牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵工藝優化及動力學研究

聶 冬，金明姬2，*，劉 永，嚴昌國2（.延邊大學理學院，吉林延吉002；2.延邊大學農學院，吉林延吉002；.山東寶來利來生物工程股份有限公司研究院，山東泰安27000）

牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵工藝優化及動力學研究

聶 冬1，金明姬2，*，劉 永3，嚴昌國2
（1.延邊大學理學院，吉林延吉133002；2.延邊大學農學院，吉林延吉133002；3.山東寶來利來生物工程股份有限公司研究院，山東泰安271000）

為實現牛糞與水稻秸稈資源化利用，采用批式試驗，分別研究了預處理劑種類（H2O2、H2SO4、NaOH）、預處理劑濃度（2%、4%、6%）及牛糞與水稻秸稈物料比（1∶1、2∶1、4∶1）對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣效果的影響。結果表明，采用2%H2O2預處理劑，物料配比控制在1∶1，系統平均原料產氣率為398.0 mL·g-1，發酵效果最佳。動力學研究發現，一級動力學模型與Modified Gompertz方程均可較為準確地對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣過程進行動態模擬，其中，Modified Gompertz方程的模擬效果更優。

牛糞；水稻秸稈；預處理；一級動力學模型；Modified Gompertz方程

作為農業大國，我國每年畜禽糞便及作物秸稈產量分別達20.1億和7億t［1-3］。若對此缺乏有效的處理，不僅是資源的浪費，對環境也會造成巨大壓力。鑒于此，通過厭氧發酵技術處理農業廢棄物的研究越來越受到重視。在減少農業廢棄物對環境危害的同時，也可為生產生活提供清潔生物能源，具有顯著的經濟、生態和環保效益。

秸稈中含有大量難降解的纖維素、半纖維素、木質素等，且組成結構復雜，如直接用于發酵產沼氣，存在發酵啟動慢、發酵時間延長、產氣率低、秸稈利用率低等問題［4］。Zhang等［5］利用3%的NaOH對稻草進行預處理，使稻草產氣量較未處理秸稈提高54%。高志堅［6］對比分析了未進行預處理、生物預處理和化學預處理后玉米秸稈的產氣效果，采用50 g·L-1NaOH溶液進行預處理，可明顯提高厭氧消化的效率。覃國棟等［4］認為，水稻秸稈經堿試劑處理亦存在洗滌用水及物質損失的問題，但化學預處理方法仍是一種破壞水稻秸稈復雜結構較為快速便捷的方法。同時，近年來有關混合發酵方面的研究也較多，張洪賓等［1］、李雪等［7］對作物秸稈與畜禽糞便進行了混合發酵，結果與單一物料發酵相比，混合發酵解決了發酵原料碳氮比調控困難、發酵周期長、產氣率低及發酵系統不穩定等問題，其效果明顯優于單一物料發酵。

本試驗以牛糞與水稻秸稈為原料，擬進行混合厭氧發酵；同時，在發酵前擬用酸堿性試劑對水稻秸稈進行預處理。通過探討不同預處理方法與牛糞、水稻秸稈物料配比對發酵系統的影響，優化牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵系統。同時，結合厭氧發酵一級動力學模型與 Modified Gompertz模型系統研究混合厭氧發酵特性，以期為牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞取自延邊大學教學基地養殖場，為富集厭氧菌種，將鮮牛糞在實驗室漚制一段時間備用；水稻秸稈取自吉林省龍井市附近水稻田；接種物取自延吉市污水處理廠二沉池活性污泥，為富集污泥中的厭氧菌，對污泥進行2周的厭氧馴化，期間定期加入營養液，提高污泥濃度。

1.2 試驗裝置

如圖1，試驗采用實驗室自行設計的單項厭氧發酵系統。裝置由水浴恒溫裝置、發酵裝置與集氣裝置3部分組成。水浴恒溫裝置用于控制發酵溫度；發酵裝置采用5 L的下口瓶，瓶口用橡膠塞密封；集氣裝置由錐形瓶與燒杯組成，錐形瓶口用橡膠塞密封；各裝置間用導氣管與導液管連接。

1.3 試驗設計

試驗采用批式進料方法，按表1中的試驗設計條件，將牛糞、預處理水稻秸稈與馴化后活性污泥按一定比例混合配置發酵料液，接入自制發酵裝置中進行連續發酵。試驗共分預處理劑優化試驗（試驗1）、預處理劑濃度優化試驗（試驗2）與物料配比優化試驗（試驗3）。試驗1與試驗2分別設3個試驗組與1個對照組，試驗3設3個試驗組與2個對照組。此外，在所有試驗中，發酵料液初始總固體含量（TS）控制在8%［8］，發酵溫度控制在（35±1）℃，活性污泥的投加量控制在0.79 g（干質量），并每天定時攪拌1次。

水稻秸稈預處理具體方法如下：將水稻秸稈鍘成1～2 cm左右細條狀，浸泡于預處理溶液中24 h。此時，秸稈與預處理溶液固液比控制在1∶10，預處理溶液根據不同的試驗要求進行配置。后將秸稈用蒸餾水沖洗浸泡至中性，風干備用。

1.4 測定項目及方法

試驗所測項目有總固體含量（TS）、pH值、化學需氧量（COD）、總氮（TN）及產氣量等。其中，TS在發酵料液配置過程中，采用烘干法進行測定；pH值使用PHS-3C酸度計每隔3 d測定一次；COD、TN均在發酵前后，采用重鉻酸鉀法與硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測定［9］；產氣量利用排水法，每天定時測定1次。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Experiment device schematic diagram

表1 厭氧發酵控制參數Table 1 Controlling parameter of anaerobic fermentation

2 結果與分析

2.1 不同預處理劑對厭氧發酵系統的影響

在不同預處理劑條件下，牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵系統產氣情況如圖2。由于發酵前對牛糞進行了短暫的漚制，試驗組與對照組在發酵初期均出現一個產氣小高峰。但隨后因產酸速率高于產甲烷速率，酸物質累積，pH值下降，影響產甲烷菌的富集，產氣量增長緩慢或呈下降趨勢。但隨發酵的進行，酸物質逐漸消耗，pH值上升，產甲烷菌得到富集，產氣量也呈上升趨勢。H2O2、H2SO4、NaOH試驗組與對照組分別在第22、19、21與32天出現產氣峰值，其最大產氣速率分別為1 146、993、1 098與976 mL·d-1。之后，隨發酵物料的減少，產氣緩慢降低。

4組累積產氣量由大到小依次為H2O2（27.2 L）＞H2SO4（26.7 L）＞NaOH（22.0 L）＞對照組（21.6 L），這與劉培旺等［10］及李湘等［11］的研究結果類似。與對照組相比，利用酸堿對秸稈進行預處理時，大量木質素、半纖維素及纖維素絲狀結晶結構解體，明顯提高了系統產氣效率。而在試驗組中，H2O2組產氣量略高于其他2組。視累積產氣量達到總產氣量90%為1個發酵周期，4組發酵周期從短到長依次為NaOH（54 d）＜H2SO4（57 d）＜H2O2（59 d）＜對照組（61 d），整體無顯著差異。綜上，對水稻秸稈進行預處理可明顯加快產氣高峰的出現，顯著提高產氣量及產氣速率。而使用H2O2進行預處理，其產氣量及最大產氣速率等均優于H2SO4與NaOH。

2.2 不同預處理劑濃度對厭氧發酵系統的影響

圖2 不同預處理劑條件下的產氣趨勢Fig.2 The trend of gas production with different pretreatment agent

結合2.1節的試驗結果，以H2O2為預處理劑，進行預處理劑濃度優化試驗，其結果如圖3所示。2%H2O2、4%H2O2、6%H2O2試驗組與對照組產氣呈先上升后下降趨勢，期間出現多個明顯的產氣峰值。其中，最大產氣峰值分別出現在第17、19、23與49天；此時，最大產氣速率分別為1 672、1 573、1 612與1 236 mL·d-1。與試驗組相比，對照組產氣過程明顯滯后，且產氣速率也低于試驗組，說明對秸稈的預處理可縮短發酵周期，提高產氣效率。2%H2O2、4%H2O2和6% H2O2試驗組日產氣量維持1 000 mL以上的高產氣天數分別為18、6和11 d，2%H2O2試驗組維持時間長于其他2組，產氣過程相對集中。

4組累積產氣量由大到小依次為2%H2O2（50.6 L）＞4%H2O2（42.2 L）＞6%H2O2（40.2 L）＞對照組（34.7 L），這與姜宗姍等［12］利用不同濃度氫氧化鈉對玉米秸稈進行預處理的研究結果類似。4%H2O2和6%H2O2試驗組預處理劑濃度較高，對秸稈的破壞能力強，處理后秸稈中的纖維物質及糖類流失較為嚴重，導致發酵過程整體秸稈基質含量較少，累積產氣量低于2% H2O2試驗組。就4組累積產氣量達到總產氣量90%的發酵周期而言，4%H2O2（61 d）=6% H2O2（61 d）＜2%H2O2（62 d）＜對照組（65 d），試驗組整體無明顯差異，但較對照組稍有提前。綜上，2%H2O2在加快產氣高峰期出現，增加高產氣天數，提高最大產氣速率及產氣量等方面均優于4%H2O2與6%H2O2。

2.3 不同物料配比對厭氧發酵系統的影響

結合上述試驗結果，以2%H2O2作為水稻秸稈最優預處理劑濃度，進行不同物料配比試驗，其結果如圖4。1∶1、2∶1、4∶1混合試驗組與單一牛糞、秸稈對照組均出現幾個明顯的產氣高峰。其中，最大產氣高峰分別出現在16、17、14、31與14 d；此時最大產氣速率分別為2 297、1 672、1 587、1 673與450 mL·d-1，1∶1試驗組最高。在整個發酵過程中，1∶1試驗組pH值下降幅度比其他組小，且pH值回升進入穩定階段也較快，整體發酵系統較為穩定。

圖3 不同預處理劑濃度條件下的產氣趨勢Fig.3 The trend of gas production of different pretreatment agent concentration

圖4 不同原料配比條件下的產氣趨勢Fig.4 The trend of gas production with different ratio of raw materials

5組累積產氣量由大到小依次為1∶1（53.7 L）＞2∶1（50.8 L）＞4∶1（46.9 L）＞單一牛糞（38.3 L）＞單一秸稈（5.2 L）；試驗組明顯優于對照組，且隨牛糞比例的增加，累積產氣量降低，這與張洪賓等［1］的研究結果一致。在混合厭氧系統中，適當混合牛糞與水稻秸稈，可調整系統C/N，提高產氣效率［7］。本試驗中，隨物料比的增加，提供氮源的牛糞投加量增多，發酵液C/N降低，發酵液中氮源過剩，碳源相對缺乏，影響了微生物的生長繁殖及活性，故降低了系統的累積產氣量。3組試驗組中累積產氣量達到總產氣量90%的發酵周期分別為，4∶1（61 d）＜1∶1（62 d）= 2∶1（62 d），整體未受物料比影響。綜上，混合厭氧發酵相比單一發酵可明顯加快產氣高峰的出現，顯著提高產氣速率及產氣量，且原料配比為1 ∶1時，產氣量及產氣速率等均優于2∶1與4∶1試驗組。經上述分析可知，與牛糞、水稻秸稈的單一厭氧相比，牛糞與水稻秸稈混合厭氧可顯著提高系統的發酵效率；同時，在混合厭氧系統中，對水稻秸稈進行預處理又可顯著提高系統發酵效率。而在牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵系統中，采用2%H2O2預處理劑，牛糞與水稻秸稈物料配比控制在1∶1時，系統發酵效果最佳。此時，系統平均原料產氣率為398.0 mL·g-1。

2.4 牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵動力學研究

眾多研究者認為，厭氧發酵過程中生物質產氣過程遵循一級反應［13-14］，一級動力學模型是描述厭氧發酵最簡單的模型，是一個反映累積效應的經驗式，其具體方程如式（1）：

式（1）中：M（t）為發酵時間t時的累積產氣量（mL·g-1）；Mmax為最大產氣潛力（mL·g-1）；k為水解常數（d-1）；t為發酵時間（d）；e為exp（1）= 2.718 28。

而部分研究者認為，在含較高纖維素的發酵液中，接種的微生物為調節代謝，需重新合成必需的酶類、輔酶或某些中間代謝產物，適應新的環境而出現生長的延滯期。因此，確定厭氧發酵過程中的延滯期對研究厭氧發酵過程具有重要影響。Kafle等［15］和Zhai等［16］指出固體有機廢棄物厭氧發酵過程中的延滯期可通過Modified Gompertz方程計算，具體方程如式（2）：

式（2）中：M（t）為發酵時間t時的累積產氣量（mL·g-1）；Mmax為最大產氣潛力（mL·g-1）；Rmax為最大產氣速率（mL·g-1·d-1）；λ為延滯期（d）；t為發酵時間（d）；e為exp（1）=2.718 28。

水稻秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質素等大分子物質，利用一級動力學模型與Modified Gompertz方程，模擬牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵系統的產氣過程，探討一級動力學模型與Modified Gompertz方程對混合厭氧發酵試驗模擬的科學性。為確定方程相關參數，采用一級動力學模型與Modified Gompertz方程對最優混合厭氧發酵試驗組（試驗3之試驗組1）的累積產氣量隨時間的變化進行擬合，取得相關模擬參數。一級動力學中水解常數k為0.004 18 d-1；Modified Gompertz模型中最大產氣速率Rmax及延滯期分別為8.153 mL·g-1·d-1和9.05 d；2個模型的最大產氣潛力存在較大差異，分別為1 505.54和422.46 mL·g-1。

結合模型參數，利用一級動力學模型與Modified Gompertz方程，對混合厭氧發酵產氣過程進行動態模擬，并將模擬累積產氣量與實測累積產氣量進行比較，結果如圖5。經方差分析，一級動力學模型與Modified Gompertz方程累積產氣量模擬值與實測值間無顯著差異（分別為P= 0.798＞0.05與P=0.965＞0.05），一級動力學模型與Modified Gompertz方程均可較好地對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣過程進行動態模擬。但Modified Gompertz方程擬合曲線的R2（0.994）大于一級動力學的R2（0.973），且所取得最大發酵潛力（Mmax）更接近實測值，故判斷該方程可更好地對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣過程進行模擬。

圖5 模擬值與實測值比較Fig.5 The comparison between predicted values and measured values

3 結論

牛糞與水稻秸稈的混合厭氧發酵與牛糞、水稻秸稈單一厭氧相比可顯著提高系統發酵效率。而在混合厭氧系統中，對水稻秸稈進行預處理又可顯著提高系統發酵效率。在牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵系統中，采用2%H2O2預處理劑，牛糞與水稻秸稈物料配比控制在1∶1時，系統平均原料產氣率為398.0 mL·g-1，發酵效果最佳。經牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵動力學研究發現，一級動力學模型與Modified Gompertz方程均可對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣過程進行動態模擬，而Modified Gompertz方程則更適宜牛糞與水稻秸稈混合厭氧發酵產氣過程的模擬。

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（責任編輯 張 韻）

Research on optimization and kinetics in anaerobic fermentation of mixed cattle manure and rice straw

NIE Dong1，JIN Ming-ji2，*，LIU Yong3，YAN Chang-guo2
（1.College of Science，Yanbian University，Yanji 133002，China；2.College of Agriculture，Yanbian University，Yanji 133002，China；3.Shandong Baolai-Leelai Bio-Industrial Group，Tai'an 271000，China）

In order to achieve the resources utilization of rice straw and cattle manure，the effect of 3 kinds of pretreatment agents（H2O2，H2SO4，NaOH），different concentrations of pretreatment agents（2%，4%，6%）and the raw material ratios of cattle manure and rice straw（1∶1，2∶1，4∶1）on anaerobic fermentation of mixed cattle manure and rice straw were evaluated by batch tests.The results showed that H2O2was the optimum pretreatment agent of rice straw，the optimum concentration was 2%，and the best raw material ratio of cattle manure and rice straw was 1∶1.The average production rate of biogas was 398.0 mL·g-1.At the same time，the dynamics research found that the first order kinetic model and Modified Gompertz model system both could simulate the process of biogas production in the cattle manure and rice straw mixed fermentation system.The Modified Gompertz model system was more suitable for describing the anaerobic fermentation process of producing biogas.

cattle manure；rice straw；pretreatment；first order kinetic model；Modified Gompertz equation

X71

A

1004-1524（2016）08-1421-07

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.08.22

2015-12-20

國家自然科學基金項目（51269032）；吉林省教育廳項目（吉教科合字［2015］第39號）

聶冬（1991—），女，吉林梅河口人，碩士研究生，從事環境科學研究。E-mail：1490245351@qq.com
*

，金明姬，E-mail：jinmingji@ybu.edu.cn