据统计，2018年我国畜禽粪便与农作物秸秆年产量分别达到38亿吨与8.1亿吨，其中超过50%未得到有效利用[1]，因此通过利用厌氧微生物将动物粪便、农作物秸秆以及其他农业有机废弃物转化为生物气进行二次利用，实现废物的资源化和无害化，具有十分广阔的应用前景[2-3]。
由于秸秆是木质纤维素生物质，组成成分复杂且结构致密，使得微生物无法高效快速地利用其中的有机物，与粪便类物质相比不易降解。虽然混合厌氧消化可以平衡体系内各营养元素，但每个阶段生物降解速率的非同步性会对消化系统的稳定性和甲烷产量产生不利影响。Zhou等[4]在对玉米秸秆与餐厨垃圾进行厌氧消化过程中，发现二者的生物降解性不同，对玉米秸秆进行预处理可使得生物甲烷的产率最大提高12.2%。因此，通过对秸秆类物质进行预处理，能够达到高效产气的目的，而其中碱处理技术发展成熟且处理效果明显，因此得到广泛应用[5]。研究表明，KOH预处理可以提高木质素的溶解性以及半纤维素和纤维素的水解性能，同时提高肥料价值且无环境污染[6]。李江浩[7]在探究KOH预处理对稻杆厌氧消化影响的试验中发现，当KOH的质量分数为1.5%时，累积甲烷产量(基于挥发性固体含量)达到了208.6 mL/g，比对照组提高了45.1%。郑盼等[8]发现混合物质中温发酵比高温发酵产甲烷效率高，产沼气速率相比高温发酵提高了31.6%，反应进程加快。吴笛[9]研究发现马铃薯皮渣和牛粪混合厌氧发酵的产气性能高于单一原料。
但在目前的研究中关于碱预处理剂对秸秆和粪便混合厌氧发酵过程中物质变化规律的影响尚不是很明晰，为了明确预处理后混合物质厌氧消化过程中产气特性、物质转化特性、挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)含量和系统稳定性能等的变化规律，本文将KOH预处理后的玉米秸秆与猪粪进行混合，从产气特性、挥发性固体去除率以及VFAs含量等多个角度分析探究厌氧消化过程中相关参数的变化规律，并对产甲烷过程进行动力学分析，为最终提高厌氧消化效率提供理论支持。
1 材料与方法 1.1 试验材料选用玉米秸秆和猪粪作为厌氧共消化的底物。玉米秸秆来自北京市顺义区，取回后进行初步分拣、晾晒并风干，将其粉碎过筛后待用(筛孔尺寸为0.850 mm)；猪粪取自北京顺义区某养殖场，取回新鲜的猪粪后将里面较大的杂物去掉，于4 ℃冰箱中保存备用；接种物取自顺义郊区某沼气站的猪粪消化液。各试验原料的基本性质见表 1。
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下载CSV 表 1 原料的基本性质 Table 1 Characteristics of substrates and inoculum |
厌氧消化的试验装置由1 L蓝盖瓶、1 L集气瓶和储水槽组成，蓝盖瓶作为厌氧消化反应器有效容积为800 mL，三者之间由乳胶管和三通等连接。集气瓶上标有刻度，采用排水法计量沼气的产量。储水槽用来收集排出的水。整个过程采用水浴加热，具体装置见图 1(每套反应装置连接方式均相同，本文仅展示其中1组)。
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1—温控按钮；2—恒温水箱；3—反应器；4—玻璃泡；5—止水夹；6—集气瓶；7—储水槽。 图 1 试验装置 Fig.1 Schematic of batch experiments |
将质量分数4%的KOH溶液[10](玉米秸秆TS、KOH、H2O质量比1:0.04:6)与玉米秸秆混合搅拌均匀，在室温下密封静置3 d后，放入烘箱烘干至恒重，密封保存备用。
1.3.2 厌氧消化试验采用批式试验，发酵负荷为50 g/L(基于TS)，将KOH预处理后的玉米秸秆与猪粪混合，在草粪比为3:1(基于TS)条件下进行厌氧发酵试验[11]，同时设置未预处理玉米秸秆与猪粪混合的厌氧装置作为对照组，两组分别设置3个平行。厌氧消化周期为50 d，试验开始后每天记录日产气量，每3 d取样进行相关性质的检测分析，试验结果为扣除只添加接种物空白组影响后的3个平行的平均值。每个发酵罐的接种量均为15 000 mg/L(以TS计)，密封后置于恒温水箱中，消化温度控制在(35±1)℃。
1.4 分析与测试使用排水取气法记录日产气量，并通过理想气体状态方程(pV=nRT)换算为标况下体积；气体成分(H2、N2、CH4和CO2)的测定采用配备有热导检测器和TDX-01柱的气相色谱仪(SP-2100，北分瑞利公司)。TS与VS含量采用重量法测定。TC和TN含量采用元素分析仪(Vario EL cube，德国Elementar Analysensysteme GmbH公司)测定。纤维素、半纤素和木质素含量使用纤维素分析仪(ANKOM A2000I，美国ANKOM公司)测定。氨氮浓度采用多参数浓度测定仪(HI83206，意大利HANNA公司)测定。碱度采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定法测定。反应过程中的乙醇和VFAs含量由气相色谱仪(GC-2014，日本岛津公司)测定。产气速率是指原料在一定发酵条件下产生沼气的速度，以一段时间内的产沼气量来表示[12]，计算公式如式(1)所示
| $ {v_t} = \frac{{{B_t}}}{t} $ | (1) |
式中，vt表示厌氧产气速率，mL/d；Bt表示第t天物料的累积产甲烷量，mL；t表示厌氧消化时间，d。
1.5 动力学分析本文采用修正Gompertz模型[13]对玉米秸秆与猪粪混合厌氧产甲烷过程进行拟合。模型公式如式(2)所示
| $ B = {B_0} \times {\rm{exp}}\left\{ { - {\rm{exp}}\left[ {\frac{{{\mu _{\rm{m}}}{\rm{e}}}}{{{B_0}}}({\lambda _{\rm{m}}} - t) + 1} \right]} \right\} $ | (2) |
式中，B表示第t天物料的累积产甲烷量，mL/g(基于TS，下同)；B0表示最终产甲烷量，mL/g；μm表示最大产甲烷速率，mL/(g·d)；λm表示迟滞时间，d；t表示消化时间，d。
2 结果与讨论 2.1 日产气量与产气速率日产气量与产气速率变化见图 2。由图 2(a)可知，两种原料混合后，整个发酵过程均出现3~4个产气高峰，其中预处理组在第2天出现第一个产气高峰，比未预处理组提前了1 d，随后产气量逐渐下降。预处理组的第二和三个产气高峰分别出现在第5天和第13天，为1 520 mL和980 mL，比未预处理组分别提前了1 d和3 d，且两峰间距缩短了2 d。两组在达到第三个产气高峰后，日产气量迅速下降，降至60~100 mL。研究中常将达到底物总产气量90%所用的时间定义为t90，认为此时消化反应基本结束[14]。可以看到，预处理组的t90比未预处理混合组提前了9 d，总产气量提高了9.8%。Wei等[15]分别采用氨水和NaOH预处理玉米秸秆，再与牛粪混合进行厌氧消化，发现出峰时间比对照组提前了3~5 d，且总产气量提高了25.4%~30.1%。以上结果表明，经过预处理后的混合物料提高了反应底物的厌氧消化效率，缩短了峰间间隔，从而使得反应进行得更加彻底，产气量更大。
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图 2 厌氧消化日产气量与产气速率变化 Fig.2 Daily biogas production and biogas production rate of anaerobic digestion |
由产气速率变化(图 2(b))来看，在整个厌氧消化过程中，预处理后玉米秸秆混合组产气速率要始终高于未预处理组，且提高值为9.6%~65.6%。反应前5天预处理组的产气速率急速上升，于第5天达到了产气速率高峰，为1 178 mL/d，比未预处理组提前了3 d，且峰值增大了84.5%。第6天后两组产气速率呈下降趋势，但预处理组整体下降得更快，在第35天后两组产气速率变化相差不大，此时系统趋于稳定。在付嘉琦等[16]利用NaOH预处理稻杆并与猪粪进行厌氧发酵的试验中，产气高峰比对照组提前了2 d，且产气速率提高了25.2%。因此预处理可以增强物质的产气性能，从而提高混合厌氧消化效率。Moset等[17]研究发现，采用KOH预处理不仅可以提高麦草的生物降解性，同时沼渣沼液含钾元素可增加肥效且无环境污染，提高了肥料的使用价值。因此，采用KOH进行预处理是一种绿色、环保、高效的预处理方法。
2.2 甲烷含量与产量玉米秸秆与猪粪在厌氧消化周期内的日甲烷含量和累积甲烷产量变化如图 3所示。可以看到，在厌氧消化时间内，两个试验组甲烷含量的波动都呈现出先增加后趋于稳定的趋势，最终基本维持在56.9%~60.5%。其中预处理组甲烷含量在第9天达到了55%以上，比未预处理组提前了3 d。在第13天时，预处理组甲烷含量达到峰值，比未预处理组的时间提前了31.6%，说明此段时间营养物质充足，消化体系内的甲烷菌活性得到了很大提升，这一现象在日产气量的变化中也得到了证实。25 d后，预处理试验组平均甲烷含量变化幅度较小，说明体系内甲烷含量开始保持稳定，这比未预处理组提前了6 d。魏域芳等[18]在使用氨水预处理玉米秸秆与牛粪进行厌氧消化的研究中也得到了相似的结果，发现甲烷含量在第10天达到60%以上，比未预处理组提前了5 d。邵艳秋等[19]使用4% NaOH对花生壳进行预处理，发现厌氧消化后预处理组的平均甲烷含量比未预处理组提高了18.0%。
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图 3 日甲烷含量和累积甲烷产量变化 Fig.3 Daily methane content and cumulative methane production |
从累积甲烷产量来看(图 3)，经过预处理的玉米秸秆与猪粪混合发酵的产甲烷速度和甲烷产量都高于未预处理玉米秸秆组。预处理体系的累积产甲烷量达到了14 013 mL，比未预处理组(12 643 mL)提高了13.8%。由图 3可知，通过累积甲烷产量的变化趋势可将整个厌氧过程大致分为两个阶段：在反应前33 d，预处理组累积甲烷产量增加迅速，增长速率比未处理组提高了16.2%，产量达到总产量的95.1%，而此时未预处理组产量仅为总产量的88.1%；33 d后预处理系统进入稳定增长阶段，比未处理组整体提前了4 d，系统内累积甲烷产量增长保持稳定。由此可知，KOH预处理提高了混合物料的厌氧消化效率。Wei等[20]利用经NaOH预处理后的玉米秸秆和牛粪进行厌氧共消化，甲烷产量比未预处理组提高了15.8%；这是因为碱液改变了秸秆的组分结构，使得更多可供微生物利用的有机物溶出，从而提高了甲烷产量。
2.3 VS去除率VS的变化表征了厌氧消化过程中有机成分的利用情况[21]。两个试验组在厌氧消化过程中的VS去除率如图 4所示。在整个消化反应过程中，两个试验组的VS去除率整体呈上升趋势，但预处理组的VS去除率一直高于未处理组，提高率达11.3%~40.9%。结合日产气变化情况(图 2(a))可知，在产气高峰阶段物质的VS去除率增长较快，且预处理组比未预处理组提前了2~3 d。通过预处理，反应体系的VS去除率最终达到了71.1%，可见预处理组对底物的消化更充分彻底，说明预处理改善了玉米秸秆的可生物降解性，底物消化更完全，物质转化效率得到提高，从而提高了产气量。
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图 4 厌氧消化过程中VS去除率 Fig.4 VS removal ratio for the anaerobic digestion process |
挥发性脂肪酸是厌氧发酵过程的中间产物，VFAs浓度升高，表明混合原料能够快速水解成小分子物质，可为产甲烷菌提供足够的原料[22]。若系统内生成的有机酸不能得到及时降解则会发生酸的累积，高浓度的VFAs会对产甲烷菌产生抑制作用[23]。Wang等[24]探究了VFAs浓度对厌氧消化的影响，当有机酸质量浓度达到10 000 mg/L时，产甲烷菌活性会受到抑制，当总酸质量浓度超过13 000 mg/L时，系统会崩溃。试验中两个反应组的VFAs总浓度均未达到抑制值，但未预处理组在反应前期有机酸积累程度相对较高。从乙醇和VFAs含量变化趋势(图 5)来看，预处理组在第3天出现产酸高峰，为8 463.1 mg/L，比未预处理组提前了3 d，其中乙酸质量浓度最高，占总VFAs的42.6%。而未预处理组由于玉米秸秆自身的结构复杂，系统中产酸量与微生物利用量不平衡，从而导致VFAs的累积，其质量浓度达到了9 879.42 mg/L，此时对应的产气量下降。在第9天产甲烷菌才逐渐适应并恢复活性，VFAs中的乙酸首先被利用，快速转化为沼气，VFAs总量快速下降，产气量逐渐提升，pH恢复并稳定在7.1~7.2。在第7天后，预处理组VFAs总质量浓度下降更快，总量低于未预处理组47.0~387.1 mg/L，说明预处理可以更容易使酸转化，从而提高厌氧消化效率。
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图 5 厌氧消化过程中乙醇和VFAs含量变化 Fig.5 Alcohol and VFAs contents for the anaerobic digestion process |
玉米秸秆与猪粪混合厌氧消化过程中碱度和氨氮浓度的变化如图 6所示。碱度和氨氮浓度是维持系统稳定的重要因素，其缓冲作用可以维持适宜的微生物生长环境，防止系统发生过酸化现象。有文献表明[25]，氨氮浓度为50~500 mg/L时有利于厌氧消化，500~2 000 mg/L时不会影响厌氧消化反应，大于3 000 mg/L时在任何pH条件下厌氧消化过程微生物均会受到抑制。由图 6可知，在厌氧消化过程中，氨氮浓度在前期随厌氧反应的进行而发生波动，当反应进行到中后期，随着时间的推进，氨氮浓度和碱度基本维持不变，分别保持在900~1 100 mg/L和8 000~9 000 mg/L。可以看出，预处理后体系内的碱度和氨氮浓度相对较高，增强了系统的稳定性，使得厌氧消化系统具有更强的缓冲能力。这可能是因为通过预处理大量蛋白质、氨基酸等含氮物质的结构被破坏，其中的氮以NH4+-N形式释放出来，从而使得系统的氨氮浓度升高。
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图 6 厌氧消化过程中氨氮浓度及碱度变化 Fig.6 Ammonia nitrogen and alkalinity contents for the anaerobic digestion process |
本文采用修正后的Gompertz模型对两试验组的累积甲烷产量进行动力学拟合，表 2为两试验组产甲烷动力学参数。可以看出，相关系数Radj2均在0.99以上，因此修正后的Gompertz模型能够很好地拟合玉米秸秆与猪粪混合厌氧产甲烷过程。
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下载CSV 表 2 玉米秸秆与猪粪混合厌氧消化产甲烷动力学参数 Table 2 Kinetic parameters of methane production |
对比两试验组产甲烷动力学的各项参数，发现预处理组的最大产甲烷量(B0)达到14 258.7 mL/g，比未预处理组提高了7.5%~10.1%，表明原料预处理优化了厌氧过程的产甲烷性能，提高了产甲烷效率；同时，经过预处理后的混合原料最大产甲烷速率(μm)比未预处理组提高了10.3%~22.9%，表明预处理可以有效提高混合厌氧消化的甲烷产量以及产甲烷速率，得到更好的厌氧消化效果。λm反映了厌氧微生物适应外界环境变化的迟滞反应时间，高的延滞期及低的最大日甲烷产率意味着低的分解效率[26]。预处理组的λm大大缩短，达到了0.9 d，产甲烷速率和甲烷产量提高作用明显，可见预处理可以创造更适宜的厌氧环境，有利于甲烷的转化。基于模型的拟合结果，延滞期和最大产甲烷速率共同反映了微生物对底物的水解速率，迟滞期越短，最大甲烷产率越大，水解速率也越大[27]。可以看到预处理有效降低了反应迟滞期，提升了产甲烷速率，说明KOH预处理提高了玉米秸秆和猪粪在厌氧共消化过程中的水解速率。
3 结论(1) KOH预处理玉米秸秆与猪粪混合后，总产气量比未预处理组提高了9.8%，产气速率和累积甲烷产量分别提高了9.6%~65.6%和13.8%。预处理后底物消化更完全，物质的VS去除率达到了71.1%，相比未预处理组增加了21.2%，提高了厌氧消化效率。
(2) 玉米秸秆与猪粪混合厌氧消化过程中，两试验组的VFAs含量、氨氮浓度和碱度均能维持在正常值内，其中预处理组在第3天出现产酸高峰，比未处理组提前了3 d，系统更加稳定。
(3) 混合厌氧消化符合修正的Gompertz方程(Radj2>0.99)，预处理后试验组的混合厌氧消化表现出更好的产甲烷性能，最大产甲烷量比未预处理组增加了7.5%~10.1%，提高了厌氧消化过程中的水解速率。
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