张 振， 尹 芳， 张无敌， 赵兴玲， 王昌梅， 吴 凯， 柳 静

（云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明 650500）

0 引言

随着我国畜牧业的迅速发展，畜牧业在农业中地位日益提高；奶牛养殖场在不断扩大规模和数量的同时，也产生了很多的有机固体废弃物和高浓度有机废水[1]。 如果不能对这些农业废弃物进行无害化、资源化处理，将会对环境造成严重的破坏[2]。 厌氧消化工艺对于处理畜粪类农业废弃物是一种行之有效的方法。

根据原料的固体含量（TS）不同，沼气发酵可以分为厌氧湿发酵（TS＜15%）和厌氧干发酵（TS＞20%）。目前，国内养殖场广泛应用湿发酵方法，即将堆放的粪便加水稀释后送入反应器中进行发酵。 大量的加水造成了水资源的浪费，而且发酵后的沼液须有足够的土地消纳，还存在沼液运输难的问题。 与厌氧湿发酵相比，厌氧干发酵具有耗水量小，沼液量少，沼渣营养物浓度高，运输成本低，发酵设备利用率高等优点，应用在土地有限和水资源缺乏的地区，其优势更为突出[3]。 然而，厌氧干发酵在启动和运行过程中也有易酸化（VFA 产生过快）、启动慢、发酵过程中须进行搅拌、产气不稳定等难题[4]。

在发酵过程中加入外源添加剂是解决酸化问题的一种方法。 文献[5]将垃圾焚烧炉产生的灰分适当地添加至厌氧消化体系中， 可提高体系中一定的金属含量， 有利于提高沼气产量。 César Huilifir 研究显示， 添加浓度为10，25，50，250，500 mg/L 的粉煤灰均可促进厌氧发酵过程，最大可提高甲烷产量达56%[6]。 通过分析显示，灰分中含有不同的微量元素， 有利于维持厌氧体系中的酶活性，保证微生物的生长代谢[7]。 文献[8]指出，Fe，Co，Ni 等元素能够促进产甲烷菌的生长和激活酶的活性，进而加快甲烷的生物合成。

目前， 使用生物质烧制的灰分作为外源添加剂进行厌氧干发酵的研究较少。 本文旨在探究生物质灰分添加量对于厌氧干发酵的影响， 在牛粪厌氧干发酵实验中， 按不同比例加入核桃壳烧制后的灰分，探究其对厌氧干发酵的影响，尤其是灰分添加量对体系酸化问题的影响。 本文可为牛粪的资源化、能源化利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 原料、添加剂和接种物

实验原料牛粪来自昆明市石林县某牧场，模拟养殖场自然堆放晾晒后备用。核桃壳经粉碎后，筛选粒径为40～60 目的颗粒， 在105 ℃干燥箱中干燥24 h 后备用。在实验室用马弗炉将核桃壳在600 ℃温度下烧制3 h 后得到灰分。 对灰分进行EDS 分析， 得到其元素含量：C 元素占72.04%，O元素占26.06%， 另含有少量微量元素Mg（0.16%），AI （0.09%），Si （0.22%），S （0.18%），K（0.43%），Ca（0.82%）。 接种物通过活性污泥以及新鲜奶牛粪在37 ℃条件下长期驯化而得，不产气后使用。 牛粪和接种物的总固体（TS）、挥发性固体（VS）、总氮（TN）和总磷（TP）等含量的基本特性见表1。

表1 奶牛粪和接种物特性Table 1 Characteristics of cow manure and inoculum

表2 实验设计Table 2 Experimental design

1.2 实验设计

厌氧发酵实验装置如图1 所示。

图1 实验装置Fig.1 Experimental equipment

设计工作体积为200 ml， 反应体系中TS 为21%。 实验设置实验组、对照组。 实验组分别添加发酵总TS 2%，6%，10%的灰分，对照组不添加灰分，仅是牛粪和接种物；每组各设3 个平行。 装置密封后分别通N2不低于2 min， 保持良好的厌氧环境。 放置于37±1 ℃水箱中水浴保温。 实验的具体设计如表2 所示。

1.3 测定方法

①TS，VS，氨氮的测定采用标准方法。

②TN 测定使用凯氏定氮仪；TP 测定采用钼蓝分光光度法。

④pH 测定采用pH 计以及精密pH 试纸。

⑤采用排水集气法测定产气量， 日产甲烷量为日产气量与当天甲烷含量的乘积， 其数据为3组的平均值。

⑥CH4，VFA 含量利用气相色谱仪测定，采用Porapak Q 不锈钢填充柱， 柱温80 ℃。 载气为氮气，流量为30 ml/min；进样室温度为80 ℃，检测室热导检测器（TCD）的检测室温度120 ℃，桥电流120 mA。 液相组分（乙醇、乙酸、丙酸、丁酸戊酸、异丁酸、异戊酸）由气相色谱仪测定，色谱柱为30 mm×0.25 mm×0.25 μm 的熔融硅胶毛细管色谱，用高纯氮气作载气，其气体流速为30 ml/min；进样方式为分流进样，分流比为10：1，空气和氢气流速分别为400，30 ml/min。

⑦电镜扫描使用冷场发射扫描电子显微镜，5 kV 加速电压，工作距离6.6 mm。

2 结果与分析

2.1 添加剂核桃壳灰分的表征

图2（a），（b）分别为外源添加剂核桃壳灰分的数码拍照图以及电镜扫描图。 从图2（a）看到，核桃壳经过长时间的高温燃烧，剩余下来的物质为燃烧之后的灰分。 由电镜扫描结果可知，在放大倍数5 000 倍，40 μm 的观察水平下， 可看到许多不规则块状结构，表面不光滑。有研究表明，利用马弗炉烧制核桃壳生物炭的过程中，会在其表面产生不同大小的孔径结构[10]。 从图2（b）看到，这些孔径结构在马弗炉中600 ℃的温度灼烧后已经坍塌。

图2 核桃壳灰分的数码拍照图和电镜扫描图Fig.2 Digital photograph and scanning electron microscope and of walnut shell ash

2.2 灰分添加量对厌氧干发酵甲烷含量的影响

图3 为灰分添加量对厌氧干发酵甲烷含量的影响。

图3 灰分添加量对厌氧干发酵甲烷含量的影响Fig.3 Effect of ash addition on methane content in dry anaerobic fermentation

从图3 可以看出， 不同灰分添加量的实验组呈现出不同的甲烷含量变化。 各组在实验前6 天处于发酵的滞留期，体系逐渐酸化，处于准备产甲烷的阶段；第7 天各实验组甲烷含量达到40%以上；到了第9 天后进入了第一个甲烷含量高峰期，甲烷含量达到了55%以上，其中10%组的甲烷含量达到了60%； 第9 天之后各组甲烷含量都在50%上下浮动。值得注意的是，在第35 天左右，对照组和2%组的甲烷含量略有下降； 在第50 天6%组、10%组的甲烷含量都开始快速上升， 但此时产气已经趋于结束。在反应结束后，计算整个反应周期里对照组、2%组、6%组、10%组的平均甲烷含量， 分别为50.39%，50.76%，52.43%，51.99%，可见6%组和10%组甲烷含量相对较高。

2.3 灰分添加量对厌氧干发酵日产甲烷量的影响

图4 曲线为灰分添加量对厌氧干发酵日产甲烷量的影响。

图4 灰分添加量对厌氧干发酵日产甲烷量的影响Fig.4 Effect of ash addition on daily methane production by dry anaerobic fermentation

由图4 可以看出，从第1 天始，各组便开始快速产气，产甲烷量日益增加，在第10 天左右达到了产甲烷的高峰期。对照组和2%组比6%组、10%组更快地达到产气高峰， 其中2%组的高峰期产气量显著高于对照组， 日产甲烷达到300 ml 以上；6%组的高峰产甲烷量与对照组不相上下，10%组的高峰产甲烷量最低。高峰期之后，各组产甲烷量在此起彼伏中稳定下降， 其中各实验组发酵至第28 天出现发酵产甲烷的一个低谷，之后又恢复稳定下降的趋势。 在第36～40 天，各实验组又进入另一个大幅度下降的阶段，最后趋于平稳。经过57 d 的实验过程，发酵结束。 从整个实验周期来看， 牛粪厌氧干发酵在前25 d 产甲烷量较高，是发酵高峰期。

2.4 灰分添加量对厌氧干发酵累计产甲烷量的影响

图5 灰分添加量对厌氧干发酵累计产甲烷量的影响Fig.5 Effect of ash addition on accumulated methane production in dry anaerobic fermentation

图5 为灰分添加量对厌氧干发酵累计甲烷量的影响。 实验前6 d 处于发酵滞留期，基本不产甲烷，待系统恢复稳定后，第7 天起各组的甲烷产量迅速上升。 由图5 可见，2%组累计产甲烷量上升最快，曲线的斜率在发酵的前、中期最大；6%组累计产甲烷量在前20 d 小于对照组，但是在20 d 以后超过对照组，在后期产甲烷量显著高于对照组。最终产甲烷量由高至低的顺序为2%组、6%组、对照组和10%组。 在实际沼气工程中，可以将发酵过程中总产甲烷量达到80%的时间视为HRT，根据最佳产甲烷组别的2%组可将HRT 定为第31天。 由累计产甲烷量曲线图可以得出：到发酵结束，2%组、6%组的产甲烷量分别为5 794.48 ml 和5 646.48 ml；对照组为4 794.6 ml；10%组为4 523.52 ml。由此可见，添加灰分量为2%组和6%组对牛粪的厌氧干发酵起到了促进的作用， 使得产甲烷量分别提高了20.85%和17.77%。 实验证明，厌氧干发酵并非灰分添加量越多越好，10%组累计产甲烷量低于对照组， 说明灰分添加产生了抑制效果。 最适合的灰分添加量还须做进一步的实验研究。 本文实验结果与文献[11]得出的添加过量草木灰对厌氧发酵产生抑制的结果相似。

2.5 发酵结束后各组物质特性情况

计算单位TS 产甲烷率和VS 产甲烷率。 反应体系TS 为21%，一共有200 g 物质，其中干物质为42 g，可计算出的TS 产甲烷率（累计产甲烷量/干物质的量）：2%组137.96 ml/g；6%组134.44 ml/g；对照组114.16 ml/g；10%组107.70 ml/g。 反应体系的VS 为74%，则VS 产甲烷率（TS 产甲烷 率/反 应 体 系VS）：2%组186.43 ml/g；6%组181.68 ml/g； 对照组154.27 ml/g；10%组145.54 ml/g。 在发酵结束后测定的各组物质TN（总氮）、TP（总磷）、NH3+（氨氮）、VFA（挥发性有机酸）和pH 值列于表3。

表3 发酵后各组物质基本特性Table 3 Basic properties of each group after fermentation

通过对发酵后沼渣进行总氮总磷含量的测定可见， 在整个发酵过程中， 氮素含量基本没有损失， 验证了厌氧发酵工艺保留氮素的能力好于堆肥处理[12]。 发酵后含氮量平均达2.22%，含磷量平均达到2 052 mg/kg。 在发酵体系中添加灰分对沼渣还田无害，有利于发酵后的沼渣还田。

通过对发酵后沼渣的氨氮，VFA，pH 的测定，判断发酵体系发酵是否良好。 Duan 研究表明，干发酵体系中氨氮为3 000～4 000 mg/L，会对发酵产生中等或严重的抑制效果，在氨氮小于2 000 mg/L 的条件下不会对发酵产生抑制作用[13]。 本文实验中各组氨氮含量低于2 000 mg/L， 未产生抑制作用。 另外，由表3 还可以看出，添加灰分越多氨氮含量越高，未添加灰分的对照组氨氮含量最低。这可能是由于以灰分作为添加剂产生的影响，灰分添加提高了氨氮的水平。

本实验pH 也在适宜厌氧干发酵的范围内，且添加灰分越多pH 越高。 这是因为灰分中的碳酸根等碱性物质溶于水后， 提高了发酵体系中的碱度。 因为厌氧干发酵容易酸化，所以提高pH 有利于厌氧干发酵的进行。 这说明该实验的酸碱缓冲体系良好，发酵完全。

VFA 是影响厌氧发酵稳定性的重要因素之一，通过测定发酵末端产物VFA 的含量，可以判断发酵原料水解后物质是否完全转换为乙酸等供给产甲烷菌利用以及体系是否发酵完全。 通常污泥CAD 消化池中VFA 浓度为200～300 mg/L，若VFA 浓度过高，会对产甲烷菌产生抑制作用。VFA影响厌氧发酵的抑制机理与氨氮相似： 非离子化的VFAs 分子进入细胞内部并解离，造成pH 值改变，进而影响微生物代谢[14]。 当VFA 高于400 mg/L，厌氧发酵体系便会产生轻度抑制；当VFA 高于1 000 mg/L， 厌氧发酵体系产生中度抑制； 当VFA高于3 000 mg/L， 体系将彻底酸化产生严重抑制的后果[15]。 本实验除对照组外，各组VFA 水平皆在50 mg/L 以下，均不产生抑制。 这可以说明经过57 d 的发酵之后，各组的发酵都比较彻底，没有过多的VFA 残留。

发酵结束后各组的pH 值随着灰分添加量加大而升高，VFA 随着灰分添加量升高而降低。 对该结果进行分析可知， 灰分中的无机物质在厌氧干发酵易酸化的体系中形成了酸碱缓冲体系，起到了很好的保护作用，有益于厌氧干发酵的进行。

3 结论

在牛粪厌氧干发酵添加灰分的实验中，6%组和10%组的甲烷含量高于对照组和2%组。 在整个发酵周期中，前25 d 为厌氧干发酵高峰期。 添加灰分2%组和6%组对牛粪厌氧干发酵起到了促进的作用， 其产甲烷量比对照组分别提高了20.85%和17.77%。添加灰分10%组对发酵产生了抑制作用，产甲烷量比对照组降低了5.65%。

在牛粪厌氧干发酵添加灰分实验结束后，测定发酵体系的pH，VFA 数据显示， 发酵体系的pH 值随着灰分添加量加大而升高，VFA 随着灰分添加量升高而降低。 这说明灰分在厌氧干发酵过程中起到保护作用， 在易酸化的体系中形成了酸碱缓冲，有利于厌氧干发酵的进行。