添加活性炭的豬糞厭氧干發(fā)酵研究

鄭 盼, 尹 芳, 張無敵, 趙興玲, 吳 凱, 王昌梅, 柳 靜, 楊 紅

(云南師范大學(xué)， 云南 昆明 650500)

隨著近幾十年來我國(guó)民眾生活水平的提升和膳食結(jié)構(gòu)的改善，人們對(duì)肉類的需求也是逐年上升[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，全國(guó)生豬出欄量達(dá)到70825萬頭，豬肉產(chǎn)量達(dá)5487萬噸[2]。而我國(guó)受居民消費(fèi)習(xí)慣影響，肉類消費(fèi)以豬肉消費(fèi)為主體，2000年～2014 年豬肉消費(fèi)占肉類消費(fèi)保持在 65%左右[3]。豬糞日排放系數(shù)為2.20～4.25 kg·d-1[4-5]，由于豬的養(yǎng)殖量比例大[6]，因此，其糞便排放總量大，產(chǎn)量達(dá)到 40 億噸，其數(shù)量在幾種畜禽糞便中居于首位[7]。因此，豬糞的合理利用與處置對(duì)于改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)生豬乃至整個(gè)畜禽養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展具有重要意義[8]。而對(duì)豬糞進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，不僅能解決畜禽糞便的污染問題，而且還能生產(chǎn)沼氣可供使用[9]，沼液沼渣可還田替代化肥，因此厭氧發(fā)酵工藝被廣泛應(yīng)用與畜禽糞便的處理上。

我國(guó)目前廣泛應(yīng)用的是濕式發(fā)酵，而隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，濕式發(fā)酵的一些問題也是逐步的被發(fā)現(xiàn)，比如：濕式發(fā)酵后殘留物的二次污染問題；沼液沼渣還田的污染問題；水資源的浪費(fèi)等問題。與濕式發(fā)酵相比，干式發(fā)酵反應(yīng)體系中總固體(TS)含量達(dá)到20%～30%[10]，具有沼渣沼液濃度高，數(shù)量少，容易利用等優(yōu)點(diǎn)，近年在國(guó)外受到了廣泛關(guān)注[11-12]。但同時(shí)厭氧干發(fā)酵在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)也有一些難題，比如：易酸化、啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。從國(guó)外厭氧消化的發(fā)展歷史來看，干式發(fā)酵逐步取代濕式發(fā)酵是必然的趨勢(shì)。而國(guó)內(nèi)目前對(duì)厭氧干發(fā)酵的研究還是較少的，對(duì)提高厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率的研究更是少見。筆者以干式發(fā)酵為主要研究對(duì)象，探究添加活性炭對(duì)提高豬糞干發(fā)酵產(chǎn)氣效率的效果和研究活性炭的添加量對(duì)提高豬糞干發(fā)酵的產(chǎn)氣效果的影響，為工程上畜禽糞便的厭氧干發(fā)酵處理提供更好的方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

厭氧干發(fā)酵的豬糞取自昆明市附近的生豬養(yǎng)殖場(chǎng)；接種物為實(shí)驗(yàn)室馴化的豬糞接種物；活性炭(西隴化工股份有限公司)。材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 原料及接種物的基本性質(zhì) (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧干發(fā)酵的裝置是常規(guī)的500 mL的批量式發(fā)酵裝置。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了提高厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率和探究活性炭的添加量對(duì)豬糞干發(fā)酵的影響，設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)組和4個(gè)對(duì)照組，每組設(shè)4個(gè)平行，在發(fā)酵濃度為20%左右，中溫(37℃±0.5℃)水浴下進(jìn)行為期35 d的厭氧發(fā)酵。4個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別添加0 g活性炭，發(fā)酵干物質(zhì)1%的活性炭，發(fā)酵干物質(zhì)5%的活性炭和發(fā)酵干物質(zhì)10%的活性炭，具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 分析項(xiàng)目及方法

(1)總固體(TS)含量：烘干法(將樣品在 105℃±2℃下烘至恒重，計(jì)算樣品除水分后干物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù))[13]。

(2)揮發(fā)性固體(VS)含量：烘干法(將 TS 測(cè)定后恒重的總固體在 550℃±20℃下燒至恒重，計(jì)算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù))[13]。

(3)產(chǎn)氣量：采用排水集氣法測(cè)定[14]，由于試驗(yàn)開始前幾天產(chǎn)氣量比較大，所以啟動(dòng)后的第1個(gè)星期每隔半天記錄產(chǎn)氣量，而后每天記錄一次即可。

(4)甲烷含量：用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型)測(cè)定。

(5)pH值：用精密試紙測(cè)量(6.4～8.0)。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量的對(duì)比分析

由圖1可知，未添加活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的0%)的豬糞干發(fā)酵日產(chǎn)氣量變化可以分為3個(gè)階段。第1階段為第1～21天，在第1天產(chǎn)氣337 mL后，從第2～21天的產(chǎn)氣量保持相對(duì)平緩，平均日產(chǎn)氣量為90 mL；第2階段為第22～44天，日產(chǎn)氣量較第1階段略有上升，平均日產(chǎn)氣量上升為223 mL；第3階段則是第45天至產(chǎn)氣結(jié)束，從第45天后開始進(jìn)入一個(gè)產(chǎn)氣高峰期，在第61天日產(chǎn)氣量達(dá)到最大值為610 mL,隨后產(chǎn)氣開始下滑直至結(jié)束。

添加0.8 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的1%)的豬糞干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，日產(chǎn)氣量的變化與未添加活性炭組基本相似，同樣在第1～21天產(chǎn)氣比較平緩，平均日產(chǎn)氣量為170 mL，第22～44天期間日產(chǎn)氣量有所上升，平均日產(chǎn)氣量達(dá)到305 mL，第45天后開始進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，在第62天達(dá)到日產(chǎn)氣量最大值為545 mL，此后產(chǎn)氣逐步下降至結(jié)束。

添加4.0 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的5%)的豬糞干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，在第1～24天為第1個(gè)產(chǎn)氣高峰期，在第17天到達(dá)日產(chǎn)氣量的峰值為700 mL,隨后產(chǎn)氣逐步下滑至第24天，在第25天后產(chǎn)氣又開始逐步上升至第42天達(dá)到日產(chǎn)氣量的第2個(gè)峰值為673 mL，而后產(chǎn)氣逐漸下降至產(chǎn)氣結(jié)束。

添加8.0 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的10%)的豬糞干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，在第1～18天為產(chǎn)氣高峰期，日產(chǎn)氣量在第10天達(dá)到峰值為833 mL，隨后日產(chǎn)氣量逐步下滑，在第19～42天產(chǎn)氣比較平穩(wěn)，期間平均日產(chǎn)氣量為405 mL，此后日產(chǎn)氣量逐漸下滑至產(chǎn)氣結(jié)束。

圖1 日產(chǎn)氣量變化曲線

2.2 甲烷含量的對(duì)比分析

由圖2可知，未添加活性炭的試驗(yàn)組在產(chǎn)氣的第2天，甲烷含量為29.3%，隨后甲烷含量逐漸上升，并且一直保持在50%左右，平均甲烷含量為51.24%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的1%的活性炭試驗(yàn)組，在開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量為33.9%，而后甲烷含量上升至50%以上，并且始終保持在50%左右，平均甲烷含量為52.08%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的5%的活性炭試驗(yàn)組，開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量就達(dá)到46.7%，隨后甲烷含量一直保持在50%以上直至第53天，第53天后甲烷含量開始下降，平均甲烷含量為51.87%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的10%的活性炭試驗(yàn)組，開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量達(dá)到45%，在第2～42天所產(chǎn)沼氣的甲烷含量一直保持在55%左右，隨后甲烷含量開始下降，所產(chǎn)沼氣的甲烷含量是51.55%。所有實(shí)驗(yàn)組所產(chǎn)沼氣的甲烷含量均在50%以上，沼氣品質(zhì)較好。

圖2 甲烷含量變化曲線

2.3 累積總產(chǎn)氣量的對(duì)比分析

由圖3可知，添加干物質(zhì)量5%的活性炭實(shí)驗(yàn)組沼氣總產(chǎn)量最高為24454 mL，其次為添加干物質(zhì)量10%的活性炭實(shí)驗(yàn)組，沼氣總產(chǎn)量為22835 mL，而未添加活性炭實(shí)驗(yàn)組和添加干物質(zhì)量1%的活性炭實(shí)驗(yàn)組所產(chǎn)沼氣總量相差無幾，分別為21742 mL和21760 mL。

圖3 累積沼氣產(chǎn)量曲線

各個(gè)實(shí)驗(yàn)組累計(jì)沼氣產(chǎn)量占總產(chǎn)氣量的百分比如表3所示。

表3 累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量百分比 (%)

由表3可知，未添加活性炭實(shí)驗(yàn)組在第44～72天內(nèi)累計(jì)產(chǎn)氣量增長(zhǎng)最快，此期間為其實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣高峰；添加干物質(zhì)量1%的活性炭實(shí)驗(yàn)組在第44～64天內(nèi)沼氣累計(jì)產(chǎn)量增長(zhǎng)最快，故第44～64天為此實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣高峰期；添加干物質(zhì)量5%的活性炭實(shí)驗(yàn)組在第12～44天累計(jì)沼氣產(chǎn)量增長(zhǎng)最快，為其產(chǎn)氣高峰期；添加干物質(zhì)量10%的活性炭實(shí)驗(yàn)組在第4～40天累計(jì)沼氣產(chǎn)量增長(zhǎng)速度最快，故此時(shí)間段為其實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣高峰期。對(duì)比4組實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)氣高峰期可得，添加活性炭實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣高峰期要早于未添加活性炭的實(shí)驗(yàn)組，而活性炭添加量越多，產(chǎn)氣的高峰期越早。

若將累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間設(shè)為其實(shí)驗(yàn)的HRT可得，未添加活性炭實(shí)驗(yàn)的HRT為66 d左右；添加干物質(zhì)量1%的活性炭實(shí)驗(yàn)的HRT為58 d左右；添加干物質(zhì)量5%的活性炭實(shí)驗(yàn)的HRT為42 d左右；添加干物質(zhì)量10%的活性炭實(shí)驗(yàn)的HRT為35 d左右。添加活性炭有利于縮短豬糞干發(fā)酵的HRT，并且隨著活性炭添加量的增加，其豬糞干發(fā)酵的HRT也會(huì)越來越短。

2.4 產(chǎn)氣效率比較

各個(gè)實(shí)驗(yàn)組的各項(xiàng)參數(shù)如表4所示。

表4 各組實(shí)驗(yàn)的參數(shù)比較

添加8 g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的10%)的試驗(yàn)組，添加4g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的5%)的試驗(yàn)組，添加0.8 g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的1%)的試驗(yàn)組和不添加活性炭的試驗(yàn)組的TS產(chǎn)氣量分別為411 mL·g-1，440 mL·g-1，392 mL·g-1和391 mL·g-1。從表4中各項(xiàng)參數(shù)比對(duì)，添加干物質(zhì)量5%的活性炭實(shí)驗(yàn)組和添加干物質(zhì)10%的活性炭實(shí)驗(yàn)組的各項(xiàng)參數(shù)均要優(yōu)于未添加活性炭實(shí)驗(yàn)組，而添加干物質(zhì)量1%的活性炭實(shí)驗(yàn)組與未添加活性炭組的各項(xiàng)參數(shù)相差不大；且添加干物質(zhì)量5%的活性炭實(shí)驗(yàn)組各項(xiàng)參數(shù)最佳，發(fā)酵產(chǎn)氣效率最高。故當(dāng)活性炭添加量達(dá)到一定量時(shí)，是有利于提高豬糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效果，且并不是活性炭的添加量越多越好。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)活性炭添加量達(dá)到一定量時(shí)，是有利于提高豬糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效果。添加量過小時(shí)，影響并不明顯，但并不是活性炭的添加量越多越好，活性炭的添加量為發(fā)酵體系干物質(zhì)量的5%時(shí)產(chǎn)氣效果最佳。

(2)添加發(fā)酵體系干物質(zhì)量0%，1%，5%和10%的活性炭實(shí)驗(yàn)組HRT分別為66 d，58 d，42 d和35 d，添加活性炭實(shí)驗(yàn)組的HRT均要比未添加活性炭實(shí)驗(yàn)組的HRT低，添加活性炭可以使豬糞干發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰期提前，從而縮短豬糞干發(fā)酵的HRT；活性炭的添加量越多，產(chǎn)氣高峰期就越早，HRT就越短。

[1] 崔 敏.高壓水對(duì)豬肉凝膠品質(zhì)的影響研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 中國(guó)畜牧業(yè)協(xié)會(huì)豬業(yè)分會(huì).2015中國(guó)豬業(yè)發(fā)展報(bào)告[J].四川畜牧獸醫(yī)，2016(7)：311.

[4] 張 震，司友斌，谷勛剛，等.巢湖流域規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便污染負(fù)荷研究—以居巢區(qū)為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(15)：7159-7161.

[5] 張 田，卜美東，耿 維.中國(guó)畜禽糞便污染現(xiàn)狀及產(chǎn)沼氣潛力[J].生態(tài)學(xué)雜志，2012，31(5)：1241-1249

[6] 王方浩，馬文奇，竇爭(zhēng)霞，等.中國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量估算及環(huán)境效應(yīng)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2006，26(5)：614-617.

[7] 閻波杰，趙春江，潘瑜春，等.大興區(qū)農(nóng)用地畜禽糞便氮負(fù)荷估算及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2010，31(2)：437-443.

[8] 萬大娟，蘇文幸，許振成，等.水稻田對(duì)豬糞的最大消納能力研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2013，26(10)：1118-1125.

[9] 黎運(yùn)紅.畜禽糞便資源化利用潛力研究[D].湖北：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[10] 汪國(guó)剛，鄭良燦，劉慶玉.沼氣干式厭氧發(fā)酵技術(shù)研究[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2014(12)：48-52.

[11] De Baere L.Anaerobic digestion of solid waste：state-of- the-art[J].Water science and technology，2000，41(3) ：283-290.

[12] Kuroshima M，Misaki T，Ishibashi T.Dry anaerobictreatment of livestock waste together with municipal solidwaste[G]// In: Proceedings of 9th World Congress，Ant-werpen，Belgium (Velse AFM，Verstratete WH ed.) ，2001，1：375-380.

[13] 張無敵，宋洪川，尹 芳，等.沼氣發(fā)酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[14] 劉榮厚，郝元元，武麗娟.溫度條件對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣特性的影響[J].可再生能源，2006(5) ：32-35.