石墨强化牛粪高浓度厌氧发酵产气性能研究

李 旭， 王馨芝， 杨 玲， 习彦花， 梁文华， 程辉彩*， 边红杰

(1.河北科技大学 食品与生物学院， 河北 石家庄 050018； 2.河北省科学院生物研究所， 河北 石家庄 050081)

养殖业的快速发展，使得畜禽粪便的产量逐步增加。大量的畜禽粪污不经处理直接排放，会对养殖场周围的水体、土壤和大气环境造成严重的污染，对水资源、农村生态环境和人畜健康造成极大的威胁[1]。厌氧发酵是一种微生物在无氧条件下，降解有机物并产生清洁能源沼气的技术[2]，可以减少化石燃料的使用[3]，广泛应用于畜禽粪便的处理。高浓度厌氧发酵系统的固体浓度(TS浓度)一般大于10%[4]，在大幅提高反应器进料及运行负荷的同时有效提升整体发酵效率，但也存在着水解酸化过度、传热传质不均等缺点[5]。研究发现碳基功能材料可能会对厌氧消化系统及微生物代谢活动产生影响，主要表现在减少有机酸的积累、增加发酵体系缓冲能力及吸附发酵体系中有毒有害的物质[6]。

石墨作为碳基材料的一种，具有较高的比表面积以及优异的导电性能，这些特性可以促进微生物间的直接电子传递以提高甲烷产量[7-8]，并且石墨利用自身的大孔径的特性吸附抑制底物，从而维持微生物正常的生理活动[9]。石墨会减弱微生物的相对疏水性，提高微生物表面自由能，有利于微生物团聚体的形成[10]，从而提高厌氧发酵的效率。因此，本文以牛粪为发酵原料，通过添加不同浓度及粒径的石墨，结合厌氧发酵反应过程中的各项指标，探究石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气性能的影响，并通过动力学分析对其机理进行进一步分析和阐述，为提高厌氧消化效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

牛粪取自河北石家庄市某奶牛养殖场，种子液取自石家庄市某污水处理厂的污泥，经过牛粪驯化至不产气后作为接种物，原料与接种物的理化性质见表1。

表1 原料与接种物的理化性质 (%)

1.2 实验设计

序批式厌氧发酵实验在总体积为1000 mL的厌氧瓶中进行，有效发酵体积为600 mL，实验运行天数为30 d。分别设为对照组和处理组，实验设置3个平行，VS含量均为10%，接种物添加量为有效发酵体积的30%，发酵温度为36℃±1℃。实验1为不同浓度的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵的影响，石墨粒径统一固定为325目，对照组不添加石墨，处理组的石墨浓度分别为0.20、0.75、1.50、3.00和5.00 g·L-1；实验2为不同粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵的影响，石墨添加浓度统一固定为0.75 g·L-1，对照组不添加石墨，处理组石墨的粒径分别为50目、100目、325目、600目和1000目。定期测定产气量与气体组分含量，实验设计具体如表2所示。

表2 实验设计

1.3 各项指标测定方法

(1)沼气产量：湿式气体流量计。

(2)沼气组分含量：Biogas 5000沼气分析仪。

(3)TS和VS：烘箱-马弗炉称重法测定。

(4)C、N、S、H元素的测定：元素分析仪(Vario MACRO cube，Germany)。

1.4 动力学模型分析

根据累积产气量曲线，本实验分别采用修正的Gompertz模型(1)和Logistic模型(2)对累积产气量进行拟合。

(1)

(2)

式中：P为t时刻的累积沼气产气量，L；Pmax为最大产沼气潜能，L；Rmax为最大产沼气速率，L·d-1；λ为迟滞期，d；t为发酵时间，d；e为常数，2.71828。

1.5 数据统计分析

数据统计采用Office Excel、Origin 2017，方差分析 (ANOVA) (SPSS IBM statistics 26.0) 用于确定处理之间的统计差异，p< 0.05，说明数据在统计学上存在显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同浓度的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气的影响

各处理厌氧发酵日产气量如图1所示，添加石墨为0.20、0.75、1.50、3.00 g·L-1的处理组日产气量在发酵前11 d均高于对照组，在发酵中后期添加石墨为0.20、0.75、1.50和3.00 g·L-1的处理组与对照组变化趋势基本一致。添加石墨为5.00 g·L-1的处理组在前中期的日产气量均低于对照组和其它处理组，据相关研究，导电碳基材料对厌氧发酵的促进效果取决于添加量，较高的添加量会通过灭活细胞的功能和限制传质来抑制产甲烷作用[11]，因此较高浓度石墨对牛粪厌氧发酵的产气效果有一定的抑制作用。添加石墨为5.00 g·L-1的处理组在产气后期的日产气量均高于对照组和其它处理组，可能是反应系统中微生物群落的优势菌群和丰度发生了变化[12]，适应了较高浓度石墨的生长环境，所以在中后期恢复了正常产气。

累积产气量如图2，添加石墨为0.20、0.75、1.50和3.00 g·L-1的累积产气量变化均高于对照组，经过计算后，VS沼气产率分别为300.35、308.34、311.11和309.72 mL·g-1，相比于对照组282.55 mL·g-1的VS沼气产率分别提高了6.30%、9.02%、10.11%和9.62%。而添加石墨为5.00 g·L-1的处理组累积产气量均低于其它处理组，VS沼气产率为287.30 mL·g-1，相比于对照组提升率仅为1.68%，差异不显著，这可能是较高浓度的石墨改变了微生物的群落结构，影响了产甲烷菌的数量。Pan[13]等研究导电碳材料对污泥干式厌氧消化的影响，其中粉状石墨以污泥VS的10%、20%和50%的用量加入脱水污泥中充分混合进行厌氧发酵，结果表明粉状石墨对累积甲烷产量增加有限，比对照组提升了1.3%至7.8%。Hamdi[14]等研究石墨对牛粪厌氧发酵的影响，添加1.5 g·L-1的石墨使沼气产量提高了18.61%，0.75 g·L-1的提升率也在10%左右，但添加浓度为5.0 g·L-1的石墨沼气产量低于对照组且无提升作用。 该研究表明在适当条件下添加导电材料对沼气产量有积极影响，本实验结果与其一致。通过SPSS 26.0分析，添加石墨为0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的处理组效果最好，对牛粪高浓度厌氧发酵产气性能有显著的提升作用，但添加石墨为0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的处理组的产气提升作用差异不显著(p>0.05)，因此综合考虑，石墨添加量为0.75 g·L-1为本实验效果最佳，提升率为9.02%。

甲烷含量变化如图3，在厌氧发酵5 d后，除了5.00 g·L-1的处理组，其它实验组甲烷含量均达到50%以上，并在第13 天之后所有实验组的甲烷含量达到最高值60%，随后缓慢下降。而添加石墨为5.00 g·L-1的处理组在发酵中后期甲烷含量均高于其它实验组，说明石墨添加量为5.00 g·L-1处理组在起始阶段并不能促进牛粪厌氧发酵，经过一段时间的驯化，中后期促进甲烷的产生，但是对整个反应体系没有显著促进作用，说明石墨在厌氧发酵过程中的添加量并不是越多越好。

2.2 不同粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气的影响

不同粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵的日产气量的影响如图4所示，可以看出，各实验组日产气量变化趋势基本一致，发酵初期日产气量逐步上升，在6～ 8 d达到峰值，随着发酵过程的逐步推进，各组的日产气量缓慢下降。

图5为累积产气量图，添加不同粒径的石墨在不同程度上提高了各处理组的累积产气量，最终计算出添加石墨粒径为50目、100目、325目、600目和1000目的处理组的VS沼气产率分别为289.9、301.8、306.7、297.9和305.6 mL·g-1，相比于对照组288.3 mL·g-1的VS沼气产率分别提高了0.58%、4.68%、6.39%、3.28%和6.02%。碳基材料的粒径大小会影响发酵细菌和产甲烷菌等功能微生物在材料表面的定殖作用[15]，因此对厌氧发酵的产气效果有一定的影响。石墨粒径越小，比表面积越大，表面化学活性较强，因而可能通过与细菌接触甚至进入菌体内部抑制细菌增殖，因此粒径越小的石墨对微生物活性具有一定的抑制作用[10]。通过SPSS 26.0分析，本实验中石墨粒径为325目和1000目的处理组对牛粪高浓度厌氧发酵的提升作用最佳且无显著差异，由于粒径越小，石墨的价格相对较昂贵，因此本实验添加石墨的最佳粒径为325目。

图6为甲烷含量变化图，在厌氧发酵启动初期，实验各组的甲烷含量迅速上升，第6 天均达到50%以上，第16 天实验各组的甲烷含量均达到60%，随着发酵过程的逐步推进，各组的甲烷含量稍有下降，但在发酵末期各组的甲烷含量仍维持在50%左右。所有实验组甲烷含量在发酵第6 天以后均在50%以上，沼气品质较好[16]。

2.3 石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气进度分析

表3为产气进度表，实验1中石墨添加浓度分别为0.20 g·L-1、0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的处理组，在发酵启动5 d时的产气进度均高于对照组；而添加石墨5.00 g·L-1的处理组在5 d时产气进度明显低于对照组，推测厌氧发酵菌群对高添加量的石墨需要一定的时间来适应[20]。在发酵中后期石墨添加浓度为0.20 g·L-1、0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的各处理组对牛粪高浓度厌氧发酵的提升作用不明显。添加石墨5.00 g·L-1的处理组对整个发酵周期的产气进度的提升均低于对照组，但随着发酵时间的推移，与对照组的差距减小。

表3中实验2添加50目、100目和325目石墨的各处理组在发酵启动5 d时产气进度高于对照组，整个发酵周期对牛粪高浓度厌氧发酵产气进度也有一定的提升作用。而添加石墨粒径为600目和1000目的实验组在发酵第5天时低于对照组，直到发酵到第15天时，600目和1000目粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气进度无明显的抑制作用，15 d以后600目和1000目的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产气进度才逐步表现出提升作用。

表3 产气进度表 (%)

2.4 石墨对牛粪高浓度厌氧发酵产甲烷动力学模型

采用修正的Gompertz模型和Logistic模型对对照组、添加石墨0.75 g·L-1和5.00 g·L-1的处理组累积产气量进行曲线拟合。图7为修正的Gompertz模型对3组实验的累积产气量的拟合曲线，图8为Logistic模型对3组实验的累积产气量的拟合曲线。修正的Gompertz模型在厌氧发酵的拟合过程中应用非常广泛，xie[17]等研究不同的添加剂对初级污泥厌氧消化的影响，采用修正的Gompertz模型对产气数据进行拟合，添加剂为石墨的拟合的相关系数在0.98以上，本实验拟合的相关系数在0.99以上，因此Gompertz模型能较好地拟合石墨对牛粪高浓度厌氧消化产气的影响。Logistic模型也是一种常见的S型函数，也能很好地拟合厌氧发酵的产沼气过程[18]。表4实验1为3组实验的拟合参数，从表4可知，3组实验的相关系数均在0.99以上，其中修正的Gompertz模型对3组实验的拟合相关系数均在0.998以上，Logistic模型对3组实验的拟合相关系数均在0.995以上，修正的Gompertz模型拟合度略高于Logistic模型，两种模型对本实验3组数据拟合参数的描述基本一致。Rmax为最大产气速率，由表4可以看出添加石墨为0.75 g·L-1的处理组的Rmax值最大，反观5.00 g·L-1的Rmax值最小，这与图7、图8中3组实验的累积产气量曲线切线的最大斜率保持一致。λ为迟滞期，一般来说，迟滞期越短产甲烷菌对环境的适应能力就越快。添加石墨为0.75 g·L-1的处理组相比于其它两组实验的迟滞期最短，适宜的添加浓度使得水解酸化菌和产甲烷菌之间进行了直接电子传递[19]，使得厌氧发酵的启动速率变快，而添加石墨为5.00 g·L-1迟滞期较长的原因可能是厌氧发酵系统中的微生物适应新环境需要一定的时间[20]。

图9为修正的Gompertz模型对对照组和石墨粒径325目的处理组累积产气量的拟合，图10为Logistic模型对对照组和石墨粒径325目的处理组累积产气量的拟合。表4实验2为对照组和石墨粒径325目的处理组拟合的参数，由表4可以看出，修正的Gompertz模型对两组实验拟合的相关系数在0.996以上，Logistic模型拟合的相关系数在0.988以上，修正的Gompertz模型拟合度要好于Logistic模型。石墨粒径325目最大产气速率Rmax值大于对照组，而迟滞期λ较对照组稍长一些。325目粒径的预测最大产沼气潜能Pmax相比于对照组提高了6.70%，这与实际提高率6.39%仅相差0.21%，修正的Gompertz模型和Logistic模型均能较好地模拟不同粒径石墨对牛粪高浓度厌氧发酵提升产沼气的过程。

表4 两种模型拟合的参数

2.5 石墨对牛粪高浓度厌氧发酵TS和VS去除率的影响

添加不同浓度和粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵TS和VS去除率的影响如图11～图12所示。图11为不同浓度的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵的TS和VS去除率。由图11可以看出添加不同浓度的各实验组的TS去除率均在30%以上，VS去除率均接近40%。VS去除率最高的为添加石墨3.00 g·L-1的处理组，相比于对照组提升了9.05%，其次为0.75 g·L-1和1.50 g·L-1的处理组，比对照组分别提升了8.22%和7.85%，这与VS产气率一致，Zhao[21]等研究发现，石墨可以刺激生物酶活性，促进反应器中复杂底物的降解。添加石墨0.20 g·L-1的处理组的去除率与对照组相比差异不显著(p>0.05)，原因可能为石墨添加浓度过低，对微生物间的直接电子传递促进作用不明显。相较于对照组，从整个发酵周期来看，添加5.00 g·L-1的石墨对TS、VS去除率的提升效果不明显。石墨为5.00 g·L-1的实验组在厌氧发酵初期，微生物对较高浓度石墨的生长环境需要一定的时间来适应[20]，中后期才恢复正常的产气，因此整个发酵周期微生物对底物的去除率提升不明显。因此，选择适宜的石墨添加浓度才会提升微生物对发酵底物的VS去除率。

图12为不同粒径的石墨对牛粪高浓度厌氧发酵TS和VS去除率，各实验组TS去除率均在30%以上，VS去除率从石墨粒径50目到325目呈上升趋势，到600目VS去除率下降。粒径325目的处理组去除率高达41.23%，显著高于其它处理，相比于对照组的37.65%提高了9.5%。

3 结论

(1)牛粪高浓度厌氧发酵过程中，添加石墨为0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的处理组效果最好，但三者提升作用差异不显著(p>0.05)，因此综合考虑，石墨的最佳添加量为0.75 g·L-1，对牛粪高浓度厌氧发酵的提升率为9.02%。

(2)石墨粒径为325目和1000目的处理组对牛粪高浓度厌氧发酵的提升作用最佳且差异不显著，由于粒径越小，石墨的价格相对较昂贵，因此添加石墨的适宜粒径为325目，对牛粪高浓度厌氧发酵的提升率为6.39%。

(3)牛粪高浓度厌氧发酵过程中，添加适量石墨可以有效提高牛粪高浓度厌氧发酵产气效率，并且石墨添加量对牛粪高浓度厌氧发酵产气的影响大于粒径影响。