取样口和集气瓶口设有取气口。实验装置如图5所示。

图5 实验装置示意图

1.3 实验方法

1.3.1 实验设计

查阅相关实验报道可知，奶牛粪干发酵的最适宜总固体含量(TS)浓度为22%[7]。因此，本实验在37℃±1℃下恒温进行，发酵瓶发酵总体积均为200 mL，实验组发酵总TS为22%，共设置3个实验组、1个对照组和1个空白组，每组设置3个平行。3个实验组分别为2%实验组、5%实验组和8%实验组，2%实验组中蛭石添加量为发酵总TS体积的2%；5%实验组中蛭石添加量为发酵总TS体积的5%；8%实验组中蛭石添加量为发酵总TS体积的8%。对照组只添加奶牛粪和接种物，空白组只添加接种物。具体设计见表3。

表3 37℃±1℃温度时不同发酵浓度实验设计配比

1.3.2 实验测定指标与方法

通过每天测量排水量记录每个处理的沼气产量[8]；采用火焰颜色比色卡法[9]并结合福立GC9790II型气相色谱仪测定各处理组的甲烷浓度和挥发性脂肪酸含量[10]；pH值、总固体含量(TS)和挥发性固体含量(VS)是根据我们实验室以往所采用的方法测定的[11]；总凯氏氮(TKN)采用凯氏定氮法[12]进行测定；总磷(TP)采用钼蓝法进行测定[13]。有机质采用重铬酸钾容量法(GB9834-88)进行测定；电镜扫描(SEM)使用冷场发射扫描电子显微镜，5 kV加速电压，工作距离6.6 mm。

1.4 数据统计学分析

使用Excel 2016软件对实验数据进行整理，绘图使用Origin 2017软件。使用SPSS 16.0软件，采用单因素方差分析评估各处理间参数的差异，并且通过至少3个平行的实验数据计算平均值和标准偏差。

2 结果与分析

2.1 不同添加量对厌氧干发酵甲烷含量的影响

所有实验组和对照组实验结果均已扣除空白组，下文同理。发酵实验共进行了64 d，整理实验数据后并绘制得到甲烷含量变化见图6。从图中可以看出，在不同蛭石添加量的实验过程中，实验快速启动，发酵前4 d内各组甲烷含量迅速上升，甲烷含量达到40%以上。期间各实验组甲烷含量上升速率接近，0%组(对照组)略微突出，其原因可能是蛭石对厌氧干发酵前期的酸化过程产生抑制作用，导致发酵体系酸化速度减缓，产生的挥发性有机酸(VFA)未能及时被产甲烷菌利用。发酵至第10天以后，8%组的甲烷含量明显高于其他几组，甲烷含量最高达到65%，其余几组的甲烷含量则保持在55%～60%浮动，此时各组的产甲烷菌均处于活跃状态。当发酵进行至第25天～30天时，8%组甲烷含量出现下降趋势，甲烷含量最低下降至55%，随后又恢复。之后的30 d甲烷含量基本保持平稳，直至发酵实验结束。

图6 发酵过程中甲烷含量变化

2.2 不同添加量对厌氧干发酵日产沼气量及甲烷量的影响

从图7日产沼气量及图8日产甲烷量随时间的变化中可以看出，在蛭石不同添加量的实验过程中，由于各组甲烷含量(见图6)相近，所以日产沼气量变化曲线与日产甲烷量变化曲线规律也相接近。发酵前期各组日产甲烷量皆迅速上升，至第10天各组日产甲烷量均达到峰值，随后产甲烷量开始有所下降。其中，在产气高峰期时段，添加了蛭石的实验组日产甲烷量都明显高于对照组(在第12天时产甲烷最高组与最低组相差了100 mL)，说明蛭石能明显的促进发酵产气。从图8可以看出，2%组和5%组的日产甲烷量均高于另外2个组，故可以大致确定出蛭石最佳添加量为2%～5%。

图7 日产沼气量随时间的变化

图8 日产甲烷量随时间的变化

2.3 不同添加量对厌氧干发酵累计产甲烷量的影响

从图9累计产甲烷量中可以看出，蛭石不同添加量的实验过程中累计产甲烷曲线变化符合厌氧发酵规律，发酵前5 d处于发酵滞留期，还未开始大量产甲烷。从第7天开始，各组进入产甲烷阶段开始快速产甲烷，但发酵初期各组累计产甲烷量差异并不大。第20天以后可以看出，2%组和5%组曲线明显高于其余两组，说明2%组和5%组产甲烷效果更好；至第30天以后可以看出，5%组累积产甲烷量曲线高于2%实验组，说明当蛭石添加量为5%时，实验产甲烷效果最佳。以最佳产甲烷组别5%组来判定，在实际工程上可将HRT定为第34天。从最终累计产甲烷量可以看出，5%组累计产甲烷(7125 mL)大于2%组(6685 mL)大于8%组(6297 mL)大于0%组(5887 mL)。计算后可得，基于发酵总TS的基础上添加5%，2%，8%的蛭石，分别提高了奶牛粪厌氧干发酵21.03%，13.54%，6.95%的产甲烷量。

图9 累计产甲烷量随时间的变化

通过计算得到各组的TS和VS产甲烷量、平均甲烷含量如表4。可以看出，5%组VS产甲烷量最高，达到270 mL·g-1VS；而平均甲烷含量最高的组别为8%组，达到58.71%。综合考虑，在奶牛粪的厌氧干发酵实验中，外源添加剂蛭石最适宜的添加量应该保证在5%左右。

表4 不同蛭石添加量对厌氧干发酵产甲烷量的对比

2.4 不同添加量对发酵过程中有机酸变化的影响

从图10可以看出，在发酵前期0%组的TVFAs快速上升。并结合日产甲烷量图8发现，0%组的产甲烷高峰和TVFAs峰值都出现在第20天，此时TVFAs达到12.70 mg·g-1，略微抑制了产甲烷菌的作用，从而使得0%组产甲烷量低于其他几组，不过并没有因为酸积累严重而使得发酵失败。后期随着反应的进行，生成的VFA被产甲烷菌利用，TVFAs浓度呈现下降趋势。在2%组，5%组和8%组中，TVFAs峰值出现略晚但均低于0%组峰值，并且在35 d以前，各实验组有机酸含量明显低于0%组，可以发现蛭石在厌氧干发酵前期能明显抑制VFAs的生成，从而减轻酸化过程。而在发酵后期(第40天左右)可以看出添加蛭石的组别TVFAs高于0%组，此时抑制酸积累的效果便没有很明显。结合图10TVFAs变化曲线和图11乙酸变化曲线发现，乙酸的变化趋势与TVFAs变化趋势基本一致，且乙酸在有机酸中占主要地位。

图10 发酵过程中TVFAs变化

图11 发酵过程中乙酸变化

3 讨论

本文在奶牛粪厌氧干发酵实验的基础上添加了蛭石进行发酵实验，发现发酵初期添加蛭石的实验组抑制了反应的TVFAs积累，减轻了酸化程度，从而导致有相对较高的有机酸含量的0%组在发酵高峰期的日产甲烷量低于实验组。初步分析蛭石在发酵前期能减轻酸化作用的原因可能是因为蛭石属于硅酸盐，在水中时pH值为6～9，微偏碱性[14]，实验刚开始加入蛭石后系统内pH值保持微碱性，能延缓发酵体系pH值在产酸阶段快速下降至酸性，降低了产酸菌的活跃性，减少大量VFAs的生成，从而避免酸积累现象。并且蛭石是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成的具有限域结构的天然层状矿物材料。由于其硅氧四面体的四价硅被三价铝代替, 所以其层板带负电荷，在带负电的表面上通过正负电的吸引来进行吸附[15-16]；结合图1～图4发现，实验所用蛭石呈层板状，相关研究表明蛭石表面的多孔和层板边缘的棱角是其具有吸附作用的原因之一[17]。因此，认为蛭石的吸附作用也对酸抑制产生了一定的影响。

添加蛭石在缓解酸化的同时也可以提升了干发酵的产甲烷效果，提前并提高发酵高峰，5%组VS产甲烷量最高，达到218 mL·g-1。而平均甲烷含量最高的组别为8%组，达到58.71%，但累计产甲烷量略低，所以外源添加剂蛭石最适宜的添加量应该保证在5%左右。但是由于实验的局限性，最适宜添加量为实验室批量装置实验所获得，沼气工程上是否与其具有一致性需待进一步验证，并且仍然需要进一步对添加蛭石具体抑制VFAs的作用机理进行研究。

4 结论

在奶牛粪厌氧干发酵实验，添加蛭石在发酵前期能抑制VFAs的生成，减轻了酸化作用。同时，添加蛭石可以提升奶牛粪厌氧干发酵的产甲烷效果，提前并提高发酵高峰。而对于奶牛粪厌氧干发酵实验的外源添加剂蛭石最佳的添加量在5%左右，其VS产甲烷量最高，达到218 mL·g-1。