摘要
随着中国畜牧业的集约化、规模化发展，畜禽粪便的合理处理和资源化利用成为保证生态环境稳定、能源发展和保护食品安全重要的课题。厌氧发酵是广泛运用的畜禽粪便资源化利用处理技术，不但解决环境污染问题，还能产生生物质能——沼气，解决化石燃料短缺问题。本研究模拟户用沼气发酵环境，在35±1℃恒温条件下，分别以鸡粪和牛粪为发酵底物，添加占底物浓度0%、2.5%、5%、7.5%和10%的生物炭和占底物浓度0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%的纳米零价铁(nano zero-valent iron, nZIV)，每种处理设置三个重复进行批次发酵试验。旨在探索添加生物炭和纳米零价铁对不同原料厌氧发酵特性的动态影响，寻求促进厌氧发酵的最佳添加浓度，为不同原料底物的高效厌氧发酵提供理论和技术依据，为厌氧发酵实际应用提供一种有效的方法。取得的结论主要如下： (1)添加生物炭可以降低鸡粪厌氧发酵酸化可能性，稳定系统环境，显著提高累积产沼气量(P＜0.05)。 其中添加5%生物炭处理累积产沼气量最高，可达21532mL，各处理与对照的累积产沼气量相比，分别提高了66.23%、93.96%、88.60%和60.43%。添加2.5%，5%，7.5%生物炭可以显著提高牛粪厌氧发酵累积产沼气量(P＜0.05)，其中添加2.5生物炭处理累积产沼气量最高，达到6739mL，各处理与对照累积产沼气量相比，分别增加了23.74%、23.57%、17.55%和减少30.33%。高浓度生物炭添加对牛粪厌氧发酵有抑制作用。 (2)添加nZIV对鸡粪厌氧发酵累积产沼气量没有影响。 nZIV增加了系统pH，使pH维持在较高碱性范围，因此影响了产气效果。添加了0.75%，和1%nZIV显著提高了牛粪厌氧发酵累积产沼气量，其中BN1处理的累积产沼气量最高，可达7046mL，各处理与对照的累积产沼气量相比，分别减少了8.04%、65.26%和增加了16.34%、29.38%。 (3)生物炭对两种原料厌氧发酵产气效率有显著提高作用(P＜0.05)。 在鸡粪厌氧发酵中，CB5处理的各项发酵参数最优，相同发酵周期内累积产气量最大，发酵产气效率最高；在牛粪厌氧发酵中，BB2.5处理的各项发酵参数最优，相同发酵周期内累积产沼气量最大，发酵产气效率最高；由于牛粪中氮含量较低，高浓度生物炭对其厌氧发酵产气效率有抑制作用；nZIV对鸡粪厌氧发酵产气效率没有显著提升作用，并且高浓度的nZIV对厌氧发酵产气效率有抑制作用；但适宜浓度的nZIV显著提高了牛粪厌氧发酵的发酵效果(P＜0.05)。 (4)依据数学模型得出最优添加量：利用二次曲线模型对不同浓度生物炭的鸡粪厌氧发酵产气结果进行非线性回归，最终拟合结果得出最优生物炭添加量为15.32g，得到最大累积产沼气量为21844.75mL。根据ModifiedGompertz模型的预测在牛粪中添加2.5%生物炭处理具有较大累积产气量、较短停滞时间和较短发酵周期和较好的产气潜力，因此本试验中2.5%生物炭是牛粪厌氧发酵最优生物炭添加量。本试验中不同浓度纳米零价铁对两种原料厌氧发酵产气效率影响过程并没有合适的预测模型。 (5)脱氢酶活性(DHA)直接体现了微生物对有机废弃物的降解能力，nZIV的添加对两种底物发酵过程中DHA有具有促进作用，DHA值明显大于生物炭处理和对照处理。因此本试验中nZIV能够增加厌氧发酵微生物降解废弃物能力，为微观效应研究提供参考。
NETL