農村有機生活垃圾與不同原料厭氧共發酵工藝優化

劉洋，葉小梅，王成成，賈昭炎，杜靜，3，孔祥平，3，奚永蘭，3

（1 江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013；2 江蘇省農業科學院，江蘇 南京 210014；3 農業農村部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，江蘇 南京 210014）

我國農村地區的生活垃圾年產生量達到了2.94 億噸。農村生活垃圾屬于農業廢棄物的一種，其中瓜果皮、廚余、泔水等有機垃圾占比在40%以上，有機物含量豐富。垃圾焚燒、填埋等傳統的處理方法會對環境產生二次污染。厭氧發酵（anaerobic digestion，AD）技術可以對農村有機生活垃圾進行減量化和資源化處理，在有效消化掉垃圾的同時可以產生沼氣清潔能源，沼液和沼渣也可作為再生資源還田利用，是一種環境友好型的技術。而高進料濃度厭氧發酵相較于低進料濃度厭氧發酵具有節水、處理量大、能耗低、產出沼渣濃度高、沼液沼渣后續處理簡單等優點。但高進料濃度厭氧發酵存在傳質效率低、發酵系統不穩定等問題；農業廢棄物全混式厭氧發酵過程易受高濃度氨氮及揮發性脂肪酸積累等產生的抑制，同樣存在產氣效率低、發酵不穩定等問題，導致目前沼氣工程運行效果差。厭氧共發酵可以提高消化率和發酵系統緩沖能力，甲烷產量比單一底物發酵更高并且發酵系統穩定性更好。已有多位學者研究了不同物料的厭氧共發酵，馮晶等研究了牛糞和秸稈的厭氧共發酵，發現其干物質比為1∶1 時甲烷容積產率為單一底物發酵的2倍以上；Wang等通過對高濃度厭氧共發酵的產氣特性研究表明，共發酵甲烷產量比使用單一底物發酵最高提高了3.46 倍。Jiang 等認為豬糞是很好的厭氧共發酵底物，可以提升發酵系統的緩沖能力、避免系統酸化以及維持適宜產甲烷菌生長的pH，從而提高甲烷產量。而水稻秸稈與富氮基質共發酵可以平衡碳氮比，進而達到養分平衡，提高甲烷產率。因而高TS 厭氧共發酵理論上在保持高進料濃度的同時還可以提高系統的穩定性，但需要通過試驗深入研究底物配合和進料TS 濃度等對厭氧發酵的影響。

本文通過對農村有機生活垃圾、豬糞和水稻秸稈進行中溫批試厭氧共發酵實驗，研究了農村有機生活垃圾不同共發酵底物配比和不同進料濃度下產甲烷特性、厭氧發酵過程中氨氮、pH 和揮發性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）的變化特征，以期得出農村有機生活垃圾厭氧共發酵特性，優化農村有機生活垃圾厭氧發酵工藝條件，為沼氣工程的建設提供一定的基礎參數，為農村生活垃圾無害化、資源化處理和農村環境保護提供技術支撐。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

農村有機生活垃圾取自江蘇省徐州市沛縣大屯街道生活垃圾分類處置中心，主要成分為食物殘渣、菜葉、瓜果皮等，干燥后用粉碎機粉碎至粒徑小于4mm后密封保存在-20℃冰箱。豬糞取自江蘇省農業科學院六合動物實驗基地，密封在-20℃冰箱保存。水稻秸稈取自江蘇省農業科學院六合動物實驗基地，粉碎至粒徑小于2～3mm，在(4±0.5)℃下保存。接種物取自江蘇省常州市金壇區永康農牧科技公司農場。農村有機生活垃圾、豬糞和水稻秸稈的理化性質如表1 所示。接種物(37±1)℃下恒溫馴化，以每天2mL/L 的速度向其添加1 個月營養液，直到接種物的甲烷產量穩定，然后停止添加營養液。營養液由葡萄糖、磷酸二氫鉀、硫酸鎂和碳酸氫銨組成。當一周內未觀察到沼氣產生時，接種物馴化工作完成，可用于厭氧發酵。

表1 發酵底物理化性質

1.2 實驗設計

設置進料TS 質量分數分別為8%、10%、12%和15%，每個TS 濃度設三種不同底物配比，即生活垃圾與豬糞的揮發性固體（volatile solid，VS）質量比為1∶1，生活垃圾與水稻秸稈的VS比為1∶1，生活垃圾、豬糞和水稻秸稈的VS比為1∶1∶1，共計12個實驗組，每組設3個平行，各實驗組發酵底物添加量如表2所示。

表2 各實驗組發酵底物添加量

厭氧發酵實驗采用全自動產甲烷潛力測試系統（Multi-Talent 203，Nova Skante，瑞典），發酵瓶容積為500mL，設置有效容積350mL，初始pH 7.5，(37±1)℃中溫發酵，每1h攪拌一次，每次攪拌3min，發酵周期為60天。儀器自動記錄甲烷產量，每天取氣測量氣體組分，每天測定沼氣產量，每3天測一次pH，每7天取樣測其VFAs濃度和氨氮濃度。

1.3 分析方法

總固體含量、揮發性固體含量和氨氮濃度的測定采用APHA的方法。實驗樣品有機碳的測定采用稀釋熱法，全氮的測定采用凱氏定氮法。pH使用pH 計（LAQ UAtwin-pH-22，日本）直接測定。VFAs由氣相色譜儀測定（島津GC-2014，日本），色譜柱為DB—FFAP 30m×0.25mm 0.25μm，FID 檢測器，氮氣為載氣，進樣口溫度為250℃，FID 溫度為300℃，分流比為1∶10。柱箱的升溫程序為：先在100℃下保持5min，然后以10℃/min 速度升到250℃，保持12min，進樣量為1μL。 甲烷含量采用氣相色譜儀（仁華GC-9890B/T，南京）進行測定，該款氣相色譜儀采用TCD 熱導檢測器，載氣為高純的氫氣，設置檢測器溫度110℃，進樣器溫度130℃，柱箱溫度130℃。使用南京仁華色譜科技應用開發中心制備的標準混合氣，其中氮氣體積分數為23.4%，甲烷體積分數為45.6%，二氧化碳體積分數為31.0%。采用外標法對樣品的譜圖進行分析計算得出其對應的氮氣、甲烷及二氧化碳的體積分數。

為了便于多組發酵實驗的比較，累積甲烷產量用修正的Gompertz 模型擬合，如式(1)。

式中，為時刻的累積產氣量，mL；為最大產甲烷潛能，mL，為最大產甲烷速率，mL/d；為遲滯期，天；為發酵時間，天。

2 結果與討論

2.1 沼氣產量分析

發酵實驗共進行60 天，各實驗組的沼氣產量曲線如圖1 所示。從圖1(a)中可以看出，實驗開始第1 天有9 個實驗組開始產沼氣，其中有8 個實驗組日沼氣產量超過100mL。TS-12-2 和TS-15-2 實驗組分別在第2天和第3天開始產氣，可能是由于這兩個實驗組均添加有含水率極低的水稻秸稈導致發酵瓶內流動液體較少，因此滯后于別的實驗組。TS-8-1 實驗組第1 天未產氣或與其添加大量豬糞未攪拌均勻有關，發酵瓶內進行多次攪拌將其分散開后開始產氣。隨著發酵進行，各實驗組日沼氣產量迅速上升，其中TS-8-2 和TS-8-3 實驗組在第7天就達到了產氣高峰，分別為551.85mL 和520.57mL。TS-10-1 實驗組直至實驗第49 天才達到峰值325.46mL，該實驗組峰值產生時間遠滯后于其他實驗組，但在達到峰值前日產氣量均保持在100mL 以上，故在實驗結束時累積沼氣產量高于TS 為10%的實驗組。其他實驗組日產氣量在實驗第9～25 天內達到峰值后開始下降，直至實驗結束。

圖1 沼氣產量變化

從圖1(b)可以看出，整個發酵過程中各實驗組累積沼氣產量變化曲線在前5天緩慢增加后開始迅速增加，隨著發酵進行，發酵底物被產甲烷菌群消化減少，產氣曲線在經歷快速增長后趨于平緩直至實驗結束，產氣量也達到發酵底物的產氣潛力。在實驗結束時發酵底物為ROW 和PM 的四個實驗組的累積沼氣產量隨著發酵底物濃度的增加而增加。其余實驗組在TS質量分數為8%～12%時，累積沼氣產量隨著發酵底物濃度的增加而增加，TS-15-2和TS-15-3 實驗組較TS 為12%的實驗組產量有所下降，可能與這兩組加入RC 后流動液體的減少和發酵底物混合均勻度降低導致發酵系統的傳質效率降低有關。累積沼氣產量最高的為TS-15-1 實驗組，為15051.40mL，其次為TS-12-2和TS-12-3實驗組，分別為13938.80mL 和13514.60mL，遠高于其他實驗組，說明厭氧發酵效果最好。TS 質量分數為10%的實驗組累積沼氣產量均低于其他實驗組。各實驗組的沼氣單位VS 產氣量如表3 所示。最高為TS-12-2 實驗組的509.23mL/g VS，最低為TS-15-3 實驗組的311.88mL/gVS。TS 質量分數為15%的實驗組單位VS 甲烷產量整體偏低，說明當TS 質量分數增加到15%時，厭氧發酵底物消化不夠充分，該進料濃度已經對厭氧消化產生一定抑制。

表3 各實驗組沼氣、甲烷單位VS產氣量

2.2 甲烷含量分析

實驗開始后，每天通過取氣閥取氣測定各實驗組甲烷體積分數，其變化曲線如圖2所示。第1天各實驗組的甲烷體積分數在1.80%～22.13%范圍內，之后各實驗組甲烷含量開始快速上升，這是由于發酵系統中隨著水解產物的增多供給產甲烷菌群的底物增加，生成了更多的甲烷。各實驗組甲烷含量隨著發酵時間推移迅速增長，在發酵的4～15天內各實驗組甲烷體積分數均超過50%，說明各實驗組厭氧發酵系統均順利啟動。各實驗組的甲烷含量變化趨勢相似，在經歷過快速增加后均在70%上下波動，說明厭氧發酵實驗運行良好。可以看出厭氧共發酵各實驗組均成功進行，TS濃度和不同的底物配比并未對發酵過程中甲烷含量變化產生較大影響。

圖2 各實驗組甲烷體積分數變化

2.3 甲烷產量分析

甲烷為沼氣的主要成分，是沼氣可燃燒的部分，甲烷的產量可以直接反映出厭氧發酵實驗的結果。各實驗組甲烷產量變化如圖3 所示。從圖3(a)中可以看出，日甲烷產量整體變化趨勢相似于日沼氣產量，TS 質量分數為8% 和15% 的各實驗組峰值出現時間與日沼氣產量峰值出現時間相同或小于1 天，TS 質量分數為10%和12%的各實驗組峰值出現時間相較于沼氣日產氣量峰值出現時間有所滯后。從圖3(b)中可以看出累積甲烷產量最高的組仍為TS-15-1實驗組，60天累積產甲烷10394.02mL，其次為TS-12-3 和TS-12-2 實驗組，分別為9302.44mL 和9295.43mL。TS 質量分數為10% 的3個實驗組累積甲烷產量均低于其他實驗組，最低為TS-8-2實驗組的4413.27mL。

圖3 甲烷產量變化

為深入分析底物配比和TS 濃度對甲烷產量的影響，通過Gompertz 擬合曲線[如圖3(c)]，各實驗組值均>0.99，擬合效果較好，說明各實驗組均符合產氣規律。從表3 可以看出，單位VS 甲烷產量最高的仍為TS-12-2 實驗組的339.59mL/gVS，說明該組的發酵效果是最好的，其TS 濃度及底物配比為本研究的最優解。在進料TS 質量分數為8%～12% 的實驗組內，除了TS-8-2 實驗組外，同一TS 濃度下含有RC 的實驗組的甲烷累積VS 產氣量均高于其余實驗組，說明在這個濃度范圍內RC的添加提高了系統C/N 比后對厭氧共發酵影響最大，這對指導沼氣生產時共發酵的底物選擇有重要意義。表4 為各實驗組累積甲烷VS 產氣量的差異顯著性分析的值，從表中可以看到產氣量最高的TS-12-2實驗組相對于其他實驗組差異均顯著，同時分析了TS 質量分數為8%～12%時同一TS 濃度下各實驗組含有水稻秸稈和不含水稻秸稈累積甲烷VS產氣量的差異顯著性，證實上述結論。

表4 各實驗組累積甲烷VS產氣量差異顯著性分析P值

2.4 氨氮含量變化分析

厭氧發酵過程中氨氮濃度變化是評價發酵質量的重要參數，各實驗組厭氧發酵過程中氨氮濃度變化如圖4 所示。各實驗組的氨氮濃度在1638.00～4523.00mg/L范圍內變化。Liu 等研究發現，生活垃圾中溫厭氧發酵的氨氮抑制濃度約為3900.00mg/L，從圖4 可知，實驗組TS-12-1、TS-15-1 和TS-15-3 實驗組共計出現過4 次超過3900.00mg/L 的情況，其余實驗組所測氨氮濃度均低于抑制濃度。結合各實驗組產氣情況和氨氮濃度變化情況，隨著TS 質量分數從8%增加到12%，氨氮濃度上升，甲烷產量增加，可以判斷實驗組未出現氨氮抑制現象。這可能是由于在未達到氨氮抑制濃度時，氨氮濃度的增加為微生物快速生長提供營養，加速了有機酸的轉化。同時高氨氮濃度大多出現在TS 濃度較高的實驗組，這是由于隨著TS 濃度的增加，發酵罐中有機物的含量增加，發酵系統中總氮的含量上升，最終表現為更高的氨氮濃度。結合甲烷產量變化，TS-15-2 和TS-15-3 實 驗 組 較TS-12-2 和TS-12-3實驗組甲烷產量降低，可能是因為這兩種發酵底物組合下，發酵瓶內的氨氮濃度已經開始對發酵系統產生負面影響，這兩組發酵過程中氨氮濃度峰值分別達到了3063.00mg/L和4523.00mg/L。

圖4 氨氮濃度變化

2.5 pH、VFAs濃度變化分析

厭氧發酵在酸化階段產生大量VFAs，隨后被產甲烷菌利用生產甲烷。厭氧發酵過程中VFA 的濃度變化與水解、酸化和產甲烷階段均有關聯。各實驗組發酵過程中VFAs濃度和pH的變化如圖5所示。12 個實驗組的pH 在消化的前7 天，各實驗組的pH 均下降至7.00 以下，這是由于產甲烷菌活性還未完全激活，發酵系統中產生的VFAs 不能得到利用產生積累，導致pH 降低。然后隨著產甲烷菌開始大量消化VFAs產生甲烷，系統pH開始回升并趨于穩定。在經過前10 天的波動后趨于穩定，保持在在7.50 上下小幅度波動。同時各實驗組VFAs濃度在第7 天達到峰值，均超過10000.00mg/L，說明各實驗組水解和酸化過程均順利進行，開始產生大量VFAs 以供產甲烷菌利用。隨后開始下降，在厭氧發酵實驗結束時VFAs濃度最低為TS-10-12實驗組，為1702.68mg/L，其他實驗組較峰值均出現大幅度下降。結合各實驗組產氣情況良好、pH 波動后趨于穩定和氨氮濃度變化等結果，說明各實驗組產甲烷菌都在正常工作，將發酵系統中的VFAs最終轉換為甲烷，農村有機生活垃圾高濃度厭氧共發酵實驗達到預期目的。

圖5 VFAs濃度和pH變化

3 結論

（1）在本文所設置實驗條件下，實驗結果和模型擬合所確定的發酵底物為ROW和RC，生活垃圾與豬糞的揮發性固體質量比為1∶1，進料TS 質量分數為12%時厭氧發酵效果最佳，累計甲烷產量為339.59mL/g VS。

（2）厭氧共發酵底物為ROW和PM，生活垃圾與豬糞的揮發性固體質量比為1∶1，沼氣和甲烷產量會隨著TS 濃度的增加而增加，最高分別為372.70mL/g VS和257.38mL/g VS。

（3）當發酵底物為ROW和RC或者發酵底物為ROW、PM 和RC 時，進料TS 質量分數從8%增加到12%時，甲烷產量隨之增加，最高分別為339.59mL/gVS、322.16mL/gVS。當進料TS 質量分數繼續升高到15%時，二者產量均出現降低且均低于其他實驗組， 分別為231.17mL/gVS、194.67mL/gVS。

（4）差異顯著性分析顯示在進料TS 質量分數為8%～12%，RC 的添加直接導致C/N 比升高，對厭氧共發酵有更大影響。