油菜秸稈和雞糞比例及含固率對其發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的影響

馬旭光，江 滔，唐 瓊，常佳麗，羅 濤，梅自力※

（1.樂山師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院，樂山 614000；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

0 引 言

中國作為世界上油菜作物最大種植國，油菜秸稈年產(chǎn)量約3000萬t（按谷草比1∶2.0計(jì)），其中四川省的年產(chǎn)量達(dá)500萬t[1]。由于油菜秸稈木質(zhì)纖維素含量高且結(jié)構(gòu)致密[2]，難以高效化利用。露天焚燒油菜秸稈的現(xiàn)象在中國仍普遍存在，尤其在四川省更為嚴(yán)重，是導(dǎo)致區(qū)域性和季節(jié)性霧霾空氣污染的主要因素[3-4]。厭氧發(fā)酵技術(shù)（anaerobic digestion,AD）因能將天然的木質(zhì)纖維素物質(zhì)轉(zhuǎn)化為清潔能源——甲烷，相對于物理、化學(xué)等方法具有能耗低、環(huán)境污染小、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，近年來利用該技術(shù)處理秸稈備受各國關(guān)注[5-6]。

目前農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵研究多集中于玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈[7-10]，而針對油菜秸稈的相關(guān)研究還較少。油菜秸稈較其他農(nóng)作物秸稈硫元素含量更低[11]，有利于降低生物天然氣脫硫提純成本，是理想的產(chǎn)甲烷原料，因此研究油菜秸稈產(chǎn)甲烷特性十分必要。然而，傳統(tǒng)的低含固率（total solid content,TS<10%）秸稈厭氧發(fā)酵工藝存在沼液排放量大、結(jié)渣嚴(yán)重、耗能高、運(yùn)行成本高、容積產(chǎn)氣效率等問題，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。近年來高含固率（TS≥10%）厭氧發(fā)酵工藝因能解決上述問題已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，但啟動速度和產(chǎn)甲烷穩(wěn)定性仍有待提高[12-14]。多種原料共發(fā)酵是提高高含固率厭氧發(fā)酵工藝產(chǎn)甲烷性能的重要手段。一方面，在碳氮比（C/N）較高的單一秸稈中添加適量低C/N物料（如禽畜糞便）可以滿足厭氧發(fā)酵體系中微生物生長代謝的最佳營養(yǎng)需求，并提高產(chǎn)甲烷速率[14]；另一方面，混料發(fā)酵能增強(qiáng)發(fā)酵體系的緩沖能力而提高發(fā)酵穩(wěn)定性，還因能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)而增加甲烷產(chǎn)量[15]。除此之外，在規(guī)模化產(chǎn)沼氣工程中，多原料共發(fā)酵還能增強(qiáng)物料周年性供給能力。

盡管目前已有含固率對不同混合比糞秸產(chǎn)甲烷性能影響的研究，但由于原料的種類和性質(zhì)以及發(fā)酵工藝的不同，結(jié)果有很大差異。有研究認(rèn)為，在批次發(fā)酵工藝中，玉米秸稈和雞糞按揮發(fā)性固體質(zhì)量（volatile solid content，VS）1∶1混合、TS=20%時(shí)容積產(chǎn)甲烷效率最高，按VS 3∶1混合、TS=5%時(shí)物料產(chǎn)甲烷效率最高[7]；油菜秸稈和牛糞按VS 1∶4混合、TS=15%時(shí)容積產(chǎn)甲烷效率最高[16]。還有研究表明，在連續(xù)發(fā)酵工藝中，玉米秸稈和牛糞按VS 1∶1混合、TS=15%時(shí)容積產(chǎn)甲烷效率最高[9]。由此可知，含固率和原料混合比對糞秸甲烷產(chǎn)量有很大影響，但目前還未見有不同含固率和混合比條件下的油菜秸稈和雞糞共發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的報(bào)道。

鑒于此，以油菜秸稈和雞糞為原料，首先通過生化甲烷潛力試驗(yàn)確定不同混合比的油菜秸稈和雞糞甲烷潛力產(chǎn)量及其協(xié)同效應(yīng)，然后研究含固率（TS=5%～20%）對二者不同混合比的原料甲烷產(chǎn)率、容積甲烷產(chǎn)率以及發(fā)酵過程穩(wěn)定性的影響，并對各處理產(chǎn)甲烷過程動力學(xué)特性進(jìn)行模型分析，以期為油菜秸稈和禽畜糞便高含固率厭氧連續(xù)發(fā)酵工藝的快速啟動和穩(wěn)定產(chǎn)甲烷提供優(yōu)化參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

油菜秸稈（rape stalk，RS）來源于樂山市井研縣某秸稈機(jī)械加工廠，無霉變，粒徑<40目，干燥條件下保存?zhèn)溆谩ｋu糞（chicken manure，CM）來自于樂山市五通橋區(qū)某蛋雞養(yǎng)殖場，取新鮮雞糞（排泄12 h以內(nèi)）保存于4℃低溫樣品貯存柜以防變質(zhì)。厭氧活性污泥取自于樂山市夾江縣以豬糞為原料的正常產(chǎn)氣的戶用沼氣池，在實(shí)驗(yàn)室自制的高含固率（TS=10%）連續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中用雞糞馴化后，沉淀、棄上清液，使其TS>15%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生化甲烷潛力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

生化甲烷潛力（biochemical methane potential，BMP）試驗(yàn)是評估某一種原料或多種原料在一定厭氧發(fā)酵條件下可能產(chǎn)生最大甲烷產(chǎn)量的手段，被許多學(xué)者廣泛應(yīng)用[7,17]。發(fā)酵裝置為500 mL自制厭氧反應(yīng)器，乳膠塞密封，上部帶有出氣口，下部帶有出料口，以便發(fā)酵過程中取樣分析。有效反應(yīng)容積為（400±5）mL，油菜秸稈和雞糞（以下簡稱“秸糞”）的混合比例按VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100∶0，95∶5，90∶10，85∶15，80∶20和0∶100，物料和接種物的VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均為1∶2，含固率的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均為5%。各處理的原料和接種物按上述比例充分混勻裝瓶后，充氮?dú)? min以排除反應(yīng)器內(nèi)頂空的空氣，密封反應(yīng)器后，將出氣口連接于0.5 L的鋁箔復(fù)合膜集氣袋（大連海德科技有限公司），置于立式恒溫培養(yǎng)箱（SPX-100，中新醫(yī)療儀器有限公司）在（37±1）℃中溫條件下發(fā)酵。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，對照組僅加接種物和水，含固率和體積均與對照組相同。每天手動搖各反應(yīng)器2～3次，測定氣體體積及其成分。在發(fā)酵過程，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氣情況，取樣分析發(fā)酵物料的pH值和VFAs質(zhì)量濃度。

1.2.2 含固率和物料混合比厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

發(fā)酵裝置為自制的帶有上下口的玻璃厭氧反應(yīng)器，硅膠塞密封，上部帶有出氣口，下部帶有出料口（內(nèi)徑約2 cm），以便發(fā)酵過程中取樣分析。反應(yīng)器總?cè)莘e為1000 mL，有效反應(yīng)容積為（600±5）mL，含固率按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為5%，10%，15%和20%，油菜秸稈和雞糞的VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為95∶5，90∶10，85∶15和80∶20，物料和接種物的VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均為1∶1。集氣袋的體積為2 L，每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù)，對照組只添加與處理組等體積的活性污泥。其余操作方法均與1.2.1節(jié)中的相同。

1.3 測定與分析方法

1.3.1 物料理化性質(zhì)的測定方法

發(fā)酵物料的TS、VS、總堿度（total alkalinity，TA）分別用恒重法、灼燒法和溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定法（以CaCO3含量計(jì)），灰分含量為TS與VS的差值[18]。物料中的C，H，O，N元素組成用有機(jī)元素分析儀（PerkinElmer2400，美國）測定。可溶性物質(zhì)、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素成分采用酸堿洗滌法(ANKOM2000，美國ANKOM公司）測定。pH值采用便攜式pH計(jì)測定（SX-610，上海三信儀表廠），固態(tài)物料先按質(zhì)量比用蒸餾水將其稀釋5倍，充分震蕩浸泡5 min后再進(jìn)行測定。揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）的含量采用高效液相色譜儀（LC-20A，日本島津公司）測定[19]。銨態(tài)氮（NH3-N）的測定采用分光光度計(jì)法（723S，上海奧析科學(xué)儀器有限公司）測定[20]。上述各指標(biāo)的測定值均取3次重復(fù)的平均值。

1.3.2 產(chǎn)氣量和氣體成分的測定方法

產(chǎn)氣量采用排水法，并在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（0℃，1.01×105Pa）對氣體體積進(jìn)行矯正[21]。氣體中甲烷和二氧化碳含量采用氣相色譜法（GC-2014，日本島津公司）測定[16]。根據(jù)日產(chǎn)氣量和氣體成分即可分別計(jì)算出甲烷和二氧化碳的日產(chǎn)量。

1.3.3 物料降解率、協(xié)同效應(yīng)和甲烷產(chǎn)率的評價(jià)方法

發(fā)酵物料的理論甲烷產(chǎn)量（theoretical methane yield，TMY）、試驗(yàn)甲烷產(chǎn)量（experimental methane yield，EMP）、物料的生物降解性（anaerobic biodegradability，Bd）、混料甲烷產(chǎn)量協(xié)同效應(yīng)評價(jià)、容積甲烷產(chǎn)量（volumetric methane production，VMP）分別用如下公式計(jì)算[7,22-24]：

式中n，a，b，c分別表示C，H，O，N元素的原子數(shù)。

式中TMY由公式（1）可計(jì)算出，用最初發(fā)酵物料添加的VS質(zhì)量產(chǎn)生的甲烷體積來表示，mL/g。

式中Bd表示生物降解率，按實(shí)際甲烷產(chǎn)率與理論甲烷產(chǎn)率比值計(jì)算，%；EMY用整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)累計(jì)甲烷產(chǎn)量（mL）除以最初發(fā)酵物料添加的VS質(zhì)量，mL/g。

式中EMY’表示混料加權(quán)甲烷產(chǎn)量，mL/g；EMYRS表示油菜秸稈的試驗(yàn)甲烷產(chǎn)量，mL/g；α和β分別表示混料共發(fā)酵中油菜秸稈和雞糞的VS質(zhì)量，g；EMYCM表示雞糞的試驗(yàn)甲烷產(chǎn)量，mL/g；最后根據(jù)EMY和EMY’的差值評價(jià)各處理之間產(chǎn)甲烷協(xié)同效應(yīng)的顯著性[7]。

式中V1為整個(gè)發(fā)酵周期累計(jì)甲烷產(chǎn)量的80%，mL；V2為厭氧反應(yīng)器總?cè)莘e，mL；T80（the shortest technical digestion time）表示最短工藝發(fā)酵時(shí)間，用達(dá)到整個(gè)發(fā)酵周期累計(jì)甲烷產(chǎn)量80%時(shí)所需發(fā)酵天數(shù)來表示，d。

1.3.4 產(chǎn)甲烷動力學(xué)特性的分析方法

由于木質(zhì)纖維素成分復(fù)雜，有一部分物質(zhì)難以被微生物降解，之前被廣泛應(yīng)用的一級動力學(xué)模型難以準(zhǔn)確模擬秸糞的整個(gè)發(fā)酵過程[25]。對于批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程而言，甲烷產(chǎn)量可表示為微生物生長的一個(gè)函數(shù)[26]。因此，采用目前被認(rèn)為最適于描述S型曲線產(chǎn)甲烷潛力的動力學(xué)模型Modified Gompertz方程對各處理產(chǎn)甲烷進(jìn)行擬合[27]：

式中M為t時(shí)刻的累計(jì)甲烷產(chǎn)量，mL/g；P為最終甲烷產(chǎn)量，mL/g；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率，mL/(g·d)；λ為延滯期，d。P，Rm和λ均可通過批式發(fā)酵試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

原始數(shù)據(jù)用Excel軟件標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用Sigmaplot 12.0軟件（Systat國際軟件公司，美國）制圖和Modified Gompertz方程擬合產(chǎn)甲烷動力學(xué)，采用SPSS17.0（IBM，美國）軟件在α=1%和α=5%水平上進(jìn)行各處理間顯著性方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵原料和接種物的理化性質(zhì)分析

發(fā)酵原料和接種物的理化性質(zhì)見表1。由表1可知，油菜秸稈中的TS和VS含量均極顯著高于雞糞（P<0.01）。二者的C/N分別約為82.6和6.0，單一物料均不適宜厭氧發(fā)酵中微生物代謝營養(yǎng)需求[25]。油菜秸稈的堿度極顯著低于雞糞（P=0.002），說明在油菜秸稈中添加適量雞糞可能會提高共發(fā)酵體系的緩沖能力，以避免C/N較高的秸稈在發(fā)酵過程中VFAs的過度積累。另外，油菜秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均高于雞糞，但是可溶性含量明顯低于雞糞，說明雞糞中易被微生物降解的有機(jī)物含量高于油菜秸稈，韓婭新等也有類似結(jié)果[28]。

2.2 產(chǎn)甲烷協(xié)同效應(yīng)

不同混合比秸糞的日產(chǎn)甲烷產(chǎn)量和甲烷含量見圖1。純接種物的對照組幾乎不產(chǎn)氣（圖中未顯示），忽略對各處理的影響。由圖1a可知，各處理的日甲烷產(chǎn)量變化趨勢基本一致：甲烷產(chǎn)量主要集中在發(fā)酵前期，從第1天開始產(chǎn)氣，之后產(chǎn)氣量逐漸上升，到達(dá)產(chǎn)氣高峰后逐漸下降，之前批式秸糞產(chǎn)甲烷研究也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律[7,16]。但是，油菜秸稈混合量較高的處理（RS∶CM=100∶0和95∶5）產(chǎn)氣高峰時(shí)間明顯晚于雞糞混合量高的處理，其高峰產(chǎn)氣量也較低，這可能與秸稈中可溶性有機(jī)物質(zhì)含量低于雞糞有關(guān)。由圖1b可知，各處理甲烷含量從第2天開始逐漸上升，之后維持穩(wěn)定，說明各發(fā)酵體系接種物活性良好[23]，可能與發(fā)酵前采取馴化措施有關(guān)。但各處理在整個(gè)發(fā)酵周期的平均甲烷產(chǎn)量隨油菜秸稈混合比增加有降低的趨勢，純雞糞平均甲烷體積分?jǐn)?shù)（61.8%）顯著高于純油菜秸稈（56.3%）（P=0.03），尤其是在發(fā)酵前期油菜秸稈（高C/N）添加量多的物料的甲烷含量明顯低于雞糞（低C/N）添加量多的物料，Li等也有類似研究結(jié)果[29]。這可能與原料C/N有關(guān)，過高C/N物料在發(fā)酵前期會產(chǎn)生的大量VFAs，由于水解酸化細(xì)菌繁殖快于產(chǎn)甲烷古菌，VFAs在甲烷菌未能及時(shí)利用的情況下會分解產(chǎn)生CO2，進(jìn)而降低甲烷轉(zhuǎn)化效率[30-31]。

表1 原料和接種物的理化性質(zhì)Table 1 Characteristics of substrates and inoculum

不同混合比秸糞的甲烷產(chǎn)量、生物降解性及協(xié)同效應(yīng)分析結(jié)果見表2。由表2可知，混料物料的甲烷產(chǎn)量均高于2種單料，其中RS∶CM=90∶10的混料產(chǎn)甲烷效率最高（288.7 mL/g），分別比純油菜秸稈和純雞糞高30.4%、16.1%。究其原因，高含氮量的雞糞（4.7%）為高含碳量純油菜秸稈（57.8%）提供了厭氧發(fā)酵過程中的微生物生長代謝所需的氮素，避免了營養(yǎng)物質(zhì)的失衡，進(jìn)而增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌活性并提高甲烷產(chǎn)量[7]。同時(shí)，油菜秸稈和雞糞混合物料的生物降解率（57.3%～68.9%）均高于純油菜秸稈（53.2%），這可能與禽畜糞便的生物可降解性普遍高于農(nóng)作物秸稈有關(guān)[28]。與此相應(yīng)，RS∶CM=90∶10、85∶15和80∶20時(shí)的甲烷產(chǎn)量均有顯著協(xié)同效應(yīng)（P<0.05），可能由于3種混料的C/N（13.5～21.1）較適于厭氧微生物群生長代謝，與Mshandete等的研究結(jié)果基本吻合[32]。

圖1 不同混合比秸糞產(chǎn)甲烷潛力試驗(yàn)的甲烷日產(chǎn)量和甲烷含量Fig.1 Daily methane yield and methane content from different mixtures of rape stalk(RS)and chicken manures(CM)in biochemical methane potential(BMP)test

表2 不同混合比秸糞的試驗(yàn)甲烷產(chǎn)量、理論甲烷產(chǎn)量、生物可降解性及協(xié)同效應(yīng)評估Table 2 Experimental methane yield,theoretical methane yield,biodegradability and synergistic effect evaluation from different mixtures of RS and CM in BMP test

2.3 產(chǎn)甲烷實(shí)時(shí)動態(tài)分析

含固率對不同混合比秸糞日甲烷產(chǎn)量的影響見圖2。由圖2可知，含固率對不同混合比秸糞日甲烷產(chǎn)量會產(chǎn)生明顯影響。首先，各處理日甲烷產(chǎn)量峰值和日平均甲烷產(chǎn)量隨含固率的增加呈降低的趨勢。當(dāng)TS=5%時(shí)，RS∶CM=90∶10的最高日甲烷產(chǎn)量和日平均甲烷產(chǎn)量分別為27.2和3.2 mL/g，而當(dāng)TS=20%時(shí)，該處理最高日甲烷產(chǎn)量和日平均甲烷產(chǎn)量分別僅為11.3和1.5 mL/g，說明物料的分解效率隨含固率的增加而降低，這與Amel等[13]的研究結(jié)果一致，原因在于高含固率發(fā)酵物料會限制中間代謝產(chǎn)物（包括液態(tài)的VFAs和氣態(tài)的H2和CO2等物質(zhì)）的傳質(zhì)效率。

圖2 不同含固率和混合比的秸糞甲烷日產(chǎn)量Fig.2 Daily methane production from different mixtures of RS and CM in different TS of anaerobic digestion(AD)tests

其次，秸稈混合比高的物料的產(chǎn)氣周期隨含固率的增加而延長。當(dāng)TS=5%時(shí)，RS∶CM=80∶20和100∶0的產(chǎn)氣天數(shù)分別為32和35 d；而當(dāng)TS=20%時(shí)，2種混合比物料的產(chǎn)氣天數(shù)分別延長至40和50 d。上述現(xiàn)象與Li等的研究不同[7]，可能是由于油菜秸稈較玉米秸稈更難被微生物分解所致[11]。再次，隨著含固率增加，混合物料的產(chǎn)甲烷過程穩(wěn)定性的優(yōu)勢愈加明顯。當(dāng)含固率為10%～20%時(shí)，純油菜秸稈均出現(xiàn)先停止之后又恢復(fù)產(chǎn)氣的現(xiàn)象，且停止產(chǎn)氣的時(shí)間隨含固率的增加而延長，可能在于較高C/N的發(fā)酵物料緩沖性能較差，大量積累的VFAs抑制了甲烷菌活性[7,16]。另外，純雞糞在TS=15%和20%條件下的甲烷產(chǎn)量較TS=5%和10%明顯低（P<0.01），可能是由于較低的C/N和較差的物料流動性導(dǎo)致銨態(tài)氮局部積累并抑制了甲烷菌活性，在其他研究中也存在類似現(xiàn)象[7]。

含固率對不同混合比秸糞日甲烷含量的影響見圖3。

圖3 不同含固率和秸糞混合比的日甲烷含量Fig.3 Daily methane contents of biogas from different mixtures of RS and CM in different TSof AD tests

由圖3可知，不同混合比的秸糞物料甲烷含量隨含固率增加呈下降趨勢。當(dāng)TS=5%和10%時(shí)，RS∶CM=85∶15，80∶20的甲烷含量顯著高于其他各處理（P<0.05），RS∶CM=0∶100的甲烷含量顯著高于（P<0.05）RS∶CM=100∶0，95∶5，但與RS∶CM=90∶10沒有顯著差異（P>0.05）；當(dāng)TS=15%和20%時(shí)，各混料的甲烷含量均極顯著高于（P<0.01）單一物料，尤其是純雞糞的甲烷體積分?jǐn)?shù)僅分別為21.2%和19.9%。由此可見，混合物料在高含固率（TS>10%）條件下甲烷含量高于單一物料，純雞糞可能更適合在低含固率（TS≤10%）下產(chǎn)甲烷。

2.4 產(chǎn)甲烷效率分析

含固率對不同混合比秸糞甲烷產(chǎn)率的影響見圖4。由圖4a可知，各處理的物料甲烷產(chǎn)率均隨含固率的增加呈下降趨勢，這說明增加含固率會降低物料的分解轉(zhuǎn)化效率[13,33]。當(dāng)TS=5%和10%時(shí)，純油菜秸稈的物料甲烷產(chǎn)率均極顯著低于其他各處理（P<0.01）；當(dāng)TS=15%和20%時(shí)，純油菜秸稈和純雞糞的物料甲烷產(chǎn)率均極顯著（P<0.01）低于混合物料。其中，RS∶CM=90∶10的物料（C/N=21.1）甲烷產(chǎn)率在各含固率條件下均最高，分別為237.3，224.4，188.7和162.9 mL/g，分別是純油菜秸稈的2.1，2.5，2.7和2.6倍，是純雞糞的1.4，1.5，4.1和4.3倍。在接種比、含固率、C/N相似的情況下，明顯高于Li等[7]報(bào)道的產(chǎn)甲烷效率，可能與接種物用雞糞馴化有關(guān)。另外需要指出的是，在含固率相同（TS=5%）的條件下，本節(jié)各處理甲烷產(chǎn)量均低于上文2.2節(jié)中的甲烷潛力試驗(yàn)，推測由接種比不同所致。由此可知，在高含固率秸糞產(chǎn)甲烷體系中，除物料的含固率和混合比外，接種物性質(zhì)和接種量對甲烷產(chǎn)量的影響也需要考慮。

圖4 不同含固率和秸糞混合比的物料甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率比較Fig.4 Comparison of special methane production rate and volumetric methane production rate from different mixtures of RS and CM in different TS of AD tests

由圖4b可知，TS=5%時(shí)各處理容積甲烷產(chǎn)率明顯低于TS=10%～20%，這說明低含固率發(fā)酵不利于提高容積甲烷產(chǎn)率，其原因在于高含固率發(fā)酵體系中發(fā)酵原料更多。當(dāng)TS=10%時(shí)，RS∶CM=90∶10的容積甲烷產(chǎn)率最高（0.50 mL/(mL·d)），分別是純油菜秸稈和純雞糞的4.0、1.2倍；當(dāng)TS=15%時(shí)，RS∶CM=80∶20的容積甲烷產(chǎn)率最高（0.51 mL/(mL·d)）；當(dāng)TS=20%時(shí)，RS∶CM=90∶10、85∶15和80∶20的容積甲烷產(chǎn)率比TS為5%～15%低13.6%～41.3%。由此推測，20%的含固率可能是油菜秸稈和雞糞高含固率共發(fā)酵產(chǎn)甲烷的極限。Amel等認(rèn)為含固率30%是高含固率發(fā)酵產(chǎn)甲烷的極限[13]。由此可知，不同物料高效產(chǎn)甲烷的含固率閾值不盡相同。特別指出的是，在規(guī)模化產(chǎn)沼氣工程中，在原料充足的前提下，關(guān)注容積甲烷產(chǎn)率比物料產(chǎn)甲烷率更有現(xiàn)實(shí)意義。綜合上述研究結(jié)果，油菜秸稈和雞糞共發(fā)酵高效產(chǎn)甲烷的適宜含固率和混合比分別為10%和90∶10（按VS計(jì)）。

2.5 產(chǎn)甲烷過程穩(wěn)定性評價(jià)

研究表明，高含固率物料的不穩(wěn)定產(chǎn)甲烷過程和較低甲烷產(chǎn)率是由于水解細(xì)菌、酸化細(xì)菌、乙酸化細(xì)菌以及產(chǎn)甲烷古菌之間的代謝失調(diào)引起的[34]，不適宜的C/N、低pH值、大量積累的VFAs、高濃度的氨氮是形成各功能微生物菌群代謝失調(diào)的主要因素[35-36]。為此，基于上述指標(biāo)評價(jià)在TS=5%，10%，20%時(shí)甲烷產(chǎn)率較低的2個(gè)單料處理（RS∶CM=100∶0和0∶100）和甲烷產(chǎn)率最高的混料處理（RS∶CM=90∶10）發(fā)酵過程穩(wěn)定性（見表3）。

表3 含固率對不同混合比秸糞產(chǎn)甲烷過程中pH值、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸、堿度的影響Table 3 Changes of pH value,NH3-N,VFAs and alkalinity from different mixtures of RS and CM in different TS during AD process

VFA/TA值能綜合反映厭氧發(fā)酵體系中VFAs積累程度與緩沖能力[7]。由表3可知，各處理發(fā)酵過程中的VFA/TA均呈先增加后降低的趨勢，但在不同含固率條件下，單料和混料的VFA/TA值有明顯差異：當(dāng)TS=5%時(shí)，3種混合比物料發(fā)酵過程中的VFA/TA值均小于0.6；當(dāng)TS=10%和20%時(shí)，純油菜秸稈在第7天的VFA/TA分別高達(dá)1.96和1.77，結(jié)合之前產(chǎn)甲烷情況（圖2和圖3），說明低含固率厭氧發(fā)酵過程中的VAF/TA較高含固率更穩(wěn)定，這是由于低含固率下物料和接種物更易混勻且代謝產(chǎn)物傳質(zhì)效果更好[13]，而高比值的VFA/TA會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性進(jìn)而影響產(chǎn)甲烷的穩(wěn)定性。此外，純雞糞在TS=20%時(shí)VFA/TA始終保持在較低水平（0.19～0.60），但產(chǎn)甲烷效率仍很低（見圖4），說明VFA/TA值并不能真實(shí)反映產(chǎn)甲烷穩(wěn)定性，這與Li等[7]認(rèn)為“當(dāng)VFA/TA高于0.8時(shí)厭氧發(fā)酵過程會明顯受抑制”的結(jié)論相矛盾。

VFA/TA比值取決于VFAs濃度和總堿度，而VFAs濃度是物料水解酸化及其消耗程度的綜合反映，總堿度與氨氮濃度呈正相關(guān)[37]，pH值是發(fā)酵體系中酸堿物質(zhì)的綜合結(jié)果。由表3可知，各處理在整個(gè)發(fā)酵過程中，VFAs濃度均呈先增加后降低的趨勢，氨氮濃度逐漸增加，pH值先降低后增加，說明物料的水解酸化反應(yīng)主要發(fā)生在發(fā)酵前期，但如果中間代謝產(chǎn)物不能被及時(shí)轉(zhuǎn)化為甲烷，就會導(dǎo)致VFAs的大量積累，pH值和總堿度也會隨之降低。在TS=10%和20%時(shí)的第7天，RS∶CM=100∶0的VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.8，11.5 g/kg，RS∶CM=0∶100的VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.6、10.6 g/kg，但pH值卻截然相反，純油菜秸稈pH值分別低至6.5和6.2，而純雞糞的pH值均為7.9。究其原因，純油菜秸稈的氨氮濃度和堿度低于純雞糞，說明發(fā)酵過程穩(wěn)定性受含固率和物料C/N的共同影響，RS∶CM=90∶10在不同含固率下均能保持高效穩(wěn)定產(chǎn)甲烷得益于其適宜的C/N（21.1）（見表2）。值得注意的現(xiàn)象是，純油菜秸稈在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均恢復(fù)到正常水平，而純雞糞的VFAs和氨氮濃度仍較高，這也解釋了純雞糞在高含固率（15%和20%）條件下甲烷產(chǎn)量低的原因。綜上分析，VFA/TA值更適用于評價(jià)高C/N物料產(chǎn)甲烷過程穩(wěn)定性，而對于低C/N物料而言，氨氮濃度更能反映產(chǎn)甲烷過程真實(shí)狀況。

2.6 產(chǎn)甲烷過程動力學(xué)分析

不同含固率和混合比秸糞的產(chǎn)甲烷過程動力學(xué)特性結(jié)果見表4。由表4可知，Modified Gompertz模型能較好地反映各處理產(chǎn)甲烷過程（R2為0.992～0.999），各處理P，Rm，λ和T80均與試驗(yàn)值基本吻合。混合物料的Rm值高于單一物料，說明混料發(fā)酵和低含固率有利于提高原料生物降解效率和物料甲烷產(chǎn)率。λ值和T80隨雞糞添加量的增加而減小，而隨含固率的增加而升高，可能與高含固率物料難以有效攪拌而均質(zhì)性差有關(guān)。物料甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率均較高的處理RS∶CM=90∶10（TS=10%），T80為13.59 d，因此建議在規(guī)模化產(chǎn)甲烷工程啟動階段，固體滯留時(shí)間（solid retention time，SRT）可設(shè)為14 d。

表4 不同含固率和混合比秸糞產(chǎn)甲烷修正Gompertz模型的動力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of modified Gompertz model of different mixtures of RSand CM indifferent TS duringAD process

3 結(jié)論

1）油菜秸稈和雞糞混料發(fā)酵的產(chǎn)甲烷潛力、物料甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率均顯著高于單一物料。

2）當(dāng)含固率（TS）≥15%時(shí)，不同混合比秸糞的物料甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率較TS≤10%時(shí)均顯著降低。

3）當(dāng)TS=10%時(shí)，油菜秸稈RS∶雞糞CM=90∶10的物料甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率均較高，分別為224.4和0.50 mL/(mL·d)，分別是純油菜秸稈的2.5倍和4.0倍，是純雞糞的1.5倍和1.2倍。

4）揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）過度積累和高氨氮（TA）濃度分別是高C/N物料和低C/N的純雞糞產(chǎn)甲烷過程受抑制的主要原因，VFA/TA和氨氮濃度是評價(jià)不同C/N物料產(chǎn)甲烷過程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

5）本研究獲得的較優(yōu)啟動參數(shù)為：RS∶CM=90∶10、TS=10%、SRT=14 d，可為連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝提供參考。

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2016.

[2]趙蒙蒙,姜曼,周祚萬.幾種農(nóng)作物秸稈的成分分析[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(16)：122－125.Zhao Mengmeng,Jiang Man,Zhou Zuowan.The components analysis of severalkinds of agricultural residues[J].Materials Review,2011,25(16):122－125.(in Chinese with English abstract)

[3]何敏，王幸銳，韓麗，等.四川省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時(shí)空分布特征[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36(4):1208－1216.He Min,Wang Xingrui,Han Li,et al.Emission inventory of crop residues field burning and its temporal and spatial distribution in Sichuan province[J].Environmental Science,2015,36(4):1208－1216.(in Chinese with English abstract)

[4]程良曉，范萌，陳良富，等.秋季秸稈焚燒對京津冀地區(qū)霾污染過程的影響分析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2017，37(8)：2801－2812.Cheng Liangxiao,Fan Meng,Chen Liangfu,et al.Effects on the haze pollution from autumn crop residue burning over the Jing-Jin-Ji Region[J].Chinese Environmental Science,2017,37(8):2801－2812.(in Chinese with English abstract)

[5]Chandra R,Takeuchi H,Hasegawa T.Methane production from lignocellulosic agricultural crop wastes:A review in contextto second generation ofbiofuelproduction[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2012,16(3):1462－1476.

[6]SawatdeenarunatC,SurendraK C,TakaraD,etal.Anaerobic digestion of lignocellulosic biomass:Challenges and opportunities[J].Bioresource Technology,2015,178:178－186.

[7]Li Y,Zhang R,Chen C,et al.Biogas production from co-digestion of corn stover and chicken manure under anaerobic wet,hemi-solid,and solid state conditions[J].Bioresource Technology,2013,149(4):406－12.

[8]馬旭光，李傳友，袁旭峰，等.高含固率秸稈和牛糞混合物料發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(14)：227－235.Ma Xuguang,LiChuanyou,Yuan Xufeng,et al.Fermentation technology for methane production using high solid content materials with straw and dairy manure[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(14):227－235.(in Chinese with English abstract)

[9]Saady N M,Massé D I.Impact of organic loading rate on the performance of psychrophilic dry anaerobic digestion of dairy manure and wheat straw:Long-term operation[J].Bioresource Technology,2015,182(2):50－57.

[10]Motte J C,Escudié R,Bernet N,et al.Dynamic effect of total solid content,low substrate/inoculum ratio and particle size on solid-state anaerobic digestion[J]. Bioresource Technology,2013,144(3):141－148.

[11]Tian J H,Pourcher A M,Bureau C,et al.Cellulose accessibility and microbialcommunity in solid state anaerobic digestion of rape straw[J].Bioresource Technology,2016,223(2):192－201.

[12]Yang L,Xu F,Ge X,et al.Challenges and strategies for solid-state anaerobic digestion of lignocellulosic biomass[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,2015,44:824－834.

[13]Amel A G,Doris B,Eric T,et al.Total solids content drives high solid anaerobic digestion via mass transfer limitation[J].Bioresource Technology,2012,111(2):55－61.

[14]Donghoon K,Saeeun O.Continuous high-solids anaerobic co-digestion oforganic solid wastesundermesophilic conditions[J].Waste Management,2011,31(9/10):1943.

[15]Li X,Li L,Zheng M,et al.Anaerobic co-digestion of cattle manure with corn stover pretreated by sodium hydroxide for efficient biogas production[J].Energy&Fuels,2009,23(9):4635－4639.

[16]馬旭光，江滔，唐瓊，等.牛糞添加量對油菜秸稈半固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(增刊2)：323－330.Ma Xuguang,Jiang Tao,Tang Qiong,et al.Effects of dairy manure addition from methane production under semi-solid state condition[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(Supp.2):323－330.(in Chinese with English abstract)

[17]孫志巖，張君枝，劉翌晨，等.牛糞和玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力及動力學(xué)[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10(3)：1468－1474.Sun Zhiyan,Zhang Junzhi,Liu Yichen,et al.Biochemical methane potential and kinetics of anaerobic digestion of cattle manure compared with corn stover[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2016,10(3):1468－1474.(in Chinese with English abstract)

[18]APHA.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M]. 18th ed. American Public Health Association,DC,USA,1998.

[19]Wen B,Yuan X,Cao Y,et al.Optimization of liquid fermentation of microbial consortium WSD-5 followed by saccharification and acidification of wheat straw[J].BioresourceTechnology,2012,118(4):141－149.

[20]呂偉仙，葛瀅，吳建之，等.植物中硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、總氮測定方法的比較研究[J].光譜學(xué)與光譜分析， 2004，24(2)：204－206.Lv Weixian,Ge Ying,Wu Jianzhi,et al.Study on the method for the metermination of nitric nitrogen,ammoniacal nitrogen and total nitrogen in plant[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2004,24(2):204－206.(in Chinese with English abstract)

[21]Herrmann C,Heiermann M,Idler C.Effects of ensiling,silage additives and storage period on methane formation of biogas crops[J].Bioresource Technology,2011,102(8):5153－5161.

[22]Buswell A M,MuellerH F.Mechanism of Methane Fermentation[J].Industry Engineering Chemistry,1952,44(3):550－552.

[23]Li Y,Feng L,Zhang R,et al.Influence of inoculum source and pre-incubation on bio-methane potential of chicken manure and corn stover.[J].Applied Biochemistry &Biotechnology,2013,171(1):117－127.

[24]Elbeshbishy E,Nakhla G,Hafez H.Biochemical methane potential(BMP)of food waste and primary sludge:Influence of inoculum pre-incubation and inoculum source[J].Bioresource Technology,2012,110(2):18－25.

[25]Vavilin V A,Fernandez B,Palatsi J,et al.Hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic material:An overview[J].Waste Management,2008,28(6):939－51.

[26]Motte J C,Escudié R,Bernet N,et al.Dynamic effect of total solid content,low substrate/inoculum ratio and particle size on solid-state anaerobic digestion[J]. Bioresource Technology,2013,144(3):141.

[27]Nopharatana A,PullammanappallilP C,Clarke W P.Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor[J].Waste Management,2007,27(5):595－603.

[28]韓婭新，張成明，陳雪蘭，等.不同農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物產(chǎn)甲烷特性比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(1)：258－264.Han Yaxin,Zhang Chengming,Chen Xuelan,et al.Methane production performance comparison of different agricultural residues[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(1):258－264.(in Chinese with English abstract)

[29]Li Y,Li Y,Zhang D,et al.Solid state anaerobic co-digestion of tomato residues with dairy manure and corn stover for biogas production[J].Bioresource Technology,2016,217(1):50－55.

[30]Amani T,Nosrati M,Sreekrishnan T R.Anaerobic digestion from the viewpointofmicrobiological,chemical,and operationalaspects-a review[J].EnvironmentalReviews,2010,18(1):255－278.

[31]Wang Y,Zhang Y,Wang J,et al.Effects of volatile fatty acid concentrations on methane yield and methanogenic bacteria[J].Biomass&Bioenergy,2009,33(5):848－853.

[32]Mshandete A,Kivaisi A,Rubindamayugi M,et al.Anaerobic batch co-digestion ofsisalpulp and fish wastes.[J].Bioresource Technology,2004,95(1):19－24.

[33]Veluchamy C,Kalamdhad A S.A mass diffusion model on the effect of moisture content for solid-state anaerobic digestion[J].Journal of Cleaner Production,2017,162:371－379.

[34]Dan B,Li Y.Solid state anaerobic co-digestion of yard waste and food waste forbiogasproduction[J].Bioresource Technology,2013,127(1):275－280.

[35]Li Y,Zhang R,Liu X,et al.Evaluating Methane production from anaerobic mono-and co-digestion of kitchen waste,corn stover,and chicken Manure[J].Energy&Fuels,2013,27(4):2085－2091.

[36]Hansen K H,Angelidaki I,Ahring B K.Anaerobic digestion of swine manure inhibition by ammonia[J].Water Research,1998,32(1):5－12.

[37]Pang Y Z,Liu Y P,Li X J,et al.Improving Biodegradability and biogas production of corn stover through sodium hydroxide solid state pretreatment[J].Energy&Fuels,2008,22(4):2761－2766.