不同牲畜糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能研究

秦文弟， 黃凌志， 蔣湖波， 徐鐵純， 宋賢沖， 李金懷， 伍 琪

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530002)

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不同牲畜糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能研究

秦文弟， 黃凌志， 蔣湖波， 徐鐵純， 宋賢沖， 李金懷， 伍 琪

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530002)

為提高牲畜糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣速率和綜合利用率，文章以豬糞和牛糞及其混合物作為發(fā)酵原料，在常溫條件下(25℃～35℃)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)。結(jié)果表明：豬糞、牛糞及其混合物在發(fā)酵65 d內(nèi)的累積產(chǎn)氣量為15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3，單位TS產(chǎn)氣率為0.33 m3·kg-1TS，0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS，池容日平均產(chǎn)氣率為0.16 m3·m-3d-1,0.055 m3·m-3d-1和0.12 m3·m-3d-1。豬糞甲烷含量在發(fā)酵開始9 d時(shí)穩(wěn)定到50.0%以上，牛糞在發(fā)酵開始3 d時(shí)即達(dá)到57.5%，此后一直在50.0%以上，其混合組在發(fā)酵開始4 d時(shí)即達(dá)到59.7，此后一直在55.0%以上。不同牲畜糞便混合發(fā)酵能克服其單獨(dú)發(fā)酵性能的不足之處，也是提高牲畜糞便產(chǎn)沼氣速率和綜合利用率的有效途徑。

牲畜糞便； 厭氧發(fā)酵； 沼氣； 混合發(fā)酵

集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，使得牲畜糞便的產(chǎn)生量逐年增加，由于其無害化處理和資源化利用率低，引發(fā)了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，合理有效地處理、處置和利用這些牲畜糞便已成為急待解決的問題。目前，牲畜糞便的處理和處置方法眾多，其中厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)是廣泛接受、優(yōu)先選擇的方法[1-2]。但是，牲畜糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣往往存在產(chǎn)氣速率和綜合利用率偏低的問題[3-4]，再加上各地自然生態(tài)環(huán)境條件不同，其產(chǎn)氣率和綜合利用率也差別極大[5]。同時(shí)，單一發(fā)酵原料沼氣產(chǎn)量和甲烷含量一般也會(huì)低于混合發(fā)酵原料[6]。因此，筆者以廣西區(qū)牲畜糞便及其混合物在常溫條件下(25℃～35℃)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)，并分析其產(chǎn)氣性能，旨在為提高牲畜糞便的產(chǎn)沼氣速率和綜合利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

發(fā)酵原料為新鮮豬糞、新鮮水牛糞及其混合物，均取自廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院附近的養(yǎng)殖場(chǎng)。接種物為常溫厭氧發(fā)酵沼氣池的沼液，取自廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院沼氣基地豬糞為原料的沼氣池中正常發(fā)酵產(chǎn)氣3個(gè)月以上的沼液。發(fā)酵原料和接種物性質(zhì)見表1。

表1 發(fā)酵原料和接種物性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

沼氣發(fā)酵裝置為自制的簡(jiǎn)易沼氣發(fā)酵裝置，為圓柱形，主體直徑為1.3 m，高1.5 m，其發(fā)酵區(qū)有效容積為1.5 m3。因?yàn)檎託獍l(fā)酵不僅受氣溫影響，而且與發(fā)酵裝置是否向陽、背風(fēng)、埋置地下的深度等因素有關(guān)，因此所有試驗(yàn)裝置均放置于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院沼氣基地蔭棚內(nèi)地面上，以避免外界環(huán)境因子對(duì)不同組試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3組處理，分別為新鮮豬糞組、新鮮牛糞組及其混合組(新鮮豬糞和新鮮牛糞1∶1混合)。每個(gè)沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)裝入150 kg發(fā)酵原料，100 kg沼液和200 kg自來水。試驗(yàn)時(shí)間為2014年7月10日～9月12日，在常溫(25℃～35℃)條件下發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行65 d。采用一次性投料，運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)不添加新料。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)總氮和有機(jī)碳的測(cè)定：總氮采用凱氏定氮法測(cè)定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[7]。

(2)總固體含量(TS)和揮發(fā)性固體含量(VS)的測(cè)定：TS采用105℃±2℃烘干恒重法測(cè)定；VS采用550℃±5℃條件下灼燒至恒重稱量法測(cè)定。

(3)產(chǎn)氣情況測(cè)定：采用氣體流量計(jì)(寧波津?qū)巸x表有限公司，JB1.6)，從試驗(yàn)啟動(dòng)，每天定時(shí)記錄各沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣日產(chǎn)氣量，并用沼氣分析儀(武漢四方光電科技有限公司，Gasboard-3200P)每天定時(shí)測(cè)定沼氣中甲烷含量，單位TS產(chǎn)氣率(m3·kg-1TS)參照文獻(xiàn)[8]的方法計(jì)算。

(4)料液pH值測(cè)定：料液的pH值采用pH計(jì)(上海精科實(shí)業(yè)有限公司，PHS-3C)測(cè)定。

(5)發(fā)酵液溫度及氣溫測(cè)定：采用普通酒精混合物溫度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 累積產(chǎn)氣量

豬糞組、牛糞組及其混合組在發(fā)酵65 d內(nèi)的累積產(chǎn)氣量分別為15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3。由圖1看出，試驗(yàn)啟動(dòng)第1 d豬糞組、牛糞組及其混合組均開始產(chǎn)生氣體，但此時(shí)甲烷產(chǎn)量很低(見圖2)，30 d后豬糞組產(chǎn)氣量明顯高于混合組，主要原因是由于豬糞組的干物質(zhì)含量高于混合組，因此在發(fā)酵后期其產(chǎn)氣量高于混合組。同時(shí)，牛糞組的累積產(chǎn)氣量從發(fā)酵開始第5 d后就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混合組，說明豬糞和牛糞混合發(fā)酵，其效果遠(yuǎn)好于其單獨(dú)發(fā)酵。有研究報(bào)道，與單一發(fā)酵原料發(fā)酵產(chǎn)沼氣相比，家畜糞便與秸稈混合可以有效地提高沼氣產(chǎn)量[9]。研究還發(fā)現(xiàn)污水污泥與屠宰豬場(chǎng)廢棄物復(fù)合厭氧發(fā)酵的效果也遠(yuǎn)好于其單獨(dú)發(fā)酵[10]。筆者在研究中也發(fā)現(xiàn)，豬糞和牛糞混合發(fā)酵，其產(chǎn)氣效果遠(yuǎn)好于單一發(fā)酵；而且當(dāng)豬糞與牛糞混合發(fā)酵時(shí)，還能穩(wěn)定發(fā)酵過程，特別是豬糞發(fā)酵初期易酸化的問題，有效保證了發(fā)酵過程中甲烷含量，進(jìn)而穩(wěn)定了產(chǎn)氣過程。可見，單一發(fā)酵原料混合后進(jìn)行混合發(fā)酵可有效地提高發(fā)酵原料產(chǎn)氣量和甲烷含量，還可避免單一原料發(fā)酵過程中產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)而能高效地提高牲畜糞便厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣速率和綜合利用率。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將單一發(fā)酵原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌虾笤龠M(jìn)行發(fā)酵，以此提高其產(chǎn)沼氣產(chǎn)量及質(zhì)量。

圖1 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中的累積產(chǎn)氣量

2.2 單位TS產(chǎn)氣率

因累積產(chǎn)氣量受到發(fā)酵負(fù)荷的影響大，因此，常用單位TS產(chǎn)氣率來表現(xiàn)厭氧發(fā)酵的優(yōu)劣[8]。在整個(gè)發(fā)酵過程中，豬糞組、牛糞組及其混合組的單位TS產(chǎn)氣率分別為0.33 m3·kg-1TS,0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS；從投加到發(fā)酵裝置內(nèi)的干物質(zhì)含量來看，混合組的干物質(zhì)含量遠(yuǎn)低于豬糞組而高于牛糞組，而單位TS產(chǎn)氣率卻與豬糞組的極為接近而遠(yuǎn)高于牛糞組。這些結(jié)果可以進(jìn)一步表明單一發(fā)酵原料混合后進(jìn)行混合發(fā)酵其效果要好于其單一發(fā)酵。

2.3 甲烷產(chǎn)量

沼氣中甲烷含量的高低直接影響到沼氣的品質(zhì)，一般甲烷含量達(dá)到50%以上足以保證沼氣的燃燒品質(zhì)[11]。由圖2,圖3得知，發(fā)酵開始后，豬糞組、牛糞組及其混合組的甲烷含量均迅速上升，牛糞組在發(fā)酵第3 d時(shí)甲烷含量達(dá)到57.5%，且此后甲烷含量一直保持在50%以上；豬糞組在發(fā)酵開始第5 d時(shí)甲烷含量達(dá)到55.9%，但在第8 d時(shí)又降到46.1%，第10 d時(shí)又重新上升到50.2%，此后一直保持在50%以上。這可能主要是由于豬糞在發(fā)酵初期有一個(gè)較為嚴(yán)重的產(chǎn)酸過程，導(dǎo)致甲烷菌數(shù)量或活性減少[12]，進(jìn)而致使發(fā)酵第8 d時(shí)甲烷含量又降到50%以下?；旌辖M甲烷含量在發(fā)酵第4 d時(shí)達(dá)到59.7%，此后一直保持在50%以上。這些結(jié)果充分表明，豬糞和牛糞混合發(fā)酵可緩沖豬糞單獨(dú)發(fā)酵在發(fā)酵初期的產(chǎn)酸過程，能充分保證整個(gè)發(fā)酵過程中沼氣的品質(zhì)。

圖2 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中累積甲烷產(chǎn)量變化

圖3 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量變化

2.4 溫度與產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的關(guān)系

溫度是影響沼氣日產(chǎn)氣量和決定沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率高低的關(guān)鍵因素[13-14]，適宜溫度條件下發(fā)酵菌繁殖旺盛，活力強(qiáng)，發(fā)酵原料分解和甲烷生成的速度快，產(chǎn)氣多[15]。由圖4可看出，無論是豬糞組、牛糞組還是其混合組，厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)溫度均隨氣溫變化而變化，且厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)溫度與氣溫變化規(guī)律基本一致；但發(fā)酵裝置內(nèi)溫度由于受厭氧發(fā)酵產(chǎn)生熱量的影響，其變化幅度小于氣溫。從圖4～圖6綜合來看，在產(chǎn)氣高峰期，氣溫、豬糞組、牛糞組及其混合組厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)溫度與日產(chǎn)氣量和池容日產(chǎn)氣率均呈正相關(guān)，主要原因就是氣溫影響裝置內(nèi)溫度，裝置內(nèi)溫度最終決定日產(chǎn)氣量和池容日產(chǎn)氣率。同時(shí)，在產(chǎn)氣高峰期，豬糞組、牛糞組及其混合組的日產(chǎn)氣量和池容日產(chǎn)氣率的波動(dòng)都較大，主要是試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，產(chǎn)氣情況直接受氣溫影響，從而導(dǎo)致其波動(dòng)較大。這些結(jié)果也與我們前期關(guān)于食用菌菌渣產(chǎn)沼氣情況一致[16]。因此，溫度是影響牲畜糞便產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素，增加保溫或增溫措施(特別在低溫時(shí))是提高牲畜糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的關(guān)鍵。在整個(gè)試驗(yàn)中，豬糞組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量為0.013～0.505 m3，平均日產(chǎn)氣量為0.237 m3；池容日產(chǎn)氣率為0.009～0.337 m3·m-3d-1,平均池容日產(chǎn)氣率為0.158 m3·m-3d-1；牛糞組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量為0.032～0.137 m3，平均日產(chǎn)氣量為0.082 m3，池容日產(chǎn)氣率為0.021～0.091 m3·m-3d-1，平均池容日產(chǎn)氣率為0.055 m3·m-3d-1；混合組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量為0.033～0.494 m3，平均日產(chǎn)氣量為0.174 m3，池容日產(chǎn)氣率為0.022～0.329 m3·m-3d-1，平均池容日產(chǎn)氣率為0.116 m3·m-3d-1。

圖4 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中的發(fā)酵裝置內(nèi)溫度與氣溫變化

圖5 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化

圖6 牲畜糞便厭氧發(fā)酵過程中池容日產(chǎn)氣率的變化

3 結(jié)論

(1)豬糞和牛糞混合厭氧發(fā)酵，其產(chǎn)氣效果遠(yuǎn)好于其單一發(fā)酵；而且當(dāng)豬糞與牛糞混合發(fā)酵時(shí)，還能穩(wěn)定發(fā)酵過程中，特別是豬糞發(fā)酵初期易酸化時(shí)的甲烷含量，進(jìn)而穩(wěn)定了其產(chǎn)氣過程。單一發(fā)酵原料混合后進(jìn)行混合發(fā)酵可有效地提高發(fā)酵原料產(chǎn)氣量和甲烷含量，還可避免單一原料發(fā)酵過程中產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)而能高效地提高牲畜糞便厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣速率和綜合利用率。。

(2)豬糞、牛糞及其混合組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率受溫度的影響較大。氣溫、發(fā)酵裝置內(nèi)溫度與日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率均呈正相關(guān)，產(chǎn)氣高峰期氣溫越高，日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率也越高。

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Biogas Production Performance of Different Livestock Dung /

QIN Wen-di， HUANG Ling-zhi， JIANG Hu-bo, XU Tie-chun， SONG Xian-chong， LI Jin-huai, WU Qi /

(Guangxi Zhuang Autonomous Region Forestry Science Research Institute，Nanning 530002，China)

Anaerobic fermentation test was done with pig dung, cow dung and their mixtures as raw material at ambient temperature of 25℃～35℃， and the daily biogas yield，cumulative biogas yield，methane yield, change of methane content, and biogas production rate based on TS were investigated. The results showed that, after 65 days of anaerobic fermentation, the cumulative biogas production of 150 kg of pig dung, cow dung and their mixtures were 15.42 m3, 5.33 m3and 11.30 m3respectively, the biogas production rates based on TS were 0.33 m3·kg-1, 0.19 m3·kg-1, and 0.30 m3·kg-1, and daily average biogas production rate were 0.16 m3·m-3d-1, 0.055 m3·m-3d-1and 0.12 m3·m-3d-1,respectively. The methane content of biogas from the pig dung was above 50% after 9 days fermentation, that from cow dung reached 57.5% after 3 days fermentation,and maintained above 50% till the end of the experiment, and that from mixture dung reached 59.7% after 4 days fermentation, and maintained above 55% till the end of the experiment. These results indicated that mixed fermentation of livestock dungs could overcome the disadvantages of the sole material, improving the biogas production rate and comprehensive utilization.

livestock dung; anaerobic fermentation; biogas; mixed fermentation

2015-09-07

2015-10-27

項(xiàng)目來源： 廣西林科院基金項(xiàng)目(林科201406)； 廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科攻14124004-3-6)

秦文弟(1977- )，女，副研究員，主要從事環(huán)境微生物方面研究工作，E-mail: zjqinwd2006@163.com

S216.4; X713

B

1000-1166(2016)04-0037-04