全 文 ：中国生态农业学报 2012年 9月 第 20卷 第 9期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2012, 20(9): 1222−1229


* “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD12B05)、黑龙江省杰出青年科学基金(JC201002)、“十二五”黑龙江农垦总局重大科技专项
(HNK11A-10-01)和黑龙江省科技厅科技攻关指导性项目(GZ11B108)资助
** 通讯作者: 王彦杰(1972—), 博士, 副教授, 主要从事农业废弃物资源化利用的研究, E-mail: wangyanjie1972@163.com; 王伟东(1970—), 男,
博士, 教授, 主要从事生物质资源综合利用的研究, E-mail: wwdcyy@126.com
孙宇(1983—), 男, 硕士研究生, 研究方向为生物质资源开发利用。E-mail: sunyuzqv@163.com
收稿日期: 2012-02-12 接受日期: 2012-05-10
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01222
牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化*
孙 宇 付博锐 刘 权 晏 磊 王伟东** 王彦杰**
(黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院 大庆 163319)
摘 要 在牛粪厌氧发酵过程中, 高含量的木质纤维素降低了厌氧发酵的水解酸化速度, 水解酸化阶段成为
牛粪厌氧发酵过程的限速步骤。为提高牛粪两相厌氧发酵甲烷的产量, 对酸化处理条件进行优化。利用两相
厌氧发酵工艺, 在 35 ℃发酵条件下, 研究牛粪酸化处理时间、搅拌频率、料液浓度和尿素添加量对甲烷总产
量的影响。单因素试验结果表明, 最佳的酸化时间、搅拌频率、料液浓度、尿素添加量分别为 96 h、3次·24 h−1
(60 r·min−1, 1 min·次−1)、8.0%、1.28 g·L−1。在单因素试验基础上, 选取酸化时间、料液浓度、尿素添加量为自
变量, 以甲烷总产量为响应值, 根据中心组合设计原理设计试验。采用 3因素 5水平的响应面分析法, 建立酸
化处理条件对甲烷产量影响的回归模型, 进行显著性和交互作用分析。结果表明, 在 35 ℃、搅拌频率为 3
次·24 h−1(60 r·min−1, 1 min·次−1)酸化条件下, 酸化料液浓度对甲烷产量影响最大, 尿素添加量次之, 酸化时间
影响最小; 酸化最佳处理条件为: 酸化时间 93.7 h、料液浓度 8.3%、尿素添加量 1.26 g·L−1。经过优化, 甲烷
含量、总产气量、挥发性固体含量(VS)和化学需氧量(COD)去除率分别比未酸化处理提高了 14.3%、44.7%、
41.8%和33.9%, 而酸化处理对纤维素、半纤维素和木质素含量影响不显著。由此可见, 牛粪酸化处理有利于甲
烷产生, 可提高甲烷含量及 VS和 COD去除率。
关键词 牛粪 两相厌氧发酵 酸化处理条件 甲烷产量 响应面优化法
中图分类号: X713 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)09-1222-08
Optimization of cattle manure hydrolysis and acidification
for methane production
SUN Yu, FU Bo-Rui, LIU Quan, YAN Lei, WANG Wei-Dong, WANG Yan-Jie
(College of Life Science and Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)
Abstract Although high lignocellulose content decreases acidification rate of anaerobic fermentation of cattle manure, acidification
phase is critical in anaerobic fermentation of cattle manure. Cattle manure acidification conditions were investigated with the aim of
optimizing methane production in a two-phased anaerobic process of cattle manure. The effects of acidification time, stirring
frequency, feed solution concentration and urea addition for cattle manure methane production were studied in a two-phased
anaerobic fermentation at 35 . Single factor experiments showed that 96 h℃ of acidification, 3 times in every 24 h (60 r·min−1, 1
min·time−1) of stirring frequency, 8.0% feed solution concentration and 1.28 g·L−1 urea addition were the optimum conditions. Based
on single factor experiments, a series of central composite design experiments were conducted for optimum synthesis. Response
surface methodology (RSM) with central composite design (CCD) was used to explore optimum conditions for methane production.
The effects of three variables (acidification time, feed solution concentration and urea addition) were subsequently appraised. A
regression model for methane production under the acidification conditions was established for analysis of interactions and
significance in accordance with central composite design. Results showed that methane production was greatly influenced by feed
solution concentration, urea addition and acidification time under at 35 and 3 times per every 24 h℃ (60 r·min−1, 1 min·time−1)
stirring frequency. The optimum acidification conditions occurred at the acidification time of 93.7 h, feed solution concentration of
第 9期 孙 宇等: 牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化 1223


8.3% and urea addition of 1.26 g·L−1. Under the optimum condition, methane content and total production increase by 14.3% and
44.7%. Also the removal rates of volatile solid (VS) and chemical oxygen demand (COD) increased by 41.8% and 33.9%,
respectively. However, the contents of cellulose, hemicellulose and lignin were not affected by cattle manure acidification. The
findings indicated that cattle manure acidification improved methane production, methane content, and VS and COD removal rates.
Key words Cattle manure, Two-phased anaerobic fermentation, Acidification condition, Methane production, Response
surface methodology
(Received Feb. 12, 2012; accepted May 10, 2012)
相对于传统厌氧发酵, 两相厌氧发酵能提供产酸
和产甲烷发酵微生物各自生长所需的最佳条件 [1−2],
有利于充分发挥其活性, 从而提高反应器处理能力
和运行的稳定性[3−5]。大量研究证明了两相厌氧发酵
中产酸相和产甲烷相分离的优越性, 其中水解酸化
相主要功能为改变基质的可生化性, 为产甲烷相提
供发酵所需的前提物质[6−8]。产酸相的稳定性和提供
的发酵末端产物的组成及含量对产甲烷相有重要影
响[9]。以牛粪为原料进行两相厌氧发酵, 可以在不影
响产甲烷菌活性情况下对产酸相进行调控, 促进最
佳末端发酵产物形成, 从而加快酸化速率, 使产甲
烷相的处理能力得到相应提高[10−11]。与其他畜禽粪
便相比 , 牛粪中纤维素含量高 , 占干物质量接近
40%, 可发酵成分比例低 [12], 水解酸化速度慢 [13],
水解酸化阶段成为牛粪两相厌氧发酵过程的限速步
骤[14]。
Demirer等 [15]研究得出 , 相对于单相厌氧发酵 ,
采用两相厌氧发酵处理牛粪可以缩短水力停留时间,
提高有机负荷。牛粪高浓度厌氧水解酸化过程中温
度、料液浓度对水解酸化产物各主要成分的含量影
响较小, 可显著影响日平均挥发性脂肪酸产率的化
学需氧量(日均CODVFA产率)[16]。牛粪水解酸化过程
中 , 停留时间对乙酸含量的影响最大 , 温度次之 ,
料液浓度的影响最小; 在较好的酸化速率下, 适中
的料液浓度和较短的停留时间有利于乙酸含量的提
高[14]; 纤维素水解速率常数是影响酸化进程最重要
的参数[17]。黄英超等[18]研究表明, 不同高径比反应
器不影响牛粪高浓度厌氧水解酸化过程。以上研究
报道了牛粪两相厌氧发酵的优越性, 酸化处理过程
中料液成分、含量和发酵参数的变化, 但未对酸化条
件变化对甲烷产量的影响进行研究。同正交试验相比,
响应面分析法减少了工作量, 可以在给定的区域上
得到因素和响应值之间精确度很高的回归方程, 进
而找到因素的最佳组合和响应值的最优值[19]。目前响
应面分析法已经广泛用于优化培养条件和工艺条件
等领域[20−21], 但其在牛粪两相厌氧酸化过程中的应
用还鲜见报道。
本试验以甲烷产量为指标 , 选取酸化处理时
间、搅拌频率、料液浓度和尿素添加量为酸化处理
条件, 探讨不同酸化条件对甲烷产量的影响, 为提
高以牛粪为基质的两相厌氧发酵中的甲烷产量提供
指导。
1 材料与方法
1.1 发酵原料与试验装置
供试牛粪取自黑龙江八一农垦大学动物科技学
院实验基地, 所取新鲜牛粪的主要性质为 pH 7.6、
总固体含量(TS)21.4%、挥发性固体含量(VS)19.6%、
全氮(TN)1.46%、碳氮比(C/N)33.1︰1。试验前过筛
去除牛粪中杂物, 用蒸馏水稀释至所需浓度, 手动
搅拌使水和牛粪充分混匀。料液中不添加接种物。
试验所采用的酸化装置为容积 1 L 的无盖螺口
瓶, 每次搅拌前安装搅拌器进行搅拌(图 1a)。采用的
发酵装置为将酸化装置拆除搅拌器后用硅胶塞密封,
瓶塞上设有取样口和集气口, 采用 1 L 的铝箔集气
袋集气(图 1b)。



图 1 试验用牛粪发酵的酸化装置(a)和发酵装置(b)示意图
Fig. 1 Schematic map of acidification equipment (a) and an-
aerobic fermentation equipment (b) in the experiment
1: 酸化瓶 Acidification vessel; 2: 减速机 Reducer; 3: 电机
Motor; 4: 搅拌桨 Stirring paddle; 5: 发酵瓶 Fermentation vessel; 6:
硅胶塞 Silica gel stopper; 7: 取样口 Sampling port; 8: 排气口
Exhaust port; 9: 导气管 Gas tube; 10: 集气袋 Gas collecting bag.

1.2 试验设计
1.2.1 单因素试验
在 35 ℃下, 将 800 mL供试料液装入容积为 1 L
的酸化装置(图 1a)中进行酸化处理后, 在发酵装置
(图 1b)中, 厌氧发酵 30 d。
1224 中国生态农业学报 2012 第 20卷


在料液浓度为 8.0%、搅拌转速为 60 r·min−1
(1 min·次−1)条件下, 分别设定搅拌频率为 0 次·24 h−1、
1 次·24 h−1、2 次·24 h−1、3 次·24 h−1和 4 次·24 h−1,
酸化处理 96 h 后厌氧发酵 30 d, 测定甲烷总产量,
每个处理 3次重复, 确定最佳的酸化搅拌频率。
在料液浓度 8.0%、搅拌频率 3 次 ·24 h−1(60
r·min−1, 1 min·次−1)条件下, 分别设定酸化处理 0 h、
24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h和 168 h后, 厌
氧发酵 30 d, 测定甲烷总产量, 每个处理 3 次重复,
确定最佳的酸化时间。
在搅拌频率 3次·24 h−1(60 r·min−1, 1 min·次−1)、
添加尿素 0.96 g·L−1 条件下, 分别设定料液浓度为
5.0%、6.5%、8.0%、9.5%和 11.0%, 酸化处理 96 h
后厌氧发酵 30 d, 测定甲烷总产量, 每个处理 3次重
复, 确定最佳的酸化料液浓度。
在料液浓度 8.0%、搅拌频率 3次·24 h−1(60 r·min−1,
1 min·次−1)条件下, 分别添加尿素 0、0.32 g·L−1、0.64
g·L−1、0.96 g·L−1、1.28 g·L−1和 1.92 g·L−1, 酸化处理
96 h后厌氧发酵 30 d, 测定甲烷总产量, 每处理 3次
重复, 确定最佳的尿素添加量。
1.2.2 响应面分析试验设计
在单因素试验基础上, 选取酸化时间、料液浓
度和尿素添加量 3 因素为考察对象, 以甲烷总产量
为响应值, 采用 CCD中心组合原理设计试验。试验
水平因素安排见表 1。
1.2.3 酸化处理与未酸化处理对比试验
采用响应面优化出的最佳酸化处理条件 , 将
800 mL供试料液装入图1a酸化装置中进行酸化处理
后, 在图1b发酵装置中厌氧发酵30 d。测定甲烷总产
量、甲烷含量、VS和COD去除率, 以及发酵前后纤
维素、半纤维素和木质素含量。以未酸化处理而直
接厌氧发酵的处理作对照。
1.3 测定指标和方法
1.3.1 产气量测定
发酵开始后每24 h采用排水集气法测定总产气
量 , 利用Geotech公司生产的GA2000便携式沼气分
析仪测定分析甲烷含量, 两者相乘为日甲烷产量。
发酵期30 d的日甲烷产量相加, 为该处理的甲烷总
产量。
1.3.2 酸化料液测定
酸化过程中, 每24 h从取样口抽取酸化料液10 mL,
分别测定pH、挥发性脂肪酸 (VFA)、COD。采用
Horiba公司生产的B-212微型pH计测定pH, 采用滴
定分析法[22]测定VFA, 通过采用密封催化消解法[23]
测定COD。
1.3.3 发酵料液测定
发酵开始前和发酵结束后各取发酵料液30 mL,
分别测定TS、VS、VFA、COD以及半纤维素、纤维
素和木质素的含量。通过采用烘干称重法[22]测定TS
和VS, 采用范式纤维素含量测定法 [24]测定半纤维
素、纤维素和木质素。
1.4 数据统计分析方法
采用Design Expert 7.1.3软件的中心组合试验设
计和响应面分析模块对重要因素的水平进行优化 ,
通过响应面回归过程(RSREG)进行数据分析, 建立
酸化条件对甲烷总产量的二次回归模型。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
搅拌可使料液内气液固三相均匀分布, 促进热传
递, 有利于微生物和料液的接触, 从而促进酸化过程。
从图 2 a可以看出, 搅拌频率为 3 次·24 h−1 (60 r·min−1,
1 min·次−1)时, 甲烷总产量最高, 达到 3 520 mL。
酸化时间的长短, 影响着料液中脂肪酸的积累
量和组成。酸化时间过长, 会使脂肪酸大量积累, 导
致料液 pH 下降, 抑制甲烷菌的代谢从而不利于厌
氧发酵产气[10]。从图 2b可以看出甲烷产量随酸化时
间的延长呈先升高再下降趋势, 酸化 96 h时甲烷总
产量达到最高值 3 460 mL。
浓度过高的料液会阻碍传热传质过程, 使发酵
微生物生长受到影响, 导致基质利用率降低 [25]; 同
时因为水的缺乏造成产酸菌代谢减缓, 导致 VFA 过
量积累, 造成酸中毒, 从而影响发酵过程 [26]。如图
2c 所示 , 甲烷产量随料液浓度的升高呈先上升再
下降的趋势, 8.0%的料液浓度最有利于甲烷的产生,
总甲烷产量达到 3 430 mL。
添加尿素可以增加氮素含量, 为厌氧发酵提供
营养物质并调节原料的 C/N, 从而提高产气量。但随

表 1 响应面试验因素水平及编码
Table 1 Code and level for testing factors of response surface experiments
水平 Level 因素 Factor
−1.681 −1 0 +1 +1.681
X1酸化时间 Acidification time (h) 55.64 72 96 120 136.34
X2料液浓度 Feed solution concentration (%) 6.32 7.0 8.0 9.0 9.68
X3尿素添加量 Urea addition (g·L−1) 0.74 0.96 1.28 1.60 1.82
第 9期 孙 宇等: 牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化 1225


着加入量的增多 , 尿素水解释放出的氨态氮与
VFA、pH共同作用, 导致系统产气量的降低[27−28]。
如图 2d所示, 甲烷总产量随着添加尿素量的增加出
现先增高再缓慢下降趋势 , 当添加尿素量为 1.28
g·L−1时, 料液 C/N为 31.8︰1, 此时甲烷总产量达到
最高值 3 820 mL。
2.2 响应面分析试验
根据 CCD中心组合试验设计原理, 在单因素试
验基础上, 选取酸化时间(X1)、料液浓度(X2)和尿素
添加量(X3)作为因素, 采用 3因素 5水平的响应面分
析方法, 利用 Design Expert 7.1.3软件对试验结果进
行统计分析。试验设计和结果见表 2。



图 2 搅拌频率(a)、酸化时间(b)、料液浓度(c)和尿素添加量(d)对牛粪甲烷总产量的影响
Fig. 2 Effects of stirring frequency (a), acidification time (b), feed solution concentration (c) and urea addition (d) on methane
production of cattle manure

表 2 酸化条件下牛粪甲烷总产量的中心组合试验设计与结果
Table 2 Central composite design and results of experimental of methane production of cattle manure under acidification conditions
因素 Factor 序号
No. X1 X2 X3
实际总甲烷量
Actual total methane production (mL)
预测总甲烷量
Predicted total methane production (mL)
差值
Differential value (mL)
1 0 0 0 4 951.0 4 933.6 17.4
2 −1 −1 +1 2 933.0 2 954.6 −21.6
3 +1.681 0 0 3 542.2 3 549.3 −7.1
4 0 +1.681 0 3 943.2 3 947.8 −4.6
5 0 0 −1.681 4 089.9 4 111.0 −21.1
6 0 0 0 4 930.0 4 933.6 −3.6
7 −1 +1 +1 3 983.3 3 997.8 −14.5
8 −1 −1 −1 3 518.8 3 519.4 −0.6
9 +1 +1 −1 3 645.3 3 629.4 15.9
10 0 0 0 4 942.3 4 933.6 8.7
11 0 0 +1.681 3 948.6 3 919.5 29.1
12 −1 +1 −1 4 162.8 4 156.1 6.7
13 +1 −1 +1 3 257.7 3 270.1 −12.4
14 0 −1.681 0 2 839.4 2 826.8 12.6
15 0 0 0 4 928.3 4 933.6 −5.3
16 +1 +1 +1 3 961.5 3 966.6 −5.1
17 0 0 0 4 931.7 4 933.6 −1.9
18 −1.681 0 0 3 741.9 3 726.8 15.1
19 +1 −1 −1 3 348.2 3 339.4 8.8
20 0 0 0 4 917.1 4 933.6 −16.5
X1: 酸化时间 Acidification time; X2: 料液浓度 Feed solution concentration; X3: 尿素添加量 Urea addition; 下同 The same below.

1226 中国生态农业学报 2012 第 20卷


对所得试验数据进行多元回归拟合, 得到以甲烷
总产量为目标函数的二次多项回归模型: Y=4 933.63−
52.80X1+333.28X2−56.91X3−86.67X1X2+123.88X1X3+
101.63X2X3−458.06X12−546.71X22−324.70X32。以回归
方程计算各试验点的预测值, 并比较预测值与实测
值之间的差别(表2)。
通过方差分析(表 3)可知, 模型的 F=2 829.33>
F0.001, P<0.001, R2=0.999 6, 表明回归模型高度显著;
失拟项 P=0.068 2>0.05, 差异不显著, 说明该模型能
够反映响应值变化, 试验误差小, 可以用此模型对
甲烷总产量进行分析和预测。模型的一次项和二次
项及交互项的影响均为极显著。依据系数估计值
X1=103.7、X2=4 132.07和 X3=120.49, 可知影响因子
的主效应主次顺序为 : 料液浓度 (X2)>尿素添加量
(X3)>酸化时间(X1)。
根据回归分析结果做的响应面曲面图(图3和图4)
可以看出, 酸化时间(X1)、酸化浓度(X2)和尿素添加
量(X3)3个因素与甲烷总产量(Y)呈抛物线关系。3个
响应曲面均为开口向下的凸形曲面, 且在所选范围
内存在响应值的极高值, 即响应面的最高点。
2.2.1 酸化时间(X1)和料液浓度(X2)对甲烷总产量
的影响
当尿素加入量(X3)固定在零水平, 即 1.28 g·L−1
时, 酸化时间(X1)和料液浓度(X2)交互作用的响应曲
面见图 3a。该曲面坡度陡峭, 表明响应值对于酸化
时间和料液浓度的改变非常敏感, 反映出两因素交

表3 牛粪经酸化处理后甲烷产量回归方程的方差分析结果
Table 3 Variance analysis results of regression model of methane production of cattle manure under acidification conditions
方差来源
Variance source
平方和
Square sum
自由度
Degree of freedom
均方差
Average of variance
F值
F value
P值(显著水平)
Significant level
X1 38 070 1 38 070 103.70 <0.001*
X2 1 517 000 1 1 517 000 4 132.07 <0.001*
X3 44 234 1 44 234 120.49 <0.001*
X1X2 60 100 1 60 100 163.71 <0.001*
X1X3 122 800 1 122 800 334.39 <0.001*
X2X3 82 621 1 82 621 225.05 <0.001*
X12 3 024 000 1 3 024 000 8 236.51 <0.001*
X22 4 307 000 1 4 307 000 11 733.25 <0.001*
X32 1 519 000 1 1 519 000 4 138.68 <0.001*
回归项 Regression 9 348 000 9 1 039 000 2 829.33 <0.001*
剩余项 Residual 3 671 10 367
失拟项 Lack of fit 2 976 5 595 4.28 0.068
纯误差 Pure error 695 5 139
总离差 Summation 9 352 000 19
*: P<0.001检验水平上高度显著 There are extremely significant difference at P < 0.001.



图 3 酸化时间与料液浓度(a)和尿素添加量(b)交互作用的响应曲面图
Fig. 3 Response surface plots for the interaction of acidification time and feed solution concentration (a), urea addition (b)

第 9期 孙 宇等: 牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化 1227


互作用显著。从响应面的走向看, X2比 X1对应的曲
面更为陡峭, 说明料液浓度对甲烷产量的影响大于
酸化时间。在试验设定的范围内, 甲烷产量随着料
液浓度升高而明显升高; 但当料液浓度超过 8.5%,
出现下降趋势。随着酸化时间延长, 甲烷产量先升
高再下降, 但变化不明显。甲烷总产量较高区域集
中在 X1 和 X2 的中部位置, 表明料液浓度在 8.2%~
8.7%时, 酸化 94~106 h, 甲烷产量处于较高水平。
2.2.2 酸化时间(X1)和尿素添加量(X3)对甲烷总产
量的影响
当料液浓度(X2)固定在零水平 , 即发酵料液浓
度为 8.0%时, 酸化时间(X1)和尿素添加量(X3)交互作
用的响应曲面见图 3b。该曲面坡度较为平缓, 表明
酸化时间和尿素添加量的改变对响应值影响较小。
在试验设定范围内, 随着尿素添加量的升高, 甲烷
量先缓慢升高, 在约 1.40 g·L−1处出现下降趋势; 随
着酸化时间的延长, 甲烷量先升高再下降, 变化不
明显, 在约 96 h处于最大值。
2.2.3 料液浓度(X2)和尿素添加量(X3)对甲烷总产
量的影响
当酸化时间(X1)固定在零水平, 即酸化时间 96 h
时, 料液浓度(X2)和尿素添加量(X3)交互作用的响应
曲面见图 4。该曲面坡度陡峭, 表明料液浓度和尿素
添加量的改变对响应值影响较大, 两因素间交互作
用显著。X2 比 X3对应的曲面更为陡峭, 说明料液浓
度对甲烷产量的影响大于尿素添加量。在试验设定
范围内, 随着尿素添加量升高, 甲烷产量先升高再
下降, 但不明显, 约在 1.28 g·L−1左右达到最大值。随



图 4 料液浓度和尿素添加量交互作用的响应曲面图
Fig. 4 Response surface plots for the interaction of feed
solution concentration and urea addition

着料液浓度升高, 甲烷产量先升高明显, 在约8.4%
处开始出现下降趋势。
2.3 验证试验
根据所得模型可预测出最佳酸化预处理条件为
酸化时间93.73 h、酸化浓度8.31%、尿素添加量1.26
g·L−1, 在此酸化条件下的响应面模型预测甲烷总产
量为4 989.9 mL。为了检测试验结果的可靠性, 采用
上述预测的最优酸化条件进行3组平行验证试验。同
时考虑到实际操作的可行性和方便性, 将酸化条件
修正为酸化时间94 h、料液浓度8.3%、尿素添加量
1.26 g·L−1。在此条件下测得的甲烷总产量为4 910 mL,
与预测值相比, 相对误差为1.62%, 小于5%, 说明采
用响应面分析法优化预测酸化条件对甲烷产量的影
响是可行的。
2.4 酸化处理与未酸化处理对比试验
采用最佳酸化条件的酸化处理与未酸化直接发
酵处理(对照)进行比较试验。酸化处理后甲烷总产
量、甲烷含量、VS 去除率、COD 去除率比对照均
有提高, 分别提高了44.7%、14.3%、41.8%和33.9%, 纤
维素、半纤维素和木质素降解率无显著变化(表 4)。
3 讨论与结论
自两相厌氧工艺提出后, 学术界大多认为该处
理工艺会破坏厌氧发酵过程中各类菌群之间的协同
作用, 不利于厌氧发酵[6]。两相厌氧工艺是否优于单
相厌氧工艺曾存有一定争议, 但目前越来越多的研
究表明两相厌氧发酵中产酸相和产甲烷相分离的优
越性[29−30]。水解和酸化过程是两相厌氧工艺中的限
速步骤, 水解条件的优化对提高两相厌氧发酵效率
至关重要[31]。高廷耀等[32]研究表明, 两相厌氧工艺
需在一定条件下才能显示出优越性。本文研究表明,
与单相厌氧发酵工艺相比, 酸化条件优化后的牛粪
两相厌氧发酵工艺可提高总甲烷产量、甲烷含量、
VS和 COD去除率。
以往研究报道温度、料液浓度、停留时间等条
件可不同程度影响两相厌氧酸化效果[33], 本试验研
究表明, 酸化时间、料液浓度和尿素添加量均显著
影响牛粪两相厌氧发酵甲烷产量, 影响因子的主效
应主次顺序为料液浓度>尿素添加量>酸化时间。这
与李文哲等[34]报道酸化料液浓度可影响产甲烷前体
物质的浓度和成分的结果相一致。潘莉莉等[35]研究
添加尿素可以调节牛粪单相厌氧发酵系统的 C/N,
从而提高沼气产量。本研究结果显示, 在牛粪两相
厌氧工艺的酸化过程中添加尿素也可提高甲烷产
1228 中国生态农业学报 2012 第 20卷


表4 酸化处理与未酸化处理的牛粪厌氧发酵主要参数比较
Table 4 Comparison of main parameters of anaerobic fermentation of cattle manure between with acidification and CK
处理
Treatment
甲烷总产量
Methane
production (mL)
甲烷含量
Methane content
(%)
VS去除率
VS removal rate
(%)
COD去除率
COD removal rate
(%)
纤维素降解率
Cellulose degrada-
tion rate (%)
半纤维素降解率
Hemicellulose
degradation rate (%)
木质素降解率
Lignin degradation
rate (%)
酸化处理
Acidification
4 910 54.2 11.2 35.1 5.9 3.6 0.7
未酸化处理 CK 3 392 47.4 7.9 26.2 5.1 2.9 0.6

量。添加尿素对酸化的影响可能是多方面的, 如改
变了料液的C/N、pH、代谢产物种类等。适量尿素
的添加可提高沼气的产量, 添加量过大则会产生抑
制作用。Zhang等[8]研究猪粪两相厌氧工艺时发现酸
化时间可影响料液小分子有机酸、可溶性化学需氧
量(SCOD)、全氮、全磷和全钾的含量; 停留时间可
影响牛粪两相厌氧发酵工艺酸化后挥发酸中的乙酸
含量[14], 但关于牛粪两相厌氧发酵工艺中酸化时间
对沼气产量的影响还少见报道。
牛粪酸化处理有利于甲烷的产生, 提高沼气中
的甲烷含量对沼气发酵有现实指导意义, 但要揭示
酸化时间、料液浓度和尿素添加对沼气发酵影响的
机理, 还需进一步研究。
参考文献
[1] Cohen A, Van Gemert J M, Zoetemeyer R J. Main characteristics
and stoichiometric aspects of acidogenesis of soluble carbohy-
drate containing wastewater[J]. Process Biochemistry, 1984, 19:
228−237
[2] Li R P, Chen S L, Li X J. Biogas production from anaerobic
co-digestion of food waste with dairy manure in a two-phase di-
gestion system[J]. Appl Biochem Biotechnol, 2010, 160(2):
643−654
[3] Solera R, Romero L I, Sales D. The evolution of biomass in a two
phase anaerobic treatment process during start-up[J]. Chemical
and Biochemical Engineering Quarterly, 2002, 16(1): 25−29
[4] Oles J, Dichtl N, Niehoff H. Full sale experience of two stage
thermophilie/mesophilic sludge digestlon[C]. Proceedings of the
8th International Conference on Anaerobic Digestion. 1997:
224−231
[5] Rubio-Loza L A, Noyola A. Two-phase (acidogenic- methano-
genic) anaerobic thermophilic/mesophilic digestion system for
producing class a biosolids from municipal sludge[J]. Biore-
source Technology, 2010, 101(2): 576−585
[6] 李建政, 任南琪, 王爱杰, 等. 二相厌氧生物工艺相分离优
越性的探讨[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 1998, 31(2): 50−56
[7] 张仁江, 张振家, 谷城, 等. 糖蜜酒精废水两相 UASB处理
有机物去除特征 [J]. 城市环境与城市生态 , 2000, 13(4):
23−25
[8] Zhang D D, Yuan X F, Guo P, et al. Microbial population dy-
namics and changes in main nutrients during the acidification
process of pig manures[J]. Journal of Environmental Sciences,
2011, 23(3): 497–505
[9] 任南琪 . 产酸发酵细菌演替规律研究—— pH≤5 条件下
ORP的影响[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 1999, 32(2): 29−34
[10] 林聪 . 沼气技术理论与工程[M]. 北京 : 化学工业出版社 ,
2007: 31−43
[11] Park Y J, Feng H, Cheon J H, et al. Comparison of thermophilic
anaerobic digestion characteristics between single- phase and
two-phase systems for kitchen garbage treatment[J]. Journal of
Bioscience and Bioengineering, 2008, 105(1): 48−54
[12] 张克强, 高怀友. 畜禽养殖业污染物处理与处置[M]. 化学
工业出版社, 2003: 74
[13] 史金才, 廖新俤, 吴银宝. 4 种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特
性研究[J]. 中国生态农业学报, 2010, 18(3): 632−636
[14] 李文哲, 王忠江, 王丽丽, 等. 影响牛粪高浓度水解酸化过
程中乙酸含量的因素研究[J]. 农业工程学报, 2008, 24(4):
204−208
[15] Demirer G N, Chen S. Two-phase anaerobic digestion of un-
screened dairy manure[J]. Process Biochemistry, 2005, 40(11):
3542−3549
[16] 王忠江, 李文哲, 石铁, 等. 温度和料液浓度对牛粪高浓度
厌氧水解酸化的影响 [J]. 农业工程学报 , 2008, 24(11):
212−216
[17] Myint M, Nirmalakhandan N, Speece R E. Anaerobic fer-
mentation of cattle manure: Modeling of hydrolysis and aci-
dogenesis[J]. Water Research, 2007, 41(2): 323−332
[18] 黄英超 , 王丽丽 , 王忠江 . 不同高径比反应器对牛粪高浓
度水解酸化特性的影响[J]. 农机化研究, 2008(9): 125−127
[19] 慕运动 . 响应面方法及其在食品工业中的应用[J]. 郑州工
程学院学报, 2001, 22(3): 91−94
[20] Zhang C H, Ma Y J, Yang F X, et al. Optimization of medium
composition for butyric acid production by Clostridium
thermobutyricum using response surface methodology[J].
Bioresource Technology, 2009, 100(18): 4284−4288
[21] Lin B T, Jean M D, Chou J H. Using response surface meth-
odology for optimizing deposited partially stabilized zirconia
in plasma spraying[J]. Applied Surface Science, 2007, 253(6):
3254−3262
第 9期 孙 宇等: 牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化 1229


[22] 贺延龄. 废水的厌氧生物处理[M]. 北京: 中国轻工业出版
社, 1998: 509−511
[23] 张波. 厌氧发酵反应器设计与试验研究[D]. 哈尔滨: 东北
农业大学, 2006: 20−22
[24] 王玉万, 徐文玉. 木质纤维素固体基质发酵物中半纤维素、
纤维素和木素的定量分析程序 [J]. 微生物学通报 , 1987,
14(2): 81−84
[25] 李礼 , 徐龙君 . 含固率对牛粪常温厌氧消化的影响[J]. 环
境工程学报, 2010, 4(6): 1413−1416
[26] Vavilin V A, Angelidaki I. Anaerobic degradation of solid
material: Importance of initiation centers for methanogenesis,
mixing intensity, and 2D distributed model[J]. Biotechnology
and Bioengineering, 2005, 89(1): 113−122
[27] 李敏, 李轶冰, 杨改河, 等. 尿素和纤维素酶对厌氧发酵的
影响[J]. 西北农林科技大学学报: 自然科学版, 2010, 38(2):
165−170
[28] 张波 , 徐剑波 , 蔡伟民 . 有机废物厌氧消化过程中氨氮的
抑制性影响[J]. 中国沼气, 2003, 21(3): 26−31
[29] 凡广生 , 李多松 . 两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用
[J]. 水科学与工程技术, 2006(2): 7−9
[30] Yeoh B G. Two phase anaerobic treatment of cane-mo-lasses
alcohol stillage[C]. Proceedings of the 8th International Con-
ference on Anaerobic Digestion. 1997: 208−215
[31] Oktem Y A, Ince O, Donnelly T, et al. Determination of op-
timum operating conditions of an acidification reactor treating
a chemical synthesis-based pharmaceutical wastewater[J]. Proc-
ess Biochemistry, 2006, 41(11): 2258−2263
[32] 高廷耀 , 周恭明 , 周增炎 . 污泥两相和单相厌氧消化性能
比较研究 [J]. 同济大学学报 : 自然科学版 , 1997, 25(6):
629−634
[33] 吴志清 , 李文哲 , 王忠江 . 畜禽粪便两相厌氧发酵的实验
[J]. 农机化研究, 2008(2): 142−146
[34] 李文哲, 王忠江, 王丽丽, 等. 牛粪高浓度水解酸化过程丙
酸含量的影响因素研究[J]. 农业环境科学学报, 2008, 27(1):
363−367
[35] 潘莉莉, 武波, 段思蒙, 等. 添加尿素对模拟发酵罐中沼气
发酵的影响 [J]. 基因组学与应用生物学 , 2009, 28(6):
1106−1110

JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
欢迎订阅 2013年《生态与农村环境学报》
《生态与农村环境学报》系环境保护部主管、环境保护部南京环境科学研究所主办的学术期刊, 是中文核心期刊
(GCJC)、中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊、中国学术期刊评价研究报告(RCCSE)核心期刊、中国科技论文统计源
期刊(中国科技核心期刊), 被中国科技论文与引文数据库(CSTPCD)、中文社会科学引文索引(CSSCI)、中国学术期刊综
合评价数据库(CAJCED)、中国期刊全文数据库(CJFD)、中国核心期刊(遴选)数据库、CA、CABI、BA、BP、BD、UPD、
GeoBase、ZR、EM、Scopus、AGRIS、中国农业文摘、中国生物学文摘等国内外重要刊库收录。系全国优秀环境科技
期刊, 江苏省优秀期刊, 中国期刊协会赠建全国百家期刊阅览室指定赠送期刊。
本刊宗旨: 及时报道生态与农村环境保护领域研究的动态、理论、方法与成果等。主要栏目: 研究报告、研究简
报、研究方法、专论与综述、学术讨论与建议等。主要内容: (1)区域环境与发展, 包括生态环境变化与全球环境影响、
区域生态环境风险评价、环境规划与管理、区域生态经济与生态安全等; (2)自然保护与生态, 包括自然资源保护与利用,
生物多样性与外来物种入侵, 转基因生物环境安全与监控, 生态保护、生态工程与生态修复, 有机农业与农业生态等; (3)
污染控制与修复, 包括污染控制原理与技术、土壤污染与修复、水环境污染与修复、农业废物综合利用与资源化、农用
化学品(以及化学品)风险评价与监控等。主要读者对象: 从事生态学、环境科学、农学、林学、地学、资源科学等研究、
教学、生产的科技人员, 相关专业的高等院校师生以及各级决策与管理人员。
本刊为双月刊, 逢单月 25 日出版, A4 开本, 每期定价 20.00 元, 全年定价 120.00 元, 公开发行, 国内邮发代号
28–114, 全国各地邮局均可订阅; 国外由中国国际图书贸易总公司(北京 399 信箱)负责发行, 国外发行代号 Q5688。如
漏订 , 可向本刊编辑部补订。地址 : 江苏省南京市蒋王庙街 8 号 ; 邮编 : 210042; 电话 : (025)85287036, 85287052,
85287053。
网址: http://www.ere.ac.cn E-mail: ere@vip.163.com bjb@nies.org