底物浓度对人粪与秸秆半干式混合厌氧发酵的影响

摘要：为探究底物浓度对农村人粪与秸秆半干式厌氧发酵的影响规律，在使用沼液对玉米和小麦秸秆进行浸泡预处理后，使其分别与人粪混合开展半干式厌氧发酵研究，设置了10%、12%及14% 3种不同底物浓度，考察其对半干式厌氧发酵的影响，监测试验过程中产气量变化和沼液中pH值、NH+4-N、VFAs、CODcr等指标的变化情况，总结归纳其变化规律，并且分析产生沼渣用于农业生产的可行性。结果表明，不同试验组各指标变化趋势具有相似性；产气性能方面，相同底物TS=12%时试验组产气量最优，不同底物的试验组中人粪与小麦秸秆的混合发酵更优；发酵料液特性方面，底物浓度越低发酵料液的指标变化越温和，发酵过程越稳定，缓冲能力越高，相同底物浓度时人粪与小麦秸秆的试验组合更具有缓冲能力、发酵过程更稳定；发酵后沼渣方面，各个试验组的沼渣均符合制肥标准。综上所述，在底物浓度为12%时，人粪与农作物秸秆进行半干式混合厌氧发酵的试验各方面性能最好，小麦秸秆比玉米秸秆更适合做人粪厌氧发酵的调理剂。

关键词：人粪；秸秆；混合厌氧发酵；底物浓度

中图分类号：X71 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）12-0245-08

2020年12月5日，中共中央办公厅 国务院办公厅印发了《农村人居环境整治提升五年行动方案（2021—2025年）》［1］，其中明确提出要扎实推进农村厕所革命，加强农村厕所粪污无害化处理与资源化利用。文献表明，一个成年人平均每天要产生2.2 kg粪尿［2］，如果这些废弃物未合理处理则会对环境产生大量的危害。此外，在北方地区玉米、小麦作物是最为常见且种植面积最广的大田作物，产量巨大，致使我国粮食秸秆产量巨大，但这些秸秆处理、处置有所弊端［3］，对环境造成了严重的影响。因此，合理处理好粪便及秸秆等这些农业有机废弃物，对于环境有着极为重要的意义。

厌氧发酵是将有机废弃物转化为沼气，同时，沼气具有可再生性、对环境污染小的优点，沼液沼渣则可用于农田，实现废物处理和绿色有机农业的有机结合，是碳减排的重要技术途径之一。底物浓度是影响厌氧发酵的重要因素［4］，根据进料总固体浓度的不同，可划分为湿式厌氧发酵（TSlt;10%）、半干式厌氧发酵（10%lt;TSlt;15%）和干式厌氧发酵（15%lt;TSlt;30%）［5］。适当的水分有利于微生物的正常代谢，合适的底物浓度是微生物生长所必需的环境［6］，如果TS浓度过高，原料分解困难，易酸化［7］，过低则会使微生物营养不足，产气量低，发酵过后沼渣含水量高，不好利用［8］。一般农业有机废弃物总固体含量较高，如果进行湿式厌氧发酵，需水量大［9］，但干式厌氧发酵经常会在发酵前期经历时间较长的酸化期［10］，有一段产气停滞期，因此农业有机废弃物采用半干式厌氧发酵较为适宜。探讨底物浓度对厌氧发酵的影响，寻求适宜农村有机废弃物混合发酵的底物浓度对推进厌氧发酵技术进步具有重要意义。

李永平等研究得出，牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产气效果优于单一原料发酵［11］。李文哲等使用餐厨废弃物与牛粪进行混合厌氧发酵，发现底物浓度为80 g/L（即8%）时产气效果可达到最佳［12］。Lin等对牛粪、餐厨垃圾、秸秆在中温条件下不同底物浓度的厌氧发酵产气效果进行了研究，发现当TS为10%时，其产气速率最大［13］。杜静等研究纯稻秆发酵，发现TS浓度为16%时，VS产气量达到最佳［14］。Gail等研究猪粪与玉米秸秆混合发酵在碳氮比为25 ∶1时，TS浓度为15%时，VS产气量达到最佳［15］。综上得出，目前以动物粪便作为发酵对象的研究较多，而采用人粪与秸秆进行混合的半干式厌氧发酵的试验鲜有研究。针对秸秆中含有纤维素、半纤维素及木质素等难以降解物质的特性，本研究采用沼液浸泡过的秸秆进行发酵［16］，探讨底物浓度对于人粪与通过沼液浸泡的秸秆进行混合厌氧发酵试验的产气性能，发酵料液理化性质的影响及产生的沼渣是否具有农用的可能性，以期探讨人粪及秸秆的合理处置与利用，对农村资源化利用提供新的理论依据，对引导农业有机废弃物处置和资源化具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 材料

所有原料均取自河北省顺平县才良村某农户家，人粪经烘干后保存；玉米秸秆和小麦秸秆作为调理剂接种物沼液中浸泡96 h后烘干打碎保存；接种物选用常温发酵产气良好的沼气池中的沼液。预处理后原料的理化性质见表1。

1.2 试验装置

研究场所位于河北省保定市顺平县某污水处理厂，起止日期为2023年3月24日至5月3日，所用试验装置见图1，主要是由3部分组成：第1个广口瓶是发酵装置，第2个广口瓶是排碱液装置，里面装有6%的氢氧化钠溶液［17］，第3个锥形瓶是用来收集所排出的碱液。3个装置采用玻璃管和橡胶管连接，连通后用凡士林涂抹接口位置防止漏气。将发酵装置放于恒温水浴锅中，水浴加热，调节温度为35 ℃，温度变化不超过±2 ℃。

1.3 试验方案

于1 L发酵罐中分别放入人粪和不同秸秆原料，质量按碳氮比计算，总体发酵体系为650 g。发酵周期为40 d，C/N为25/1，接种物比例为30%，温度设为35 ℃，pH值自然，发酵原料的具体配比见表2。人粪与玉米秸秆混合TS浓度为10%、12%、14%的发酵，其处理编号为T1、T2、T3，人粪与小麦秸秆混合TS浓度为10%、12%、14%的发酵，其处理编号为T4、T5、T6。

试验期间，每天手动摇动发酵瓶2次，确保发酵物料混合均匀，并防止发酵液分层、结壳［18］。试验一共发酵40 d，每日测定产气量，并且在试验的1、3、5、7、9、11、13、15、18、21、24、26、28、32、36、39 d 取样，测定发酵料液的pH值、挥发性脂肪酸（VFAs）、氨氮（NH+4-N）以及化学需氧量（CODCr）含量。

1.4 测定项目与数据分析

以排碱液（6% NaOH溶液）法测定产气量［17］；烘箱105 ℃烘干24 h，采用差重法测定TS；马弗炉550 ℃灼烧4 h后，采用差重法测定VS；总有机碳（TOC），使用岛津TOC仪测定；总氮（TN）测定，采用蒸馏-滴定法测定；发酵液pH值，采用希玛手持式pH计（pH828）测定；电导率（EC），使用上海三信电导率笔（SX-650）测定；氨氮（NH+4-N），采用纳氏试剂分光光度法测定（HJ 535—2009）；挥发性脂肪酸（VFAs），采用酸性乙二醇分光光度计法测定；CODCr，采用重铬酸钾法测定（HJ 828—2017）；重金属，采用王水回流消解和原子吸收法测定（HY/T 1613—2008）；五氧化二磷（P2O5），采用硫酸双氧水消解和钼蓝分光光度法测定（HJ 546—2015）；氧化钾（K2O），采用硫酸双氧水消解和火焰光度法测定（GB 11904—1989）。

图表绘制使用Origin 2021，数据处理采用Excel整理，并采用SPSS 26.0单因素方差分析（ANOVA）对试验结果进行显著性检验。

1.5 累计VS产气量数据拟合

采用修正的Gompertz动力学模型对各试验组发酵过程的VS产气量进行数据拟合［19］。

式中，P为累计甲烷产量，mL/g；Pmax为产甲烷潜力，mL/g；Rmax为最大产甲烷速率，mL/（g·d）；t为发酵时间，d；λ为产甲烷延滞期，d。

2 结果与分析

2.1 不同底物浓度对人粪和秸秆混合厌氧发酵产气的影响

2.1.1 底物浓度对厌氧发酵日产气量与累计产气量的影响

人粪与秸秆协同厌氧发酵不同底物浓度处理组日产气量变化见图2。由图2可知，在 40 d 厌氧发酵过程中，各处理组变化极为相似，均为3个峰值，其中，第1个峰值均出现在第2天，峰值依次为343、417、395、475、536、597 mL；第2个峰值分别出现在第7、13、17、4、5、6 天，峰值依次为558、683、771、549、603、660 mL；第3个峰值分别出现在第15、22、28、13、16、18天，峰值依次为669、710、725、708、724、798 mL。人粪与秸秆协同厌氧发酵不同底物浓度处理组累积产气量变化，由图3可知，在40 d厌氧发酵过程中，累计VS产气量：T2gt;T1gt;T3、T5gt;T6gt;T4；达80%累计产气量用时：T3gt;T2gt;T1、T4=T6gt;T5。

2.1.2 动力学分析

由不同处理组的累积产气量的Gompertz拟合曲线和拟合结果（图3和表3）可知，R2可衡量动力学方程的拟合度［20］，当R2gt;0.990时，拟合结果较好。由表3可知，各处理组的R2均gt;0.995， 拟合效果较好。 人粪与玉米秸秆混合厌氧发酵，随着底物浓度增加，产甲烷潜力随之增大，但产甲烷延滞期的时间也延长；人粪与小麦秸秆混合厌氧发酵，产甲烷潜力与最大产甲烷速率均为TS浓度为12%时最高，产甲烷延滞期的时间相差不足2 d。对于相同底物浓度而不同的发酵底物的试验组，TS=10%与TS=12%时，人粪与小麦混合厌氧发酵的产甲烷潜力、最大产甲烷速率与产甲烷延滞期均优于人粪与玉米秸秆混合发酵的试验组；TS=14%时， 人粪与玉米结合混合发酵的产甲烷潜力最优，但最大产甲烷潜力与产甲烷延滞期均略次于人粪与小麦秸秆混合发酵的试验组。

2.2 不同底物浓度对人粪和秸秆混合厌氧发酵发酵料液理化性质的影响

2.2.1 底物浓度对厌氧发酵料液pH值的影响规律

对于厌氧发酵的整个过程来说，pH值是一个极为重要的衡量发酵是否稳定的指标［21］，每个发酵阶段产物不同对反应体系的pH值具有不同影响效果。其中，产酸菌适宜生长的pH值为4.0～8.5，而产甲烷菌适宜生长的pH值为6.5～7.5［22］。整个发酵过程始终处于动态的变化过程。由图4可知，不同试验组的厌氧发酵趋势相似，先下降再上升，最后趋于稳定，pH值稳定在6.7～7.7。在发酵过程中，各处理组的pH值谷值分别为6.60、6.17、5.90、7.11、7.08及6.99，谷值为T1gt;T2gt;T3及T4gt;T5gt;T6。

由方差分析结果（表4）可知，T1组和T3组的pH值差异达显著水平；T2组与T5、T6组的pH值差异性达显著水平；T3组和除T2组外的其他4组的pH值差异达显著水平。可能是因为人粪与玉米秸秆混合发酵均有不同程度的酸化，其中，T3组酸化过于严重，发酵结果存在较大的差异性。

2.2.2 底物浓度对厌氧发酵料液NH+4-N的影响规律

NH+4-N可以提供微生物生长代谢所需要的氮元素［23］，若NH+4-N浓度超过1 700 mg/L，则乙酸营养型产甲烷菌活动会受到很大抑制［24］。由图5可知，各试验组变化趋势相似，先升高、再降低，之后又出现升高降低的趋势，最后趋于稳定。整个发酵过程中变化较为缓慢，发酵开始与发酵之后的相差不大，最后各个试验组的NH+4-N浓度均保持在500～1 000 mg/L。不同TS浓度下，NH+4-N浓度在整个发酵过程中总体保持：TS=14%gt;TS=12%gt;TS=10%， 而相同TS浓度，不同的发酵底物的NH+4-N浓度没有太大差异。

由方差分析结果（表4）可知，T1、T2、T3的 NH+4-N 浓度差异均达显著水平；T4、T5、T6试验组的NH+4-N浓度均不具有显著性差异；T1组和T4、T5、T6的NH+4-N浓度趋势不具有显著性差异。可能是因为人粪与玉米秸秆混合发酵均有不同程度的酸化，发酵结果存在较大的差异性。

2.2.3 底物浓度对厌氧发酵料液VFAs的影响规律

VFAs是厌氧发酵过程中产生的重要中间产物［25］，如果VFAs浓度过高时，会造成反应体系酸度过高，严重影响发酵的正常进行［26］。由图6可知，所有试验组趋势变化相似，先上升、再下降，最后虽然有所波动但基本处于稳定状态，除T3处理组外基本稳定在1 100～2 200 mg/L，T3处理组稳定在2 100～3 700 mg/L。在发酵过程中，各处理组的VFAs峰值分别为2 406.50、3 861.21、5 069.56、2 506.22 mg/L、2 629.40、3 550.32 mg/L，峰值为T3gt;T2gt;T1及T6gt;T5gt;T4。

由方差分析结果（表4）可知，T1、T2、T3的VFAs差异均达显著水平；T4、T5、T6这3个试验组的VFAs均不具有显著性差异；T1组和T4、T5、T6组的VFAs趋势不具有显著性差异。可能是因为人粪与玉米秸秆混合发酵均有不同程度的酸化，发酵结果存在较大的差异性。

2.2.4 底物浓度对厌氧发酵料液CODCr的影响规律

CODCr主要来源于厌氧发酵过程中复杂有机物经过水解酸化后转变成的溶解性有机物，能较好地反映发酵原料的利用程度［27］。由图7可知，各处理组变化相似，先上升、再下降，最后虽有所波动但基本处于稳定状态，各处理组浓度范围分别稳定在2.95～10.06、5.24～13.74、6.11～15.73、3.51～7.71、4.97～12.00、6.93～17.16 mg/L，不同TS浓度下，CODCr浓度在整个发酵过程中，总体保持TS=14%gt;TS=12%gt;TS=10%，而相同TS浓度，不同的发酵底物的CODCr浓度未有太大差异。发酵结束后，根据最大浓度得到各处理的CODCr去除率分别为78.61%、79.36%、72.96%、82.86%、78.71%和66.75%，说明各处理中的微生物群落对物料的利用情况均较好。

由方差分析结果（表4）可知，T1组与T3组的CODCr差异达显著水平；T2组与其他5个试验组的CODCr均无差异性；T4、T5、T6这3个组试验组的CODCr均不具有显著性差异。可能是因为人粪与玉米秸秆混合发酵均有不同程度的酸化，其中，T3组酸化过于严重，发酵结果存在较大的差异性。

2.3 不同底物浓度对人粪和秸秆混合厌氧发酵沼渣理化性质的影响

对沼渣的pH值、营养物质含量以及重金属含量进行测定，各种营养物质的含量均在以烘干基为基础的条件下计算得出。由表5可知，pH值、有机质含量、总养分均满足有机肥标准中的要求；各重金属也满足标准，未超标。

3 讨论

在人粪与秸秆混合厌氧发酵的过程中，不同底物浓度的发酵对厌氧发酵系统产生不同的影响。日产气量有3个峰值，第1个峰值出现可能是因为发酵瓶中处于水解阶段，在此阶段中，会产生大量的CO2、H2及N2，之后进入酸化阶段，产气量会有所下降，所以出现了第1个峰值；另一方面可能是因为发酵瓶中含有的溶解氧，加速了有机物的分解，当溶解氧被消耗殆尽，进入厌氧发酵阶段后，料液中的有机酸开始累积，出现了产气量骤降的现象，因此出现了产气量峰值［18］；第2、3个峰值的出现是因为厌氧发酵处于动态变化中，产甲烷阶段处于优势阶段，而2个峰值的出现可能是物料中不同成分降解的难易程度和发酵菌群的适应程度有所不同导致的，其中，T1、T4、T5、T6组出现峰值的时间差不多，但T2、T3组比其他处理要晚9～13 d，可能是因为底物浓度过高，出现了“过酸化”的现象，之后由于厌氧发酵会自动自我调节到适应发酵的条件［28］，因此T2与T3分别在第7天和第11天恢复至 100 mL 以上。

各个试验组在1～3 d，厌氧发酵处于水解和酸化阶段，酸化细菌将人粪、玉米秸秆或小麦秸秆中的纤维素、蛋白质等大分子有机质分解成小分子有机酸类［29-30］，并溶解在沼液中，因此VFAs大量积累，出现上升趋势，pH值下降，CODCr急剧上升，而发酵底物中的氮元素被利用转化为NH+4-N，NH+4-N浓度出现上升的趋势；试验组T1、T2、T4、T5与T6在3～11 d，试验组T3在3～13 d物料产甲烷速率大于水解酸化的速率，进入产甲烷稳定运行阶段，甲烷菌大量繁殖，成为系统优势菌［31］，因此沼液中的CODCr被利用开始迅速下降；VFAs被大量消化出现下降趋势，pH值上升，氨氮作为缓冲物质调节反应的pH值［32］；直至发酵结束这段时间，厌氧发酵的各阶段处于平衡状态，虽然在各处理组在接近产气高峰的时间段内，各指标均出现了波动，但波动不大。

通过对沼渣中营养物质与重金属的检测，重金属含量符合NY 525—2012中的标准，不会对土壤造成污染，但是营养元素虽然符合制肥标准但不足以提供植物生长所需。可使用沼渣与无机肥进行混合，制成沼渣无机复混肥，来满足植物所需的氮、磷、钾元素含量［33］，可节约成本，是一种较为有效的处置和资源化利用的方法。

综合上述分析得出，相同发酵底物的试验组，TS=12%的发酵体系相较于其他试验组产气量最优且沼液的各个指标均较为稳定；而相同底物浓度的试验组，人粪与小麦秸秆发酵的试验组比人粪与玉米秸秆发酵的试验组产气量更优、沼液的指标较为稳定。

4 结论

在产气性能方面，试验组T5 VS产气量最优，为260.80 mL/g；相同发酵底物的试验组，TS=12%的发酵体系产气量最优且沼液的各指标均较为稳定；而相同底物浓度的试验组，人粪与小麦秸秆发酵试验组比人粪与玉米秸秆发酵试验组产气量更优、沼液的指标较为稳定。

在运行过程中，pH值整体上呈现先降低后上升的趋势，反应结束稳定在6.75～7.69；NH+4-N浓度整体上呈现先上升后下降的趋势，在反应结束稳定在500～1 000 mg/L；VFAs呈现先上升后下降的趋势，除T3处理组外基本稳定在1 100～2 200 mg/L，T3处理组稳定在2 100～3 700 mg/L；CODCr呈现先上升后下降的趋势，最终各处理组分别稳定在 2.95～10.06、5.24～13.74、6.11～15.73、3.51～7.71、4.97～12.00、6.93～17.16 mg/L。

沼渣中营养物质与重金属含量符合制肥标准，不会对土壤造成污染，为了更好地提供植物生长所需的营养含量，使用沼渣与无机肥进行混合，制成沼渣无机复混肥，以此来节约成本，具有一定的安全性。

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收稿日期：2023-08-21

基金项目：河北省重点研发计划（编号：22323802D）；保定市“揭榜挂帅”项目（编号：2022创323）。

作者简介：王秋媛（1998—），女，河北省沧州人，硕士研究生，主要研究方向为农村有机废弃物处理处置与资源化。E-mail：1735538344@qq.com。

通信作者：张铁坚，博士，副教授，主要研究方向为农村有机废弃物处理处置与资源化。E-mail：cjztj@hebau.edu.cn。