溫度及總固體濃度對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

韓東全　董良杰

摘要：為了探究溫度、總固體濃度對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)生沼氣的成分的影響，確定實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便發(fā)酵的最佳溫度和最佳進(jìn)料量，通過自行設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵裝置，在恒溫30℃、35℃、40℃、45℃、50℃條件下，分別進(jìn)行了總固體濃度為8%、10%、12%、14%、16%、18%的厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。本試驗(yàn)以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈、普通級（cV）科研用實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈的混合物（按C/N為25/1配比）為發(fā)酵原料，以常溫厭氧發(fā)酵池的發(fā)酵料液為接種物（接種量為料液總量的30%），進(jìn)行批量厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，探究在不同溫度TNN總固體濃度的發(fā)酵原料的厭氧發(fā)酵效果。結(jié)果顯示，以清潔級（cL）wistar大鼠糞便和秸稈混合為發(fā)酵原料時(shí)，35℃、總固體濃度為18%為其最優(yōu)試驗(yàn)組，日產(chǎn)氣量的最大值和累積產(chǎn)氣量分別達(dá)到463 mL和7557mL，且隨著總固體濃度的增加，累積產(chǎn)氣量有上升趨勢；以普通級（CV）科研用實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈為發(fā)酵原料時(shí)，由于pH過低，造成了試驗(yàn)失敗，可見pH對于厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)有著重要的影響。

關(guān)鍵詞：溫度；濃度；厭氧發(fā)酵；沼氣；產(chǎn)氣量

中圖分類號：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132009

引言

隨著科技、醫(yī)療水平的不斷進(jìn)步，各項(xiàng)醫(yī)療研究工作的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在醫(yī)學(xué)研究與探索中的使用越來越普遍，并且它對于醫(yī)療事業(yè)的快速發(fā)展起到及其重要的作用。近些年來，各大醫(yī)院、研究所、高等院校紛紛建立了自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中心。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大規(guī)模應(yīng)用和飼養(yǎng)，隨之也就產(chǎn)生了大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便。因此，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便的處理成為各實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中心的一大難題。將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為清潔能源沼氣是一種合理的處理方式，并且對于由實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便引起的環(huán)境污染有十分重要的意義。

在厭氧條件下，通過各類微生物的分解代謝最終產(chǎn)生沼氣是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，其厭氧發(fā)酵效果受很多因素的影響，例如溫度、濃度、接種物、接種量、pH等。李金平等研究了溫度對鮮牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的成分影響，王法武等研究了溫度對以牛、兔和熊糞便為發(fā)酵原料時(shí)甲烷產(chǎn)量的影響。周丹丹等研究了溫度對高濃度恒溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣成分的影響，宋籽霖等探索了溫度、發(fā)酵料液總固體濃度和產(chǎn)氣量之間的關(guān)系。王菲等研究了不同碳氮比對干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣及沼渣造肥的影響。國內(nèi)外對于動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵的探究都是以畜禽動(dòng)物糞便為原料，并且對它們厭氧發(fā)酵的工藝條件都已經(jīng)有了較為深入的探究，但是對于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便的探究并沒有查閱到相關(guān)材料。

本試驗(yàn)在厭氧發(fā)酵理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的探究了在不同恒溫條件下，總固體濃度對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量和氣體中甲烷含量進(jìn)行分析。旨在為確定實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便沼氣發(fā)酵最佳條件、提高產(chǎn)氣量提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料與按種物：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便，取自吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，粉碎處理；秸稈，取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田；接種物，常溫發(fā)酵池中的沼液。

1.2試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用的試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，主要由恒溫水浴鍋、發(fā)酵瓶、集氣瓶和集水瓶4部分組成，如圖1，各裝置間通過橡膠管和玻璃管連接。選用1000mL的廣口瓶作為發(fā)酵瓶和集氣瓶，并用13號膠塞密封，接口處用凡士林密封，1000mL的燒杯收集排出的水，然后用量筒進(jìn)行測量。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

1.3.1.1總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Ts）的測定

利用恒溫干燥箱。計(jì)算方法如下所示：

TS=A/B×100%

式中：A——樣品烘干后的質(zhì)量；B——樣品鮮質(zhì)量。

1.3.1.2發(fā)酵原料碳氮比的測定

利用K₂Cr₂O₇外熱源法測量含碳量，計(jì)算方法如下所示： 式中V₂——樣品消耗的硫酸亞鐵銨量（mL）；

V₁——空白消耗的硫酸亞鐵銨量（mL）；

N——酸亞鐵的當(dāng)量濃度值；

0.03——消耗1mg當(dāng)量的重鉻酸鉀相當(dāng)于0.03g有機(jī)碳；

1.1——氧化率，校正系數(shù)；

W——樣品干重（g）。

利用凱氏總氮法測定含氮量，計(jì)算方法如下所示：

式中N——H₂SO₄標(biāo)準(zhǔn)液的當(dāng)量濃度；

V——品消耗H₂SO₄標(biāo)準(zhǔn)液的體積（mL）；

V₀——白消耗₂2SO₄標(biāo)準(zhǔn)液的體積（mL）；

0.014——每毫克當(dāng)量氮的重量（g）；

W——樣品干重（g）。

1.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以清潔級（CL）wistar大鼠和秸稈、普通級（CV）科研用實(shí)驗(yàn)兔和秸稈的混合配置成碳氮比為25：1作為發(fā)酵原料，用1000mL廣口瓶作為發(fā)酵瓶，投料總?cè)莘e為80%，并把混合液的比重假設(shè)為1，接種量為料液總量的30%（240g），計(jì)算出應(yīng)加入的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便、秸稈和水的重量（詳細(xì)配置比見表3）。投料前分別對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物糞便和秸稈進(jìn)行粉碎處理，然后將它們裝入發(fā)酵瓶中，并攪拌均勻。發(fā)酵溫度為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，每個(gè)溫度下設(shè)定8%、10%、12%、14%、16%、18%6個(gè)總固體濃度。

1.4測定項(xiàng)目和方法

1.4.1總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（total solid，TS）

測定方法和結(jié)果見試驗(yàn)前期準(zhǔn)備。

1.4.2產(chǎn)氣量（biogas yields）

用排水集氣法手機(jī)氣體，每天上午10點(diǎn)定時(shí)用量筒測量燒杯中水的體積。

在恒溫條件下進(jìn)行各組不同總固體濃度的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)時(shí)，從有甲烷氣體產(chǎn)生時(shí)開始進(jìn)行本組實(shí)驗(yàn)的測量和記錄，直至各發(fā)酵組產(chǎn)氣都量很小時(shí)為一個(gè)發(fā)酵周期。

2結(jié)果與分析

2.1不同溫度下大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對日產(chǎn)氣量的影響

在發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，6組總固體濃度的大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液在5個(gè)溫度中的產(chǎn)氣量如圖2所示。

從圖2中可以看出，6組總固體濃度的發(fā)酵料液在各個(gè)溫度下均能正常發(fā)酵，并且從發(fā)酵開始的第1天起，在一段時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣量，均呈現(xiàn)出上升趨勢，達(dá)到高峰以后，又都出現(xiàn)回落趨勢。但是在不同溫度下，不同濃度的發(fā)酵料液產(chǎn)氣量變化規(guī)律各不相同。不同溫度下的發(fā)酵周期有明顯不同，30℃下的發(fā)酵周期為57d左右，35℃為50d左右，40℃為42d左右，45℃為32d左右，50℃為26d左右，可見隨著溫度的逐漸升高，發(fā)酵周期逐漸變短。在相同溫度下，不同總固體濃度的發(fā)酵料液的產(chǎn)氣周期也有所不同，總固體濃度高料液發(fā)酵周期普遍高于總固體濃度低的發(fā)酵料液。這應(yīng)該與發(fā)酵料液中可利用的有機(jī)質(zhì)的多少有關(guān)，總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的發(fā)酵料液中可被利用的有機(jī)質(zhì)較多，因此發(fā)酵周期較長。日產(chǎn)氣量的峰值并沒有隨著溫度的提高而增大，日產(chǎn)氣量的峰值為463mL，出現(xiàn)在35℃、總固體濃度為18%的條件下。30℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為180mL；30℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為181mL；35℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為463mL；40℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為311mL；45℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為196mL；50℃條件下，日產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為126mL?？梢娙债a(chǎn)氣量的峰值并沒有隨著溫度的升高而增大，而是出現(xiàn)在35℃條件下。

2.2不同溫度下大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對累積氣量的影響

各組試驗(yàn)的累積產(chǎn)氣量如圖3所示。從圖3可以看出，在各組恒溫條件下，隨著發(fā)酵料液總固體濃度的增加，累計(jì)產(chǎn)氣量基本呈現(xiàn)上升趨勢。除了在40℃恒溫條件下，總固體濃度為16%的發(fā)酵料液的累計(jì)產(chǎn)量為最大，略高于總固體濃度為18%發(fā)酵料液，其他恒溫條件下，總固體濃度為18%的發(fā)酵料液的累計(jì)產(chǎn)量均為最大。溫度對整個(gè)發(fā)酵過程的累積產(chǎn)氣量也有顯著影響，除總固體濃度為16%的發(fā)酵料液在30℃恒溫條件下產(chǎn)氣量為最大之外，其他各恒溫條件下，累積產(chǎn)氣量的最大值均出現(xiàn)在35℃，且在35℃、總固體濃度為18%的發(fā)酵料液條件下，累積產(chǎn)氣量達(dá)到所有試驗(yàn)組的最大值，累積產(chǎn)期量的最大值為7557mL?？梢?5℃、總固體濃度18%為清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵的最佳試驗(yàn)組。

2.3不同溫度下實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對產(chǎn)氣量的影響

在各組恒溫條件下，進(jìn)行不同總固體濃度的實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈混合發(fā)酵試驗(yàn)時(shí)，各試驗(yàn)組均沒有氣體產(chǎn)生。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，使用ph-100筆試pH計(jì)對發(fā)酵過程進(jìn)行酸堿度的測量。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，以普通級（CV）科研用實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈的混合物為發(fā)酵原料時(shí)，發(fā)酵初期投料時(shí)，pH呈現(xiàn)中性，為7.00左右。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，pH很快下降，最低值達(dá)到3.72左右并維持恒定。由此可以推測，由于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，在發(fā)酵初期產(chǎn)生了大量的酸，正是由于pH過低，發(fā)酵料液中的厭氧細(xì)菌的活性受到了抑制，阻礙了厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)和正常進(jìn)行。在以后試驗(yàn)中，如何對實(shí)驗(yàn)兔糞便進(jìn)行預(yù)處理和試驗(yàn)是一項(xiàng)主要和有趣的研究。

3結(jié)論

以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈混合為發(fā)酵原料時(shí)，發(fā)酵可以正常進(jìn)行，且在35℃條件下，總固體濃度為18%的條件下，日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量均達(dá)到最大值，分別463 mL和7557mL。確定其為試驗(yàn)過程中的最優(yōu)發(fā)酵條件。

以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈為發(fā)酵原料時(shí)，隨著發(fā)酵料液總固體濃度的增加，累計(jì)產(chǎn)氣量基本呈現(xiàn)上升趨勢。

pH對于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行有著重要的作用，由于pH過低造成了以普通級（CV）科研用實(shí)驗(yàn)兔糞便和秸稈為發(fā)酵原料的試驗(yàn)失敗。在后期試驗(yàn)中，需對其進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行調(diào)和，再進(jìn)行研究。