盧玢宇， 裴占江， 劉 娣， 史風(fēng)梅， 高亞冰， 左 辛， 劉 杰1，

(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．東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 南昌 330013; 3．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所 農(nóng)業(yè)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； 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 哈爾濱 150086)

近年來，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)的畜牧養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，已成為世界第一養(yǎng)豬大國(guó)[1-2]，豬糞污中含有大量未被消化吸收的氮、 磷等營(yíng)養(yǎng)成分，隨意排放不僅會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境還會(huì)造成資源浪費(fèi)。如何有效地處理這些糞污使其資源化，是社會(huì)發(fā)展中需要首要解決的問題[3-4]。厭氧消化處理豬糞污生產(chǎn)沼氣作為一種低成本、高效率的無害化處理方法，具有良好的應(yīng)用前景[5-6]。但是，在我國(guó)東北地區(qū)，冬季漫長(zhǎng)且寒冷，嚴(yán)重抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，也在一定程度上制約了沼氣能源的推廣[7-8]。因此，探究低溫條件下促進(jìn)甲烷菌活性的方法，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

研究表明，厭氧發(fā)酵體系中添加適量的金屬離子可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸等大分子水解轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高產(chǎn)沼氣性能[9-10]，Bayr[9]等在35℃時(shí)，以豬舍廢水為基質(zhì)，添加適量Fe2+后發(fā)現(xiàn)，不僅系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行而且沼氣產(chǎn)量也有所提高。Banks[11]等在常溫條件下以餐廚垃圾為基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)添加Co和Ni元素能夠緩解有機(jī)酸積累，提高沼氣產(chǎn)量。但不同發(fā)酵過程中底物不同，溫度不同，金屬離子的添加也會(huì)有所差異[12-15]。并且，金屬離子如果不合理添加會(huì)抑制微生物活性，降低沼氣產(chǎn)量[15-17]。因此，在厭氧發(fā)酵過程中合理添加適宜濃度及配比的金屬離子，是提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及提高產(chǎn)氣效率的有效途徑之一。但在低溫條件下，適宜濃度的金屬離子配比不僅能夠促進(jìn)甲烷的產(chǎn)量，還能保證工藝穩(wěn)定運(yùn)行方面的研究還比較少[15]。因此，研究低溫條件下促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程的影響因素，使得理想的微生物菌群能夠在低溫條件下仍然處于優(yōu)勢(shì)地位，保證整個(gè)工藝的穩(wěn)定高效運(yùn)行，具有重大意義[18]。本研究在本實(shí)驗(yàn)室前期研究的基礎(chǔ)上，以北方最適經(jīng)濟(jì)溫度(20.6℃為本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過長(zhǎng)期大量實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)濟(jì)溫度，即最大的產(chǎn)能與耗能的比值對(duì)應(yīng)的厭氧消化溫度可視為最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度，具體可見文獻(xiàn)[19])條件為基點(diǎn)，以豬糞為底物，利用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，考察微量元素鐵、鈷、鎳對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)甲烷特性的影響，以期為寒區(qū)豬糞厭氧消化的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)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本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的污泥。試驗(yàn)材料的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料基本物化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

厭氧消化裝置如圖1所示，分別稱取適量豬糞和接種物于發(fā)酵瓶?jī)?nèi)，用去離子水調(diào)節(jié)使其總體積為400.0 mL，另設(shè)空白對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。瓶中充入氮?dú)?，充分震蕩混勻。每組設(shè)3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，于20.6℃下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)酵周期設(shè)定為30 d。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上[120]，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[14，21]，以豬糞為底物，選擇以Fe2+，Ni2+和Co2+三因素為自變量，沼氣產(chǎn)氣量為響應(yīng)值，對(duì)20.6℃(最適經(jīng)濟(jì)溫度，具體可見文獻(xiàn)[19])下豬糞水厭氧消化微量元素進(jìn)行優(yōu)化，各因素編碼值見表2。

表1 試驗(yàn)因素與水平

1.4 測(cè)定方法

本研究中總固體含量TS 采用烘干法測(cè)定[22]；揮發(fā)性固體含量(VS) 采用灼燒法測(cè)定[23]；總氮(TN) 采用凱氏定氮儀法[24]測(cè)定；總有機(jī)碳(TOC) 采用重鉻酸鉀氧化法[25]測(cè)定，沼氣產(chǎn)量采用排水法測(cè)定。

1.5 分析方法

通過DPS軟件處理累積產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)氣數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和降維分析，獲得最佳厭氧消化條件。

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)果見表3。以編碼值為自變量，總產(chǎn)氣量為響應(yīng)值，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。利用DPS 統(tǒng)計(jì)分析軟件，得到編碼空間內(nèi)的回歸方程，如公式(1)：

Y=100.53248+31.6988x1+7.1206x2+27.8298x3-0.125x1x2+1.26289x1x3+0.25890x2x3-7.64923x12-0.23987x22-0.90098x32

(1)

表3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明該二次回歸模型的p值<0.01，試驗(yàn)所選模型顯著。同時(shí)該模型的修訂決定系數(shù)為0.92，說明該模型的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的擬合性較好。而失擬項(xiàng)的F 值為0.53，且p>0.05，意味著失擬程度極不顯著，同時(shí)表明回歸方程擬合度較高，實(shí)驗(yàn)誤差較小。模型的調(diào)整確定系數(shù)，可用于響應(yīng)變量預(yù)測(cè)。

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，通過降維分析，可以把多元問題轉(zhuǎn)換為一元問題，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[20]。圖2為在其他因素設(shè)定在零添加水平時(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)，重金屬離子的濃度太高或太低，都會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的活性，從而影響產(chǎn)氣量，其中Fe2+濃度變化幅度最大，其次是Ni2+與Co2+濃度變化，說明在試驗(yàn)設(shè)定的條件范圍內(nèi)，F(xiàn)e2+濃度在0.98～6.02 mg·L-1和Ni2+濃度在9.89～35.11 mg·L-1范圍內(nèi)，對(duì)厭氧消化甲烷的產(chǎn)氣量影響波動(dòng)較大，而Co2+濃度在8.18～41.82 mg·L-1范圍內(nèi)，對(duì)厭氧消化甲烷的產(chǎn)氣量影響波動(dòng)較小。由此說明對(duì)原料產(chǎn)氣量的結(jié)果影響較大的依次是Fe2+，Ni2+與Co2+，這與方差分析的結(jié)果是一致的。

2.2.2 因素交互作用對(duì)原料產(chǎn)氣量的效應(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[20,26]。圖3為Fe2+與Ni2+兩者交互對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響，由圖可知，原料產(chǎn)氣量隨著Fe2+和Ni2+濃度的升高呈現(xiàn)逐漸增大，達(dá)到最大值后，呈緩慢下降的趨勢(shì)，當(dāng)Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1時(shí)，其厭氧消化產(chǎn)沼氣量達(dá)到最大值538.17 mL。圖4為Fe2+與Co2+兩者交互對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響，由圖可知，原料產(chǎn)氣量隨著Fe2+和Co2+濃度的升高呈現(xiàn)逐漸增大，達(dá)到最大值后，呈緩慢下降的趨勢(shì)，當(dāng)Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為25 μg·L-1時(shí)，其厭氧消化產(chǎn)沼氣量達(dá)到最大值為545.32 mL。圖5為Ni2+與Co2+兩者交互對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響，由圖可知，原料產(chǎn)氣量隨著Ni2+和Co2+濃度的升高呈現(xiàn)逐漸增大，達(dá)到最大值后，呈緩慢下降的趨勢(shì)，當(dāng)Ni2+濃度為22.5μg·L-1，Co2+濃度為25 μg·L-1時(shí)，其厭氧消化產(chǎn)沼氣量達(dá)到最大值為487.25 mL。

2.3 模型優(yōu)化

通過模型優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝條件，即Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1，Co2+濃度為25.0 μg·L-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572.64 mL，與預(yù)測(cè)值584.67 mL的相對(duì)誤差為2.1%，在允許范圍內(nèi)，由此可見由響應(yīng)面法所得模型能夠很好地優(yōu)化厭氧消化工藝中生物強(qiáng)化的參數(shù)。

3 討論

試驗(yàn)基于響應(yīng)面法依靠Design-Express8.0.6軟件于低溫條件下對(duì)不同重金屬微量元素Fe2+，Ni2+和Co2+的不同配比濃度進(jìn)行優(yōu)化，以期提高厭氧消化系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量。通過試驗(yàn)及響應(yīng)面法分析發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)的3種重金屬微量元素對(duì)沼氣發(fā)酵影響中，影響程度由高到低為Fe2+>Ni2+>Co2+。通過兩兩交互分析，發(fā)現(xiàn)在Co2+濃度恒定時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)的累積產(chǎn)氣量在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著Fe2+和Ni2+濃度的升高而升高，說明厭氧消化系統(tǒng)中Fe2+和Ni2+的適宜濃度對(duì)維持厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、保證厭氧消化的高效運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用。同時(shí)王大蔚[15]優(yōu)化了由鐵、鈷、鎳、猛、鋅、活性炭、纖維素酶等構(gòu)成的寒區(qū)沼氣最佳促進(jìn)劑配方，結(jié)果表明該促進(jìn)劑幫助沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在70天里增加了22.5%的沼氣產(chǎn)量，極大地提高了沼氣池的運(yùn)行效率。本研究也得到了類似的研究結(jié)果，比較與王大蔚[15]的研究成果不同的原因，可能是由于溫度、底物、底物濃度以及外來因子添加的不同造成的，具體原因還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。雖然本研究?jī)H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)厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響是否與本試驗(yàn)得出的結(jié)論一致，還需要通過連續(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)行過程中各因素對(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)低溫厭氧消化的生物強(qiáng)化因素參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明:重金屬微量元素Fe2+和Ni2+是影響低溫條件下豬糞為底物的厭氧消化產(chǎn)氣效果的重要因素。證明用響應(yīng)面分析Fe2+，Ni2+和 Co2+對(duì)厭氧消化的累積產(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Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1，Co2+濃度為25.0 μg·L-1，該條件下厭氧消化沼氣的產(chǎn)量為572.64 mL。