中低温条件下牛粪秸秆混合沼气发酵的研究

王世伟，马放，麻微微，王萍，赵光

（哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150090）

　　摘要：文章以海林农场为实验基地，通过静态实验的方式以玉米秸秆和牛粪为原料，优化发酵底物碳氮比（C/N）、发酵温度和总固体质量浓度（TS），通过响应面优化，得到最佳的中低温环境下厌氧发酵条件。在混合底物发酵过程中，得到中低温环境下发酵的最佳C/N为25：1。在温度和TS的影响试验中得到中温环境下，产甲烷效率会受到较高TS的影响，最高累计产气量在35℃，TS为15%时获得，为14030.95mL。最终通过响应面优化得到符合海林农场的最佳产气条件为温度25℃，TS为17.6%，累计产气量为8665.5mL。结果表明，在北方地区，通过优化C/N、温度以及TS，仍然可以获得较好的厌氧发酵效果。

　　农牧业是我国国民经济的基础，有着举足轻重的地位，所产生的农牧业废弃物有着产量大、种类多、分布广和可持续性强等特点[1]。2013年我国可收集的农作物秸秆量为8.3亿t[2]，2015年达到9亿t[3]。2011年我国有15.6%和17.8%的农作物秸秆分别作为肥料和燃料利用[4]，2015年分别为43.2%和11.4%[3]，可见虽然作为肥料资源化的比例大大提高，但作为燃料利用的比例仍然较高。作为燃料被利用的秸秆会带来空气中有机碳和总悬浮颗粒物大幅升高的问题，还会极大程度的影响人们的生活。而2015年，我国全年禽畜排放粪便量（包括尿液量）达到65.54亿t，其中牛粪20.94亿t，猪粪35.61亿t，鸡粪3.93亿t参考文献[5]。若没有妥善的处理方式，不仅会导致严重的河流湖泊及地下水污染，同时也是对大量生物质资源的浪费。

　　黑龙江省是我国的农业与畜牧业大省，《2018黑龙江省统计年鉴》[5]可知，近5年粮食作物播种面积大于1400hm²，大牲畜数量大于520万头。妥善的将农业与畜牧业产生的大量生物质废物无害化与资源化处理，对于推动社会经济的稳定与发展有着举足轻重的作用。

　　厌氧发酵技术为农作物秸秆及畜牧业粪便的无害化和资源化处理提供了有效的方式。厌氧消化生物质废弃物产沼气技术在一个多世纪前已面世，但发酵设备造价高与辅助设备能耗高的问题限制了其实践推广。例如海林农场因气候因素而导致了沼气池容积产气率不超过0.2m^3/m³，沼气池利用率不足一半，原料分解不超过30%等问题。

　　农作物秸秆作为单一厌氧发酵底物时由于纤维素的晶体结构、聚合度以及含水量等问题而导致了水解速度低，需要采取措施强化水解过程[6]。且微生物因氮源不足同化作用被抑制进而影响异化作用效率，且没有氨氮的缓冲作用，大量的有机酸合成使系统pH下降，最终导致系统酸化。而禽畜粪便作为单一发酵底物时，会产生大量的游离氨和铵根离子，浓度过高时会严重抑制产甲烷过程。混合发酵可以调节C/N，为厌氧发酵细菌提供更合理的营养供给以及生存环境，从而促进厌氧发酵进程。SEPPÄLÄ et al[7]研究发现牛粪中的微量元素含量大于玉米，在混合发酵底物中添加40%的玉米时CSTR反应器运行效果最佳，且不需要添加微量元素。LEHTOMÄKI et al[8]将牛粪与麦秆、甜菜叶和青贮混合厌氧发酵，甲烷产率较牛粪单一发酵提高了17%~65%。张彤等[9]发现40℃下鸡粪：麦秸为3：1时可得到最佳产气量。大量研究表明，较同比单一物料，混合发酵可以提高甲烷产量50%~200%[10-12]。

　　文章以牛粪和玉米秸秆为发酵原料，针对我国北方地区发酵温度的较低的问题，从原料配比，工艺调控上优化，并构建模型模拟产气过程寻找最佳工况，以期尽可能克服“低温”瓶颈，提高厌氧发酵产气量。

　　1材料与方法

　　1.1试验原料

　　1.1.1发酵原料试验以黑龙江省海林农场为试验基地，过程中使用的秸秆为农场的玉米秸秆，牛粪为农场奶牛养殖场产生的牛粪。

　　1.1.2原料预处理玉米秸秆通过极限粉碎被分割成1~2cm的小段，用4%的碱液浸泡30d，取用的牛粪密封堆沤备用，原料理化性质，见表1。

　　1.1.3启动接种物接种所使用的沼液来自于海林农场沼气池。该沼气池配料浓度TS为值8%，在35℃下以单相半连续混合工艺运行，有机负荷及停留时间分别为2.0kgVS/m³d¹和45d。

　　1.2试验装置

　　可控性恒温厌氧发酵试验装置，见图1。

　　其中发酵瓶容积1000mL，通过水浴磁力搅拌锅保持温度并持续搅拌，集气瓶中加入3mol/L的NaOH溶液（百里酚蓝作为饱和指示剂）吸收CO₂，保证排水法测定出的气体体积为沼气体积。

　　1.3试验方法

　　试验分为两个部分，第一部分探究混合发酵的最佳C/N。共设置了4个实验组，通过调节牛粪与玉米秸秆的比例使C/N分别为23：1、25：1、27：1和30：1，发酵温度为35℃，总固体质量分数为12%，发酵时间为32d。

　　第二部分研究了最佳C/N条件下，发酵温度和初始总固体质量浓度（TS）对于沼气产量的影响。共设置了16个实验组，在发酵温度分别为20、25、30和35℃初始TS分别为8%、12%、15%和20%的条件下进行了正交试验，进行为期35d的厌氧发酵。

　　2结果与讨论

　　2.1混合底物不同的C/N对厌氧发酵效果的影响

　　从表1发现，牛粪和秸秆两种原料，C/N上有明显的不同。牛粪C/N为17：6，而秸秆C/N为41：1。通过不同的原料配比，配制出不同C/N的发酵底物进行实验，试验结果见图2。

　　4种C/N的条件下，发酵日产气量在整体趋势上均为先上升后下降且最初的日沼气产量并没有明显的区别。发酵进行到第7d时，C/N为25：1试验组日产气量达到546mL，而23：1的试验组仅有227mL。C/N为25：1的试验组日产气量在发酵的第11d到达最大值（672mL），30：1、27：1、23：1的试验组的日产气量最大值分别为566、574和561mL。4个试验组的累计沼气产量也在图2中反应，其中25：1的试验组有着最高的累计沼气产量，为10134mL，30：1和27：1的试验组累计产气量相似，分别为8961和9049mL。

　　结果表明，C/N为25：1的条件下牛粪和玉米秸秆混合发酵不仅有着最高的累积产气量，还可以使发酵更快的达到最高速率。研究显示C/N在20~30：1的范围内更适合于厌氧发酵过程，可得到理想的产气量[13]。微生物细胞往往以C₅N₇O₂H描述，其自身的C/N大约为5：1，因而微生物进行同化作用所需的碳氮比约为5：1。微生物同化1份有机碳的过程需要异化作用代谢4分有机碳以获取能量，故微生物同化1份氮，共需要25份有机碳，这与实验结果相符合[14]。该试验与众多学者认为的厌氧发酵最佳C/N25：1相吻合，例如NING et al[15]在（37±1）℃下用CSTR反应器进行厌氧发酵，在原料C/N25：1时得到最佳产甲烷效率。ZHANG et al[16]在37℃的条件下混合发酵牛粪与高粱秸秆，在25：1的C/N时得到最高产甲烷效率。BOUALLAGUI et al[17]研究了水果和蔬菜残留物的厌氧混合发酵，发现最佳C/N为22：1~25：1。但也有报道与该文研究成果不同，如WANG et al[18]在35℃下将小麦秸秆与鸡粪和牛粪混合发酵，使用响应面法优化后得到牛粪：鸡粪=40.3：59.7，C/N为27.2：1的条件下，达到最大的产甲烷性能。

　　2.2最优C/N条件下温度和TS对厌氧发酵的影响

　　北方地区的气候因素一直制约着农牧业废弃物的厌氧发酵处理，实测海林农场冬季沼气池中的温度长期处于（22±3）℃的条件下，探究更加适合的中低温发酵条件有着重要的应用价值。该试验在最佳C/N的条件下探究了温度和TS对厌氧发酵总产气量的影响，通过35d的厌氧发酵培养，每个试验组的累计产气量，见图3。

　　当温度为20和25℃时，厌氧发酵产气量随着TS的上升而上升，且温度越高，上升的幅度越大，TS为20%时，有最大累计产气量，分别为5165和8334mL。而当温度为30和35℃时，TS为20%的试验组累计产气量分别为7159和10952mL，而相应的TS为15%的试验组累计产气量为10132与14030mL。可见随着温度的上升，高的固体含量并不能带来更高的产气量。众多工程实践证明，发酵液TS在10%左右为佳，随着季节有一定的波动，高温时在6%~8%，低温时在10%~12%为宜。AMEL et al[19]在研究中发现TS从10%上升至25%的过程中，产气效率也随之不断提升，当TS超过30%时，会产生抑制作用。

　　TS为20%下，不同温度试验组的厌氧发酵日产气量变化情况，见图4。

　　图4可见，温度为20、25和30℃的试验组日产气量随着时间不断上升，在第7d左右达到最大值，后较快下落，继而出现二次上升，最终缓慢下落，最大日产气量分别为257、502和443mL。而温度为35℃的试验组启动迅速，日产气量最高值在发酵的第2d到达，为606mL，后缓慢下降。第11d后出现二次增长，而后日产气量下降速率较快。

　　对比发现在较高的温度下，厌氧发酵往往有着较高的初始速度，后出现下降与二次上升。而后会出现较快速率的下降，且下降速率远大于低温条件。这可能是由于在适宜的温度下，产酸细菌代谢旺盛而使得了有机酸积累，系统的pH值下降，对于产氢产甲烷细菌有抑制作用，导致了系统产气速率下降。

　　2.3最佳中低温产甲烷条件探究

　　最佳C/N条件下，累计产气量受到温度和TS的共同影响，故对实验结果进行了回归模型拟合。

　　使用Design Expert 8.0.6对最优C/N条件下不同温度和TS的厌氧发酵实验结果进行拟合，得到三阶多项式模型方程：