盧玢宇， 裴占江， 史風(fēng)梅， 徐紅濤， 高亞冰， 左 辛， 王 粟， 劉 杰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站， 哈爾濱 150086； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江省秸稈能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150086)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到快速發(fā)展，已成為世界第一養(yǎng)豬大國(guó)[1]。2015年，僅黑龍江省出欄生豬已達(dá)到1863余萬(wàn)頭，產(chǎn)生的糞污超過(guò)8000萬(wàn)噸[2]。這些糞污對(duì)周邊環(huán)境的污染已成為突出的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅到我們的生存環(huán)境。如何科學(xué)有效地處理豬場(chǎng)糞污，不僅使其變廢為寶，還能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全社會(huì)關(guān)注的主要問(wèn)題[3-4]。

沼氣發(fā)酵是豬場(chǎng)處理糞污的主要途徑之一，沼氣發(fā)酵不僅能夠消除由此帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的能源轉(zhuǎn)換，達(dá)到回收生物氣體的目的。影響沼氣發(fā)酵的因素很多，其中發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率最重要的指標(biāo)之一[5-7]，發(fā)酵溫度升高，能夠加速沼氣發(fā)酵的進(jìn)行，但同時(shí)需要維持較高的發(fā)酵溫度所要消耗的能量也大大提升；總固體濃度(TS)也是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率的主要因素，TS越高，反應(yīng)器體積利用率越高，但TS太高則會(huì)造成揮發(fā)酸、氨氮等中間產(chǎn)物的不斷積累[8-9]，改變甲烷菌適宜的發(fā)酵環(huán)境，從而導(dǎo)致沼氣發(fā)酵工藝產(chǎn)氣不穩(wěn)定，甚至失敗[4]，另一方面進(jìn)料TS過(guò)高也會(huì)給進(jìn)出料和混合攪拌操作帶來(lái)一定的困難[10]。機(jī)械攪拌是利用攪拌槳的旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)液體的流動(dòng)，將攪拌槳的機(jī)械能傳遞給流體。M.Halalsheh 等人研究了攪拌速度和水力停留時(shí)間對(duì)下水污泥低溫(15℃)厭氧發(fā)酵的影響，得出了提高攪拌速度可以增大活性污泥表面積、加快污泥發(fā)酵的結(jié)論[11]。Hoffinan[12]等人的研究表明，在牛糞的厭氧發(fā)酵過(guò)程中，隨著攪拌速度由50 rpm提高到1000 rpm，反應(yīng)的產(chǎn)氣量并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但體系內(nèi)產(chǎn)甲烷鬃毛菌和甲烷八疊球菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系發(fā)生了變化。由此，反應(yīng)器內(nèi)的攪拌行為會(huì)對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生影響，但是，也有學(xué)者[13]認(rèn)為在TS較低時(shí)，混合攪拌對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程的影響不大。因此，本研究選取發(fā)酵發(fā)酵溫度、TS和攪拌轉(zhuǎn)速3個(gè)因素，利用中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)(Box-Benhnken Design)對(duì)以豬糞為底物的沼氣發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響過(guò)程進(jìn)行考察，運(yùn)用響應(yīng)面法對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為豬糞為底物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮豬糞取自黑龍江省哈爾濱市某養(yǎng)殖場(chǎng)，采集后立即保存在4℃條件下并于3天之內(nèi)完成物化分析與接種。接種的活性污泥取自黑龍江省哈爾濱市良大實(shí)業(yè)有限公司大型沼氣發(fā)酵工程長(zhǎng)期培養(yǎng)馴化的沼氣發(fā)酵污泥罐，于取回的污泥中添加少量微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，室溫活化3天后使用。試驗(yàn)材料的基本物化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

沼氣發(fā)酵裝置如圖1所示。沼氣發(fā)酵罐為玻璃廣口瓶，有效容積為500 mL，另1個(gè)廣口瓶為排飽和食鹽水集氣裝置，量筒作為集飽和食鹽水裝置，三者由密閉性良好的膠皮軟管連接，所有接口用石蠟密封，采用間歇式機(jī)械攪拌，轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料基本物化性質(zhì) (%)

A.恒溫水浴鍋； B.集氣瓶； C.計(jì)量瓶； D.發(fā)酵瓶； E.標(biāo)線； F.攪拌棒圖1 沼氣發(fā)酵裝置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Box-Behnken中心組合進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)[14-15]，選取發(fā)酵溫度(℃)，TS (%)，攪拌轉(zhuǎn)速(r·min-1)3種豬糞沼氣發(fā)酵影響因素作為自變量，分別以X1，X2，X3表示，以-1，0，1分別表示3個(gè)自變量的低中高3種水平，以原料產(chǎn)氣率為響應(yīng)值y，3種自變量通過(guò)公式(1)進(jìn)行編碼，因變量y采用最小二乘法擬合的二次多項(xiàng)式公式(2)進(jìn)行預(yù)測(cè)自變量與因變量之間的關(guān)系，最后應(yīng)用Design-Express 8.0軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。中心組合試驗(yàn)自變量因素和水平編碼如表2所示。

(1)

式中：yi為第i個(gè)自變量的編碼值；Xi為此自變量的真實(shí)值；X0為此自變量的中心值；△x為此自變量變化的步長(zhǎng)。

(2)

式中：Y為預(yù)測(cè)的響應(yīng)值；A0為常數(shù)；Ai為第i個(gè)線性相關(guān)系數(shù)；Aii為平方項(xiàng)相關(guān)系數(shù)；Aij為第ij項(xiàng)交互項(xiàng)相關(guān)系數(shù)；Xi與Xj為輸入自變量的相關(guān)系數(shù)。

表2 中心組合試驗(yàn)自變量因素和水平編碼

1.4 試驗(yàn)方法

沼氣發(fā)酵體系按3.0 %，5.0 %和7.0 %這 3 種不同固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別稱取適量豬糞和接種物于消化瓶中，用去離子水調(diào)節(jié)使其總體積為400 mL，另設(shè)只有接種物不添加豬糞的試驗(yàn)組為對(duì)照。在消化瓶中充入氮?dú)?，保證厭氧條件，充分震蕩混勻。每組試驗(yàn)和對(duì)照設(shè)3個(gè)重復(fù)，置于不同溫度的水浴槽內(nèi)進(jìn)行沼氣發(fā)酵，發(fā)酵周期設(shè)定為45 d。

1.5 測(cè)定方法

總固體含量TS 采用烘干法測(cè)定[16]；揮發(fā)性固體含量(VS) 采用灼燒法測(cè)定[17]；總氮(TN) 采用凱氏定氮儀法[18]測(cè)定；總碳(TC) 采用重鉻酸鉀氧化法[19]測(cè)定，沼氣產(chǎn)量采用排水法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

Box-Behnken試驗(yàn)各因素組合及其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)各因素組合及其試驗(yàn)結(jié)果

利用Design-Express 8.0.6軟件中Box-Behnken模型分析，對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到編碼空間內(nèi)的多元二次方程，見(jiàn)方程(3)：

(3)

對(duì)該方程進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 反應(yīng)曲面回歸模型方差分析

方程中自變量系數(shù)絕對(duì)值大小直接反映各因素對(duì)因變量的影響程度，系數(shù)的正、負(fù)值反映影響的方向[20-21]。由此可見(jiàn)，該方程的二此項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，推斷方程代表的拋物面開(kāi)口向下，具有極大值點(diǎn)，因此可以進(jìn)行優(yōu)化分析。同時(shí)對(duì)得出的回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示：模型的一次項(xiàng)x1(p<0.01)和x2(p<0.01)差異極顯著；x1x2，x1x3和x2x3交互項(xiàng)不顯著；二次項(xiàng)x1(p<0.01 )和x2(p<0.01)極顯著，表明各影響因素對(duì)原料產(chǎn)氣率的影響并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖2 沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值

2.2 不同因素對(duì)沼氣發(fā)酵工藝的影響

2.2.1 單因素對(duì)原料產(chǎn)氣率的效應(yīng)分析

為了分析單一因素對(duì)原料產(chǎn)氣率的影響，通過(guò)降維分析，可以把多元問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一元問(wèn)題，即把模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到單因素與原料產(chǎn)氣率的一元回歸模型[22-23]。圖3為在其他因素設(shè)定在0水平時(shí)，得到另一變化因素的一維模型曲線，由圖可知，3個(gè)因素均呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中發(fā)酵溫度變化幅度最大，其次是TS和攪拌轉(zhuǎn)速，說(shuō)明在試驗(yàn)設(shè)定的條件范圍內(nèi)，發(fā)酵溫度在25℃～45℃和TS在3%～7%范圍內(nèi)，對(duì)原料產(chǎn)氣率的影響波動(dòng)較大，而攪拌轉(zhuǎn)速在50 r·min-1～150 r·min-1范圍內(nèi)累積產(chǎn)氣量的波動(dòng)較小。由此說(shuō)明對(duì)原料產(chǎn)氣率的結(jié)果影響較大的依次是發(fā)酵溫度、TS和攪拌轉(zhuǎn)速，這與方差分析的結(jié)果是一致的。

圖3 單因素水平下原料產(chǎn)氣率的變化

圖4 基于發(fā)酵溫度和TS的累積產(chǎn)氣量響應(yīng)曲面

圖5 基于發(fā)酵溫度和TS的累積產(chǎn)氣量等高線圖

2.2.2 因素交互作用對(duì)原料產(chǎn)氣率的效應(yīng)分析

根據(jù)回歸方程得出的不同因子響應(yīng)面分析及相應(yīng)等值線圖，可直觀看出各因素交互作用對(duì)沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響，如果曲線弧度越大，表明該因素對(duì)原料產(chǎn)氣率的影響越大，相應(yīng)表現(xiàn)為響應(yīng)值變化的大小[21-22]。圖4和圖5為發(fā)酵溫度與TS兩者交互對(duì)沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響。由圖4可知，原料產(chǎn)氣率隨著發(fā)酵溫度和TS的升高呈現(xiàn)逐漸增大，達(dá)到最大值后，呈緩慢下降的趨勢(shì)。結(jié)合圖5，當(dāng)處理發(fā)酵溫度處于35℃左右，TS約為4%～5%時(shí)，其沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率可達(dá)187.50 m3·kg-1TS。

在TS處于固定值時(shí)，發(fā)酵溫度與攪拌轉(zhuǎn)速兩者交互對(duì)沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣率的影響如圖6和圖7所示。

圖6 基于發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量響應(yīng)曲面

圖7 基于發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量等值線圖

由圖6可知，累積產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)逐漸增大，達(dá)到最大值后，呈逐漸下降的趨勢(shì)。結(jié)合圖7，在發(fā)酵溫度固定時(shí)，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，累積產(chǎn)氣量的變化不大；在攪拌轉(zhuǎn)速固定時(shí)，累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵溫度的升高而增大，達(dá)到最大值后，累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵溫度的升高而降低，變化較大，說(shuō)明發(fā)酵溫度對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響大于攪拌轉(zhuǎn)速。保持另外一個(gè)變量為固定值，對(duì)響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)酵溫度為28.4℃，攪拌轉(zhuǎn)速為150 r·min-1時(shí)，此時(shí)原料產(chǎn)氣率最大為139.78 m3·kg-1TS。

在發(fā)酵溫度處于固定條件時(shí)，TS與攪拌轉(zhuǎn)速兩者交互對(duì)沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)氣量的影響如圖8和圖9所示。

由圖8可知，累積產(chǎn)氣量隨著TS和攪拌轉(zhuǎn)速的增加呈緩慢的先升高后逐漸降低狀態(tài)。結(jié)合圖9，在TS固定時(shí)，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，累積產(chǎn)氣量的變化不大；在攪拌轉(zhuǎn)速固定時(shí)，累積產(chǎn)氣量隨TS的升高而增大，達(dá)到最大值后，累積產(chǎn)氣量隨TS的升高而降低，變化較大，說(shuō)明TS對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響大于攪拌轉(zhuǎn)速。保持另外一個(gè)變量為固定值，對(duì)響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)TS為5.8%，攪拌轉(zhuǎn)速為150 r·min-1時(shí)，此時(shí)原料產(chǎn)氣率最大，可達(dá)140.44 m3·kg-1TS。

圖8 基于TS和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量響應(yīng)曲面

圖9 基于TS和攪拌轉(zhuǎn)速的累積產(chǎn)氣量等值線圖

2.3 模型優(yōu)化

通過(guò)模型優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝條件，即TS為5.8%，發(fā)酵溫度為29℃，攪拌轉(zhuǎn)速為92 r·min-1，為了驗(yàn)證上述優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性與可靠性，在上述最優(yōu)的條件下進(jìn)行沼氣發(fā)酵驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值為154.83 m3·kg-1TS，與預(yù)測(cè)值160.09 m3·kg-1TS的相對(duì)誤差為3.21%，在允許范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)由響應(yīng)面法所得模型能夠很好地優(yōu)化沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)。

3 討論

試驗(yàn)基于響應(yīng)面法依靠Design-Express 8.0.6軟件對(duì)不同的發(fā)酵溫度，TS，和攪拌轉(zhuǎn)速的不同對(duì)沼氣發(fā)酵系統(tǒng)沼氣產(chǎn)率進(jìn)行優(yōu)化研究，得到了相關(guān)多元二次模型，并通過(guò)模型對(duì)不同影響因素進(jìn)行擬合，確定各響應(yīng)變量之間的交互關(guān)系，并最終通過(guò)優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了響應(yīng)面法在沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化上的可行性，這與丁琨[16]等進(jìn)行的糞秸混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的產(chǎn)氣率為288.5 mL·g-1TS，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)偏差為1.14%，即該分析方法可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)際的沼氣產(chǎn)率這一研究結(jié)果是一致的。雖然本研究的沼氣產(chǎn)率明顯低于丁琨[16]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但這可能是由于底物及底物濃度不同造成的，具體原因還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

通過(guò)試驗(yàn)及響應(yīng)面法分析發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)的3種沼氣發(fā)酵影響因素中，影響程度由高到低為發(fā)酵溫度>TS>攪拌轉(zhuǎn)速。通過(guò)兩兩交互分析，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)攪拌轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的累積產(chǎn)氣量在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著發(fā)酵溫度以及TS 的升高而升高，說(shuō)明沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中適宜發(fā)酵溫度與TS的高低對(duì)維持沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證沼氣發(fā)酵的高效運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用。但是本試驗(yàn)僅進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室小容量批次試驗(yàn)，在大型的沼氣工程中各因素對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響是否與本試驗(yàn)得出的結(jié)論一致，需要通過(guò)連續(xù)沼氣工程進(jìn)行擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)。而在大型沼氣工程運(yùn)行過(guò)程中各影響因素對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響是否能夠應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化也值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文采用響應(yīng)面分析方法對(duì)沼氣發(fā)酵的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：發(fā)酵溫度和TS是影響豬糞為底物的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效果的重要因素。證明用響應(yīng)面分析發(fā)酵溫度，TS和攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)沼氣發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量的優(yōu)化條件是可行可靠的，篩選出3者共同的最佳條件是發(fā)酵溫度為29 ℃，TS為5.8 %，攪拌轉(zhuǎn)速為92 r·min-1，該條件下沼氣發(fā)酵的產(chǎn)率為154.83 m3·kg-1TS 。