0 引言
甜高粱,拉丁名是Sorghum bicolor (L.) Menoch,属于禾本科植物,作为一种高产、高糖、高能的C4植物,其CO2补偿点极低,是一种具有高潜力的能源作物[4,5,6]。但由于其本身比重小、碳氮比高、木质纤维素含量高于蜡质层,导致其厌氧消化周期长、原料利用率低[7,8]。混合厌氧消化通过将两种或两种以上物料混合,可以提高营养物的平衡,增强微生物的协同效应,从而提高有机质厌氧转化效率[9]。动物粪便因具有较高的碱度和氨氮以及丰富的营养元素,被认为是一种良好的混合消化基质,可以中和厌氧消化过程中有机酸的积累,减少有害物质的产生,提高产沼气率[10,11]。马新刚等[12]、李永平等[13]将牛粪作为混合底物进行厌氧消化,提高了甲烷产率,分别获得了358.0 mL和6 911.4 mL的甲烷产量;周冠男等[14]添加猪粪作为混合底物将沼气产量提升了7.71%;孟艳等[15]、熊荣波等[16]将羊粪作为混合底物也可提高累积甲烷产率,结果表明混合羊粪效果优于牛粪;徐杰等[17]将高粱秆与菌渣混合消化得到累积甲烷产量为255 mL/g,而与牛粪混合消化的累积沼气产量为478 mL/g。上述研究表明,混合厌氧消化中各底物性质和协同效应不同,其产气性能和甲烷产率之间存在差异,而添加不同动物粪便对全株甜高粱厌氧消化产甲烷影响的研究还鲜有报道。
本实验以全株甜高粱为原料,将其分别与奶牛粪、猪粪和羊粪三种动物粪便进行混合厌氧消化,比较不同种类粪便与甜高粱混合消化的产气性能,并应用动力学模型对实验数据进行拟合分析,探讨混合厌氧消化的协同效应,为全株甜高粱在沼气工业中的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
全株甜高粱取自中国科学院近代物理研究所甜高粱种植基地（甘肃白银）,取回实验室后迅速切碎至1 ~ 2 cm长度。奶牛粪取自兰州市七里河区晏家坪奶牛养殖场,猪粪和羊粪取自七里河区狗牙山农户,上述材料取回后置于 -20 ℃冰箱中存放备用。接种物取自甘肃荷斯坦奶牛繁育示范中心稳定运行的厌氧发酵罐（牛粪为发酵底物）。不同发酵原料的理化性质如表1所示。
Table 1 Physicochemical properties of sweet sorghum and animal manures表1 甜高粱和动物粪便的理化性质 |
| 原料 | TS/% | VS/% | C/N |
|---|---|---|---|
| 甜高粱 | 25.06 ± 0.30 | 23.45 ± 0.32 | 55.23 |
| 奶牛粪 | 19.07 ± 0.34 | 16.16 ± 0.38 | 21.96 |
| 猪粪 | 26.03 ± 0.49 | 19.18 ± 0.37 | 12.71 |
| 羊粪 | 30.94 ± 1.72 | 25.27 ± 1.60 | 15.46 |
| 接种物 | 2.88 ± 0.01 | 1.09 ± 0.00 | — |
注：TS为总固体（total solid）,VS为挥发性固体（volatile solid）,C/N为碳氮比。 |
1.2 试验装置与方案
采用AMPTS II全自动甲烷潜力系统（瑞典,碧普仪器）进行批式厌氧消化试验,搅拌频率为10 min/h,搅拌速率为80 r/min,反应器有效体积为400 mL,反应器温度为 (37 ± 0.5) ℃,消化周期为20 d。试验设置1个空白对照组（CK）和4个单一原料消化组：甜高粱组（SS）、奶牛粪组（CM）、猪粪组（PM）和羊粪组（SM）,以及3个混合消化组：奶牛粪与甜高粱（SCM）、猪粪与甜高粱（SPM）以及羊粪与甜高粱（SSM）。每个试验组设置3个平行,各组的接种物进料量均为400 mL。在混合消化组中,甜高粱与动物粪便按挥发性固体比1∶1添加,具体添加量见表2。从试验第1 d开始,每天中午记录产气量,每隔3 d采集5 mL消化液样品用于测定发酵液指标。
Table 2 The addition amount of different animal feces inoculum and substrate表2 不同动物粪便接种物与底物的添加量 |
| 分类 | 组别 | 添加物 | ||
|---|---|---|---|---|
| 甜高粱/g | 动物粪便/g | 接种物/mL | ||
| 单一原料消化组 | SS | 8.53 | 0.00 | 400 |
| CM | 0.00 | 12.38 | 400 | |
| PM | 0.00 | 10.43 | 400 | |
| SM | 0.00 | 7.91 | 400 | |
| 混合原料消化组 | SCM | 4.26 | 6.19 | 400 |
| SPM | 4.26 | 5.21 | 400 | |
| SSM | 4.26 | 3.96 | 400 | |
| 空白 对照组 | CK | 0.00 | 0.00 | 400 |
1.3 测定指标与方法
采用105 ℃烘干法和550 ℃灼烧法[18]测定TS和VS;采用UB-7型pH计[丹佛仪器（北京）有限公司]测定pH;采用5B-3C (V8) 型化学需氧量快速测定仪（兰州连华科技）检测化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）;氨态氮（NH4+-N）采用苯酚次氯酸钠比色法进行测定;挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）和沼气中气体成分采用气相色谱（日本,Shimadzu,GC-2014）进行测定,测定条件为：采用WondaCap FFAP毛细管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm）,在气相程序升温过程中,初始温度设定为50 ℃并保持1 min。随后,以15 ℃/min的速率快速升温至120 ℃。在达到120 ℃后,升温速率减缓至5 ℃/min,持续加热至170 ℃。紧接着,再次提高升温速率,以20 ℃/min的速率迅速升至240 ℃,并在此高温下保持4 min,以完成整个气相的升温过程。进入色谱柱的气体流量/排出系统的气体流量的分流比为5∶1,氢火焰离子化检测器（flame ionization detector, FID）温度为250 ℃[19];部分碱度（partial alkalinity, PA）和中间碱度（intermediate alkalinity, IA）采用T960自动电位滴定仪（山东海能未来技术集团股份有限公司）进行测定;碳氮比（C/N）采用元素分析仪（德国,Elementar,vario EL cube）进行检测。
1.4 动力学分析
对甜高粱与不同动物粪便混合消化产沼气过程进行动力学分析,动力学模型采用修正的Gompertz方程对各试验组产甲烷过程进行拟合分析[20]：
$Y={{Y}_{\text{m}}}\exp \left\{ -\exp \left[ \frac{{{r}_{\text{m}}}\text{e}}{{{Y}_{\text{m}}}}\left( \lambda -t \right)+1 \right] \right\}$ (1)
式中：Y为t时刻的累积产气率,mL/g;Ym为最大累积产气率,mL/g;rm为最大产甲烷速率（以VS质量计）,mL/(g∙d);λ为迟滞期,d;e（自然对数底数）= 2.718 28;R2表示动力学模型拟合曲线的程度。
混合厌氧消化协同效应指数（synergistic effect index, SEI）采用下述方程进行计算[21]：
${{\alpha }_{\text{SEI}}}=\frac{\ \ \ {{\beta }_{\text{CO}}}\ \ -\ \left( {{X}_{1}}\times {{\beta }_{\text{Y}1}}\ +\ {{X}_{2}}\ \times {{\beta }_{\text{Y}2}}\ +...+\ {{X}_{n}}\ \times {{\beta }_{\text{Y}n}} \ \right)\ \ \ \ \ \ \ \ }{\ \ \left( {{X}_{1}}\ \times {{\beta }_{\text{Y}1}}\ +{{X}_{2}}\ \times {{\beta }_{\text{Y}2}}\ +...+\ {{X}_{n}}\ \times {{\beta }_{\text{Y}n}} \ \right)\ \ \ }\times 100\%$ (2)
式中：βco为混合消化的实际产甲烷量,mL/g;X1、X2和Xn分别为混合消化中第一、第二和第n个底物的VS分数;βY1、βY2和βYn分别为第一、第二和第n底物的单独消化实际产甲烷量,mL/g。
1.5 数据处理方法
基础数据采用Excel 2016软件整理,产气量及发酵过程指标等柱状、折线图和曲线图采用Origin 2023软件绘制,采用SPSS 30软件对各试验组进行显著性方差分析。
2 结果与讨论
2.1 日产沼气率和累积产沼气率的变化
由图1（a）可知,各试验组的日产沼气趋势总体一致,均在试验第1 d达到产气最高峰。最高日产沼气率从高到低依次为SCM、CM、PM、SPM、SSM、SS和SM组,其日产沼气速率分别为225.21、209.00、184.16、170.66、138.06、115.16和113.50 mL/g。三个混合消化组最大日产沼气率较SS组提高了19.89% ~ 95.56%。日产沼气率反映了厌氧菌群在分解底物时的代谢效率和速率,通过连续监测日产沼气率,可以计算厌氧消化的最终结果,评估厌氧发酵过程的效率。三个混合消化组日产沼气率的提高归因于动物粪便为甜高粱提供了额外的营养物质,使微生物群落的营养更加平衡[22,23]。在试验的第1 ~ 4 d,各组产气量均迅速下降,这可能是由于底物中易于被微生物分解利用的物质被迅速消耗所致[24];而在三个混合消化组中,SSM组产气量最低,原因在于羊粪所含的营养物质低于猪粪和奶牛粪,不足以提供更多的物质进行消化与产气[25]。
Fig. 1 Change of daily biogas production rate (a) and cumulative biogas production rate (b) in each experimental group图1 各试验组的日产沼气率（a）和累积产沼气率（b）的变化 |
从图1（b）可知,各组的累积产沼气率均先快速增加后趋于平缓,由高到低依次为SCM、SPM、CM、PM、SSM、SS和SM组,其累积产沼气率分别为556.98、524.24、520.95、493.24、446.00、418.06和392.01 mL/g,SCM、SPM和SSM组的累积产沼气率较SS组分别提升了33.23%、25.40%和6.68%,比CM、PM和SM组分别高出6.92%、6.28%和12.11%。与罗义轩等[26]高粱杆产气潜力的产气率251.9 mL/g和于萌萌等[27]预处理高粱秸秆产气率418 mL/g相比,混合消化组的累积产沼气率均有所提升。这一结果表明,添加动物粪便后产气效果良好,这可能与甜高粱含有较多的糖类化合物及其较高的碳氮比有关,加入动物粪便后可以调节厌氧消化的碳氮比,从而促进更多种类微生物的生长与繁殖[28]。而SCM组累积产沼气率最佳,可能源于甜高粱与奶牛粪混合消化后,对甜高粱中难降解的纤维素和粪便蛋白质进一步分解,致使可溶性有机物增加,这些物质能被产甲烷菌更有效地利用[29],这和徐杰等[17]的研究结果一致。
2.2 日产甲烷率和累积产甲烷率的变化
由图2（a）可知,各组日产甲烷率变化趋势表现为第1 ~ 2 d快速增长、第2 ~ 4 d急速下降、第4 ~ 20 d缓慢趋近于零,均在第2 d获得日产甲烷率峰值,从高到低依次为CM、SCM、PM、SPM、SS、SSM和SM组,其日产甲烷率分别为97.93、93.68、86.08、79.88、57.30、47.94、30.79 mL/g。与SS组相比,SCM和SPM组最大日产甲烷率分别提升了63.49%和39.41%,而SSM组则降低了16.33%,可能是由于羊粪中的高盐度抑制了产甲烷菌的增殖,而奶牛粪的低盐度为微生物生长提供了合适的环境[30]。ACOSTA等[31]研究表明,牛粪中含有丰富的微量元素以供厌氧微生物生长,提高了发酵液的缓冲能力,从而为厌氧消化提供了优质环境。靳红梅等[32]研究发现在中温条件下,猪粪和奶牛粪的厌氧发酵沼液中微量元素含量有所下降,表明动物粪便中的一些微量元素和蛋白质等物质为产甲烷菌的生长提供了必要的营养,使得在整个厌氧消化过程中微生物菌群处于一个稳定的生长状态,能够持续利用混合底物进行产气[33,34]。
Fig. 2 Changes of daily methane production rate (a) and cumulative methane production rate (b) in each experimental group图2 各试验组的日产甲烷率（a）和累积产甲烷率（b）的变化 |
由图2（b）可知,各组的累积产甲烷率的变化趋势均为先快速增加后趋于平缓。在20 d的实验周期内,各组的累积产甲烷率由高到低依次为SCM、SPM、PM、CM、SSM、SS和SM组,累积产甲烷率分别为274.51、260.86、260.85、245.16、197.63、190.05和159.90 mL/g。其中SCM、SPM和SSM组的累积产甲烷率相比于SS组分别提升了44.44%、37.26%和3.99%。这与曹燕篆等[35]对高粱秸秆预处理后得到的产甲烷结果一致,OSTOVAREH等[36]使用有机溶剂预处理甜高粱获得的最大累积甲烷产量为278 mL/g,陈鹏辉等[37]将高粱秸秆水热预处理后产甲烷量提升了8.89%。而与徐杰等[17]的研究相比,发现混合消化SCM组累积产甲烷率最大,这可能归因于奶牛粪中未消化的纤维上黏附有瘤胃微生物,而这些微生物对甜高粱具有很强的水解酸化能力,从而提高了甲烷产率[38,39]。
2.3 协同效应和动力学分析
不同处理组累积甲烷产率修正Gompertz方程拟合曲线和拟合结果如图3和表3所示,相关系数（R2）可以衡量动力学方程的拟合度,各试验组的R2均大于0.98,SCM、SPM和SSM组的最终甲烷产量（P）的实验值和预测值均大于SS组,差异性介于0.51% ~ 1.93%,说明修正的Gompertz方程能较好地拟合甜高粱与动物粪便混合厌氧消化的产气特性。迟滞期（λ）越短则产甲烷菌对环境的适应能力就越强[40],可以加快消化的启动,SCM、SPM和SSM组的产甲烷λ分别为0.10、0.15、0.04 d,均小于SS组的0.16 d。最大产甲烷速率（rm）分别为78.37、63.59和33.97 mL/(g∙d),SCM和SPM组较SS组分别提升了115.30%和74.70%,SSM组却降低了6.68%,这一结果和日产甲烷率变化结果一致[图2（a）],以上结果表明混合厌氧消化可以加快启动速率,奶牛粪和猪粪所含的营养物质可以为厌氧消化过程能提供更多的含氮化合物,调节碳氮比,而羊粪中的高盐度则可能抑制产甲烷菌的增殖[30]。在混合厌氧消化过程中,原料之间的协同效应能够有效平衡其中的营养元素,提高系统的缓冲能力[41]。具体而言,SCM、SPM和SSM组的协同效应指数分别为26.15%、15.71%和28.24%,均显示出显著的协同效应,说明添加动物粪便平衡了甜高粱厌氧消化系统的碳氮比,提高了缓冲能力。根据修正的Gompertz方程拟合结果,奶牛粪作为混合底物时具有最大的累积甲烷产率和最大产甲烷速率,且迟滞期最短。
Fig. 3 Cumulative methane yield modified Gompertz equation fitting curves for different treatment groups图3 不同处理组累积甲烷产率修正Gompertz方程拟合曲线 |
Table 3 Synergistic effect and kinetic parameters of modified Gompertz equation表3 协同效应和修正Gompertz方程动力学参数 |
| 组别 | P/(mL/g) | rm/[mL/(g∙d)] | λ/d | R2 | αSEI/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 试验值 | 预测值 | 差异/% | |||||
| SS | 190.54 | 187.44 | 1.65 | 36.40 | 0.16 | 0.983 | — |
| CM | 245.16 | 241.58 | 1.48 | 88.02 | 0.24 | 0.993 | — |
| PM | 260.85 | 257.42 | 1.33 | 89.51 | 0.26 | 0.997 | — |
| SM | 159.90 | 159.35 | 0.35 | 23.15 | 0.08 | 0.991 | — |
| SCM | 274.51 | 270.79 | 1.37 | 78.37 | 0.10 | 0.989 | 26.15 |
| SPM | 260.86 | 255.92 | 1.93 | 63.59 | 0.15 | 0.991 | 15.71 |
| SSM | 197.63 | 196.92 | 0.51 | 33.97 | 0.04 | 0.992 | 28.24 |
2.4 基本参数指标的动态变化
图4（a）为各组pH的变化曲线,均呈现先降低后升高的趋势。当pH低于6.5或高于8.0时,均不利于产甲烷菌群的生长[42]。SCM、SPM和SSM组均在第3 d达到最低的pH,SS组在第7 d达到最低pH,表明混合消化组的水解酸化阶段相较于SS组显著缩短,更快地产生了更多的有机酸和醇类,从而降低了厌氧消化体系的pH。图4（b）展示了VFA百分含量的变化。SCM、SPM和SSM组在第10 d之后未检测到乙酸和丙酸,这可能是由于以乙酸为唯一底物进行物质能量代谢的乙酸营养型产甲烷菌和兼具乙酸营养性与氢营养型的甲烷八叠球菌属成为整个混合中温厌氧消化系统中的优势菌群,从而加快了乙酸的利用[43]。而相对乙酸的消耗,戊酸和异戊酸的相对百分比含量增加,表明厌氧消化对戊酸和异戊酸的利用较少。在SCM组中未检测到异丁酸,可能是由于该组中的微生物能进行丁酸型厌氧消化,而丁酸作为一种中间代谢产物,能进一步转换为乙酸,进而继续参与水解和产甲烷的过程。
Fig. 4 Dynamic changes of key parameters pH (a), VFA percentage (b), ammonia nitrogen concentration (c), IA/PA (d), COD (e), and COD removal rate (f)图4 关键参数pH（a）、VFA百分比含量（b）、氨氮浓度（c）、IA/PA（d）、COD（e）和COD去除率（f）的动态变化 |
图4（c）展示了氨氮浓度的变化趋势,各组均表现出迅速增加达到峰值后,再缓慢降低的特征。当氨氮浓度高于1 500 mg/L时,厌氧发酵系统会受到抑制[44],各组的氨氮浓度均在840 ~ 1 050 mg/L之间,说明各组的厌氧消化过程均未受到氨抑制,PM组的氨氮浓度最高,为1 010.03 mg/L,这可能归因于猪日粮中蛋白质和脂肪含量高,其粪便消化产生了更多的含氮有机物,这与ZHANG等[30]结果一致。图4（d）为IA/PA的变化曲线,各组均呈现先升高后下降的趋势。三个混合消化组的IA/PA值均高于SS组,当IA/PA值低于0.8时,消化系统处于稳定状态[45]。该实验中的IA/PA值远远低于0.8,表明在试验周期内反应系统始终具有较强的缓冲能力,厌氧消化系统运行稳定。
COD浓度是反映大分子复杂有机物水解、酸化量的重要指标,而COD去除率则反映了厌氧消化过程中微生物菌群对底物的利用率[46]。由图4（e）可知,各组COD值均先快速增加后降低趋于平缓,其原因为在水解酸化阶段,底物被充分水解酸化,COD值迅速达到最高;随着消化液中游离氨浓度的增大,pH适宜细菌生长,VFA增大使水解细菌活性减弱[47],COD值降低并维持在一定水平略有波动。图4（f）展示了各组COD去除率的变化。与SS组相比,SCM、SPM和SSM组的COD去除率分别提升了1.62%、6.53和6.8%。COD去除率越高表明对底物利用率也越高,甲烷产率也越高,这一点与李天沛等[44]研究结果一致,结果表明奶牛粪与甜高粱混合厌氧消化能更好地提高对甜高粱有机质的利用率。
3 结论
（1）在厌氧消化过程中,与原料混合的对象在很大程度上影响产气效率。修正的Gompertz模型表明,添加不同类型的粪便可以加快甜高粱厌氧消化的启动速率,缩短迟滞期,且存在协同效应。
（2）与SS组相比,混合消化组的最低pH出现时间均提前,加快了底物的水解酸化阶段,缩短了消化周期。各组的产气性能存在差异,SCM组具有最大的累积产沼气率、日产甲烷率和累积产甲烷率,而SSM组的日产甲烷率则有所降低。
（3）奶牛粪作为与全株甜高粱混合厌氧消化的最佳添加物,其对沼气产率、甲烷产率和厌氧消化参数的影响为甜高粱在沼气工业中利用提供了理论依据,其底物配比、含固率等形式的混合试验还有待进一步研究。