罗 娟，赵立欣，姚宗路，孟海波，李秀金，冯 晶，袁海荣，于佳动，黄开明



NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化

罗 娟1,2，赵立欣1，姚宗路1，孟海波1※，李秀金2，冯 晶1，袁海荣2，于佳动1，黄开明1

（1. 农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；2. 北京化工大学化学工程学院，北京 100029）

为探究NaOH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能，该文在研究甘蔗叶分别与猪粪、牛粪不同配比厌氧消化性能及动力学特性的基础上，采用Box-Behnken试验设计方法开展3种物料混合厌氧消化试验，并运用响应曲面法模拟和优化温度、混配比、C/N 3个工艺参数。结果表明，甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化时产生了协同作用，累积沼气产量比假设未产生协同作用的理论计算值提高了8.13%～15.01%；修正的Gompertz 模型可以较好地模拟2种物料混合厌氧消化的动力学过程，相关度系数大于0.998；甘蔗叶与猪粪/牛粪（1∶1）混合（甘蔗叶与粪比为1）厌氧消化的最优工艺条件为：温度36.5 ℃，C/N比27∶1，该条件下混合物料的单位干物质产沼气量实测值为337.5 mL/g，与预测值（331.92 mL/g）非常接近。

沼气；粪；甘蔗叶；猪粪；牛粪；混合厌氧消化

0 引 言

甘蔗是中国种植面积最大的糖料作物，在常年糖料种植面积中占比超过85%[1]，主要集中在广东、广西、云南、贵州、海南等省区。自2000年开始，中国甘蔗种植面积和总产量一直保持世界第三的位置，仅次于巴西和印度[2]。据中国统计年鉴，2016年中国甘蔗播种面积为152.7万hm2，总产量11 382.5万t。在甘蔗收获的同时，产生大量甘蔗叶等废弃物，产量高达3 600万t[3]，但利用率不到20%，大量甘蔗叶被废弃、焚烧，对环境造成污染。与此同时，中国南方地区是传统畜牧养殖优势区，2016年底上述5个省份的猪存栏量8 751.3万头，牛存栏量2 293.3万头（中国统计年鉴），按照每头猪、牛每天分别产生粪便2和20 kg来估算，年总产生量高达23 129.54万t。

厌氧消化技术是种植、养殖废弃物资源化和能源化利用的一种有效手段。国内外研究表明，在秸秆类原料中添加动物粪便进行混合厌氧消化具有诸多优点，可以平衡发酵原料的营养成分，避免单一物料发酵时的不足，有利于提高沼气产量[4-5]。温度是影响厌氧微生物生命活动过程最重要的因素之一，适宜的温度有利于厌氧消化过程的进行[6]。目前不少学者对常见秸秆与畜禽粪便的混合厌氧消化开展了研究，Li Jiang等[7]以牛粪与玉米秸秆、麦秆、稻草3种秸秆为原料开展了半连续厌氧消化产沼气研究，发现秸秆与牛粪质量比为1∶1时沼气产量最高，且产甲烷过程需要适宜的氮、磷以及微量元素；吴爱兵等[8]的研究表明麦秸与牛粪混合堆沤预处理可以改善混合物料的厌氧干发酵产气特性。甘蔗叶中富含粗蛋白和粗纤维[9-10]，是一种优良的沼气发酵原料，但是由于含有大量纤维木质素，在厌氧消化时易出现降解率低、发酵时间长等问题[11-12]。研究发现，适当的预处理可有效提高甘蔗叶[13-14]、玉米秸[15-17]、麦秸[18]等高纤维素含量物料的厌氧消化性能，且NaOH去除木质素的效果较好[19]。因此，本文以NaOH预处理后的甘蔗叶以及猪粪、牛粪为原料，开展了甘蔗叶分别与2种动物粪便在不同配比条件下的厌氧消化试验，并使用修正的Gompertz 模型对产沼气过程进行了动力学分析，最后开展了三元物料混合厌氧消化试验，运用响应曲面法优化温度、混合比、C/N等关键工艺参数，以期为改善混合物料厌氧消化性能、提高产气效率提供理论参考和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用甘蔗叶取自广东省茂名市电白区，自然条件下风干后用粉碎机粉碎至粒径1 cm以下，于阴凉通风处备用；猪粪、牛粪分别取自北京市大兴区生猪和奶牛养殖场；接种用活性污泥取自农业农村部规划设计研究院沼气实验室长期运行的厌氧消化器。试验物料特性见表1。

表1 物料特性

注：a基于干物质；ND表示未测定。

Note:adry basis; ND means not determined.

1.2 试验方法

1.2.1 二元物料混合厌氧消化

甘蔗叶的C/N较高，如果仅采用添加动物粪便的方式来调节C/N到较佳的范围内，甘蔗叶的用量极少，不能达到本文主要使用厌氧消化技术来处理甘蔗叶的目的，因此，同时采用添加尿素的方法来调控C/N。基于前期试验结果，采用质量分数为6%的NaOH（相对于甘蔗叶干物质质量）添加到甘蔗叶中，用去离子水将物料含固率调至12%，充分搅拌使所有甘蔗叶均受到NaOH溶液的润湿，之后将混合物放入广口瓶内，密封并置于25 ℃的恒温培养箱内，5 d后取出并使用果汁压榨器对其进行固液分离，将固体部分干燥后得到试验用甘蔗叶。随后进行甘蔗叶与猪粪、甘蔗叶与牛粪的二元物料混合厌氧消化试验，混合物料的干物质量比均为2∶1、1∶1、1∶2、1∶0、0∶1，总干物质量为20 g，总有机负荷调至65 g/L左右。按照上述配比将10组发酵原料分别放入厌氧发酵瓶内，加入100 g活性污泥，再将物料混合均匀。采用中温（35±1）℃发酵，日产沼气量采用排饱和食盐水法测定。每天定时将发酵瓶取出并摇晃1次，每组试验各设置3个平行。

研究表明，修正的Gompertz模型可以很好地模拟物料厌氧消化产沼气过程[20-21]，因此本研究采用该模型对甘蔗叶与猪粪、牛粪两两混合厌氧消化过程进行拟合，并得出产沼气动力学参数，其模型公式如式（1）所示。

式中表示第天的物料累积产沼气量，mL/g；0表示最大的或最终的产沼气量，mL/g；µ表示最大的产沼气速率，mL/(g∙d)；表示迟滞时间，d；表示消化时间，d；e为自然常数，2.718 282。

1.2.2 三元物料混合厌氧消化及参数优化

以NaOH预处理甘蔗叶、牛粪、猪粪为原料进行3种物料混合厌氧消化试验。根据前述试验结果以及相关文献[22]，确定牛粪、猪粪的混配比为1∶1，混合物料总干物质量为20 g，总有机负荷调至65 g/L左右。采用Box-Behnken方法设计三因素三水平的混料试验，考察温度（30、35、40 ℃）、混合物料配比（1∶2、1∶1、2∶1）、C/N（20∶1、25∶1、30∶1，使用尿素进行调节）对厌氧消化性能的影响，因素水平编码及试验设计方案如表4所示。采用响应曲面法优化上述3个工艺参数。

1.2.3 分析与测试方法

1）加权沼气产量计算方法

不同物料进行混合厌氧消化时可产生“协同作用”。协同作用是指进行混合厌氧消化的物料在各自理论沼气产量之外多出的部分沼气量，也就是加权沼气产量（weighting experimental biogas yeild，WEBY）。加权沼气产量可以通过公式（2）来计算。

WEBY=WBY-(EBYs×s+EBYa×a) （2）

式中WEBY是指混合物料厌氧消化的加权沼气产量，WBY指混合物料的实际沼气产量，EBYs和EBYa分别指甘蔗叶和动物粪便的单位TS质量试验沼气产量（理论沼气产量），s和a分别指甘蔗叶和动物粪便的总TS质量。

2）测试方法

原料的总固体（total solid，TS）与挥发性固体（volatile solid，VS）采用质量法测定，其中样品烘干与灼烧使用的仪器为分析天平（BSA223S-CW，赛多利斯，德国）、电热恒温鼓风干燥箱（DGG-9240B，上海森信）与高效节能快速升温马弗炉（2200型，北京华北）。日产沼气量和累积产气量利用排饱和食盐水水法测定。沼气中甲烷含量采用气相色谱分析（Model 7890A，Agilent，美国）。总碳和总氮含量分别用元素分析仪分析（Vario EL Cube, Elementar Inc.，德国）。纤维素、半纤维素和木质素含量采用Van Soest和Wine描述的方法来检测。pH值采用便携式pH计（IQ150）测定。

2 结果与分析

2.1 甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化性能

2.1.1 产沼气特性

NaOH预处理甘蔗叶分别与猪粪、牛粪以不同比例混合后的日产气量如图1a、b所示，累积产气量如图1c、d所示。由图1a、b可知，各组物料在厌氧消化过程中出现若干个产气高峰，其中产气最高峰出现在第8～10天。总的来看，前20天的沼气产量维持在相对较高水平，随后呈现出逐渐降低趋势。单一甘蔗叶的最高日产沼气量最大，为563.6 mL/d。单一猪粪和单一牛粪在厌氧消化前期（约前15天）的沼气产量较高，后期产气下降较为明显，说明动物粪便比甘蔗叶的降解速度要快。与甘蔗叶与牛粪的混合物相比，甘蔗叶与猪粪的混合物产气更为均衡，产气效果更好，这可能是由于猪粪中的挥发性固体含量相对更高（表1）。混合物料的累积产气量要高于单一物料，其中甘蔗叶和动物粪便（猪粪、牛粪）的混配比约为1∶1时累积产气量最高，分别为6 075.57和5 903.61 mL。

图1 不同混配比例甘蔗叶与动物粪便日产气量与累积产气量

甘蔗叶与动物粪便不同混配比例下实际产沼气量与理论沼气产量、加权沼气产量如表2所示。从表2看可以看出，与理论沼气产量相比，SL∶PM分别为2∶1、1∶1、1∶2和 SL∶DM分别为2∶1、1∶1、1∶2的实际沼气产量分别提高了10.14%、15.01%、8.13%、9.72%、14.28%和7.09%。说明甘蔗叶与动物粪便在厌氧消化过程产生了一定的相互作用，即“协同作用”[23]，该作用促进了甘蔗叶和动物粪便的降解，提高了有机物的转化率，使沼气产量增加。这可能是由于甘蔗叶与动物粪便的营养成分差异较大，经过混合后，平衡了营养元素，使底物更易于被厌氧菌群分解利用，提高微生物活性，促进其生长繁殖。

表2 甘蔗叶与动物粪便不同混配比例下实际沼气产量与理论沼气产量比较

2.1.2 pH值变化

图2为10组物料在厌氧消化过程中的pH值变化曲线，可以看出整个反应过程中各组pH值的趋势大致相同，且维持在产甲烷菌适宜的pH值范围（6.5～7.5[24]）内。在反应的启动阶段，物料pH值相对较高（7.18～7.62），这是由于采用NaOH进行预处理的甘蔗叶pH值较高。随着反应的进行，各组物料的pH值出现较大幅度下降，这可能是由于产酸菌不断生长繁殖，将有机物降解为乙酸、丙酸、丁酸等酸性物质，并在发酵瓶内不断累积，使得pH值快速降低。从第8～9天开始，物料的pH值略有上升并基本保持平稳，这可能是因为由产酸菌分解产生的酸性物质逐渐被产甲烷菌所转化利用，且产酸菌和产甲烷菌的代谢活动维持在较为平衡的状态；在反应后期，随着可降解利用有机物不断被消耗，产酸菌的代谢活动逐渐减弱，产甲烷菌略占优势，pH值呈现出略有上升的趋势。反应停止时10组试验的pH值为6.92～7.11。

2.1.3 沼气中甲烷含量变化

由图3可以看出，各组物料的甲烷含量在反应前期迅速增加并达到较高值，随后基本维持在该水平（50%～63%），在反应后期呈现略有下降的趋势。混合物料组的甲烷含量明显高于单一物料组（尤其是单一动物粪便组），沼气质量较优，其中甘蔗叶与动物粪便混配比为1∶1时甲烷含量平均值最高，累积甲烷产量比单一物料组提高了10.88%～39.16%。这说明2种不同类型物料混合后厌氧消化，可以促进底物的转化利用，提高了产甲烷率，改善了厌氧消化性能。

图2 混合物料的pH值变化

图3 沼气中甲烷含量变化

2.1.4产沼气动力学分析

采用修正的Gompertz 模型进行甘蔗叶与猪粪、牛粪两两混合条件下厌氧消化产沼气拟合的结果如表3所示，得到了不同配比物料厌氧消化的理论最大产沼气量、最大产沼气速率以及迟滞时间。

表3 预处理甘蔗叶与动物粪便厌氧消化产沼气动力学模拟结果

各组数据的拟合结果的相关度2adj值均大于0.998，说明修正的Gompertz 模型能够较好的模拟混合物料的产沼气过程，这与相关文献报道的结果相一致[21,25-26]。拟合得到的理论最大产沼气量与实际测得的累积沼气产量大小趋势基本一致，混合物料的最大产沼气量和产气速率比单一甘蔗叶，尤其是单一动物粪便产气速率要大，说明混合厌氧消化有助于提高物料的产气速率。迟滞时间的大小反映了厌氧微生物适应发酵原料所需时间的长短，本文中各组物料的迟滞时间均较小，混合物料的值介于单一甘蔗叶和单一动物粪便之间，说明在甘蔗叶等秸秆类物料中添加动物粪便后，可以较好地平衡甘蔗叶和动物粪便的营养成分，加快厌氧微生物对改性甘蔗叶和动物粪便混合物料的适应，缩短启动时间；与其他试验组相比，单一猪粪和单一牛粪厌氧消化的迟滞时间更短，仅为1 d左右，说明相较于纤维素含量更高的秸秆类物料来说，厌氧微生物对动物粪便类物料的适应性更强。

2.2 混合物料厌氧消化工艺优化结果

2.2.1厌氧消化产沼气工艺优化回归模型分析

采用Central Composite试验设计方法考察温度、C/N不同水平组合对甘蔗叶与牛粪、猪粪3种物料混合厌氧消化性能的影响，其中C/N使用尿素进行调节。试验结果如表4所示。

表4 混合原料厌氧消化的Box-Behnken设计

采用Design-Expert 7.0软件对表4中沼气产量的试验数据进行线性、平方、特殊立方、立方回归分析，结果如表5所示。建立以沼气产量为响应值，以温度、C/N为自变量2个因素编码值的回归方程如式（3）所示。

=314.56+41.39+50.46+16.8-79.682-63.582（3）

式中为沼气产量。

回归方程的拟合度和显著性检验结果显示，回归方程式显著（<0.0001），失拟项不显著（>0.05），2、2adj、2pred均大于90%，值为52.82，表明该模型能够用来对沼气产量进行分析和预测，且拟合效果较好。方程式（3）的2个一次项以及2个二次项均显著（<0.05），说明2个因素对沼气产量均有显著影响。

表5 回归模型方差分析

Note:2=0.974 2,2adj=0.955 7,2pred=0.916 9.

2.2.2 响应曲面分析优化与模型验证

采用响应曲面法（RSM）对三元物料混合厌氧消化过程进行优化，绘制响应曲面及等高线图，如图4所示。从图中可以看出，当C/N一定时，沼气产量随着温度的升高呈现出明显的先增加后减少趋势，说明适宜的温度有利于厌氧微生物的代谢和繁殖。当温度一定时，沼气产量随着C/N的增加表现为先增加后减小。研究发现当C/N过低时，易产生氨积累导致pH值升高，甚至可达8.5以上，不利于产甲烷菌的生长繁殖；当C/N过高时也会导致沼气产量减少[27]；厌氧消化较适宜的C/N为20~30[28-29]，其中较优值为30左右[30]，这与本文研究结果一致。

通过模型优化得到最佳工艺条件，即温度为36.53 ℃，C/N为27.3。为便于操作，将其调整为：温度36.5 ℃、C/N比27。在与2.2.1相同试验条件下，以调整后的最佳工艺参数进行3次重复厌氧消化试验，以验证模型的可靠性和准确性。试验得到的沼气产量平均值为337.5 mL/g，与模型预测值（331.92 mL/g）非常接近。

图4 温度和C/N对沼气产量的影响

3 结 论

本研究对NaOH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能及工艺参数优化进行了研究，得到如下结论：

1）甘蔗叶与猪粪或牛粪混合厌氧消化产生了协同作用，促进了有机物的降解，改善了底物厌氧消化性能，累积产沼气量提高了8.13%~15.01%；混合物料的甲烷含量增加，甘蔗叶与动物粪便干物质比为1:1的累积甲烷产量比单一物料提高了10.88%~39.16%。

2）修正的Gompertz 模型可以较好地模拟甘蔗叶与动物粪便的混合厌氧消化动力学过程，2adj值大于0.998。相较于纤维素含量更高的甘蔗叶来说，厌氧微生物对动物粪便的适应性更强，产沼气速率更大。

3）响应曲面法可以用来优化多物料混合厌氧消化的工艺参数，得到了甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化的最优条件，即温度为36.5 ℃，C/N比为27:1，该条件下产沼气量实测值为337.5 mL/g，与预测值（331.92 mL/g）非常接近。

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Parameter optimization in anaerobic co-digestion of NaOH pretreated sugarcane leaves and pig manure-dairy manure

Luo Juan1,2, Zhao Lixin1, Yao Zonglu1, Meng Haibo1※, Li Xiujin2, Feng Jing1, Yuan Hairong2, Yu Jiadong1, Huang Kaiming1

(1.1001252.100029)

Tropical agriculture in south of China produces a large amount of tropical agricultural wastes every year including sugarcane leaves (SL). According to statistics, the annual output of SL in China is as high as 36 million tons, while the utilization rate is less than 20%. Lots of SL is discarded or even incinerated, causing environmental pollution. At the same time, South China is traditional dominant area for pig and herbivore due to rich and cheap feed. A great amount of animal manure (AM) is produced every year, which causes ecological and environmental pressure. Anaerobic digestion (AD) technology is considered to be an effective way to deal with wastes from planting and breeding. However, the low efficiency and biogas production resulting from large amount of lignocellulose limits large-scale application of SL. The biodegradability of SL can be effectively improved by pretreatment, and the anaerobic co-digestion can improve the biogas production performance of SL and AM. In this paper,the anaerobic co-digestion performance of AM and SL pretreated by NaOH was studied. The AD performance of pretreated SL with pig manure (dairy manure) at different mixing ratios (2∶1, 1∶1, 1∶2, 1∶0, 0∶1) was investigated. After that, the effects of temperature (30, 35, 40 ℃) and C/N (20∶1, 25∶1, 30∶1) of modified SL, pig manures and dairy manures were determined with Central Composite design method. The results of the tests indicated that the cumulative gas production of the mixed materials was significantly higher than that with single material and the best mixing ratio was 1:1, with which the values reached 6 075.57 and 5 903.61 mL respectively and were 8.13%-15.01% higher than that without pretreated SL or AM. The modified Gompertz model could simulate the kinetics of anaerobic co-digestion of SL and AM, and the correlation coefficient was more than 0.998. The synergistic effect was found in anaerobic co-digestion and resulted in nutrients balance and promotion of organic matter. Regression model analysis showed that the temperature and C/N had significant effects on AD. The optimal process conditions were determined by response surface methodology, that the temperature was 36.5 and C/N was 27. The measured values of biogas production of the mixture of SL and AM was 337.5 mL/g under the optimized conditions above, which was very close to the predicted value (331.92 mL/g). The model verification results showed that RSM could be used to optimize the AD process parameters of mixture.

biogas; manures; sugarcane leaves; pig manures; dairy manures; anaerobic co-digestion

2018-06-13

2018-11-20

公益性行业（农业）科研专项（201503135）

罗 娟，博士，主要研究方向为生物质能源技术装备与环境保护。Email：emimi2008@126.com

孟海波，研究员，主要研究方向为农村能源与农业废弃物资源化利用。Email：newmhb7209@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026

S216.4

A

1002-6819(2019)-05-0212-07

罗 娟，赵立欣，姚宗路，孟海波，李秀金，冯 晶，袁海荣，于佳动，黄开明.NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2019，35(5)：212－218.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026 http://www.tcsae.org

Luo Juan, Zhao Lixin, Yao Zonglu, Meng Haibo, Li Xiujin, Feng Jing, Yuan Hairong, Yu Jiadong, Huang Kaiming. Parameter optimization in anaerobic co-digestion of NaOH pretreated sugarcane leaves and pig manure-dairy manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 212－218. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026 http://www.tcsae.org