響應面法優化生物炭與牛糞混合厭氧發酵工藝

王 粟，史風梅，李家磊，裴占江，高亞冰，劉 杰

(1.黑龍江省農業科學院 農村能源與環保研究所，農業農村部種養結合重點實驗室，黑龍江省秸稈能源化重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086； 2.黑龍江省農業科學院 食品加工研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

隨著我國農業產業結構的調整，畜牧養殖業發展迅猛，產生的畜禽糞污年產量達40億噸左右[1]，給區域生態環境帶來了巨大威脅[2]。厭氧發酵技術是處理畜禽糞污的主要途徑之一[3-4]，不僅能夠制備生物燃氣，提供清潔能源，實現畜禽糞污的能源轉換[5]，還可消除畜禽糞污隨意堆置丟棄所引發的一系列環境污染問題。

影響沼氣發酵的因素很多，除溫度、總固體濃度等工藝調節[6-7]，為了增強厭氧發酵體系緩沖能力，增加微生物活性，提升傳質效果，國內外研究多采用投放金屬離子等外源添加劑[8-9]，達到提升厭氧發酵效率的目的，但工藝復雜，處理成本高，同時，重金屬等有毒有害物質的增加或富集，也為沼渣沼液還田使用帶來一定的安全風險[10]。

生物炭是生物質在缺氧或絕氧條件下不完全燃燒所生成的固態炭質，具有可溶性低、高度羥酸酯化和芳香化結構，大孔隙度和比表面積，富含多種微量元素和小分子有機物等特點[11]，并已在土壤修復、植物營養及污水處理等領域應用研究獲得了一定成果[12-14]。近年來，國內外學者利用生物炭在厭氧發酵方面進行了探索和研究，馮晶[15]等利用不同材質制備的生物炭材料，強化有機廢棄物厭氧發酵，發現并闡述了生物炭可有效提升厭氧發酵系統酸、氨等抑制物質的緩沖能力，可為微生物提供良好的生長載體，增強微生物種間電子傳遞的介質；許彩云[16]等研究了不同制備工藝生物炭材料對豬糞中溫厭氧發酵的影響，生物炭的添加可有效縮短厭氧發酵的延滯期，產氣量較純豬糞處理提高了77%～96%；潘君廷[17]等研究了生物炭添加對雞糞厭氧消化的影響，其產氣率提高了45%，氨氮濃度得到了很好的抑制；石笑羽[18]等添加生物炭強化餐廚垃圾厭氧發酵效率，其表面金屬元素和官能團使其具有較高的堿度，提高了系統緩沖能力，最大日甲烷產量可提高24%。因此，本研究采用不同作物秸稈及稻殼制備生物炭材料，通過比選研究其對牛糞厭氧發酵的影響，并利用中心組合設計試驗(Box-Benhnken Design)，運用響應面法，對工藝參數進行優化，以期為畜禽糞污的資源化利用和無害化處理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞取自黑龍江省哈爾濱市雙城區米特利農業發展有限公司長產奶牛養殖場，采集后密封于透明聚乙烯袋中，于4℃環境保存備用; 接種活性污泥取自黑龍江省農業科學院農村能源與環保研究所沼氣發酵罐，實驗前將接種污泥置于35℃，2 Hz搖床上震蕩24 h,減少內生沼氣對結果的影響[11]。

生物炭以黑龍江省農業科學院國家級農業示范園區廢棄的玉米秸稈、水稻秸稈及水稻稻殼為原料，分別粉碎后經40目篩篩取留存，3種生物炭原料分別經炭化爐，在600℃條件下炭化20 min，隨后移至炭化爐出氣口冷卻5 min，防止高溫炭化產物在空氣中自燃。生物炭冷卻至室溫后，將其研磨篩選，采用去離子水洗滌除去灰分[18]，在100℃烘箱中烘干后備用。試驗材料物化性質如表1所示。

表1 試驗原料基本性質

1.2 試驗裝置

試驗采用500 mL廣口瓶為厭氧發酵反應容器，反應體系為350 mL，采用排飽和食鹽水法收集沼氣，發酵瓶、集氣瓶與計量瓶之間以乳膠管連接，裝置密封口用石蠟密封，使用前進行漏氣檢測，以保證裝置密封性，實驗裝置見圖1[5]。

A．恒溫水浴鍋； B.集氣瓶； C.計量瓶； D.發酵瓶

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 單因素試驗設計

分別以玉米秸稈(Y)、水稻秸稈(S)和水稻稻殼(K)作為制備生物炭原料，在牛糞底物TS濃度為6%，培養溫度30℃，運行至反應啟動后第30天條件下，根據生物炭投放量的不同(2%,4%,6%,8%,10%,12%,15%)，以累計產氣量作為評價標準，比選確立不同生物炭原料對牛糞沼氣發酵效果的影響；并以TS、發酵溫度作為基本參數，在一定范圍內，調整單一因素的數值，研究其對沼氣發酵產氣量的影響，每處理3 次重復，接種時厭氧瓶內充入500 mL·min-1氮氣，保持6 min 以上，使反應系統處于嚴格的厭氧環境。

1.3.2 響應面試驗設計

以單因素試驗為依據，根據Box-Behnken中心組合進行三因素三水平實驗設計，選取生物炭添加量、發酵溫度和牛糞底物TS濃度3種沼氣發酵因素作為自變量，分別以A,B,C表示，以-1,0,1表示3個自變量的3個水平，以氣體產氣量為響應值Y，運用Design Expert8.0軟件程序，確定生物炭與牛糞混合厭氧發酵最佳工藝條件。

1.4 測定方法

總固體含量(TS) 采用烘干法測定；揮發性固體含量(VS) 采用灼燒法測定；液體pH值采用pH計(PHS-3G型)檢測;生物炭pH值檢測，采用生物炭與超純水質量體積1∶10比例混合，于振蕩器中震蕩4 h，用pH計測定上清液pH值；沼氣產量采用排水法測定[17-19]。

2 結果與分析

2.1 單因素對厭氧發酵效率的影響

以水稻秸稈炭、玉米秸稈炭和稻殼秸稈炭3種不同生物炭原料的投加濃度比例(以TS計)為基本參數，當牛糞底物TS濃度為6%，發酵溫度為30℃條件下，以累計產氣量為評價指標，比較不同生物炭原料對厭氧發酵的影響。由圖2可知，添加3種生物炭原料，沼氣發酵累計產氣量均隨著添加比例的增加呈現先升高后降低的趨勢，通過比選，水稻秸稈生物炭原料添加效果明顯高于玉米秸稈生物炭和水稻稻殼生物炭，當投放比例在8%時，累計產氣量最高達2639 mL,原料產氣率為135.75 mL·g-1TS。因此，確定添加水稻秸稈炭，投放比例為8%(以TS計)最為適宜。

圖2 不同生物炭對厭氧發酵的影響

圖3 底物濃度對厭氧發酵的影響

圖4 底物溫度對厭氧發酵的影響

在一定范圍內，對其中任一項因素進行調整，并固定其他因素為0水平，以累計產氣量為評價指標，進行單因素試驗。在水稻秸稈炭添加濃度為8%，培養溫度30℃，運行至反應啟動后第30天條件下，以不同的牛糞原料TS濃度(2%,4%,6%,8%,10%和12%)為基本參數，考察TS牛糞底物濃度對厭氧發酵的影響，由圖3可知，產氣量隨著TS濃度的增大呈現先上升后大幅下降的趨勢，TS在8%時為適宜濃度。

在TS牛糞底物濃度為6%，水稻秸稈炭添加濃度為8%，運行至反應啟動后第30天條件下，以發酵溫度(15℃,20℃,25℃,30℃,35℃,40℃和45℃)為基本參數，考察發酵溫度對厭氧發酵的影響，由圖3可知，產氣量隨著發酵溫度的增加，呈現先大幅升高后趨于平緩的趨勢，發酵溫度為40℃時為最適發酵溫度。

2.2 Box-Behnken試驗結果分析

在單因素試驗基礎上，進行響應面Box-Behnken試驗，試驗設計的因素與水平如表2所示，試驗各因素及其試驗結果見表3。利用Design-Expert V 8.0.6.1軟件對表2的試驗結果進行次多項式回歸模型方程擬合，獲得回歸模型方程為：

表2 Box-Behnken 設計試驗因素與水平

表3 各因素組合及結果

Y=2679.8-42.37A+46B+44.38C-43AB+80.75AC+43.5BC-159.03A2-260.78B2-54.52C2

表4 回歸模型方差分析

圖5 厭氧發酵產氣效果預測值與實測值

p值可檢查各因素的顯著性，由p值結果可知，模型中AC,A2,B2對厭氧發酵產氣效果影響極顯著，A,B,C,C2對產氣效果影響顯著，其余因素不顯著。由F值大小可知，對厭氧發酵影響強弱的順序為B>C>A，即發酵溫度>TS濃度>水稻秸稈炭濃度。

2.3 因素交互作用分析

根據回歸方程，利用Design Expert8.0軟件進行響應面試驗，所得各因子響應面分析及等高線圖，各因素交互作用產生的等高線為橢圓狀，表明兩者交互作用對厭氧發酵產氣效果影響顯著。由圖6和圖7可知，發酵溫度與水稻秸稈炭兩者交互，產氣量隨著發酵溫度與水稻秸稈炭添加濃度的升高呈現逐漸增加的趨勢，達到最大值后緩慢下降，同時，厭氧發酵產氣量對溫度的變化比水稻秸稈炭添加量的變化敏感。

圖6 溫度與水稻秸稈炭兩因素交互作用的響應曲面

圖7 溫度與水稻秸稈兩因素交互作用的等高線圖

牛糞底物TS濃度與水稻秸稈炭兩者交互對厭氧發酵產氣效果的影響，由圖8和圖9可知，產氣量隨著TS濃度和水稻秸稈炭添加濃度的升高呈現緩慢增加的趨勢，達到最大值后，厭氧發酵產氣效果對水稻秸稈炭因素更加敏感，隨著添加濃度的增加呈快速下降趨勢。由圖10和圖11可知，厭氧發酵產氣效果隨著TS濃度和發酵溫度的提高呈現先上升后下降的趨勢，同時可知厭氧發酵產氣效果對發酵溫度變化比TS濃度變化更加敏感。

圖8 TS與水稻秸稈炭兩因素交互作用的響應曲面

圖9 TS與水稻秸稈炭兩因素交互作用的等高線圖

圖10 TS與溫度兩因素交互作用的響應曲面

圖11 TS與溫度兩因素交互作用的等高線圖

2.4 模型優化

通過模型優化，最優工藝條件預測為發酵溫度41℃，TS為8.9%，水稻秸稈炭(以TS計)為7.9%，預測產氣量為2693 mL。為了驗證優化條件的準確性和可靠性，在最優工藝條件下進行厭氧發酵驗證試驗，試驗設置3次重復取平均值，獲得試驗數據值為2735 mL±37 mL,與方程預測值誤差在2%之內，說明響應面試驗設計模型條件可取。

3 結論

采用單因素試驗，比選不同生物炭原料對厭氧發酵產氣效率的影響，結果表明，水稻秸稈生物炭原料添加對厭氧發酵產氣量的提升最為明顯達到2639 mL。采用響應面法對厭氧發酵工藝參數進行優化，3種厭氧發酵因素對產氣效果影響均達到顯著，影響程度強弱的順序為發酵溫度>TS濃度>水稻秸稈炭濃度。通過兩兩交互分析，發現牛糞與水稻秸稈炭混合厭氧發酵時達到顯著水平，產氣效果對發酵溫度的影響更為敏感，說明在適宜的發酵溫度和TS濃度下，厭氧發酵產氣量會隨著水稻秸稈炭的濃度升高而升高。通過試驗，獲得最佳工藝條件是發酵溫度41℃，TS為8.9%，水稻秸稈炭為7.9%，該條件下厭氧發酵產氣量達到2735 mL±37 mL。