周 曼， 江春景， 黃 燕， 趙如嫣， 鄧良偉

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院， 四川 雅安 625014；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院， 四川 雅安 625014； 3. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

近年來，為了滿足人民日益增長的肉食品需求，家禽產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖密度不斷增加。相應(yīng)地，蛋雞和肉雞排泄物也大量集中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致局部區(qū)域養(yǎng)分超過土地承載能力[1]。雞糞不經(jīng)有效處理而作為糞肥直接施用，可能造成病原體擴(kuò)散、空氣污染、土壤和水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等危害[2]。沼氣發(fā)酵是雞糞無害化處理與資源化利用的有效手段，根據(jù)進(jìn)料總固體(TS)濃度，沼氣發(fā)酵技術(shù)可分為濕式發(fā)酵、干式發(fā)酵和半干式發(fā)酵。濕式沼氣發(fā)酵進(jìn)料TS濃度一般在15%以下，干式沼氣發(fā)酵進(jìn)料TS濃度一般在20%以上，進(jìn)料TS濃度介于濕式沼氣發(fā)酵和干式沼氣發(fā)酵之間的，稱為半干式沼氣發(fā)酵。與濕式沼氣發(fā)酵技術(shù)相比，干式沼氣發(fā)酵具有明顯的優(yōu)勢(shì)，例如，不用加水稀釋，節(jié)約加熱能耗，產(chǎn)生沼液少，發(fā)酵殘余物易于資源化利用，還可避免濕發(fā)過程的浮渣和沉淀等問題。因此，干式沼氣發(fā)酵具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為沼氣發(fā)酵技術(shù)研究熱點(diǎn)。

雞糞干式沼氣發(fā)酵過程因氨氮濃度高，容易發(fā)生氨氮抑制，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量減少，甚至產(chǎn)氣失敗。目前，減緩氨氮抑制的措施包括稀釋、混合發(fā)酵、氨吹脫、pH值和溫度調(diào)節(jié)、添加介導(dǎo)材料、補(bǔ)充微量元素、生物強(qiáng)化等[3-10]。其中，添加介導(dǎo)材料被視為極具潛力的方法。介導(dǎo)材料種類主要包括沸石、膨潤土以及碳材料(如活性炭、碳纖維和生物炭)等[6, 11-12]。表1顯示了一些沼氣發(fā)酵研究中，添加介導(dǎo)材料對(duì)產(chǎn)氣性能和體系穩(wěn)定等方面的提升作用。

表1 添加不同介導(dǎo)材料對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能影響的相關(guān)研究

添加不同介導(dǎo)材料改進(jìn)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能的研究主要是針對(duì)濕式沼氣發(fā)酵，針對(duì)干式沼氣發(fā)酵，特別是雞糞干式沼氣發(fā)酵的研究還鮮見報(bào)道。本研究選取濕式沼氣發(fā)酵中具有較好改進(jìn)效果的幾種介導(dǎo)材料作為添加劑，考察其對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響。首先通過批次試驗(yàn)篩選出提升雞糞干式發(fā)酵產(chǎn)氣性能最優(yōu)的介導(dǎo)材料，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定介導(dǎo)材料的最適添加量和介導(dǎo)材料適合的粒徑范圍，同時(shí)，對(duì)比分析了干式、濕式沼氣發(fā)酵沼液產(chǎn)生量，以期為高氨氮雞糞沼氣干發(fā)酵的研究和生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雞糞取自四川省雅安市某規(guī)模蛋雞場(chǎng)，手動(dòng)剔除雞毛和雜物后用密封袋封好后置于-4℃冰箱中冷藏備用。接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室雞糞連續(xù)干發(fā)酵馴化的耐高氨氮污泥，先置于35 ℃水浴培養(yǎng)至無殘余產(chǎn)氣。底物和接種污泥理化指標(biāo)見表2?；钚蕴款w粒(GAC)、活性炭粉、沸石粉、磁鐵粉采購于河南某公司，經(jīng)粉碎、篩分、去離子水洗滌和105℃干燥處理后備用。GAC、活性炭粉、沸石粉、磁鐵粉的體積密度分別為0.51 g·cm-3，0.41 g·cm-3，1.8 g·cm-3，4.9 g·cm-3。

表2 底物和污泥的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

雞糞干式沼氣發(fā)酵瓶為1 L的玻璃瓶，用帶排氣管的橡皮塞密封，集氣瓶為1 L廣口玻璃瓶，用帶進(jìn)氣管和排水管的橡皮塞密封，沼氣通過排水集氣法收集，發(fā)酵溫度采用恒溫水浴鍋控制。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 介導(dǎo)材料比選試驗(yàn)

介導(dǎo)材料比選采用批式發(fā)酵試驗(yàn)，沼氣發(fā)酵反應(yīng)器有效容積500 mL，為防止發(fā)生酸抑制，添加接種污泥和雞糞的VS比例為2∶1，即添加污泥405 g，雞糞95 g。向每組沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中分別添加GAC、活性炭粉、沸石粉、磁鐵粉各50 g，不添加介導(dǎo)材料的反應(yīng)器為空白對(duì)照，每組2個(gè)重復(fù)，共10組試驗(yàn)。反應(yīng)在中溫(35℃±1℃)下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中每天16∶00測(cè)沼氣產(chǎn)量。試驗(yàn)前后測(cè)定發(fā)酵混合物TS、揮發(fā)性固體(VS)、pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、總氨氮(TAN)濃度。每天開啟1次水浴搖床的振蕩功能，振速為 100 r·min-1，振蕩5 min，使沼氣發(fā)酵料液混合均勻。

1.3.2 GAC添加量對(duì)產(chǎn)氣性能影響試驗(yàn)

GAC添加量對(duì)產(chǎn)氣性能影響同樣采用批式試驗(yàn)。沼氣發(fā)酵反應(yīng)器有效容積500 mL，添加接種污泥和雞糞的VS比例為2∶1，即添加污泥405 g，雞糞95 g。向每組發(fā)酵反應(yīng)器中分別添加0.5～1 mm顆?；钚蕴浚砑訚舛确謩e為60 g·L-1，80 g·L-1，100 g·L-1，120 g·L-1。不添加顆粒活性炭的反應(yīng)器為空白對(duì)照，每組2個(gè)重復(fù)，共10組試驗(yàn)。反應(yīng)在中溫(35℃±1℃)下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中每天16∶00測(cè)沼氣產(chǎn)量。試驗(yàn)前后測(cè)定混合物TS，VS，pH值，VFAs，TAN濃度。每天開啟1次水浴搖床的振蕩功能，振速為100 r·min-1，振蕩5 min，使沼氣發(fā)酵料液混合均勻。

1.3.3 GAC粒徑對(duì)產(chǎn)氣性能影響試驗(yàn)

GAC粒徑對(duì)產(chǎn)氣性能也采用批式試驗(yàn)。沼氣發(fā)酵反應(yīng)器有效容積500 mL，添加接種污泥和雞糞的VS比例為2∶1，即添加污泥405 g，雞糞95 g。向每組沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中分別添加0.3～0.5 mm，0.5～1 mm，1～2 mm，2～4 mm的顆?；钚蕴扛?0 g。不添加顆粒活性炭的反應(yīng)器為空白對(duì)照。每組2個(gè)重復(fù)，共10組試驗(yàn)。反應(yīng)在中溫(35℃±1℃)下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中每天16:00測(cè)沼氣產(chǎn)量。試驗(yàn)前后測(cè)定混合物TS，VS，pH值，VFA，TAN濃度。每天開啟一次水浴搖床的振蕩功能，振速為 100 r·min-1，振蕩5 min，使沼氣發(fā)酵料液混合均勻。

1.4 分析方法

TS和VS測(cè)定采用重量法；pH值測(cè)定采用酸度計(jì)(pHS-3C+，上海雷磁)；TAN測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)；VFAs成分采用氣相色譜儀Aglient 7820A GC，火焰監(jiān)測(cè)器(Agilent Technologies, USA)測(cè)定；沼氣成分采用沼氣成分分析儀(BIOGAS 5000, Geotech, UK)測(cè)定。介導(dǎo)材料的體積密度由表觀密度測(cè)試儀(FT-105F，寧波瑞柯偉業(yè))測(cè)定。用掃描電鏡(SU1510，日本日立)觀察微生物在GAC上的粘附情況。游離氨FAN由公式(1)計(jì)算[27]。

(1)

式中：NH3為游離氨含量，mg·L-1；TAN為總氨氮含量，mg·L-1；T為發(fā)酵料液的溫度，K。

采用Excel 2017和origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同介導(dǎo)材料對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響

沼氣產(chǎn)量和甲烷含量是評(píng)價(jià)沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的重要指標(biāo)。由圖2和圖3所示，添加不同介導(dǎo)材料反應(yīng)器的沼氣日產(chǎn)量變化趨勢(shì)相同。添加GAC組達(dá)到產(chǎn)氣高峰期的時(shí)間最早，在第3～6天達(dá)到第1個(gè)產(chǎn)氣小高峰，第19天達(dá)到了整個(gè)試驗(yàn)的產(chǎn)氣峰值。沸石粉組從第1天開始產(chǎn)氣量逐步上升，分別在第6天和第19天呈現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰?；钚蕴糠劢M在發(fā)酵初期的產(chǎn)氣量明顯低于其它試驗(yàn)組，在第19～22天達(dá)到產(chǎn)氣高峰。磁鐵粉組在第1～13天產(chǎn)氣比較平緩，隨后產(chǎn)氣量上升，到第16～19天達(dá)到產(chǎn)氣高峰期，此后產(chǎn)氣量雖然下降，但在發(fā)酵的后期明顯高于其它處理組。對(duì)照組在第1～21天的產(chǎn)氣變化趨勢(shì)與磁鐵粉組基本一致，發(fā)酵初期產(chǎn)氣量雖然較高，但中后期的產(chǎn)氣量明顯低于其它處理組。

添加GAC、活性炭粉、磁鐵粉和沸石粉處理組的累積沼氣產(chǎn)量均高于對(duì)照組，說明這幾種介導(dǎo)材料對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵均有一定促進(jìn)作用。GAC組、活性炭粉組、磁鐵粉組、沸石粉組和對(duì)照組的累積沼氣產(chǎn)量依次為6106 mL，5748 mL，5727 mL，5378 mL，5368 mL。添加GAC組、活性炭粉組、磁鐵粉組和沸石粉組的累積沼氣產(chǎn)量分別比對(duì)照組提高了13.8%，7.08%，6.69%，0.19%。添加GAC對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量的提高效果最為明顯。添加活性炭粉與磁鐵粉對(duì)累積沼氣產(chǎn)量的提高程度相近，提升效率只有7%左右。與GAC、活性炭粉和磁鐵粉相比，沸石粉對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵累積沼氣產(chǎn)量的提升效果較小。添加GAC、活性炭粉、沸石粉、磁鐵粉和空白組平均甲烷含量分別為56.2%，53.4%，49.3%，51.7%，50.3%，添加GAC可以提高甲烷含量大約6個(gè)百分點(diǎn)。添加GAC組獲得的雞糞甲烷產(chǎn)率(原料產(chǎn)氣率)不是很高，GAC組、活性炭粉組、磁鐵粉組、沸石粉組和對(duì)照組甲烷產(chǎn)率分別為0.215，0.192，0.190，0.177，0.169 LCH4·g-1VS，添加GAC可以提高原料甲烷產(chǎn)率27.2%。與雞糞濕式沼氣發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率0.266～0.360 L·g-1VS[28-30]相比，雞糞干式沼氣發(fā)酵還有差距。但是與之前雞糞干式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果相比，甲烷產(chǎn)率得到了極大提升。以往的雞糞干式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)研究中，基本沒有獲得成功。Bujoczek[31]等在35℃下對(duì)進(jìn)料TS 21.7%的雞糞進(jìn)行干式沼氣發(fā)酵，結(jié)果沒有甲烷產(chǎn)生。Abouelenien[32]等用TS 25%的雞糞在37℃下進(jìn)行干式沼氣發(fā)酵，獲得甲烷產(chǎn)量僅為0.031 LCH4·g-1VS，Bi[28]等人用TS 20%的雞糞進(jìn)行干式沼氣發(fā)酵，獲得的甲烷產(chǎn)率也只有0.020 LCH4·g-1VS。

2.2 GAC添加量和粒徑對(duì)產(chǎn)氣性能的影響

由圖4和圖5所示，添加不同量GAC反應(yīng)器的日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)相似。未添加GAC的空白組，在沼氣發(fā)酵早期有明顯產(chǎn)氣量下降現(xiàn)象。添加不同量GAC反應(yīng)器的累積產(chǎn)氣量均高于空白對(duì)照組，進(jìn)一步說明添加顆?；钚蕴靠纱龠M(jìn)干式雞糞沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能。添加GAC 60 g·L-1，80 g·L-1，100 g·L-1，120 g·L-1的處理組和未添加GAC空白組的累積產(chǎn)氣量依次為7850 mL，8020 mL，8469 mL，8659 mL和6557 mL。處理組的累積產(chǎn)氣量分別比對(duì)照組提高了19.7%，22.3%，29.1%和32.1%。潘君廷[33]等人在雞糞濕沼氣發(fā)酵試驗(yàn)中(混合料液TS濃度8.84%)，發(fā)現(xiàn)添加生物炭對(duì)雞糞沼氣發(fā)酵具有促進(jìn)作用，且生物炭添加量對(duì)產(chǎn)氣特性有極顯著影響，最佳生物炭添加量為5%。本研究中，隨著GAC添加量的增加，產(chǎn)氣效率提升幅度越大，添加100 g·L-1，120 g·L-1GAC的處理組沼氣總產(chǎn)量明顯高于添加60 g·L-1，80 g·L-1GAC的處理組。但是GAC添加量超過100 g·L-1后，進(jìn)一步增加添加量的提升效果不很明顯。

由圖6和圖7所示， GAC粒徑0.3～0.5 mm和0.5～1處理組在試驗(yàn)早期呈現(xiàn)更高的產(chǎn)氣峰。GAC粒徑0.3～0.5 mm，0.5～1 mm，1～2 mm，2～4mm處理組的累積產(chǎn)氣量依次為6754 mL，7500 mL，6761 mL，6043 mL，未添加GAC的對(duì)照組累積產(chǎn)氣量為5391 mL。處理組的累積產(chǎn)氣量分別比對(duì)照組提高了25.3%，39.1%，25.4%，12.1%。潘君廷[33]等人生物炭粒徑對(duì)雞糞濕沼氣發(fā)酵影響的研究中，認(rèn)為顆粒粒徑均未達(dá)到顯著水平，最優(yōu)粒徑為40目。本試驗(yàn)結(jié)果與其存在差異的原因可能在于發(fā)酵TS濃度及體系氨氮濃度存在很大不同。

2.3 添加GAC對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵體系特性影響

如圖14～圖19所示，掃描電鏡可以觀察到，經(jīng)過一段時(shí)間的沼氣發(fā)酵，顆粒活性炭的孔隙率和粗糙度降低，也可以清晰地觀察到微生物附著在GAC粗糙的表面和空隙之中。近年來，大量的研究表明，導(dǎo)電材料，特別是碳基材料可以通過促進(jìn)直接種間電子轉(zhuǎn)移而增強(qiáng)厭氧消化過程甲烷產(chǎn)量[38]，但添加顆?；钚蕴糠€(wěn)定和促進(jìn)雞糞干式厭氧消化的最終機(jī)制也尚不完全清楚。

2.4 添加GAC提升雞糞干式沼氣發(fā)酵意義

干式、濕式沼氣發(fā)酵產(chǎn)甲烷的原理相似，都是將有機(jī)物質(zhì)降解為脂肪酸等小分子物質(zhì)，再進(jìn)一步反應(yīng)生成甲烷的過程。但是干式沼氣發(fā)酵與濕式沼氣發(fā)酵技術(shù)工程應(yīng)用前景存在較大差異。假設(shè)10萬羽雞的蛋雞場(chǎng)，每只雞每天的糞便排放量0.1 kg，總糞污量10000 kg，糞便的TS含量為22%。10萬羽蛋雞場(chǎng)雞糞濕式沼氣發(fā)酵和干式沼氣發(fā)酵技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表3所示。兩者關(guān)鍵差異是沼渣沼液處理利用的問題。目前，工程上主要采用濕式沼氣發(fā)酵技術(shù)處理雞糞生產(chǎn)沼氣，進(jìn)料前需要用水對(duì)雞糞進(jìn)行稀釋，存在用水量大、發(fā)酵后殘余物(沼渣沼液)量大等問題，導(dǎo)致沼渣沼液運(yùn)輸費(fèi)用增加。濕式沼氣發(fā)酵進(jìn)料TS一般在8%，每噸原料可產(chǎn)沼氣約25 m3，扣除沼氣質(zhì)量，即每產(chǎn)1 m3沼氣產(chǎn)沼渣沼液39 kg。如果采用干式沼氣發(fā)酵，進(jìn)料雞糞TS 22%，每噸原料產(chǎn)沼氣66 m3，即每產(chǎn)1 m3沼氣產(chǎn)沼渣沼液15 kg。干式厭氧沼氣發(fā)酵可使沼渣沼液產(chǎn)量降低61.2%。因此干式沼氣發(fā)酵在節(jié)水和減少沼液量等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，另外，進(jìn)料TS高，進(jìn)料量減少，產(chǎn)生相同數(shù)量沼氣的原料加熱能耗減少，因此，可帶來更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

表3 10萬羽蛋雞場(chǎng)雞糞濕式沼氣發(fā)酵和干式沼氣發(fā)酵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3 結(jié)論

(1)與未添加介導(dǎo)材料的對(duì)照組相比，添加GAC對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率提升最高，達(dá)到13.8%；添加活性炭粉、磁鐵粉、沸石粉對(duì)雞糞干式沼氣發(fā)酵效率也有一定提升效果，分別提升產(chǎn)氣效率7.08%，6.69%,0.19%。

(2)GAC最適添加量為100 g·L-1，GAC最適粒徑范圍為0.5～1 mm。

(3)干式沼氣發(fā)酵在節(jié)水和減少沼液量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，干式沼氣發(fā)酵可使沼渣沼液產(chǎn)量降低61.2%。

(4)GAC能夠充分發(fā)揮載體作用，為產(chǎn)甲烷菌群的附著提供有利環(huán)境?；钚蕴康奶砑釉谔嵘u糞干式沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率、緩減氨氮抑制方面已初見成效，需進(jìn)一步深入研究其反應(yīng)機(jī)制。