李 旭， 王馨芝， 楊 玲， 習(xí)彥花， 梁文華， 程輝彩*， 邊紅杰

(1.河北科技大學(xué) 食品與生物學(xué)院， 河北 石家莊 050018； 2.河北省科學(xué)院生物研究所， 河北 石家莊 050081)

養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，使得畜禽糞便的產(chǎn)量逐步增加。大量的畜禽糞污不經(jīng)處理直接排放，會(huì)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)周圍的水體、土壤和大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，對(duì)水資源、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和人畜健康造成極大的威脅[1]。厭氧發(fā)酵是一種微生物在無(wú)氧條件下，降解有機(jī)物并產(chǎn)生清潔能源沼氣的技術(shù)[2]，可以減少化石燃料的使用[3]，廣泛應(yīng)用于畜禽糞便的處理。高濃度厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的固體濃度(TS濃度)一般大于10%[4]，在大幅提高反應(yīng)器進(jìn)料及運(yùn)行負(fù)荷的同時(shí)有效提升整體發(fā)酵效率，但也存在著水解酸化過(guò)度、傳熱傳質(zhì)不均等缺點(diǎn)[5]。研究發(fā)現(xiàn)碳基功能材料可能會(huì)對(duì)厭氧消化系統(tǒng)及微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在減少有機(jī)酸的積累、增加發(fā)酵體系緩沖能力及吸附發(fā)酵體系中有毒有害的物質(zhì)[6]。

石墨作為碳基材料的一種，具有較高的比表面積以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能，這些特性可以促進(jìn)微生物間的直接電子傳遞以提高甲烷產(chǎn)量[7-8]，并且石墨利用自身的大孔徑的特性吸附抑制底物，從而維持微生物正常的生理活動(dòng)[9]。石墨會(huì)減弱微生物的相對(duì)疏水性，提高微生物表面自由能，有利于微生物團(tuán)聚體的形成[10]，從而提高厭氧發(fā)酵的效率。因此，本文以牛糞為發(fā)酵原料，通過(guò)添加不同濃度及粒徑的石墨，結(jié)合厭氧發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)，探究石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)其機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步分析和闡述，為提高厭氧消化效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

牛糞取自河北石家莊市某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，種子液取自石家莊市某污水處理廠的污泥，經(jīng)過(guò)牛糞馴化至不產(chǎn)氣后作為接種物，原料與接種物的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原料與接種物的理化性質(zhì) (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

序批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)在總體積為1000 mL的厭氧瓶中進(jìn)行，有效發(fā)酵體積為600 mL，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行天數(shù)為30 d。分別設(shè)為對(duì)照組和處理組，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行，VS含量均為10%，接種物添加量為有效發(fā)酵體積的30%，發(fā)酵溫度為36℃±1℃。實(shí)驗(yàn)1為不同濃度的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的影響，石墨粒徑統(tǒng)一固定為325目，對(duì)照組不添加石墨，處理組的石墨濃度分別為0.20、0.75、1.50、3.00和5.00 g·L-1；實(shí)驗(yàn)2為不同粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的影響，石墨添加濃度統(tǒng)一固定為0.75 g·L-1，對(duì)照組不添加石墨，處理組石墨的粒徑分別為50目、100目、325目、600目和1000目。定期測(cè)定產(chǎn)氣量與氣體組分含量，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法

(1)沼氣產(chǎn)量：濕式氣體流量計(jì)。

(2)沼氣組分含量：Biogas 5000沼氣分析儀。

(3)TS和VS：烘箱-馬弗爐稱重法測(cè)定。

(4)C、N、S、H元素的測(cè)定：元素分析儀(Vario MACRO cube，Germany)。

1.4 動(dòng)力學(xué)模型分析

根據(jù)累積產(chǎn)氣量曲線，本實(shí)驗(yàn)分別采用修正的Gompertz模型(1)和Logistic模型(2)對(duì)累積產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合。

(1)

(2)

式中：P為t時(shí)刻的累積沼氣產(chǎn)氣量，L；Pmax為最大產(chǎn)沼氣潛能，L；Rmax為最大產(chǎn)沼氣速率，L·d-1；λ為遲滯期，d；t為發(fā)酵時(shí)間，d；e為常數(shù)，2.71828。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Office Excel、Origin 2017，方差分析 (ANOVA) (SPSS IBM statistics 26.0) 用于確定處理之間的統(tǒng)計(jì)差異，p< 0.05，說(shuō)明數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響

各處理厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量如圖1所示，添加石墨為0.20、0.75、1.50、3.00 g·L-1的處理組日產(chǎn)氣量在發(fā)酵前11 d均高于對(duì)照組，在發(fā)酵中后期添加石墨為0.20、0.75、1.50和3.00 g·L-1的處理組與對(duì)照組變化趨勢(shì)基本一致。添加石墨為5.00 g·L-1的處理組在前中期的日產(chǎn)氣量均低于對(duì)照組和其它處理組，據(jù)相關(guān)研究，導(dǎo)電碳基材料對(duì)厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果取決于添加量，較高的添加量會(huì)通過(guò)滅活細(xì)胞的功能和限制傳質(zhì)來(lái)抑制產(chǎn)甲烷作用[11]，因此較高濃度石墨對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果有一定的抑制作用。添加石墨為5.00 g·L-1的處理組在產(chǎn)氣后期的日產(chǎn)氣量均高于對(duì)照組和其它處理組，可能是反應(yīng)系統(tǒng)中微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌群和豐度發(fā)生了變化[12]，適應(yīng)了較高濃度石墨的生長(zhǎng)環(huán)境，所以在中后期恢復(fù)了正常產(chǎn)氣。

累積產(chǎn)氣量如圖2，添加石墨為0.20、0.75、1.50和3.00 g·L-1的累積產(chǎn)氣量變化均高于對(duì)照組，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，VS沼氣產(chǎn)率分別為300.35、308.34、311.11和309.72 mL·g-1，相比于對(duì)照組282.55 mL·g-1的VS沼氣產(chǎn)率分別提高了6.30%、9.02%、10.11%和9.62%。而添加石墨為5.00 g·L-1的處理組累積產(chǎn)氣量均低于其它處理組，VS沼氣產(chǎn)率為287.30 mL·g-1，相比于對(duì)照組提升率僅為1.68%，差異不顯著，這可能是較高濃度的石墨改變了微生物的群落結(jié)構(gòu)，影響了產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。Pan[13]等研究導(dǎo)電碳材料對(duì)污泥干式厭氧消化的影響，其中粉狀石墨以污泥VS的10%、20%和50%的用量加入脫水污泥中充分混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，結(jié)果表明粉狀石墨對(duì)累積甲烷產(chǎn)量增加有限，比對(duì)照組提升了1.3%至7.8%。Hamdi[14]等研究石墨對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵的影響，添加1.5 g·L-1的石墨使沼氣產(chǎn)量提高了18.61%，0.75 g·L-1的提升率也在10%左右，但添加濃度為5.0 g·L-1的石墨沼氣產(chǎn)量低于對(duì)照組且無(wú)提升作用。 該研究表明在適當(dāng)條件下添加導(dǎo)電材料對(duì)沼氣產(chǎn)量有積極影響，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其一致。通過(guò)SPSS 26.0分析，添加石墨為0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的處理組效果最好，對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能有顯著的提升作用，但添加石墨為0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的處理組的產(chǎn)氣提升作用差異不顯著(p>0.05)，因此綜合考慮，石墨添加量為0.75 g·L-1為本實(shí)驗(yàn)效果最佳，提升率為9.02%。

甲烷含量變化如圖3，在厭氧發(fā)酵5 d后，除了5.00 g·L-1的處理組，其它實(shí)驗(yàn)組甲烷含量均達(dá)到50%以上，并在第13 天之后所有實(shí)驗(yàn)組的甲烷含量達(dá)到最高值60%，隨后緩慢下降。而添加石墨為5.00 g·L-1的處理組在發(fā)酵中后期甲烷含量均高于其它實(shí)驗(yàn)組，說(shuō)明石墨添加量為5.00 g·L-1處理組在起始階段并不能促進(jìn)牛糞厭氧發(fā)酵，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化，中后期促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生，但是對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系沒(méi)有顯著促進(jìn)作用，說(shuō)明石墨在厭氧發(fā)酵過(guò)程中的添加量并不是越多越好。

2.2 不同粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響

不同粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量的影響如圖4所示，可以看出，各實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)基本一致，發(fā)酵初期日產(chǎn)氣量逐步上升，在6～ 8 d達(dá)到峰值，隨著發(fā)酵過(guò)程的逐步推進(jìn)，各組的日產(chǎn)氣量緩慢下降。

圖5為累積產(chǎn)氣量圖，添加不同粒徑的石墨在不同程度上提高了各處理組的累積產(chǎn)氣量，最終計(jì)算出添加石墨粒徑為50目、100目、325目、600目和1000目的處理組的VS沼氣產(chǎn)率分別為289.9、301.8、306.7、297.9和305.6 mL·g-1，相比于對(duì)照組288.3 mL·g-1的VS沼氣產(chǎn)率分別提高了0.58%、4.68%、6.39%、3.28%和6.02%。碳基材料的粒徑大小會(huì)影響發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌等功能微生物在材料表面的定殖作用[15]，因此對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果有一定的影響。石墨粒徑越小，比表面積越大，表面化學(xué)活性較強(qiáng)，因而可能通過(guò)與細(xì)菌接觸甚至進(jìn)入菌體內(nèi)部抑制細(xì)菌增殖，因此粒徑越小的石墨對(duì)微生物活性具有一定的抑制作用[10]。通過(guò)SPSS 26.0分析，本實(shí)驗(yàn)中石墨粒徑為325目和1000目的處理組對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的提升作用最佳且無(wú)顯著差異，由于粒徑越小，石墨的價(jià)格相對(duì)較昂貴，因此本實(shí)驗(yàn)添加石墨的最佳粒徑為325目。

圖6為甲烷含量變化圖，在厭氧發(fā)酵啟動(dòng)初期，實(shí)驗(yàn)各組的甲烷含量迅速上升，第6 天均達(dá)到50%以上，第16 天實(shí)驗(yàn)各組的甲烷含量均達(dá)到60%，隨著發(fā)酵過(guò)程的逐步推進(jìn)，各組的甲烷含量稍有下降，但在發(fā)酵末期各組的甲烷含量仍維持在50%左右。所有實(shí)驗(yàn)組甲烷含量在發(fā)酵第6 天以后均在50%以上，沼氣品質(zhì)較好[16]。

2.3 石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣進(jìn)度分析

表3為產(chǎn)氣進(jìn)度表，實(shí)驗(yàn)1中石墨添加濃度分別為0.20 g·L-1、0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的處理組，在發(fā)酵啟動(dòng)5 d時(shí)的產(chǎn)氣進(jìn)度均高于對(duì)照組；而添加石墨5.00 g·L-1的處理組在5 d時(shí)產(chǎn)氣進(jìn)度明顯低于對(duì)照組，推測(cè)厭氧發(fā)酵菌群對(duì)高添加量的石墨需要一定的時(shí)間來(lái)適應(yīng)[20]。在發(fā)酵中后期石墨添加濃度為0.20 g·L-1、0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的各處理組對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的提升作用不明顯。添加石墨5.00 g·L-1的處理組對(duì)整個(gè)發(fā)酵周期的產(chǎn)氣進(jìn)度的提升均低于對(duì)照組，但隨著發(fā)酵時(shí)間的推移，與對(duì)照組的差距減小。

表3中實(shí)驗(yàn)2添加50目、100目和325目石墨的各處理組在發(fā)酵啟動(dòng)5 d時(shí)產(chǎn)氣進(jìn)度高于對(duì)照組，整個(gè)發(fā)酵周期對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣進(jìn)度也有一定的提升作用。而添加石墨粒徑為600目和1000目的實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵第5天時(shí)低于對(duì)照組，直到發(fā)酵到第15天時(shí)，600目和1000目粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣進(jìn)度無(wú)明顯的抑制作用，15 d以后600目和1000目的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣進(jìn)度才逐步表現(xiàn)出提升作用。

表3 產(chǎn)氣進(jìn)度表 (%)

2.4 石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型

采用修正的Gompertz模型和Logistic模型對(duì)對(duì)照組、添加石墨0.75 g·L-1和5.00 g·L-1的處理組累積產(chǎn)氣量進(jìn)行曲線擬合。圖7為修正的Gompertz模型對(duì)3組實(shí)驗(yàn)的累積產(chǎn)氣量的擬合曲線，圖8為L(zhǎng)ogistic模型對(duì)3組實(shí)驗(yàn)的累積產(chǎn)氣量的擬合曲線。修正的Gompertz模型在厭氧發(fā)酵的擬合過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛，xie[17]等研究不同的添加劑對(duì)初級(jí)污泥厭氧消化的影響，采用修正的Gompertz模型對(duì)產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，添加劑為石墨的擬合的相關(guān)系數(shù)在0.98以上，本實(shí)驗(yàn)擬合的相關(guān)系數(shù)在0.99以上，因此Gompertz模型能較好地?cái)M合石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧消化產(chǎn)氣的影響。Logistic模型也是一種常見(jiàn)的S型函數(shù)，也能很好地?cái)M合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣過(guò)程[18]。表4實(shí)驗(yàn)1為3組實(shí)驗(yàn)的擬合參數(shù)，從表4可知，3組實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，其中修正的Gompertz模型對(duì)3組實(shí)驗(yàn)的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.998以上，Logistic模型對(duì)3組實(shí)驗(yàn)的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.995以上，修正的Gompertz模型擬合度略高于Logistic模型，兩種模型對(duì)本實(shí)驗(yàn)3組數(shù)據(jù)擬合參數(shù)的描述基本一致。Rmax為最大產(chǎn)氣速率，由表4可以看出添加石墨為0.75 g·L-1的處理組的Rmax值最大，反觀5.00 g·L-1的Rmax值最小，這與圖7、圖8中3組實(shí)驗(yàn)的累積產(chǎn)氣量曲線切線的最大斜率保持一致。λ為遲滯期，一般來(lái)說(shuō)，遲滯期越短產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力就越快。添加石墨為0.75 g·L-1的處理組相比于其它兩組實(shí)驗(yàn)的遲滯期最短，適宜的添加濃度使得水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌之間進(jìn)行了直接電子傳遞[19]，使得厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)速率變快，而添加石墨為5.00 g·L-1遲滯期較長(zhǎng)的原因可能是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物適應(yīng)新環(huán)境需要一定的時(shí)間[20]。

圖9為修正的Gompertz模型對(duì)對(duì)照組和石墨粒徑325目的處理組累積產(chǎn)氣量的擬合，圖10為L(zhǎng)ogistic模型對(duì)對(duì)照組和石墨粒徑325目的處理組累積產(chǎn)氣量的擬合。表4實(shí)驗(yàn)2為對(duì)照組和石墨粒徑325目的處理組擬合的參數(shù)，由表4可以看出，修正的Gompertz模型對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)擬合的相關(guān)系數(shù)在0.996以上，Logistic模型擬合的相關(guān)系數(shù)在0.988以上，修正的Gompertz模型擬合度要好于Logistic模型。石墨粒徑325目最大產(chǎn)氣速率Rmax值大于對(duì)照組，而遲滯期λ較對(duì)照組稍長(zhǎng)一些。325目粒徑的預(yù)測(cè)最大產(chǎn)沼氣潛能Pmax相比于對(duì)照組提高了6.70%，這與實(shí)際提高率6.39%僅相差0.21%，修正的Gompertz模型和Logistic模型均能較好地模擬不同粒徑石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵提升產(chǎn)沼氣的過(guò)程。

表4 兩種模型擬合的參數(shù)

2.5 石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵TS和VS去除率的影響

添加不同濃度和粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵TS和VS去除率的影響如圖11～圖12所示。圖11為不同濃度的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的TS和VS去除率。由圖11可以看出添加不同濃度的各實(shí)驗(yàn)組的TS去除率均在30%以上，VS去除率均接近40%。VS去除率最高的為添加石墨3.00 g·L-1的處理組，相比于對(duì)照組提升了9.05%，其次為0.75 g·L-1和1.50 g·L-1的處理組，比對(duì)照組分別提升了8.22%和7.85%，這與VS產(chǎn)氣率一致，Zhao[21]等研究發(fā)現(xiàn)，石墨可以刺激生物酶活性，促進(jìn)反應(yīng)器中復(fù)雜底物的降解。添加石墨0.20 g·L-1的處理組的去除率與對(duì)照組相比差異不顯著(p>0.05)，原因可能為石墨添加濃度過(guò)低，對(duì)微生物間的直接電子傳遞促進(jìn)作用不明顯。相較于對(duì)照組，從整個(gè)發(fā)酵周期來(lái)看，添加5.00 g·L-1的石墨對(duì)TS、VS去除率的提升效果不明顯。石墨為5.00 g·L-1的實(shí)驗(yàn)組在厭氧發(fā)酵初期，微生物對(duì)較高濃度石墨的生長(zhǎng)環(huán)境需要一定的時(shí)間來(lái)適應(yīng)[20]，中后期才恢復(fù)正常的產(chǎn)氣，因此整個(gè)發(fā)酵周期微生物對(duì)底物的去除率提升不明顯。因此，選擇適宜的石墨添加濃度才會(huì)提升微生物對(duì)發(fā)酵底物的VS去除率。

圖12為不同粒徑的石墨對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵TS和VS去除率，各實(shí)驗(yàn)組TS去除率均在30%以上，VS去除率從石墨粒徑50目到325目呈上升趨勢(shì)，到600目VS去除率下降。粒徑325目的處理組去除率高達(dá)41.23%，顯著高于其它處理，相比于對(duì)照組的37.65%提高了9.5%。

3 結(jié)論

(1)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵過(guò)程中，添加石墨為0.75 g·L-1、1.50 g·L-1、3.00 g·L-1的處理組效果最好，但三者提升作用差異不顯著(p>0.05)，因此綜合考慮，石墨的最佳添加量為0.75 g·L-1，對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的提升率為9.02%。

(2)石墨粒徑為325目和1000目的處理組對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的提升作用最佳且差異不顯著，由于粒徑越小，石墨的價(jià)格相對(duì)較昂貴，因此添加石墨的適宜粒徑為325目，對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵的提升率為6.39%。

(3)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵過(guò)程中，添加適量石墨可以有效提高牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率，并且石墨添加量對(duì)牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響大于粒徑影響。