孔德望 宋香育 张克强

摘要：以降低厌氧干发酵过程挥发性有机酸（VFAs）积累、提高产气性能为目的，研究渗滤液回流、分层接种及2种处理组合的工艺措施对猪粪添加蛭石体系中温（37 ℃）发酵性能的影响。结果表明，渗滤液回流能够降低发酵体系中的VFAs和氨氮质量分数，各组VFAs质量分数均低于0.80 mg/g，分层接种条件下回流组总VFAs和乙酸质量分数均低于不回流组;氨氮质量分数随时间延长逐渐升高，38 d时各处理组质量分数分别为2.72、2.95、2.79 mg/g，均低于对照组（3.06 mg/g），整个过程中两回流组氨氮质量分数均低于对应不回流组;渗滤液回流组的累积挥发性物质（VS）甲烷产量为212.0 mL/g，分别比其他3个处理组高6.1%、8.4%和9.9%，由修正的Gompertz方程预测得到最大累积VS产甲烷量、最大产甲烷速率和达到最大累积VS甲烷产量90%所需的时间（T90）分别为207.7 mg/g、14.9 mL/（g·d）和19.8 d，均优于其他处理组;分层接种与不分层接种的累积VS产甲烷量在前10 d差异极显著（P<0.05），末期无显著差异。

关键词：厌氧发酵;猪粪;渗滤液回流;分层接种

中图分类号： X705  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0300-06

近年，我国畜禽养殖业迅猛发展，畜禽粪便量也随之激增，2011年产生总量约为25.45亿t，其中清运量仅占 0.90%，有相当大比例的畜禽粪便未得到有效处理[1-2]，不仅浪费了资源，而且造成严重的空气污染、氮磷及重金属污染、抗生素的迁移和病原菌扩散等危害[3-5]。厌氧干发酵因其产生清洁能源、能耗低、有机负荷高等优点，被广泛地应用于畜禽粪便、农作物秸秆等农业废弃物的处理[6-7]，但在实际应用中，仍存在启动慢、传质差、难搅拌、酸积累和运行不稳定等问题[8-10]。

针对以上问题，国内外学者开展了众多研究，其中渗滤液回流是研究的重点。该工艺能提高发酵罐内底物质量分数和微生物总量，并加强底物、微生物与水分间的相互接触和作用，提高系统缓冲能力和产气量，对于湿发酵同时能实现沼液减排，降低后续深度处理的压力[11-12]。徐霄等以干稻草和猪粪为原料，比较不回流、每天回流、产气趋势下降后回流以及两相法回流等4种方式，发现回流处理的总产气量较不回流对照分别提高了9.53%、23.13%和12.74%，其中，以产气趋势下降后再回流的方式为最优，表明回流能将底物中局部积累的酸冲洗、溶解至滤液，明显提高产气率[13];王馨仪等在对餐厨垃圾的沼液回流试验中发现，30%的回流比使系统日平均产气量提高13.0%，在反应后15 d，不同回流比下的挥发性有机酸（VFAs）平均值均低于不回流组，回流能使VFAs降解更充分，提高系统的缓冲能力[14]。

在渗滤液回流的同时，袁巧霞等在反应器内部增加分层床，对发酵原料进行分层，结果表明，分层对累计产气量、最大产气量及甲烷体积分数等均有显著影响，当床层厚度由 250 mm 降为150 mm时，累计产气率由135.7 mL/g增加到 172.1 mL/g，提高了26.8%[15]。作为一种吸附材料，聂发辉研究了蛭石对污水中氨氮的吸附作用，发现蛭石具有较高的吸附容量，饱和吸附量为20.83 mg/g[16];但是蛭石应用于厌氧发酵中鲜有报道，宋香育的前期研究表明，将蛭石添加在猪粪中进行发酵，能增加体系游离水含量、提高传质效率和微生物的繁殖速率、避免酸积累[17]。另外，蛭石作为一种土壤改良剂能降低植物对重金属的吸收[18]，有利于沼渣的后续农用。

因此，本试验在前期研究的基础上，于猪粪中添加适量的蛭石，研究渗滤液回流和分层接种对厌氧干发酵的影响，为猪场粪污的厌氧发酵处理提供数据支持。

1 材料與方法

1.1 试验材料

猪粪和蛭石取自天津市某养殖有限公司，取当日产鲜猪粪冷藏于（4±1） ℃的冰箱中，20～40目的蛭石储存于阴凉干燥处。消化污泥取自天津市某牧业有限公司稳定运行的中温厌氧发酵反应器，离心（10 000 r/min，20 min）后的固体作为接种物。原料和接种物特性见表1。

1.2 试验设计

厌氧发酵试验于2012年6月21日至2012年7月27日，在农业部环境保护科研监测所（天津市南开区）的恒温发酵室中进行。试验设计见表2，4种发酵方式均以猪粪和蛭石混合物为底物（干物质质量比为3 ∶ 1），接种率为30%（以TS计，m接种物/m发酵体系=0.3），总进料量为850 g（TS含量为20%），每种发酵方式3个重复。T0为对照组;TR：渗滤液收集于反应器底部，每3 d回流1次;TL：接种物和发酵底物不混合，依次分3层进料;TLR：接种物和底物依次分3层进料，渗滤液收集于反应器底部，每3 d回流1次。进料结束后向各反应器中通入氮气，排除残余的空气，创造厌氧环境，最后将反应器置于（37±1） ℃恒温发酵室内进行发酵。

每日测量产气量、甲烷及二氧化碳的体积分数;每3 d采集消化样品，测量pH值、VFAs和氨氮等指标，分层接种的反应器采集底部的渗滤液测量以上指标，以避免分层结构被破坏。

1.3 试验装置

试验采用有效容积为1 L的有机玻璃材质的立式反应器（图1），其中TR和TLR反应器距底部5 cm处安装孔径为 1.0 mm 的可摘卸多孔滤板，产生的渗滤液通过滤板进入收集室用于回流，T0和TL反应器不放置滤板。

1.4 分析方法

干物质量和挥发性物质采用重量法测定，溶解性化学需氧量（SCOD）采用重铬酸钾法测定，氨氮质量分数采用滴定法测定，总有机碳（TOC）含量采用总有机碳分析仪（德国元素）测定[19];pH值：样品稀释10倍后用pH计（Mettler-Toledo）测定;气体产量用湿式气体流量计测量，CH4和CO2的百分含量及挥发性有机酸（VFAs，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸）质量分数采用前期试验的处理及分析方法[17]。

1.5 累积产甲烷曲线拟合

2 结果与分析

2.1 产甲烷特性

由图2可知沼气中甲烷的体积分数、每日VS产甲烷量和累积VS产甲烷量的变化趋势，而表3显示了各处理累积VS产甲烷量差异显著性。其中，各处理的产甲烷规律相似，在甲烷的体积分数上，对照组在6 d达到50%，而TR、TL和TLR处理分别为5、5、4 d，表明3种处理均能够在发酵初期快速提高甲烷的含量，15 d后甲烷体积分数均低于50%并开始逐渐下降，表明体系中还有大量的物质没有降解，同时，日VS产甲烷量开始下降，累积VS产甲烷量也基本达到稳定。日VS产甲烷量在5、12 d前后为2个产气高峰期。

渗滤液回流组TR的37 d累积VS产甲烷量为 212.0 mL/g，分别比T0、TL和TLR高6.1%、8.4%和9.9%;同时，日VS产甲烷量在前15 d也高于其他组，2个高峰日的VS甲烷产量分别为15.9、17.6 mL/（g·d），由此可知，渗滤液回流能适当提高产气性能[21]，但差异不明显，可能由于本试验把3 d累积产生的渗滤液全部回流，未达到最佳回流比和时间。

分层接种的2组（TL、TLR）累积VS产甲烷量相当且最低，TLR组日产甲烷量仅在4～15 d高于TL，由此可见，渗滤液回流对分层处理的产气效率也有一定的提高，但效果甚微。由表3可知，TL与T0、TR和TLR在前20 d累积VS产甲烷量存在显著差异。

2.2 pH值和VFAs质量分数变化

由图3、图4可知试验中pH值和VFAs质量分数变化趋势，由图5可知各处理的乙酸变化趋势一致，前13 d含量均偏低，与宋香育等研究的猪粪厌氧干发酵过程中前9 d的乙酸变化情况[22]相似，这是由于30%的接种率为发酵体系提供了充足的产甲烷菌，水解产生的乙酸未积累。随着反应进行，水解产酸菌的生长速度超过产甲烷菌[23]，乙酸质量分数不断增加，并在16～34 d维持在相对较高水平，之后快速下降。总VFAs质量分数在整个反应过程，均低于已报道的抑制质量分数 1.0 mg/g[23]，表明该试验过程无明显酸积累现象。对比图3发现，4组处理的pH值变化均呈现缓慢上升的趋势，与总VFAs质量分数的变化相反，可见虽然固态样品稀释后测量pH值会产生一定偏差，但总体变化规律仍可以反映发酵体系中VFAs的利用和积累情况。

在T0对照组中，处理16 d的总VFAs质量分数达到最高（0.42 mg/g），但是pH值未出现明显的下降，在8.1～8.2之间，可能是由于猪粪厌氧发酵体系中较强的缓冲作用[24]。乙酸质量分数在处理4 d时为0.21 mg/g，之后降低到0.07～0.09 mg/g 的范围内，在处理16 d后升高到0.30 mg/g，略低于分层接种处理，与其他2组处理保持在一个水平。

在回流处理（TR）的发酵过程中，总VFAs和乙酸质量分数分别在0.07～0.24 mg/g和0.06～0.20 mg/g范围内变化，处于比较稳定的状态，除处理10 d前后，均低于对照组。同时对照图2-b，在4～14 d，渗滤液回流的2组（TR和TLR）日产甲烷量均对应高于不回流组，可以看出渗滤液回流有助于加快发酵体系的传质速率，促进挥发性有机酸向甲烷的快速转化[25]。

在分层处理（TL）中，总VFAs质量分数在0.09～0.60 mg/g 内变化。乙酸质量分数在处理16 d以后高于其他3组处理，在0.26～0.40 mg/g的范围内，可能是由于分层处理在接种物和底物的接触面附近产生高质量分数的乙酸，使该区域的微生物处于抑制状态[26]。

渗滤液回流和分层接种结合的处理（TLR）中，整个发酵过程中总VFAs质量分数在0.07～0.30 mg/g的范围内变化，低于分层接种处理（TL），证明在分层接种的基础上，回流对降低乙酸质量分数具有较好效果。

2.3 氨氮质量分数的变化

氨氮是厌氧发酵过程中的重要指标之一，质量分数过高时会抑制微生物的产甲烷作用。以往关于氨胁迫的研究多集中于濕发酵过程，同样它也存在于干发酵中，陈闯等对猪粪的厌氧干发酵研究表明，氨氮质量分数大于2.3 mg/g时，会出现明显的产气抑制[27];蒋建国等对厨余垃圾的高固体厌氧消化结果表明，前期氨氮质量分数超过1.7 mg/g时，系统呈现氨氮抑制状态，随着微生物被驯化，系统抵抗力增强，随着氨氮质量分数升高至3.0 mg/g时，系统状态反而较为良好[28]。

由图6可知，从发酵开始到结束，各处理组的氨氮质量分数均逐渐上升，在前15 d上升速度较快，15 d后逐渐趋于稳定，最高质量分数为3.06 mg/g，结合产甲烷特性可知，发酵体系未发生明显的氨抑制现象，可能是因为蛭石对氨氮具有较强的离子阳离子交换性[16]，使得体系中的氨氮质量分数降低，还有可能是由于干发酵传质效率低造成的。T0组和TL组的氨氮质量分数基本处于同一水平，在发酵过程中，氨氮质量分数分别从1.69、1.83 mg/g升高至3.06、2.95 mg/g，在有渗滤液回流处理的发酵组中（TR和TLR），氨氮质量分数分别从1.69、1.74 mg/g升高至2.72、 2.79 mg/g，并且整个过程中两回流组的氨氮质量分数始终低于对应的不回流组，表明渗滤液回流能明显降低体系的氨氮质量分数。

2.4 SCOD的变化

由图7可知，各组SCOD除处理3 d外，均处于同一水平，且缓慢下降，与后期甲烷含量缓慢下降相一致。T0处理的SCOD质量分数在处理3 d（11.00 mg/g）前后高于回流处理，低于分层接种的2个处理，由此可见，发酵初期分层处理水解效率较高，此时渗滤液尚未回流，SCOD较低。

2.5 产甲烷动力学

采用修正的Gompertz方程对4组发酵的累积VS产甲烷量进行拟合，见图8、表4。各组的拟合曲线均呈现很高的拟合度，因此修正的Gompertz方程可用于模拟预测发酵体系的相关参数。渗滤液回流的2组（TR、TLR）T90分别为19.8、21.5 d，均低于对应的不回流组（T0、TL）;回流组（TR）的预测VS最大产甲烷量和最大产甲烷速率最大，分别为 207.7 mL/g 和14.9 mL/（g·d），但对比TL和TLR发现，除T90外回流组均无明显优势。由此可见，猪粪添加蛭石的厌氧干发酵中，渗滤液回流能缩短发酵周期，提高底物和接种物混合发酵体系产气性，但对分层接种发酵效率无促进作用。

3 结论

渗滤液回流能够降低厌氧干发酵体系中的VFAs和氨氮质量分数，缩短发酵周期，提高底物和接种物混合体系VS产气率，但分层接种发酵中渗滤液回流对本试验的产气性能无提升作用。

发酵前期分层接种和不分层组的累积甲烷产量存在显著性差异，后期逐渐变小至无显著性差异，分层对厌氧发酵的的甲烷体积分数没有明显影响。

Gompertz方程是针对厌氧湿发酵开发的，但经过修正后同样能对添加蛭石的猪粪厌氧干发酵过程表现很好的拟合效果，因此修正的Gompertz方程可用于预测厌氧干发酵过程的相关参数。

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