曾 靜， 尹 芳， 張無敵， 吳 凱， 王昌梅， 柳 靜， 趙興玲， 楊 紅

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

隨著我國居民對奶制品需求的增加，奶牛存欄量也在隨之增加。至2019年，我國奶牛存欄量為742萬頭，相應(yīng)奶牛排糞量約20萬t?？梢?，每年奶牛排糞量巨大，對其進行減量化、資源化、無害化處理顯得尤為必要。厭氧消化工藝因其可以對糞便進行資源化利用，并產(chǎn)生沼氣等可再生能源的特點被廣泛應(yīng)用。

厭氧消化分為厭氧濕發(fā)酵還有厭氧干發(fā)酵兩種，厭氧濕發(fā)酵是指總發(fā)酵濃度在10%以下的發(fā)酵方式，而厭氧干發(fā)酵一般是指發(fā)酵濃度高于20%的一種高濃度的厭氧消化方式[1]。 與濕發(fā)酵相比，厭氧干發(fā)酵具有耗水量小，沼液沼渣量少且營養(yǎng)物濃度高等多重優(yōu)點[2]，但同時厭氧干發(fā)酵在啟動和運行時也會遇到一些難題，比如因發(fā)酵濃度過高使得VFAs積累導(dǎo)致系統(tǒng)酸化，或發(fā)酵啟動慢，產(chǎn)氣不穩(wěn)定等[3]。

為了避免酸積累在厭氧干發(fā)酵處理固體廢棄物過程中的影響，外源添加劑近幾年被廣泛應(yīng)用于厭氧干發(fā)酵進行研究，探討添加劑對發(fā)酵過程中酸積累的影響。李丹妮[4]等探究3種添加劑對豬糞厭氧干發(fā)酵的影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物炭和蛭石的發(fā)酵體系中總揮發(fā)性有機酸(TVFAs)在第25天以后快速下降，隨著添加量增加，降低幅度也越大；海泡石作用并不明顯，然而相比不添加組，添加生物炭使得厭氧發(fā)酵遲滯期縮短30%～83%；在10%的添加比例下，蛭石、海泡石和生物炭分別使得揮發(fā)性固體含量(VS)產(chǎn)氣率提高了98.97%，76.78%和93.06%；在20%的添加比例下，最大VS產(chǎn)甲烷速率分別為3.62 mL·g-1，2.87 mL·g-1和3.15 mL·g-1；3種添加劑均緩解了豬糞干發(fā)酵的酸化過程，提高了產(chǎn)甲烷率，但其中添加蛭石效果更佳。宋香育[5]等研究發(fā)現(xiàn)在豬糞干發(fā)酵中添加蛭石可以使得發(fā)酵啟動時間縮短，在發(fā)酵產(chǎn)氣高峰期時降低了厭氧干發(fā)酵中的VFAs積累，提高了產(chǎn)氣率，累計VS產(chǎn)甲烷量也比豬糞單獨發(fā)酵提高了23.9%。可見，蛭石作為一種吸附性較強、有良好的陽離子交換性等的一種添加劑能使發(fā)酵快速啟動，并抑制VFAs的積累從而提高產(chǎn)甲烷率，有很好的應(yīng)用前景。因此，本實驗以奶牛糞為原料，通過添加蛭石探究其對厭氧干發(fā)酵中酸積累及產(chǎn)氣效率的影響，為處理奶牛糞的實際沼氣工程提供理論參考價值。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料和接種物

奶牛糞取自云南省昆明市石林縣新希望雪蘭牧業(yè)有限公司，在開始發(fā)酵前先將牛糞進行自然風(fēng)干處理，風(fēng)干至所需含固量，據(jù)相關(guān)實驗和文獻報道，風(fēng)干后的奶牛糞不會對物質(zhì)造成顯著性影響[6]。接種物由本實驗室長期馴化的活性污泥為底物，并定量加入部分新鮮奶牛糞在37℃±1℃水浴條件下長時間恒溫馴化而得。奶牛糞以及接種物的基本物理性質(zhì)見表1。

表1 原料特性 (%)

1.1.2 添加劑

本實驗所用添加劑為蛭石，蛭石是片狀結(jié)構(gòu)的含鐵、鎂、水鋁硅酸鹽類礦物,具體礦物成分見表2。該蛭石于昆明斗南花卉市場某園藝店內(nèi)購買，規(guī)格為2～4 mm，如圖1所示。通過對蛭石的SEM電鏡掃描(見圖2～圖4)，可以看到蛭石在放大5000倍的條件下呈現(xiàn)雜亂的雪花片狀結(jié)構(gòu)，若放大到2萬倍條件下能看到蛭石成層板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有細小的間隔層。

表2 蛭石組分表 (%)

圖1 蛭石原圖

圖2 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖3 蛭石電鏡掃描(SEM)×5000

圖4 蛭石電鏡掃描(SEM)×20000

1.2 實驗裝置

實驗采用序批式實驗裝置，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、計量瓶、1套溫控設(shè)備和1套PVC軟管組成。在發(fā)酵瓶頂部設(shè)有取樣口和集氣瓶口設(shè)有取氣口。實驗裝置如圖5所示。

圖5 實驗裝置示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設(shè)計

查閱相關(guān)實驗報道可知，奶牛糞干發(fā)酵的最適宜總固體含量(TS)濃度為22%[7]。因此，本實驗在37℃±1℃下恒溫進行，發(fā)酵瓶發(fā)酵總體積均為200 mL，實驗組發(fā)酵總TS為22%，共設(shè)置3個實驗組、1個對照組和1個空白組，每組設(shè)置3個平行。3個實驗組分別為2%實驗組、5%實驗組和8%實驗組，2%實驗組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的2%；5%實驗組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的5%；8%實驗組中蛭石添加量為發(fā)酵總TS體積的8%。對照組只添加奶牛糞和接種物，空白組只添加接種物。具體設(shè)計見表3。

表3 37℃±1℃溫度時不同發(fā)酵濃度實驗設(shè)計配比

1.3.2 實驗測定指標與方法

通過每天測量排水量記錄每個處理的沼氣產(chǎn)量[8]；采用火焰顏色比色卡法[9]并結(jié)合福立GC9790II型氣相色譜儀測定各處理組的甲烷濃度和揮發(fā)性脂肪酸含量[10]；pH值、總固體含量(TS)和揮發(fā)性固體含量(VS)是根據(jù)我們實驗室以往所采用的方法測定的[11]；總凱氏氮(TKN)采用凱氏定氮法[12]進行測定；總磷(TP)采用鉬藍法進行測定[13]。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(GB9834-88)進行測定；電鏡掃描(SEM)使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，5 kV加速電壓，工作距離6.6 mm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析

使用Excel 2016軟件對實驗數(shù)據(jù)進行整理，繪圖使用Origin 2017軟件。使用SPSS 16.0軟件，采用單因素方差分析評估各處理間參數(shù)的差異，并且通過至少3個平行的實驗數(shù)據(jù)計算平均值和標準偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加量對厭氧干發(fā)酵甲烷含量的影響

所有實驗組和對照組實驗結(jié)果均已扣除空白組，下文同理。發(fā)酵實驗共進行了64 d，整理實驗數(shù)據(jù)后并繪制得到甲烷含量變化見圖6。從圖中可以看出，在不同蛭石添加量的實驗過程中，實驗快速啟動，發(fā)酵前4 d內(nèi)各組甲烷含量迅速上升，甲烷含量達到40%以上。期間各實驗組甲烷含量上升速率接近，0%組(對照組)略微突出，其原因可能是蛭石對厭氧干發(fā)酵前期的酸化過程產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致發(fā)酵體系酸化速度減緩，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸(VFA)未能及時被產(chǎn)甲烷菌利用。發(fā)酵至第10天以后，8%組的甲烷含量明顯高于其他幾組，甲烷含量最高達到65%，其余幾組的甲烷含量則保持在55%～60%浮動，此時各組的產(chǎn)甲烷菌均處于活躍狀態(tài)。當發(fā)酵進行至第25天～30天時，8%組甲烷含量出現(xiàn)下降趨勢，甲烷含量最低下降至55%，隨后又恢復(fù)。之后的30 d甲烷含量基本保持平穩(wěn)，直至發(fā)酵實驗結(jié)束。

圖6 發(fā)酵過程中甲烷含量變化

2.2 不同添加量對厭氧干發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量及甲烷量的影響

從圖7日產(chǎn)沼氣量及圖8日產(chǎn)甲烷量隨時間的變化中可以看出，在蛭石不同添加量的實驗過程中，由于各組甲烷含量(見圖6)相近，所以日產(chǎn)沼氣量變化曲線與日產(chǎn)甲烷量變化曲線規(guī)律也相接近。發(fā)酵前期各組日產(chǎn)甲烷量皆迅速上升，至第10天各組日產(chǎn)甲烷量均達到峰值，隨后產(chǎn)甲烷量開始有所下降。其中，在產(chǎn)氣高峰期時段，添加了蛭石的實驗組日產(chǎn)甲烷量都明顯高于對照組(在第12天時產(chǎn)甲烷最高組與最低組相差了100 mL)，說明蛭石能明顯的促進發(fā)酵產(chǎn)氣。從圖8可以看出，2%組和5%組的日產(chǎn)甲烷量均高于另外2個組，故可以大致確定出蛭石最佳添加量為2%～5%。

圖7 日產(chǎn)沼氣量隨時間的變化

圖8 日產(chǎn)甲烷量隨時間的變化

2.3 不同添加量對厭氧干發(fā)酵累計產(chǎn)甲烷量的影響

從圖9累計產(chǎn)甲烷量中可以看出，蛭石不同添加量的實驗過程中累計產(chǎn)甲烷曲線變化符合厭氧發(fā)酵規(guī)律，發(fā)酵前5 d處于發(fā)酵滯留期，還未開始大量產(chǎn)甲烷。從第7天開始，各組進入產(chǎn)甲烷階段開始快速產(chǎn)甲烷，但發(fā)酵初期各組累計產(chǎn)甲烷量差異并不大。第20天以后可以看出，2%組和5%組曲線明顯高于其余兩組，說明2%組和5%組產(chǎn)甲烷效果更好；至第30天以后可以看出，5%組累積產(chǎn)甲烷量曲線高于2%實驗組，說明當蛭石添加量為5%時，實驗產(chǎn)甲烷效果最佳。以最佳產(chǎn)甲烷組別5%組來判定，在實際工程上可將HRT定為第34天。從最終累計產(chǎn)甲烷量可以看出，5%組累計產(chǎn)甲烷(7125 mL)大于2%組(6685 mL)大于8%組(6297 mL)大于0%組(5887 mL)。計算后可得，基于發(fā)酵總TS的基礎(chǔ)上添加5%，2%，8%的蛭石，分別提高了奶牛糞厭氧干發(fā)酵21.03%，13.54%，6.95%的產(chǎn)甲烷量。

圖9 累計產(chǎn)甲烷量隨時間的變化

通過計算得到各組的TS和VS產(chǎn)甲烷量、平均甲烷含量如表4?？梢钥闯觯?%組VS產(chǎn)甲烷量最高，達到270 mL·g-1VS；而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達到58.71%。綜合考慮，在奶牛糞的厭氧干發(fā)酵實驗中，外源添加劑蛭石最適宜的添加量應(yīng)該保證在5%左右。

表4 不同蛭石添加量對厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷量的對比

2.4 不同添加量對發(fā)酵過程中有機酸變化的影響

從圖10可以看出，在發(fā)酵前期0%組的TVFAs快速上升。并結(jié)合日產(chǎn)甲烷量圖8發(fā)現(xiàn)，0%組的產(chǎn)甲烷高峰和TVFAs峰值都出現(xiàn)在第20天，此時TVFAs達到12.70 mg·g-1，略微抑制了產(chǎn)甲烷菌的作用，從而使得0%組產(chǎn)甲烷量低于其他幾組，不過并沒有因為酸積累嚴重而使得發(fā)酵失敗。后期隨著反應(yīng)的進行，生成的VFA被產(chǎn)甲烷菌利用，TVFAs濃度呈現(xiàn)下降趨勢。在2%組，5%組和8%組中，TVFAs峰值出現(xiàn)略晚但均低于0%組峰值，并且在35 d以前，各實驗組有機酸含量明顯低于0%組，可以發(fā)現(xiàn)蛭石在厭氧干發(fā)酵前期能明顯抑制VFAs的生成，從而減輕酸化過程。而在發(fā)酵后期(第40天左右)可以看出添加蛭石的組別TVFAs高于0%組，此時抑制酸積累的效果便沒有很明顯。結(jié)合圖10TVFAs變化曲線和圖11乙酸變化曲線發(fā)現(xiàn)，乙酸的變化趨勢與TVFAs變化趨勢基本一致，且乙酸在有機酸中占主要地位。

圖10 發(fā)酵過程中TVFAs變化

圖11 發(fā)酵過程中乙酸變化

3 討論

本文在奶牛糞厭氧干發(fā)酵實驗的基礎(chǔ)上添加了蛭石進行發(fā)酵實驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵初期添加蛭石的實驗組抑制了反應(yīng)的TVFAs積累，減輕了酸化程度，從而導(dǎo)致有相對較高的有機酸含量的0%組在發(fā)酵高峰期的日產(chǎn)甲烷量低于實驗組。初步分析蛭石在發(fā)酵前期能減輕酸化作用的原因可能是因為蛭石屬于硅酸鹽，在水中時pH值為6～9，微偏堿性[14]，實驗剛開始加入蛭石后系統(tǒng)內(nèi)pH值保持微堿性，能延緩發(fā)酵體系pH值在產(chǎn)酸階段快速下降至酸性，降低了產(chǎn)酸菌的活躍性，減少大量VFAs的生成，從而避免酸積累現(xiàn)象。并且蛭石是由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成的具有限域結(jié)構(gòu)的天然層狀礦物材料。由于其硅氧四面體的四價硅被三價鋁代替, 所以其層板帶負電荷，在帶負電的表面上通過正負電的吸引來進行吸附[15-16]；結(jié)合圖1～圖4發(fā)現(xiàn)，實驗所用蛭石呈層板狀，相關(guān)研究表明蛭石表面的多孔和層板邊緣的棱角是其具有吸附作用的原因之一[17]。因此，認為蛭石的吸附作用也對酸抑制產(chǎn)生了一定的影響。

添加蛭石在緩解酸化的同時也可以提升了干發(fā)酵的產(chǎn)甲烷效果，提前并提高發(fā)酵高峰，5%組VS產(chǎn)甲烷量最高，達到218 mL·g-1。而平均甲烷含量最高的組別為8%組，達到58.71%，但累計產(chǎn)甲烷量略低，所以外源添加劑蛭石最適宜的添加量應(yīng)該保證在5%左右。但是由于實驗的局限性，最適宜添加量為實驗室批量裝置實驗所獲得，沼氣工程上是否與其具有一致性需待進一步驗證，并且仍然需要進一步對添加蛭石具體抑制VFAs的作用機理進行研究。

4 結(jié)論

在奶牛糞厭氧干發(fā)酵實驗，添加蛭石在發(fā)酵前期能抑制VFAs的生成，減輕了酸化作用。同時，添加蛭石可以提升奶牛糞厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)甲烷效果，提前并提高發(fā)酵高峰。而對于奶牛糞厭氧干發(fā)酵實驗的外源添加劑蛭石最佳的添加量在5%左右，其VS產(chǎn)甲烷量最高，達到218 mL·g-1。