生物炭介導雞糞厭氧消化性能研究

潘君廷，馬俊怡，邱 凌，*，郭嘵慧，，郜天磊（.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌700；.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用西部科學觀測實驗站，陜西 楊凌 700）

生物炭介導雞糞厭氧消化性能研究

潘君廷1，馬俊怡1，邱 凌1，2*，郭嘵慧1，2，郜天磊2（1.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用西部科學觀測實驗站，陜西 楊凌 712100）

為探究生物炭介導的雞糞厭氧消化產(chǎn)甲烷的較優(yōu)添加比例，在發(fā)酵溫度［（35±1）℃］、接種率30%的條件下，進行了以雞糞為底物，生物炭為外源添加劑的厭氧消化試驗，研究生物炭不同添加量（20%、15%、10%、5%和不添加）對雞糞厭氧消化產(chǎn)氣特性的影響，確定了生物炭介導的雞糞厭氧消化的較優(yōu)添加比例；同時，用掃描電子顯微鏡對厭氧消化前后生物炭顆粒和附著在生物炭顆粒上的微生物進行了觀察.結(jié)果表明：生物炭的添加提高了雞糞單位VS產(chǎn)甲烷量，添加20%、15%、10%和5%生物炭的處理雞糞VS產(chǎn)甲烷量分別為223mL/g、228mL/g、230mL/g和281mL/g，均高于對照組的202mL/g；添加生物炭提高了產(chǎn)氣中的甲烷含量，降低了二氧化碳和硫化氫含量，提高了沼氣品質(zhì)；電鏡掃描結(jié)果表明，厭氧消化后生物炭表面及內(nèi)部附著了大量厭氧微生物，主要為桿菌、微粒菌和球菌；本研究中，生物炭介導雞糞厭氧消化最優(yōu)的添加比例約為5%.

生物炭；雞糞；厭氧消化；甲烷含量

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計，2010年世界養(yǎng)雞量已達200億只，其中中國占23%［1］.同年，我國規(guī)模化養(yǎng)殖場雞糞排放量已達1.72億t［2］.如果處理不當將會造成嚴重的土壤、水體和空氣污染，進而帶來嚴重的環(huán)境問題［3］.雞糞中的尿酸和未經(jīng)消化的蛋白質(zhì)分別貢獻了總氮的 70%和30%［4-6］.雞糞中的尿酸和未經(jīng)消化的蛋白質(zhì)厭氧消化過程中被轉(zhuǎn)化成氨氮，長期運行的雞糞厭氧消化體系中總氨氮濃度逐漸升高.適量的氨氮對厭氧微生物的自身生長有促進作用，但濃度超過一定值后便會抑制厭氧微生物的生長，甚至最終使厭氧處理系統(tǒng)運行失效［7］.目前主要通過多元原料混合厭氧消化的方式進行營養(yǎng)調(diào)控，應(yīng)用較多的是添加農(nóng)作物秸稈，進行碳氮比調(diào)控.

由于秸稈較難降解，與雞糞厭氧消化水力滯留期不同，增加了調(diào)控難度；同時，厭氧消化過程中，容易形成浮渣和結(jié)殼，影響了厭氧消化過程的正常進行.此外，雞糞厭氧消化工程多位于養(yǎng)雞場內(nèi)，秸稈的多次運入，易對雞場防疫帶來潛在的威脅，在實際沼氣工程運行中操作困難.

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)熱裂解、炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)［10］.研究表明，生物炭施入土壤后可以選擇性的吸附多種離子，對 NH+、NO-43有較強的吸附作用［11］.生物炭中碳含量高達45%，可以增加土壤有機碳含量［12］.生物炭的多孔性、比表面積大及其對離子的吸附特性，為土壤微生物提供了良好的棲息環(huán)境，并對微生物群落的附著、繁殖和演變產(chǎn)生較大影響［13-14］.由此可見，生物炭與雞糞厭氧消化后施入土壤，不僅不會產(chǎn)生環(huán)境風險，而且還可帶來良好的環(huán)境效應(yīng).

Mumme等［15］以模擬廢水為研究對象，發(fā)現(xiàn)生物炭可以提升厭氧消化產(chǎn)甲烷量并緩解輕度氨的抑制.Luo等［16］以葡萄糖為厭氧消化底物研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高厭氧消化效率，縮短水力滯留時間.多數(shù)學者以模擬廢水或純培養(yǎng)物為研究對象，研究了生物炭對厭氧消化的促進作用及潛在機理，而對生物炭在厭氧消化中的實際應(yīng)用關(guān)注不多.為了探究生物炭介導下雞糞厭氧消化產(chǎn)氣特性以及生物炭的添加比例，本文以雞糞為研究對象，進行了不同生物炭添加比例的厭氧消化試驗，并以未添加生物炭雞糞單獨厭氧消化作為對照，通過對比單位揮發(fā)性固體（VS）產(chǎn)甲烷率和氣體成份的變化，探索生物炭的添加對雞糞厭氧消化的影響；同時，通過掃描電子顯微鏡，研究和觀察厭氧消化后生物炭顆粒微觀形態(tài)，以及附著在生物炭顆粒上的微生物形態(tài)，并結(jié)合已有的文獻報道，對其進行研究分析，以期為生物炭介導的雞糞厭氧消化科學研究和工程應(yīng)用提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗原料與接種物

雞糞取自陜西省楊凌示范區(qū)某養(yǎng)雞場（34.312°N，108.059°E；籠式養(yǎng)雞），雞糞由雞籠下直接獲取，手工剔除雞毛和大的雜物并用自封袋密封后放置于 4℃冰箱中冷藏備用.生物炭取自陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司以廢棄果木于 550℃溫度下制備的木質(zhì)生物炭，粉碎后過20目篩備用.接種物取自農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用西部科學觀測實驗站（楊凌）實驗室中長期馴化的厭氧消化污泥.試驗原料的TS、VS、碳氮比（C/N）等部分特性見表1.

表1 試驗原料特性Table 1 Characteristics of raw materials

1.2 試驗裝置與試驗設(shè)計

試驗采用注射器集氣法，用注射器將所產(chǎn)氣體收集后排入氣袋中進行后續(xù)分析.試驗裝置如圖1所示［17］.待測厭氧消化料液裝在500mL厭氧消化瓶（有效容積400mL）中，通過丁基塞密封后與外界空氣隔絕，向反應(yīng)器中吹入氮氣（70%）和二氧化碳（30%）混合氣體 5min排出厭氧消化瓶中的空氣，保證厭氧消化瓶中絕對的厭氧環(huán)境.厭氧消化瓶中厭氧消化料液產(chǎn)生的氣體，通過插在丁基塞上的針頭和塑料細軟管進入玻璃注射器中.厭氧消化瓶和玻璃注射器通過塑料細軟管上的閥門，實現(xiàn)管道的導通和關(guān)閉.將玻璃注射器從塑料細軟管的接口上取下，玻璃注射器中的氣體注入集氣袋中收集保存并用于氣體測試分析.

試驗分添加占雞糞（干基）20%、15%、10%、5%、0%生物炭的5組處理，重復3次，取3組產(chǎn)甲烷量的平均值為日產(chǎn)甲烷量.所有試驗組和對照組初始雞糞添加量均為 14.21g（以揮發(fā)性固體VS計），接種比例為30%（V/V）.在往復式變溫恒溫振蕩水浴搖床中（SPH-110X24，上海世平實驗設(shè)備有限公司，中國）進行序批式中溫（35±1）℃厭氧消化至產(chǎn)氣結(jié)束.每天上午9：00和下午4：00各打開水浴搖床的振蕩功能，振速為 100r/min，振蕩10min，確保厭氧消化料液混合均勻.每2d分析一次氣體成份.

圖1 厭氧消化裝置（500mL）示意Fig.1 Anaerobic digestion device （500mL） used in this study

1.3 分析方法

TS和VS用烘干失重法測定［18］；C、N、S的含量采用元素分析儀（Vario ELⅢ，Elementar公司，德國）測定；日產(chǎn)氣量通過注射器上標示體積的刻度線來讀取；氣體成分用氣相色譜儀（GC2014C，島津公司，日本）測定，TCD檢測器，進樣口溫度100℃，檢測器溫度100℃，爐溫90℃，氣體流量為 30mL/min；通過掃描電子顯微鏡（S-3400N，日立公司，日本）觀測厭氧消化前后生物炭顆粒和附著的微生物情況，樣品噴金，加速電壓15000伏，放大倍數(shù)分別為130、150、2300、2500和5000.

顯著性分析采用SPSS 22.0軟件（IBM公司，美國），通過獨立樣本T檢驗進行分析；繪圖采用Orgin 8.0（ Stat-Ease公司，美國）.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭介導對雞糞厭氧消化產(chǎn)甲烷量的影響

各處理日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量的變化如圖2所示.5個處理均出現(xiàn)2個較為明顯的產(chǎn)甲烷高峰，第 2個產(chǎn)甲烷高峰過后產(chǎn)甲烷量開始逐漸下降并逐漸停止產(chǎn)氣（圖 2a）.由圖 2a可以看出，試驗組在厭氧消化啟動的第 5d，迎來第1個產(chǎn)甲烷高峰，而對照組第1個產(chǎn)甲烷高峰出現(xiàn)在第 3d，這可能是由于生物炭的加入對厭氧消化初期所產(chǎn)氣體有一定的吸附作用

［17］.此階段主要是雞糞厭氧消化料液中易被降解的物質(zhì)被水解產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌利用引起；隨后產(chǎn)甲烷量急劇下降，這可能是由于水解產(chǎn)酸細菌將雞糞中的有機物分解成小分子物質(zhì)產(chǎn)生大量的有機酸，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性；厭氧消化進行至第 12d時，生物炭添加量為10%、15%和20%的處理出現(xiàn)第2個產(chǎn)氣高峰，對照組第 2個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在厭氧消化開始后的第14d，而生物炭添加量為5%的試驗組第2個產(chǎn)氣高峰則出現(xiàn)在第 15d，與對照組接近，這可能是生物炭呈堿性［19］，有利于緩解水解產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的大量有機酸帶來的酸抑制現(xiàn)象，也可能是生物炭的加入提升了產(chǎn)甲烷效率［20］.隨著雞糞中可被微生物利用的有機物減少，產(chǎn)氣量也迅速降低.

添加生物炭的試驗組單位VS累積產(chǎn)甲烷量均高于對照組（圖2b），生物炭添加量分別為20%、15%、10%和5%的處理組，單位VS累積產(chǎn)甲烷量分別為223、228、230和281mL/g，較對照分別提高了 10.40%（P＞0.05）、12.87%（P＞0.05）、13.86（P＞0.05）和39.11%（P＜ 0.01）.與其他試驗組相比，生物炭添加量為5%的試驗組單位VS產(chǎn)甲烷量顯著高于生物炭添加量為20%、15%和10%的試驗組（P＜0.05），這與 Das等［21］以雞糞為底物在27℃條件下進行厭氧消化的研究結(jié)論一致.生物炭的添加能不同程度的提升單位VS產(chǎn)甲烷量，可能的原因之一是適量生物炭的添加，可為微生物提供載體，提高厭氧消化效率，緩解高氮原料厭氧消化中輕度氨的抑制［14-16］.由于通常情況下生物炭呈堿性［19］，過量生物炭的添加會導致厭氧消化體系的pH值過高，抑制厭氧微生物的活性.這可能是提高生物炭添加比例后，促進效果下降的原因.

圖2 各處理日產(chǎn)甲烷量和累積產(chǎn)甲烷量的變化Fig.2 Variation of daily and cumulative methane production per VS with different biochar dosage

2.2 生物炭介導對雞糞厭氧消化氣體成份的影響

各生物炭處理組和對照組厭氧消化所產(chǎn)氣體的甲烷含量、二氧化碳含量、硫化氫含量如圖3所示.由圖3a可以看出，添加生物炭的試驗組所產(chǎn)氣體中甲烷含量均高于不添加生物炭試驗組；從厭氧消化開始10d后，添加生物炭試驗組的甲烷含量高于 65%，添加 5%生物炭的試驗組超過70%，所產(chǎn)氣體中甲烷含量保持穩(wěn)定，而雞糞單獨厭氧消化試驗組的甲烷含量出現(xiàn)下降趨勢.添加20%、15%、10%、5%和不添加生物炭雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的平均甲烷含量為：61.54%、63.04%、62.01%、63.18%和56.25%.

由圖3b可以看出添加生物炭試驗組所產(chǎn)氣體中二氧化碳含量下降后并保持穩(wěn)定，而雞糞單獨厭氧消化組中二氧化碳的含量先下降后上升，出現(xiàn)波動.添加20%、15%、10%、5%和不添加生物炭雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的二氧化碳平均含量為：32.54%、30.41%、30.16%、30.79%和36.68%.

圖3 不同生物炭添加量雞糞厭氧消化氣體成份Fig.3 Methane、carbon dioxide、hydrogen sulfide contents of biogas

由于雞糞中粗蛋白含量較高，蛋白質(zhì)中所含的硫元素經(jīng)厭氧消化轉(zhuǎn)變成硫化氫，故所產(chǎn)氣體中硫化氫含量較高.生物炭介導后所產(chǎn)氣體中硫化氫含量降低速率比對照組快，生物炭添加量越大，硫化氫含量降低速率越快，如圖3c所示.雞糞添加20%、15%、10%、5%、0%生物炭厭氧消化所產(chǎn)氣體的平均硫化氫含量為：4161×10-6，5000×10-6， 5390×10-6， 5614×10-6， 6795×10-6.

Luo等［16］以葡萄糖為厭氧消化底物，通過高通量測序、自動核糖體間隔基因分析和基于自動核糖體間隔基因分析結(jié)果的主成分分析等手段，對生物炭附著的微生物的種群結(jié)構(gòu)分析.結(jié)果表明：在產(chǎn)甲烷階段的早期，產(chǎn)甲烷微生物已經(jīng)富集在生物炭周圍，其中以氯化銨為唯一氮源，硫化鈉為硫源，電子供體只有H2、甲酸鹽、二元醇和-CO，能量代謝來源于還原CO2為CH4，不能代謝甲基胺和乙酸的甲烷桿菌屬Methanobacteriu最為豐富，其次是甲烷鬃毛菌屬Methanosaeta和甲烷八疊球菌屬 Methanosarcina，這為試驗中雞糞添加生物炭厭氧消化CH4含量提高、CO2含量降低提供了理論依據(jù)；同時也為沼氣的原位提純技術(shù)提供了方向.Zhao等［22］發(fā)現(xiàn)導電碳材料可以加強厭氧消化過程的穩(wěn)定性，提高CH4產(chǎn)量和COD去除率，減少水力滯留時間，加強高有機負荷下微生物的互養(yǎng)代謝；與對照相比，導電的厭氧消化體系中，可能由于加強了直接種間電子傳遞（DIET），甲烷產(chǎn)量提高了約 30%，并通過熒光原位雜交技術(shù)（FISH）研究發(fā)現(xiàn)，地桿菌屬（Geobacter）和甲烷鬃毛菌（Methanosaeta）屬同時得到了加強，這可能是本試驗中生物炭處理組單位VS甲烷產(chǎn)量高于對照組的原因之一.

2.3 生物炭顆粒厭氧消化前后電鏡觀察

圖4 生物炭厭氧消化前后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM observation of biochar before and after anaerobic digestion

用掃描電子顯微鏡對厭氧消化前的生物炭顆粒、5%生物炭處理試驗組中厭氧消化后的生物炭顆粒和附著在生物炭顆粒上的微生物進行了觀察，結(jié)果如圖4所示.圖4a是電鏡下厭氧消化前生物炭顆粒形態(tài)，圖4b是電鏡下厭氧消化后生物炭顆粒形態(tài)；由圖4a和圖4b對比可以看出，厭氧消化后生物炭顆粒被厭氧污泥包裹.對圖4a和圖4b的局部（紅色標注部分）進行進一步的放大，可以看出，生物炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)（圖 4c和圖 4d）.厭氧消化前后生物炭對比可以發(fā)現(xiàn)，厭氧消化后的生物炭表面及孔隙中均有大量的微生物附著.通過對圖4c和圖4d的局部（紅色標注部分）進行更進一步的放大觀察（圖4e和圖4f），可以看出，厭氧消化后的生物炭表面及孔隙中有大量的桿菌、微粒菌和球菌附著，部分微生物已在生物炭表面及孔隙中成團聚態(tài).這從表觀上印證了Luo等［16］的研究報道.生物炭的多孔性和大的比表面積為微生物的生長提供了良好的環(huán)境，這也與 Kolb等［12］的研究報道結(jié)果一致.由此可見，生物炭可以作為良好的厭氧微生物載體.

3 結(jié)論

3.1 添加不同比例生物炭均提高了雞糞厭氧消化單位 VS產(chǎn)甲烷量，生物炭介導雞糞厭氧消化較優(yōu)添加量約為5%.

3.2 添加生物炭提升了雞糞厭氧消化所產(chǎn)氣體的品質(zhì)，產(chǎn)氣中甲烷含量提高，二氧化碳和硫化氫含量降低.

3.3 厭氧消化后，生物炭表面及內(nèi)部孔隙有大量的厭氧微生物附著，主要為桿菌、微粒菌和球菌.

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The performance of biochar-mediated anaerobic digestion of chicken manure.

PA N Jun-ting1， MA Jun-yi1， QIU Ling1，2*， GOU Xiao-hui1，2， GAO Tian-lei2（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A & F University， Yangling 712100， China；2.The West Scientific Observing and Experimental Station of the Rural Renewable Energy Exploitation and Utilization of Ministry of Agriculture， Yangling 712100， China）. China Environmental Science，2016，36（9）：2716～2721

Different dosages of biochar （20%， 15%， 10%， 5% and 0%； on a dry weight basis） were added to the anaerobic digestion （AD） of chicken manure to investigate its effects on AD performance under mesophilic condition （35±1）℃. The same amount of chicken manure （14.21g， on a Volatile Solid-VS basis） and initial inoculum concentration （30%， v/v） were employed in all experiments. The microstructure of biochar and the morphology of predominant microorganisms associated with biochar were also observed in this study using a scanning electron microscopy （SEM）. The results showed that the specific cumulative methane production （SCMP， mL/gVS chicken manure） could be obviously increased with external biochar addition. The SCMP under biochar dosages of 20%， 15%， 10% and 5% were around 223， 228， 230 and 281mL/gVS respectively， much higher than that of the control experiment （202mL/gVS）. Moreover，biochar addition could improve the biogas quality by increasing its methane content and decreasing its carbon dioxide and hydrogen sulfide contents. The optimum biochar dosage for biochar-mediated anaerobic digestion of chicken manure was around 5%. The SEM observations revealed that abundant microbes attached to the biochar； and bacillus and coccus were shown to be the dominant microorganisms.

biochar；chicken manure；anaerobic digestion；methane content

X712

A

1000-6923（2016）09-2716-06

2016-01-11

國家自然科學基金資助項目（51576167）

* 責任作者， 教授， 博導， QL2871@126.com

潘君廷（1989-），男，山東棲霞人，博士研究生，主要從事畜禽養(yǎng)殖污染防治與生物能源研究.