牛糞與豬糞混合兩相厭氧發酵酸化特性

關正軍，馬吉龍，畢蘭平，孫先麗

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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牛糞與豬糞混合兩相厭氧發酵酸化特性

關正軍，馬吉龍，畢蘭平，孫先麗

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：研究了牛糞分離液和豬糞按比例調配的混合物料，在兩相厭氧發酵進程中，物料濃度(TS)分別為8 %、10 %、12 %時的酸化特性。酸化試驗過程中考察的指標有pH、氨氮和揮發性脂肪酸(VFA)等。依據酸化過程中各指標的變化趨勢，確定濃度為8 %、10 %、12 %3組混合物料酸化過程的HRT分別為7、5、5天。研究結果可為牛糞分離液與豬糞混合兩相厭氧發酵酸化過程工藝參數控制提供依據。

關鍵詞：混合；兩相厭氧發酵；酸化特性；沼氣

0引言

牛糞是沼氣發酵過程中常用的原料，但由于粗纖維含量大、速效養分不高、產氣率低,制約了沼氣工程的發展。盡管以牛糞為原料的發酵過程氣質量好、緩沖能力強、系統運行穩定；但單一牛糞中的營養物質和微量元素是一定的，難以為發酵微生物的生長繁殖和新陳代謝等生命活動提供全面而均衡的營養。同時，牛糞中纖維含量高，發酵周期長，在一定程度上制約了沼氣工程的運行效率[1-2]。

混合發酵是指將互補性的幾種原料放在一起進行厭氧發酵的技術，是近年來厭氧發酵領域研究的熱點之一[3]。將較難分解的有機物與易分解有機物混合發酵不但同時處理了幾種發酵原料，提高設備的利用率，節約成本；而且由于原料之間的互補性和對有害物質的稀釋，可以提高發酵原料的生物轉化率[4-5]。牛糞中C/N高，易降解物質少，致使發酵周期長，在牛糞中添加C/N低的豬糞進行混合發酵，可以彌補單一原料的缺點，提高產氣效果和設備的利用率。

兩相厭氧發酵工藝是基于產酸菌和產甲烷菌這兩類在增殖速率和生長環境方面完全不同的微生物類群而提出的一種新型發酵工藝。在兩相厭氧發酵系統中，產酸菌和產甲烷菌被置于不同的反應器內，并為它們提供最佳的生長代謝條件，使之能夠發揮各自最大的活性，從而避免了單相厭氧發酵工藝中微生物之間的干擾以及代謝產物對微生物的抑制作用，因此具有比單相厭氧發酵工藝更高的處理能力和處理效率，系統的抗沖擊能力和穩定性也大大增強[6-7]。

為了提高設備利用率和甲烷產率，常規濕法發酵的料液濃度(發酵物料中干物質的量占總發酵物料的質量百分比)為8%。在本試驗中，由于對牛糞進行了固液分離預處理，去除了大部分難降解的粗纖維，分離液粘度降低，使得高濃度厭氧發酵成為可能。為了探索高濃度發酵的可行性，在牛糞分離液中添加豬糞，將發酵料液濃度提高到10%、12%，并與8%料液濃度對比，研究混合原料高濃度兩相厭氧發酵酸化特性。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

本試驗所采用的發酵原料為新鮮牛糞、牛糞分離液和豬糞。牛糞取自東北農業大學實驗基地，牛飼料的主要成分為青儲飼料；取來的牛糞2∶1(質量比)加水稀釋后采用實驗室自行研制的固液分離機進行分離，所得的液體部分即為牛糞分離液[8]。豬糞取自哈爾濱市香坊區某養殖戶，豬飼料為豆渣和麩皮；接種物為實驗室連續發酵過程中富含產甲烷菌的發酵后液體。發酵前對原料進行參數測量，包括TS、VS、木質纖維素、黏度和碳氮比(C/N)，結果如表1所示。

1.2試驗主要儀器

試驗中用到的儀器設備有自行研制的螺旋擠壓固液分離機、數顯黏度計、電子天平、高速離心機、冷凍冰柜、Fibertec 1020型纖維分析儀、LiquiTOC分析儀、Kjeltec2300氮分析儀，以及GC6890氣相色譜儀等。

表1　沼氣發酵原料參數表

1.3試驗方法

本實驗研究的是牛糞分離液和豬糞按比例調配的混合原料酸化過程的變化規律，根據酸化進程中各指標的變化進而確定酸化的水力停留時間(HRT)。牛糞分離液中C/N高、速效養分低、難降解物質多，導致發酵周期長、產氣量不高。采用在分離液中添加C/N低的豬糞可以彌補單一牛糞發酵的缺陷，提高產氣率、節約運行成本。實驗開始前，先測定牛糞分離液和豬糞的C/N，根據厭氧發酵正常進行所需的合適C/N(20～30之間)，調節二者的混合配比；通過一組預實驗，得出在牛糞分離液中添加30%豬糞的混合組發酵效果最好，由此得到最佳混合比例。發酵料液總固體濃度(TS)分8%、10%和12%3組。實驗在中溫條件下進行，采用恒溫水浴槽控制發酵溫度維持在(35±2)℃。發酵罐為帶上下口的玻璃瓶，有效發酵容積4.5L。實驗開始時一次性投料，不使用接種物，酸化過程中無料液的進出，每天定時監測pH、氨氮及VFA等指標。

2酸化試驗結果與分析

2.1pH的變化

pH對厭氧發酵系統中各類群細菌的生長繁殖和新陳代謝具有重要影響。產甲烷菌對pH變化敏感，原料的酸堿度應為中性或微偏堿性，最佳酸堿度范圍較窄為6.5～7.8；水解酸化細菌對pH的適應范圍廣，pH在5.0～8.5之間都能正常生長，有些產酸菌甚至在小于5的pH環境內仍生長良好。

圖1是發酵濃度分別為8%、10%、12%3組混合物料兩相厭氧產酸相pH值的變化規律。從圖1中可以看出：隨著酸化的進行，3組pH值的變化趨勢類似，整體都是先下降后升高；各組混合物料初始pH值都在7.20左右，酸化的前7天，TS為8%、10%、12%的3組物料的pH均呈現不同程度的下降趨勢，并分別于第7天、第5天、第5天降至最低值。這是由于纖維素、蛋白質、脂肪等復雜有機物在水解酸化微生物的作用下先被降解為簡單有機化合物如單糖、氨基酸和肽等，后在微生物胞內酶的作用下，分解為低分子物質，其中大部分是揮發性脂肪酸，導致系統pH大幅下降；水解酸化階段產生的大量揮發性脂肪酸和簡單有機酸為產甲烷菌提供了豐富的原料，同時產氨細菌的活動使氨態氮濃度升高，發酵料液中的氧化還原電位降低，又為甲烷菌提供了適宜的外部條件環境，促使產甲烷細菌迅速生長繁殖，分解利用有機酸，體系pH隨之升高。另外，從水解酸化菌和甲烷菌正常生長的pH范圍可知，3組混合物料，6天以后都進入了產酸和產甲烷共生的階段。

圖1　產酸相pH值的變化曲線

2.2氨氮的變化

氨氮是厭氧發酵過程中一個非常重要的參數，但其具有兩面性。氨氮濃度在適宜的范圍時，既能作為微生物的氮源，又可在一定程度上調節系統的酸堿度、防止酸積累，為微生物的生長創造良好的條件，促進微生物的生長代謝；然而氨氮濃度過高如氨氮質量濃度增加到3 000mg/L以上時，就會引起抑制或毒害作用，降低微生物的活性，阻礙正常的發酵過程。因此，在厭氧發酵過程過程中，維持氨氮濃度在適宜的范圍具有重要的意義。

厭氧發酵系統中的氮素主要來自原料中的含氮化合物，料液中的大分子含氮有機物在水解酸化細菌的作用下轉化為小分子有機氮化合物，小分子有機氮在氨化細菌的作用下進一步轉變化為無機態氮。厭氧環境中氨態氮是無機態氮存在的主要形式，在溶液中有離解型和非離解型兩種表現狀態，即NH3→NH4++OH-[9]。沼液中氨態氮含量的不斷變化是由兩方面的原因共同引起的：厭氧微生物生長過程中對氨氮的消耗，使得氨氮含量降低；有機物在分解過程中產生了大量可溶性氨氮，使氨氮濃度升高。

圖2為產酸相氨氮隨酸化時間的變化趨勢。實驗開始的第1天3組氨氮濃度急劇升高，分別從初始的0.78、0.94、1.09 mgN/g上升到0.83、1.07、1.19mgN/g。在隨后的2～7天，8 %混合組增幅平穩，酸化第8天達到峰值0.93mgN/g，之后氨氮濃度在波動中降低，實驗開始的第15天，降為0.86mgN/g；10 %混合組在酸化過程中有3個峰值，分別是第2天、第8天和第15天，其余酸化天數內的氨氮濃度變化不大，除第1天外在1.05～1.07范圍內。12 %混合組在酸化的2～6天，氨氮濃度呈現上升的趨勢，尤其是開始的前3天氨氮濃度急劇升高，第7天以后波動比較大。3組混合物料前兩組的氨氮濃度(除個別點)波動比較平緩，第3組升高降低的范圍較大。從圖2中可以看出：隨著發酵濃度的升高，氨氮濃度也會隨之升高。另外，對比圖1酸化過程中pH的變化趨勢圖可知，氨氮濃度對發酵體系pH的影響是明顯的。

圖2　產酸相氨氮的變化曲線

2.3揮發性脂肪酸(VFA)的變化

揮發性脂肪酸是厭氧發酵過程中的重要指標，其含量的多少可用以定性地判斷厭氧發酵系統運行的好壞。在兩相厭氧發酵過程中，產酸菌把各種復雜有機物如碳水化合物、脂肪、蛋白質降解為簡單化合物，通過其生命活動為產甲烷菌提供了合成細胞物質和產甲烷所需的營養物質。產甲烷菌所利用的是產酸菌的代謝產物，如二氧化碳、乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等[10]。VFA的大小代表了有機物在水解酸化過程中產生這些簡單酸和醇的多少，即該有機物可生化降解能力的強弱。盡管VFA既不表示水解酸化階段產生的所有有機酸，也不表示直接轉化為甲烷的有機酸，但VFA作為厭氧生物學指標具有極強的代表性。VFA是有機物厭氧分解能力強弱的指標，單位時間單位有機物產生VFA的多少，即代表了該有機物可降解能力的強弱[11-12]。

圖3為8 %混合物料、10 %混合物料和12 %混合物料3組產酸相揮發性脂肪酸總量的變化趨勢圖。在整個酸化周期內，3組揮發性脂肪酸總量的變化趨勢基本一致，均是先迅速升高(1～2天)，然后波動性升高(3～7天)，第8天和15天為兩個最低點，最后趨于平緩的變化趨勢。這主要是因為在酸化初期酸化細菌將分離液和豬糞中的易降解物質，迅速地轉化為簡單有機物，導致系統VFA含量的增加。隨著酸化的進行，易降解物質的減少，VFA增加的速率減慢。當VFA含量增加到一定水平后會產生反饋抑制作用，抑制產酸過程的進行，導致VFA含量增長緩慢。同時，發酵微生物將有機氮化合物轉化為無機氮化合物，而氨氮又是無機氮存在的主要形式，系統氨氮的增加會使pH升高，產甲烷菌開始活躍，進入到產甲烷菌和產酸菌共生階段。

圖3　產酸相揮發性脂肪酸總量的變化

從圖3中可以看出：隨著發酵濃度的升高，VFA總量也會隨之升高。這一點與圖2所示產酸相氨氮隨酸化時間的變化是一致的。同時，對比圖1和圖2可知：各實驗組VFA總量的變化同pH和氨氮的變化幾乎是相反的；VFA總量升高的階段pH和氨氮降低，VFA總量降低的階段是pH和氨氮升高的階段；VFA總量升高，pH和氨氮剛好降低，VFA出現低值的時間pH和氨氮剛好達到最大值。

圖4為8%混合物料產酸相各揮發性脂肪酸的變化曲線圖。除乙醇的含量在整個酸化周期內都為零外，乙酸、丙酸和丁酸含量的變化同VFA總量的變化趨勢基本上是一致的，都是先升高(1～7天)，第8天達到最低值，然后變化趨于平緩(9～15天)。乙酸含量的變化同總酸的變化最相似，發酵的前2天含量急劇升高，3～7天持續上升但增長速率小于總酸的增長速率，第7天達到最大值。丙酸的含量的變化以第8天為界，前7天緩慢上升，9天以后含量比較平穩，幾乎沒有波動。丁酸的含量變化隨著酸化時間的推移呈現緩慢升高的趨勢，但增幅相當小。從圖4中可以看出，乙酸的含量遠遠高高于其它兩種酸的含量，丙酸略高于丁酸，丁酸含量最少。

圖4　8%混合物料產酸相各揮發性脂肪酸的變化

圖5為10 %混合物料產酸相各揮發性脂肪酸隨酸化時間的變化曲線。乙醇的含量仍為零，乙酸、丙酸和丁酸3組含量的變化趨勢同VFA總量的變化趨勢大致相同，均是酸化初期先升高(1～5天)，中期波動性降低(6～8天)，后期變化較小整體較為平緩(9～14天)，實驗進行的第15天VFA含量迅速降低。從圖5中可以看出：乙酸的變化趨勢和VFA總量的變化趨勢最相近，只是整體的變化幅度沒有VFA總量的那么大；丙酸除了也是在酸化第8天達到最小值和第15天含量急劇降低外，在酸化時間內整體就分為前期(1～7天)的緩慢升高和后期(9～14天)的趨于穩定；丁酸含量的變化同VFA總量的變化差別最大，總體波動較小。

圖5　10%混合物料產酸相各揮發性脂肪酸的變化

圖6為12%混合物料產酸相各揮發性脂肪酸隨酸化時間的變化曲線。水解酸化過程中在12 %混合物料酸化過程中仍沒有檢測到乙醇。乙酸、丙酸和丁酸3組含量的變化同VFA總量的變化趨勢基本一致，酸化的前4天VFA含量持續上升，酸化的中后期呈現階段性升降的變化。由圖可知：乙酸含量整體的變化同總VFA的變化最相似，升降的幅度相比總VFA要小很多；丙酸總體波幅遠遠小于乙酸的變化；丁酸的含量變化最為平穩，最大值和最小值的差額較小。各VFA在第8天和13 d分別取得低值和高值，下面以這兩天為例說明各種VFA在酸化進程中含量變化幅度的大小。總VFA這兩天的含量差值為2.09L/kg，而乙酸的差值僅為1.33L/kg，丙酸和丁酸的差值更小分別為0.58L/kg和0.18L/kg。

圖6　12%混合物料產酸相各揮發性脂肪酸的變化

圖7為不同發酵濃度下的混合物料產酸相各揮發性脂肪酸累積量的變化圖。從圖7中可以直觀的看出：12%實驗組酸化過程中的累計量遠高于其它兩組，高出第2組33.53%，是第1組的將近1.7倍；10%試驗組酸化過程中的累計量為83.5L/kg介于第1組和第3組之間；8%試驗組的累計量最少為65.8L/kg。實驗過程中乙酸累積量的大小順序是12%組大于10 %大于8%組，12%組乙酸累積量是10%混合組的1.32倍，8%混合組的1.73倍；丙酸和丁酸累計量多少的規律同總酸和乙酸是一致的。由此，可以得出這樣的結論：隨著發酵濃度的增大，各種VFA酸化過程中的累計量均逐漸升高；盡管8%、10%和12%3組發酵物料中的牛糞和豬糞都是按照同樣的配比進行混合的，但發酵濃度越高，物料中的干物質也越高，相應的易降解物質也多，單位時間內產生的VFA的量也會高。

圖8 是產酸相各VFA在相應的總酸累積量中所占的百分比。從圖8中可以看出：乙酸、丙酸、丁酸在不同濃度中的累計量百分比變化都不大，乙酸維持在63%～66%之間，丙酸在22 %左右，丁酸含量的百分比范圍為12%～14%。在3組實驗中，10%混合組乙酸百分比含量最高，丙酸和丁酸的百分比都是最低的；8 %混合組的乙酸百分比含量最低，丙酸和丁酸的累積量百分比都最高；12 %混合組乙酸、丙酸和丁酸含量百分比都是介于8%和10%兩試驗組之間。

圖7　混合物料產酸相各揮發性脂肪酸的變化

圖8　產酸相各揮發性脂肪酸累積量占總酸的比例

3結論

1) pH的變化：在酸化試驗進程中，3組發酵濃度的pH變化基本一致，均是先迅速降低，然后波動性變化，最后緩慢升高。10%和12%混合組在第5天降到最低，8%混合組酸化第7天降到最低。酸化中后期pH持續上升，進入了產酸和產甲烷共生的階段。

2)氨氮的變化：3組試驗水解酸化過程中氨氮變化趨勢先升高后降低。氨氮濃度的大小順序是：12%試驗組>10%混合組>8%混合組。發酵濃度高的試驗組氨氮濃度相應的也高，發酵濃度低的實驗組氨氮濃度也低。氨氮濃度對發酵體系pH的大小具有顯著影響。

3)揮發性脂肪酸(VFA)總量及各組分的變化：不同發酵濃度的混合物料，在水解酸化進程中VFA總量的變化是一致。VFA總量日產生量與發酵濃度相對應。VFA與pH的變化負相關， VFA升高， pH降低；VFA降低，pH升高；VFA取得最大值的時期，pH恰好最低；VFA含量最低的點，pH恰好在這一天取得最大值。

依據酸化過程中各指標的變化趨勢，確定濃度為8%、10%、12%3組混合物料酸化過程的HRT分別為7、5、5天。該結果可對牛糞分離液與豬糞混合兩相厭氧發酵系統提供運行依據。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0250-EA

Acidification Characteristics of Two-phase Anaerobic Fermentation by Separated Liquids from Dairy Manure with Swine

Guan Zhengjun, Ma Jilong, Bi Lanping, Sun Xianli

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：The acidification characteristics of two-phase anaerobic fermentation by separated liquids from dairy manure combined with swine manure were investigated. We investigated with three TS levels 8%, 10%, and 12%. pH value, ammonia nitrogen and volatile fatty acids (VFA), etc were determined in the process of acidification characteristics test. Analysis of the results showed that the durations of the hydrolytic acidification phase were 7 d, 5 d, 5 d, respectively. Our findings could provide basis for process parameters of the hydrolytic acidification phase of two-phase anaerobic fermentation by separated liquids from dairy manure with swine manure.

Key words：co-digestion； two-phase anaerobic fermentation； acidification characteristics； biogas

文章編號：1003-188X(2016)07-0250-05

中圖分類號：S216.4

文獻標識碼：A

作者簡介：關正軍(1970-),男，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)zhjguan@163.com。通訊作者：馬吉龍(1988-),男，黑龍江雙城人，碩士研究生，(E-mail)410534033@qq.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAJ12B01)

收稿日期：2015-08-03