潘君廷，馬俊怡，邱 凌，*，郭嘵慧，，郜天磊（.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌700；.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用西部科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，陜西 楊凌 700）

生物炭介導(dǎo)雞糞厭氧消化性能研究

潘君廷1，馬俊怡1，邱 凌1，2*，郭嘵慧1，2，郜天磊2（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用西部科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，陜西 楊凌 712100）

為探究生物炭介導(dǎo)的雞糞厭氧消化產(chǎn)甲烷的較優(yōu)添加比例，在發(fā)酵溫度［（35±1）℃］、接種率30%的條件下，進(jìn)行了以雞糞為底物，生物炭為外源添加劑的厭氧消化試驗(yàn)，研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）對(duì)雞糞厭氧消化產(chǎn)氣特性的影響，確定了生物炭介導(dǎo)的雞糞厭氧消化的較優(yōu)添加比例；同時(shí)，用掃描電子顯微鏡對(duì)厭氧消化前后生物炭顆粒和附著在生物炭顆粒上的微生物進(jìn)行了觀察.結(jié)果表明：生物炭的添加提高了雞糞單位VS產(chǎn)甲烷量，添加20%、15%、10%和5%生物炭的處理雞糞VS產(chǎn)甲烷量分別為223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g，均高于對(duì)照組的202mL/g；添加生物炭提高了產(chǎn)氣中的甲烷含量，降低了二氧化碳和硫化氫含量，提高了沼氣品質(zhì)；電鏡掃描結(jié)果表明，厭氧消化后生物炭表面及內(nèi)部附著了大量厭氧微生物，主要為桿菌、微粒菌和球菌；本研究中，生物炭介導(dǎo)雞糞厭氧消化最優(yōu)的添加比例約為5%.

生物炭；雞糞；厭氧消化；甲烷含量

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2010年世界養(yǎng)雞量已達(dá)200億只，其中中國(guó)占23%［1］.同年，我國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)雞糞排放量已達(dá)1.72億t［2］.如果處理不當(dāng)將會(huì)造成嚴(yán)重的土壤、水體和空氣污染，進(jìn)而帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題［3］.雞糞中的尿酸和未經(jīng)消化的蛋白質(zhì)分別貢獻(xiàn)了總氮的 70%和30%［4-6］.雞糞中的尿酸和未經(jīng)消化的蛋白質(zhì)厭氧消化過(guò)程中被轉(zhuǎn)化成氨氮，長(zhǎng)期運(yùn)行的雞糞厭氧消化體系中總氨氮濃度逐漸升高.適量的氨氮對(duì)厭氧微生物的自身生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但濃度超過(guò)一定值后便會(huì)抑制厭氧微生物的生長(zhǎng)，甚至最終使厭氧處理系統(tǒng)運(yùn)行失效［7］.目前主要通過(guò)多元原料混合厭氧消化的方式進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)調(diào)控，應(yīng)用較多的是添加農(nóng)作物秸稈，進(jìn)行碳氮比調(diào)控.

由于秸稈較難降解，與雞糞厭氧消化水力滯留期不同，增加了調(diào)控難度；同時(shí)，厭氧消化過(guò)程中，容易形成浮渣和結(jié)殼，影響了厭氧消化過(guò)程的正常進(jìn)行.此外，雞糞厭氧消化工程多位于養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)，秸稈的多次運(yùn)入，易對(duì)雞場(chǎng)防疫帶來(lái)潛在的威脅，在實(shí)際沼氣工程運(yùn)行中操作困難.

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)熱裂解、炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)［10］.研究表明，生物炭施入土壤后可以選擇性的吸附多種離子，對(duì) NH+、NO-43有較強(qiáng)的吸附作用［11］.生物炭中碳含量高達(dá)45%，可以增加土壤有機(jī)碳含量［12］.生物炭的多孔性、比表面積大及其對(duì)離子的吸附特性，為土壤微生物提供了良好的棲息環(huán)境，并對(duì)微生物群落的附著、繁殖和演變產(chǎn)生較大影響［13-14］.由此可見(jiàn)，生物炭與雞糞厭氧消化后施入土壤，不僅不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且還可帶來(lái)良好的環(huán)境效應(yīng).

Mumme等［15］以模擬廢水為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)生物炭可以提升厭氧消化產(chǎn)甲烷量并緩解輕度氨的抑制.Luo等［16］以葡萄糖為厭氧消化底物研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高厭氧消化效率，縮短水力滯留時(shí)間.多數(shù)學(xué)者以模擬廢水或純培養(yǎng)物為研究對(duì)象，研究了生物炭對(duì)厭氧消化的促進(jìn)作用及潛在機(jī)理，而對(duì)生物炭在厭氧消化中的實(shí)際應(yīng)用關(guān)注不多.為了探究生物炭介導(dǎo)下雞糞厭氧消化產(chǎn)氣特性以及生物炭的添加比例，本文以雞糞為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同生物炭添加比例的厭氧消化試驗(yàn)，并以未添加生物炭雞糞單獨(dú)厭氧消化作為對(duì)照，通過(guò)對(duì)比單位揮發(fā)性固體（VS）產(chǎn)甲烷率和氣體成份的變化，探索生物炭的添加對(duì)雞糞厭氧消化的影響；同時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡，研究和觀察厭氧消化后生物炭顆粒微觀形態(tài)，以及附著在生物炭顆粒上的微生物形態(tài)，并結(jié)合已有的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)其進(jìn)行研究分析，以期為生物炭介導(dǎo)的雞糞厭氧消化科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與接種物

雞糞取自陜西省楊凌示范區(qū)某養(yǎng)雞場(chǎng)（34.312°N，108.059°E；籠式養(yǎng)雞），雞糞由雞籠下直接獲取，手工剔除雞毛和大的雜物并用自封袋密封后放置于 4℃冰箱中冷藏備用.生物炭取自陜西億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司以廢棄果木于 550℃溫度下制備的木質(zhì)生物炭，粉碎后過(guò)20目篩備用.接種物取自農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用西部科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（楊凌）實(shí)驗(yàn)室中長(zhǎng)期馴化的厭氧消化污泥.試驗(yàn)原料的TS、VS、碳氮比（C/N）等部分特性見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)原料特性Table 1 Characteristics of raw materials

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用注射器集氣法，用注射器將所產(chǎn)氣體收集后排入氣袋中進(jìn)行后續(xù)分析.試驗(yàn)裝置如圖1所示［17］.待測(cè)厭氧消化料液裝在500mL厭氧消化瓶（有效容積400mL）中，通過(guò)丁基塞密封后與外界空氣隔絕，向反應(yīng)器中吹入氮?dú)猓?0%）和二氧化碳（30%）混合氣體 5min排出厭氧消化瓶中的空氣，保證厭氧消化瓶中絕對(duì)的厭氧環(huán)境.厭氧消化瓶中厭氧消化料液產(chǎn)生的氣體，通過(guò)插在丁基塞上的針頭和塑料細(xì)軟管進(jìn)入玻璃注射器中.厭氧消化瓶和玻璃注射器通過(guò)塑料細(xì)軟管上的閥門，實(shí)現(xiàn)管道的導(dǎo)通和關(guān)閉.將玻璃注射器從塑料細(xì)軟管的接口上取下，玻璃注射器中的氣體注入集氣袋中收集保存并用于氣體測(cè)試分析.

試驗(yàn)分添加占雞糞（干基）20%、15%、10%、5%、0%生物炭的5組處理，重復(fù)3次，取3組產(chǎn)甲烷量的平均值為日產(chǎn)甲烷量.所有試驗(yàn)組和對(duì)照組初始雞糞添加量均為 14.21g（以揮發(fā)性固體VS計(jì)），接種比例為30%（V/V）.在往復(fù)式變溫恒溫振蕩水浴搖床中（SPH-110X24，上海世平實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，中國(guó)）進(jìn)行序批式中溫（35±1）℃厭氧消化至產(chǎn)氣結(jié)束.每天上午9：00和下午4：00各打開(kāi)水浴搖床的振蕩功能，振速為 100r/min，振蕩10min，確保厭氧消化料液混合均勻.每2d分析一次氣體成份.

圖1 厭氧消化裝置（500mL）示意Fig.1 Anaerobic digestion device （500mL） used in this study

1.3 分析方法

TS和VS用烘干失重法測(cè)定［18］；C、N、S的含量采用元素分析儀（Vario ELⅢ，Elementar公司，德國(guó)）測(cè)定；日產(chǎn)氣量通過(guò)注射器上標(biāo)示體積的刻度線來(lái)讀?。粴怏w成分用氣相色譜儀（GC2014C，島津公司，日本）測(cè)定，TCD檢測(cè)器，進(jìn)樣口溫度100℃，檢測(cè)器溫度100℃，爐溫90℃，氣體流量為 30mL/min；通過(guò)掃描電子顯微鏡（S-3400N，日立公司，日本）觀測(cè)厭氧消化前后生物炭顆粒和附著的微生物情況，樣品噴金，加速電壓15000伏，放大倍數(shù)分別為130、150、2300、2500和5000.

顯著性分析采用SPSS 22.0軟件（IBM公司，美國(guó)），通過(guò)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行分析；繪圖采用Orgin 8.0（ Stat-Ease公司，美國(guó)）.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭介導(dǎo)對(duì)雞糞厭氧消化產(chǎn)甲烷量的影響

各處理日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量的變化如圖2所示.5個(gè)處理均出現(xiàn)2個(gè)較為明顯的產(chǎn)甲烷高峰，第 2個(gè)產(chǎn)甲烷高峰過(guò)后產(chǎn)甲烷量開(kāi)始逐漸下降并逐漸停止產(chǎn)氣（圖 2a）.由圖 2a可以看出，試驗(yàn)組在厭氧消化啟動(dòng)的第 5d，迎來(lái)第1個(gè)產(chǎn)甲烷高峰，而對(duì)照組第1個(gè)產(chǎn)甲烷高峰出現(xiàn)在第 3d，這可能是由于生物炭的加入對(duì)厭氧消化初期所產(chǎn)氣體有一定的吸附作用

［17］.此階段主要是雞糞厭氧消化料液中易被降解的物質(zhì)被水解產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌利用引起；隨后產(chǎn)甲烷量急劇下降，這可能是由于水解產(chǎn)酸細(xì)菌將雞糞中的有機(jī)物分解成小分子物質(zhì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性；厭氧消化進(jìn)行至第 12d時(shí)，生物炭添加量為10%、15%和20%的處理出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，對(duì)照組第 2個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在厭氧消化開(kāi)始后的第14d，而生物炭添加量為5%的試驗(yàn)組第2個(gè)產(chǎn)氣高峰則出現(xiàn)在第 15d，與對(duì)照組接近，這可能是生物炭呈堿性［19］，有利于緩解水解產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的大量有機(jī)酸帶來(lái)的酸抑制現(xiàn)象，也可能是生物炭的加入提升了產(chǎn)甲烷效率［20］.隨著雞糞中可被微生物利用的有機(jī)物減少，產(chǎn)氣量也迅速降低.

添加生物炭的試驗(yàn)組單位VS累積產(chǎn)甲烷量均高于對(duì)照組（圖2b），生物炭添加量分別為20%、15%、10%和5%的處理組，單位VS累積產(chǎn)甲烷量分別為223、228、230和281mL/g，較對(duì)照分別提高了 10.40%（P＞0.05）、12.87%（P＞0.05）、13.86（P＞0.05）和39.11%（P＜ 0.01）.與其他試驗(yàn)組相比，生物炭添加量為5%的試驗(yàn)組單位VS產(chǎn)甲烷量顯著高于生物炭添加量為20%、15%和10%的試驗(yàn)組（P＜0.05），這與 Das等［21］以雞糞為底物在27℃條件下進(jìn)行厭氧消化的研究結(jié)論一致.生物炭的添加能不同程度的提升單位VS產(chǎn)甲烷量，可能的原因之一是適量生物炭的添加，可為微生物提供載體，提高厭氧消化效率，緩解高氮原料厭氧消化中輕度氨的抑制［14-16］.由于通常情況下生物炭呈堿性［19］，過(guò)量生物炭的添加會(huì)導(dǎo)致厭氧消化體系的pH值過(guò)高，抑制厭氧微生物的活性.這可能是提高生物炭添加比例后，促進(jìn)效果下降的原因.

圖2 各處理日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量的變化Fig.2 Variation of daily and cumulative methane production per VS with different biochar dosage

2.2 生物炭介導(dǎo)對(duì)雞糞厭氧消化氣體成份的影響

各生物炭處理組和對(duì)照組厭氧消化所產(chǎn)氣體的甲烷含量、二氧化碳含量、硫化氫含量如圖3所示.由圖3a可以看出，添加生物炭的試驗(yàn)組所產(chǎn)氣體中甲烷含量均高于不添加生物炭試驗(yàn)組；從厭氧消化開(kāi)始10d后，添加生物炭試驗(yàn)組的甲烷含量高于 65%，添加 5%生物炭的試驗(yàn)組超過(guò)70%，所產(chǎn)氣體中甲烷含量保持穩(wěn)定，而雞糞單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組的甲烷含量出現(xiàn)下降趨勢(shì).添加20%、15%、10%、5%和不添加生物炭雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的平均甲烷含量為：61.54%、63.04%、62.01%、63.18%和56.25%.

由圖3b可以看出添加生物炭試驗(yàn)組所產(chǎn)氣體中二氧化碳含量下降后并保持穩(wěn)定，而雞糞單獨(dú)厭氧消化組中二氧化碳的含量先下降后上升，出現(xiàn)波動(dòng).添加20%、15%、10%、5%和不添加生物炭雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的二氧化碳平均含量為：32.54%、30.41%、30.16%、30.79%和36.68%.

圖3 不同生物炭添加量雞糞厭氧消化氣體成份Fig.3 Methane、carbon dioxide、hydrogen sulfide contents of biogas

由于雞糞中粗蛋白含量較高，蛋白質(zhì)中所含的硫元素經(jīng)厭氧消化轉(zhuǎn)變成硫化氫，故所產(chǎn)氣體中硫化氫含量較高.生物炭介導(dǎo)后所產(chǎn)氣體中硫化氫含量降低速率比對(duì)照組快，生物炭添加量越大，硫化氫含量降低速率越快，如圖3c所示.雞糞添加20%、15%、10%、5%、0%生物炭厭氧消化所產(chǎn)氣體的平均硫化氫含量為：4161×10-6，5000×10-6， 5390×10-6， 5614×10-6， 6795×10-6.

Luo等［16］以葡萄糖為厭氧消化底物，通過(guò)高通量測(cè)序、自動(dòng)核糖體間隔基因分析和基于自動(dòng)核糖體間隔基因分析結(jié)果的主成分分析等手段，對(duì)生物炭附著的微生物的種群結(jié)構(gòu)分析.結(jié)果表明：在產(chǎn)甲烷階段的早期，產(chǎn)甲烷微生物已經(jīng)富集在生物炭周圍，其中以氯化銨為唯一氮源，硫化鈉為硫源，電子供體只有H2、甲酸鹽、二元醇和-CO，能量代謝來(lái)源于還原CO2為CH4，不能代謝甲基胺和乙酸的甲烷桿菌屬M(fèi)ethanobacteriu最為豐富，其次是甲烷鬃毛菌屬M(fèi)ethanosaeta和甲烷八疊球菌屬 Methanosarcina，這為試驗(yàn)中雞糞添加生物炭厭氧消化CH4含量提高、CO2含量降低提供了理論依據(jù)；同時(shí)也為沼氣的原位提純技術(shù)提供了方向.Zhao等［22］發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電碳材料可以加強(qiáng)厭氧消化過(guò)程的穩(wěn)定性，提高CH4產(chǎn)量和COD去除率，減少水力滯留時(shí)間，加強(qiáng)高有機(jī)負(fù)荷下微生物的互養(yǎng)代謝；與對(duì)照相比，導(dǎo)電的厭氧消化體系中，可能由于加強(qiáng)了直接種間電子傳遞（DIET），甲烷產(chǎn)量提高了約 30%，并通過(guò)熒光原位雜交技術(shù)（FISH）研究發(fā)現(xiàn)，地桿菌屬（Geobacter）和甲烷鬃毛菌（Methanosaeta）屬同時(shí)得到了加強(qiáng)，這可能是本試驗(yàn)中生物炭處理組單位VS甲烷產(chǎn)量高于對(duì)照組的原因之一.

2.3 生物炭顆粒厭氧消化前后電鏡觀察

圖4 生物炭厭氧消化前后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM observation of biochar before and after anaerobic digestion

用掃描電子顯微鏡對(duì)厭氧消化前的生物炭顆粒、5%生物炭處理試驗(yàn)組中厭氧消化后的生物炭顆粒和附著在生物炭顆粒上的微生物進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示.圖4a是電鏡下厭氧消化前生物炭顆粒形態(tài)，圖4b是電鏡下厭氧消化后生物炭顆粒形態(tài)；由圖4a和圖4b對(duì)比可以看出，厭氧消化后生物炭顆粒被厭氧污泥包裹.對(duì)圖4a和圖4b的局部（紅色標(biāo)注部分）進(jìn)行進(jìn)一步的放大，可以看出，生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)（圖 4c和圖 4d）.厭氧消化前后生物炭對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，厭氧消化后的生物炭表面及孔隙中均有大量的微生物附著.通過(guò)對(duì)圖4c和圖4d的局部（紅色標(biāo)注部分）進(jìn)行更進(jìn)一步的放大觀察（圖4e和圖4f），可以看出，厭氧消化后的生物炭表面及孔隙中有大量的桿菌、微粒菌和球菌附著，部分微生物已在生物炭表面及孔隙中成團(tuán)聚態(tài).這從表觀上印證了Luo等［16］的研究報(bào)道.生物炭的多孔性和大的比表面積為微生物的生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境，這也與 Kolb等［12］的研究報(bào)道結(jié)果一致.由此可見(jiàn)，生物炭可以作為良好的厭氧微生物載體.

3 結(jié)論

3.1 添加不同比例生物炭均提高了雞糞厭氧消化單位 VS產(chǎn)甲烷量，生物炭介導(dǎo)雞糞厭氧消化較優(yōu)添加量約為5%.

3.2 添加生物炭提升了雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的品質(zhì)，產(chǎn)氣中甲烷含量提高，二氧化碳和硫化氫含量降低.

3.3 厭氧消化后，生物炭表面及內(nèi)部孔隙有大量的厭氧微生物附著，主要為桿菌、微粒菌和球菌.

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The performance of biochar-mediated anaerobic digestion of chicken manure.

PA N Jun-ting1， MA Jun-yi1， QIU Ling1，2*， GOU Xiao-hui1，2， GAO Tian-lei2（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A & F University， Yangling 712100， China；2.The West Scientific Observing and Experimental Station of the Rural Renewable Energy Exploitation and Utilization of Ministry of Agriculture， Yangling 712100， China）. China Environmental Science，2016，36（9）：2716～2721

Different dosages of biochar （20%， 15%， 10%， 5% and 0%； on a dry weight basis） were added to the anaerobic digestion （AD） of chicken manure to investigate its effects on AD performance under mesophilic condition （35±1）℃. The same amount of chicken manure （14.21g， on a Volatile Solid-VS basis） and initial inoculum concentration （30%， v/v） were employed in all experiments. The microstructure of biochar and the morphology of predominant microorganisms associated with biochar were also observed in this study using a scanning electron microscopy （SEM）. The results showed that the specific cumulative methane production （SCMP， mL/gVS chicken manure） could be obviously increased with external biochar addition. The SCMP under biochar dosages of 20%， 15%， 10% and 5% were around 223， 228， 230 and 281mL/gVS respectively， much higher than that of the control experiment （202mL/gVS）. Moreover，biochar addition could improve the biogas quality by increasing its methane content and decreasing its carbon dioxide and hydrogen sulfide contents. The optimum biochar dosage for biochar-mediated anaerobic digestion of chicken manure was around 5%. The SEM observations revealed that abundant microbes attached to the biochar； and bacillus and coccus were shown to be the dominant microorganisms.

biochar；chicken manure；anaerobic digestion；methane content

X712

A

1000-6923（2016）09-2716-06

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51576167）

* 責(zé)任作者， 教授， 博導(dǎo)， QL2871@126.com

潘君廷（1989-），男，山東棲霞人，博士研究生，主要從事畜禽養(yǎng)殖污染防治與生物能源研究.