徐文倩，董紅敏，陳永杏，尚 斌，陶秀萍，張萬(wàn)欽

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

含固率和接種比對(duì)豬糞中溫厭氧消化特性的影響**

徐文倩，董紅敏，陳永杏，尚 斌，陶秀萍**，張萬(wàn)欽

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

利用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試儀（AMPTSII），通過(guò)豬糞中溫批式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，比較了不同含固率（4%、6%、8%）和接種比（rI/S=1.5、2.0、3.0）對(duì)豬糞產(chǎn)氣特性的聯(lián)合影響。結(jié)果表明，含固率和接種比對(duì)產(chǎn)氣速率及累積甲烷產(chǎn)量均有顯著影響，且含固率對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣特性的影響大于接種比。在試驗(yàn)研究參數(shù)范圍內(nèi),單位底物累積甲烷產(chǎn)量隨接種比的增加而增大，隨含固率的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在含固率為6%，接種比為3時(shí)，獲得最大累積沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量，分別為469.1mL·g-1VS和333.2mL·g-1VS。在本試驗(yàn)研究條件下，含固率越低，接種比越高，越有利于提高日平均產(chǎn)甲烷速率，縮短反應(yīng)遲滯期。動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)表明，F(xiàn)irst-order模型較修正的Gompertz模型能更好地模擬豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷規(guī)律，且在一定程度上，接種比例越大，含固率越高，F(xiàn)irst-order模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度越高。

豬糞；厭氧發(fā)酵；含固率；甲烷潛力；接種比；動(dòng)力學(xué)

隨著畜牧養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和集約化程度的提高，畜禽糞便資源量大幅增加。據(jù)估算，全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億t，畜禽糞污已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染的最主要來(lái)源[1]。因此，如何科學(xué)有效地處理利用豬場(chǎng)糞便污水，控制環(huán)境污染和糞便管理過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷等溫室氣體排放應(yīng)當(dāng)成為主要研究課題[2]。厭氧消化作為一種有效的糞污處理技術(shù)，不僅能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽糞便的減量化，而且可以提供清潔能源[3]。截至2012年底，中國(guó)大中型沼氣工程約1.5萬(wàn)處，其中豬糞沼氣工程1.28萬(wàn)處，目前建設(shè)的大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程以豬場(chǎng)沼氣工程最多，占比90%左右[4]。

含固率和接種比均為影響厭氧消化工藝效率的關(guān)鍵參數(shù)，兩者交互影響著厭氧消化過(guò)程[5]。受底物性質(zhì)、接種物來(lái)源及產(chǎn)甲烷活性和抑制物濃度等因素影響，研究獲得的最優(yōu)接種比存在很大差異[6-7]；不同底物的水解速率和水解產(chǎn)物不同，也會(huì)導(dǎo)致含固率對(duì)厭氧消化進(jìn)程的影響有所不同；并且，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多是針對(duì)單一因素對(duì)厭氧消化的影響[8]，對(duì)于多種因素交互影響的研究則鮮有報(bào)道[9]。

因此，本文利用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（AMPTSII），通過(guò)豬糞中溫厭氧消化試驗(yàn)，研究含固率和接種比對(duì)厭氧消化特性的影響并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以期優(yōu)化豬糞中溫厭氧消化工藝參數(shù)，為豬場(chǎng)沼氣工程控制參數(shù)選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用新鮮豬糞取自北京市順義區(qū)某規(guī)模化豬場(chǎng)，送回實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)豬糞基本特性進(jìn)行檢測(cè)，剩余材料保存在4℃恒溫冰箱中備用。接種污泥取自該豬場(chǎng)常年正常運(yùn)行的中溫沼氣工程發(fā)酵罐。接種污泥取回后，37±0.5℃下中溫培養(yǎng)，利用 AMPTSII的產(chǎn)氣體積監(jiān)測(cè)單元觀察產(chǎn)氣情況，培養(yǎng)一周后至不再產(chǎn)氣以減小背景產(chǎn)甲烷量，將其用作試驗(yàn)接種物。豬糞和接種污泥的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)豬糞及接種污泥特性Table 1 Characteristics of swine manure and inoculated sludge used in the experiment

1.2 試驗(yàn)裝置

全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（AMPTSII，Bioprocess Control AB，瑞典）由樣品消化單元、CO2固定單元和氣體體積測(cè)定單元3部分組成（圖1）。樣品消化單元包括15個(gè)500mL玻璃發(fā)酵瓶，有效容積為400mL，用恒溫水浴鍋對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行控制。CO2固定單元包括15個(gè)100mL小玻璃瓶，每個(gè)小瓶可裝入一定量堿性溶液，以吸收厭氧消化單元產(chǎn)生的CO2、H2S等酸性氣體，僅使CH4通過(guò)該單元。由于本試驗(yàn)中氣體成分利用氣相色譜法測(cè)定，不需要用CO2固定單元吸收氣體，所以小玻璃瓶?jī)?nèi)不裝溶液，僅起緩沖作用。氣體體積測(cè)定單元根據(jù)液體位移與浮力原理設(shè)計(jì)，用于記錄、顯示和分析結(jié)果。

圖1 甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（AMPTSII）裝置圖Fig. 1 Automatic methane potential test system（AMPTSII）

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行

試驗(yàn)設(shè)置3種TS濃度4%、6%、8%和3種接種比rI/S（接種污泥VS:豬糞VS）1.5、2.0、3.0。

如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的總固體濃度和接種比，分別在不同發(fā)酵瓶中加入對(duì)應(yīng)含量的豬糞和接種污泥，用去離子水補(bǔ)充至400mL，用離子水與接種污泥混合液作空白處理，即CK處理。每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。物料裝進(jìn)反應(yīng)瓶后將瓶口用橡膠塞封住，連接機(jī)械攪拌，并將試驗(yàn)各單元用聚乙烯軟管連接。反應(yīng)溫度控制在37±0.5℃。試驗(yàn)開(kāi)始前，通氮?dú)?min以除去液面上方空氣，制造厭氧環(huán)境。每間隔1h攪拌一次，每次攪拌時(shí)長(zhǎng)為5 min。本試驗(yàn)意在探究含固率和接種比對(duì)豬糞中溫厭氧消化的影響，因此選擇在第21天停止試驗(yàn)，此時(shí)，不同含固率和接種比對(duì)整個(gè)體系產(chǎn)氣特性的影響已經(jīng)顯現(xiàn)。

表2 試驗(yàn)工況表Table 2 Experimental conditions

1.4 樣品測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 檢測(cè)樣品和方法

總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）分別采用烘干法和灼燒減重法測(cè)定[10]，測(cè)定溫度分別為 105℃和550℃；pH用數(shù)字pH計(jì)測(cè)定；化學(xué)需氧量( CODcr) 采用 HACHCOD快速測(cè)定方法測(cè)定；生物需氧量( BOD5)利用OxiTop IS6 ( WTW，Germany) 測(cè)定；豬糞C、H、O、N含量用元素分析儀（PE-2400II）測(cè)定；氣體成分用HP6890氣相色譜儀測(cè)定；VFA利用GC-14B氣相色譜儀(SHIMADZU, Japan)測(cè)定；氨氮利用蒸餾滴定法測(cè)定[11]；沼氣總產(chǎn)氣量及日產(chǎn)氣量由AMPTSII的氣體體積測(cè)定單元記錄。

1.4.2 采樣及數(shù)據(jù)處理

為避免試驗(yàn)初始通入氮?dú)鈱?duì)發(fā)酵瓶?jī)?nèi)沼氣成分檢測(cè)結(jié)果的影響，從第 2天開(kāi)始，每天定時(shí)對(duì)各反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣采5mL樣品，利用氣相色譜檢測(cè)樣本中的氣體成分（CH4、CO2、N2O）。每?jī)商鞆陌l(fā)酵瓶中取液體樣5mL，用于檢測(cè)pH、氨氮和揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）含量。同時(shí)，試驗(yàn)前和試驗(yàn)結(jié)束后采樣對(duì)發(fā)酵液特性進(jìn)行檢測(cè)。沼氣總產(chǎn)氣量及日產(chǎn)氣量由AMPTSII記錄。發(fā)酵瓶中沼氣總產(chǎn)氣量減去CK處理的沼氣產(chǎn)量即為豬糞厭氧消化的實(shí)際沼氣產(chǎn)量。根據(jù)獲得的沼氣日產(chǎn)量及甲烷濃度計(jì)算甲烷產(chǎn)量，減去CK處理的甲烷產(chǎn)量獲得日凈甲烷產(chǎn)量，將日凈甲烷產(chǎn)量逐天累加再除以發(fā)酵瓶中添加豬糞的VS量即為豬糞的單位累積甲烷產(chǎn)量。

所有數(shù)據(jù)均取重復(fù)試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)據(jù)計(jì)算處理用Excel 2016進(jìn)行，圖表制作利用SigmaPlot 12.5。利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和修正的Gompertz模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 含固率和接種比對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響

由圖 2可見(jiàn)，不同含固率和接種比下各處理日沼氣產(chǎn)量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為試驗(yàn)開(kāi)始后產(chǎn)氣量逐漸增加，至達(dá)到峰值后又逐漸減少的過(guò)程。由表 3可知，日最大產(chǎn)沼氣速率在 62.2～105.4mL·g-1VS·d-1。產(chǎn)氣量呈現(xiàn)隨接種比增加而降低，隨含固率增加而增加的趨勢(shì)，主要是由于接種比增加和含固率降低使底物VS含量下降而引起。在接種比相同的條件下，TS=4%時(shí)，累積沼氣產(chǎn)量最小，且從第8天開(kāi)始日產(chǎn)氣量小于20mL·d-1，產(chǎn)氣接近停止，這是由于在相同接種比情況下TS=4%總固體含量最低，在厭氧微生物活躍的條件下很快完全降解。TS=6%、8%時(shí)，因總固體含量相對(duì)較高，第1日沼氣產(chǎn)量迅速升高，圖2顯示，第5天開(kāi)始，日產(chǎn)氣量迅速下降，第 15-20天才能達(dá)到日產(chǎn)氣量小于20mL·d-1，完成降解的時(shí)間較TS=4%時(shí)要長(zhǎng)。表3顯示，rI/S=2.0、3.0時(shí)，累積沼氣隨含固率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。且所有處理中在TS=6%，rI/S=3.0時(shí)獲得最大沼氣產(chǎn)率，為469.1mL·g-1VS，且顯著高于其它各處理（P＜0.05）。其它各處理的單位底物累積沼氣產(chǎn)量在329.7～465.8 mL·g-1VS。在接種比相同的條件下，隨著含固率的提高，日最大產(chǎn)沼氣速率先增加后減小，且出現(xiàn)時(shí)間略滯后。

表3 試驗(yàn)期間各處理組單位底物的沼氣產(chǎn)出量比較Table 3 Comparison of daily biogas production per substrate during the whole operation time

圖2 日沼氣產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化過(guò)程Fig. 2 Variation of daily biogas production with the operation days

含固率一定時(shí)，3個(gè)處理T1、T2、T3分別在第3、2、2天時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，為80.32、75.07、77.55 mL·g-1VS·d-1；T4、T5、T6分別在第3、3、2天時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，為80.69、94.68、105.41mL·g-1VS·d-1；T7、T8、T9分別在第4、3、1天時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，為62.18、66.52、75.44mL·g-1VS·d-1，同樣，在TS=6%，rI/S=3.0時(shí)獲得最大峰值，且顯著高于其它各處理（P ＜0.05）?？梢?jiàn)，隨著接種比rI/S的提高，沼氣日產(chǎn)氣量峰值逐漸提高，產(chǎn)氣峰值到達(dá)時(shí)間提前。綜上可見(jiàn)，提高厭氧發(fā)酵接種比，有利于產(chǎn)氣峰值提前出現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算可知，各處理組中累積沼氣產(chǎn)量達(dá)到總沼氣產(chǎn)量的90%所用時(shí)間為6～12d，且總沼氣產(chǎn)量隨著接種比的提高，含固率的降低而減小。而累積沼氣產(chǎn)量達(dá)到總沼氣產(chǎn)量的 90%所用時(shí)間通常被認(rèn)為是工程發(fā)酵時(shí)間，可見(jiàn)，一定程度上，隨著接種比例的提高，含固率的降低，可以降低發(fā)酵的實(shí)際周期。

2.2 含固率和接種比對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

圖 3描述了中溫條件下豬糞在不同含固率和接種比下累積甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。在產(chǎn)甲烷穩(wěn)定期，各處理組沼氣中甲烷含量在 50%～75%。從圖3可以看出，接種比一定時(shí)，累積甲烷產(chǎn)量隨含固率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而在含固率一定時(shí)，累積甲烷產(chǎn)量隨接種比的增加而增加，豬糞厭氧發(fā)酵需要有充足的接種物，這與Lawal等研究結(jié)果一致[12-13]。在TS=6%，rI/S=3.0時(shí)甲烷產(chǎn)量最大，為 333.2mL·g-1VS，且顯著高于其它各處理（P＜0.05）。

根據(jù)不同處理下的累積甲烷產(chǎn)量，計(jì)算其平均值I，由I值計(jì)算同一影響因素不同處理水平時(shí)最大累積凈產(chǎn)甲烷量變化的極值R，用以表征該影響因素的變化給最大累積凈產(chǎn)甲烷量帶來(lái)變化的大小[14]。經(jīng)計(jì)算，TS=4%、6%、8%不同含固率下其平均值I分別為260.55、307.97、276.22mL·g-1VS，rI/S=1.5、2.0、3.0不同接種比下其平均值I分別為268.94、282.41、293.40mL·g-1VS，可見(jiàn)，TS=6%，rI/S=3.0時(shí)為最優(yōu)處理。僅考慮含固率影響時(shí)，各處理累積甲烷產(chǎn)量則表現(xiàn)為I6%＞I8%＞I4%，即體系產(chǎn)甲烷能力隨含固率的升高先增加后減??；僅考慮接種比時(shí)，I3.0＞I2.0＞I1.5，即體系產(chǎn)甲烷能力隨接種比增加而增大。僅考慮含固率影響時(shí)，計(jì)算得到R1=24.16，僅考慮接種比影響時(shí)，計(jì)算得到R2=12.25，R1＞R2，表明含固率對(duì)累積甲烷產(chǎn)量的影響力大于接種比。

對(duì)豬糞進(jìn)行元素分析得到C、H、O、N四種元素含量，根據(jù)元素分析結(jié)果可知豬糞的化學(xué)組成為C117H210O98N13S1。通過(guò)Buswell[15]熱力學(xué)公式計(jì)算的豬糞理論甲烷產(chǎn)量為449.1mL·g-1VS。經(jīng)過(guò)21d的厭氧消化，本研究中豬糞在各處理下的甲烷產(chǎn)量在259.4～333.2mL·g-1VS，比計(jì)算值偏低。這是由于豬糞中一些可揮發(fā)性有機(jī)物實(shí)質(zhì)上是微生物難以降解的有機(jī)化合物，微生物對(duì)其利用效率比較低所致[16]。同時(shí)，發(fā)酵過(guò)程中對(duì)發(fā)酵瓶中混合物取樣也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣量減少。

圖3 累積甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線Fig. 3 Variation of accumulated methane yields with the operation time

2.3 含固率和接種比對(duì)厭氧發(fā)酵液特性的影響

發(fā)酵結(jié)束后，測(cè)定各處理組發(fā)酵液的pH值及氨氮（NH4+-N）含量，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后，各處理組發(fā)酵液的pH都有所升高，但均處于厭氧微生物生長(zhǎng)的適宜范圍內(nèi)。發(fā)酵液中氨氮濃度在接種比一定時(shí)，隨著含固率的增加而增加。McCarthy等[17]指出，在中溫條件下，氨氮對(duì)厭氧消化過(guò)程的抑制濃度為 3000mg·L-1，本研究中各處理組均未達(dá)到引起氨氮抑制的閾值，這表明本研究中豬糞厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本不會(huì)產(chǎn)生氨氮抑制現(xiàn)象。所有處理組中豬糞厭氧發(fā)酵對(duì)TS、VS都有一定去除作用，且去除率隨含固率及接種比的升高而降低。

表4 不同處理組豬糞厭氧發(fā)酵前混合底物和發(fā)酵后沼液的特性Table 4 The characteristics of the mixture of influent and effluent in anaerobic digestion of swine manure

2.4 含固率和接種比對(duì)豬糞厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力的影響及其動(dòng)力學(xué)分析

利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和修正的 Gompertz模型[18-19]分別對(duì)甲烷產(chǎn)出過(guò)程進(jìn)行曲線擬合，確定不同處理?xiàng)l件下甲烷產(chǎn)出過(guò)程的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，模擬發(fā)酵的動(dòng)態(tài)過(guò)程，判斷發(fā)酵的遲滯期以及定量分析發(fā)酵底物的產(chǎn)甲烷潛能。

一級(jí)的動(dòng)力學(xué)模型為

式中，M(t)為t時(shí)刻的甲烷累積產(chǎn)量(mL·g-1VS)；Mmax為最終產(chǎn)甲烷潛力(mL·g-1VS)；t為試驗(yàn)時(shí)間（d）；k為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

修正的Gompertz模型為

式中，M (t)為t時(shí)刻的甲烷累積產(chǎn)量(mL·g-1VS)；Mmax為最終產(chǎn)甲烷潛力(mL·g-1VS)；Rmax為最大產(chǎn)甲烷速率(mL·g-1VS·d-1)；λ為遲滯期(d)；t為發(fā)酵時(shí)間（d）；e為常數(shù)（2.7183）。

First-order方程是較基礎(chǔ)的甲烷產(chǎn)氣曲線擬合方程，由一級(jí)反應(yīng)速率微分方程變化而來(lái)，可用于擬合常規(guī)甲烷產(chǎn)氣曲線（曲線無(wú)長(zhǎng)遲緩期、無(wú)階梯型波動(dòng)、無(wú)下降），參數(shù)擬合結(jié)果為M(t)與一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k。該模型具有形式簡(jiǎn)單、易計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于復(fù)雜曲線擬合表現(xiàn)差、擬合結(jié)果精確度低。Gompertz方程更為復(fù)雜，可以對(duì)有輕微波動(dòng)、下降以及有遲緩期的產(chǎn)氣曲線進(jìn)行擬合，參數(shù)擬合結(jié)果為產(chǎn)氣速率Rm、遲滯時(shí)間λ和M(t)。

圖4為9個(gè)處理組豬糞厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)甲烷曲線，包括用經(jīng)典的 First-order模型，以及修正的Gompertz模型對(duì)各發(fā)酵物料的累積產(chǎn)甲烷曲線的擬合曲線。從圖中可以看出，F(xiàn)irst-order模型對(duì)豬糞產(chǎn)氣曲線的擬合精度要高于Gompertz模型。

兩種模型給出的擬合結(jié)果如表 5所示。由表可見(jiàn)，兩種模型對(duì)于不同處理組下的產(chǎn)甲烷過(guò)程擬合的決定系數(shù)（R2）均大于0.9，說(shuō)明兩種模型均能較好地反映各處理組豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷規(guī)律。但First-order方程的R2大于Gompertz模型，表明First-order方程對(duì)產(chǎn)氣曲線擬合的精度更高。兩種模型對(duì)各處理組的最終產(chǎn)甲烷潛力（biochemical methane potential, BMP）擬合值隨接種比例的增加而增加，隨含固率的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，兩組擬合值均在TS=6%，rI/S=3.0時(shí)取得最大值，分別為 328.6mL·g-1VS 和318.6mL·g-1VS。由表還可見(jiàn)，各處理產(chǎn)甲烷速率隨含固率的增加而降低。

圖4 各處理組實(shí)測(cè)累積產(chǎn)甲烷曲線及First-order、修正的Gompertz模型擬合的累積產(chǎn)甲烷曲線Fig. 4 Accumulated methane yields curves obtained from experiment and fitted by First-order and Gompertz model

表5 First-order和修正的Gompertz修正方程的模擬參數(shù)Table 5 The model parameters of the first-order kinetic model and modified Gompertz model

3 結(jié)論與討論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，含固率和接種比對(duì)豬糞厭氧消化產(chǎn)氣特性影響較大，含固率過(guò)低，則產(chǎn)氣速率越低，不利于沼氣生產(chǎn)；含固率越高，易導(dǎo)致產(chǎn)甲烷抑制現(xiàn)象出現(xiàn)，同樣不利于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。而接種比越高，體系消耗VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）的能力增強(qiáng)，能更快解除抑制，使反應(yīng)得以順利進(jìn)行。含固率和接種比均為影響厭氧消化的關(guān)鍵參數(shù)，并且交互影響整個(gè)厭氧消化過(guò)程。本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，接種比越高產(chǎn)甲烷能力越強(qiáng)，而隨著含固率的提高，產(chǎn)甲烷能力先增大后減小，在TS=6%，rI/S=3.0時(shí)獲得最大累積甲烷產(chǎn)量為333.2 mL·g-1VS，并且顯著高于其它各處理組（P<0.05）。陳欣等[20]研究了固體濃度對(duì)豬糞厭氧消化甲烷產(chǎn)出特性的影響，同樣在TS=6%時(shí)獲得最大甲烷產(chǎn)率，這與本研究結(jié)果相一致。同時(shí)，提高接種比，使沼氣日產(chǎn)氣量峰值逐漸增大，產(chǎn)氣峰值到達(dá)時(shí)間提前。因此，在一定范圍內(nèi)，提高接種比例，可以降低發(fā)酵的實(shí)際周期。

在本試驗(yàn)中，接種比一定時(shí)，累積甲烷產(chǎn)量隨含固率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而在含固率一定時(shí)，累積甲烷產(chǎn)量隨接種比的增加而增加。通過(guò)計(jì)算可知，含固率對(duì)產(chǎn)甲烷能力的影響大于接種比，原因在于含固率能同時(shí)影響厭氧消化過(guò)程中氨氮和VFAs的含量，因而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力的影響更大。也有研究證明，在相同接種比例下，接種物類型不同，其反應(yīng)啟動(dòng)速度、有機(jī)物降解率及產(chǎn)氣量也有顯著差異[21-22]，因此本試驗(yàn)結(jié)果還有一定局限性，下一步將作深入研究。

First-order模型較Gompertz模型能更好地模擬豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷規(guī)律，R2均在0.99以上。一定程度上，接種比例越大，含固率越高，F(xiàn)irst-order模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度越高。

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Effects of Total Solids Content and Inoculation Ratio on Anaerobic Digestion of Swine Manure

XU Wen-qian, DONG Hong-min, CHEN Yong-xing, SHANG Bin, TAO Xiu-ping, ZHANG Wan-qin
（Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation & Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081，China）

In order to investigate the effects of different total solids content（4%, 6%, 8%）and inoculation ratio （rI/S=1.5, 2.0, 3.0）on the mesophilic anaerobic digestion of swine manure, batch experiments were conducted using the Automatic Methane Potential Test System. Results showed that total solids content and inoculation ratio had a significant effect on daily and accumulated biogas production, and total solids content played a much more role than inoculation ratio. On the basis of the experimental parameters, the cumulative methane yield increases with the increase of the inoculation ratio, while with the increase of total solids content decreases after increasing first. The highest cumulative biogas yield and methane yield (469.1mL·g-1VS and 333.2mL·g-1VS) was achieved with total solids content of 6% and rI/Sof 3.0. In addition, the kinetic model shows that the lower total solids content and the higher inoculation ratio increased the average daily methane production rate and shortened the lag phase of methanogenesis. The first-order kinetic model showed a better fit to the experimental results than the modified Gompertz model, and to a certain extent, the fit accuracy was improved with the increase in total solids content and inoculum rate.

Swine manure; Anaerobic digestion; Total solids content; Biochemical methane potential; Inoculation ratio; Kinetic

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2016-12-20**

。E-mail：taoxiuping@caas.cn

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”計(jì)劃（2012CB417104）；農(nóng)業(yè)部948項(xiàng)目（2016-X50）

徐文倩（1989-），女，碩士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程。E-mail:xuwenqian0505@126.com