中高溫條件下不同碳氮比對(duì)雞糞原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

李淑蘭， 劉 萍， 梅自力

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

隨著規(guī)模化雞業(yè)的發(fā)展，雞糞帶來(lái)的環(huán)境污染已成為制約我國(guó)雞生產(chǎn)的重要因素之一。雞糞無(wú)害化處理和資源化利用的主要途徑有發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥以及厭氧發(fā)酵制取沼氣[1-2]。厭氧消化不受雞糞含水率影響，并且可再生清潔能源。與其它畜禽糞便相比，雞糞碳氮比(C/N)較低，屬于高有機(jī)氮廢棄物。高有機(jī)氮廢棄物在厭氧消化過(guò)程中，過(guò)多的氮將導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)銨鹽的積累，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)，最終導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)處于“抑制的穩(wěn)定狀態(tài)”，造成產(chǎn)氣量低或不產(chǎn)氣[3-4]，即氨氮抑制效應(yīng)。高濃度氨氮是高有機(jī)氮廢棄物厭氧消化處理的難題之一，采取有效的技術(shù)措施克服氨氮對(duì)厭氧消化過(guò)程的抑制顯得十分必要。研究表明，調(diào)節(jié)消化原料C/N對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性非常重要[5-6]，然而對(duì)中高溫條件下調(diào)節(jié)原料(C/N)后的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性影響的報(bào)道則很少。本研究以玉米秸稈為碳源，通過(guò)調(diào)控消化原料C/N，探討中高溫條件下不同C/N對(duì)雞糞厭氧消化過(guò)程產(chǎn)甲烷性能的影響，以期為厭氧發(fā)酵效率的提高及沼氣發(fā)酵的可控化研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

厭氧污泥，取自四川簡(jiǎn)陽(yáng)市某沼氣工程；鮮雞糞，取自山西晉中某養(yǎng)雞場(chǎng)；風(fēng)干的玉米秸稈，取自山西晉中某農(nóng)田，原料的C/N和干物質(zhì)含量見(jiàn)表1。

表1 發(fā)酵原料的碳氮比和干物質(zhì)含量 (%)

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用裝置為農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所沼氣工程研究中心自行設(shè)計(jì)的可控性恒溫厭氧發(fā)酵裝置。為了便于實(shí)際操作和節(jié)約成本，選用2.5 L的兩孔塞玻璃瓶做發(fā)酵罐，1 L的兩孔塞玻璃瓶做集氣裝置，1 L的玻璃瓶做集水裝置，通過(guò)橡膠管與發(fā)膠裝置相連。水浴加熱，由恒溫水浴鍋控制發(fā)酵溫度(溫度波動(dòng)范圍為±1℃)。試驗(yàn)裝置按圖1方式連接。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)組1：向發(fā)酵罐中裝入雞糞49.6 g，玉米秸稈56.5 g，接種物403.4 g，水1090.5 g，使得發(fā)酵原料C/N為20∶1，總固體物濃度為8%，接種物和發(fā)酵原料TS比為1∶1。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)組2：向發(fā)酵罐中裝入雞糞247.6 g，接種物403.4 g，水949 g，使得發(fā)酵原料C/N為12∶1,總固體物濃度為8%，接種物和發(fā)酵原料TS比為1∶1。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

對(duì)照組：向發(fā)酵罐中裝入接種物403.4 g，水1196.6 g。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)(見(jiàn)表2)。采用排水集氣法每日定時(shí)測(cè)量產(chǎn)氣量、氣體成分及發(fā)酵溶液pH值。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)干物質(zhì)含量:用烘干法[7]測(cè)定。

(2)碳氮比(C/N):C用干燒法測(cè)定；N以凱氏定氮法測(cè)定。

表2 發(fā)酵原料的配比

(3)產(chǎn)氣量:采用排水法測(cè)定。

(4)CH4含量:采用沼氣成分分析儀測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)進(jìn)行20 d和39 d產(chǎn)氣總量和產(chǎn)沼氣潛力分析

試驗(yàn)總共進(jìn)行了39 d，產(chǎn)氣結(jié)束。結(jié)果表明，在35℃，42℃和50℃這3個(gè)不同溫度下，純雞糞原料發(fā)酵，溫度越高，產(chǎn)氣越多，依次為11051 mL，13636 mL和14176 mL；且產(chǎn)氣潛力越大，依次為172.3 L·kg-1TS，212.6 L·kg-1TS，221.1 L·kg-1TS。雞糞和玉米秸稈混合發(fā)酵，溫度越高，產(chǎn)氣越多，依次為12165 mL，16572 mL，17684 mL；且產(chǎn)氣潛力越大，依次為189.6 L·kg-1TS，258.3 L·kg-1TS，275.7 L·kg-1TS(見(jiàn)表3)。

從表3可以看出，試驗(yàn)進(jìn)行到20 d時(shí)，35℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了38.6%；42℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了25.0%；50℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了20.9%。說(shuō)明試驗(yàn)進(jìn)行到20 d時(shí)，發(fā)酵溫度越高，混合原料發(fā)酵比單雞糞的發(fā)酵潛力提升的越慢。

結(jié)果還表明，試驗(yàn)進(jìn)行到39 d時(shí)，35℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了10.0%；42℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了21.5%；50℃的混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了24.7%。說(shuō)明試驗(yàn)進(jìn)行到39 d時(shí)，發(fā)酵溫度越高，混合原料發(fā)酵比單雞糞的發(fā)酵潛力提升的越快。

也就是說(shuō)，相比發(fā)酵20 d和39 d，隨著發(fā)酵天數(shù)增加，在35℃和42℃時(shí)混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力少提升了28.6%和3.5%，可能是由于隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，發(fā)酵原料減少，導(dǎo)致產(chǎn)氣速度降低。而在50℃時(shí)混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力多提升了3.8%。究其原因，可能是由于20 d時(shí)原料發(fā)酵不完全被降解所致。

表3 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

表3還可以看出，在試驗(yàn)進(jìn)行到20 d的純雞糞發(fā)酵，35℃,42℃,50℃條件下產(chǎn)氣量可達(dá)到總產(chǎn)氣量的71.8%,87.6%和95.3%；添加玉米秸稈后，同樣35℃,42℃,50℃條件下產(chǎn)氣量可達(dá)到總產(chǎn)氣量的90.5%,90.1%,92.4%。說(shuō)明試驗(yàn)20 d時(shí)，35℃和42℃時(shí)混合原料比純雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣量提高了26.0%和2.85%，而50℃時(shí)混合原料比純雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣量卻下降了3.0%。同樣也說(shuō)明了試驗(yàn)進(jìn)行到20天時(shí)，發(fā)酵溫度越高，混合原料發(fā)酵比單雞糞的發(fā)酵潛力提升的越慢。

綜上分析，1噸新鮮雞糞35℃可產(chǎn)沼氣約44 m3，42℃可產(chǎn)沼氣約54 m3，50℃可產(chǎn)沼氣約57 m3。添加玉米秸稈調(diào)整C/N后1噸新鮮雞糞35℃可產(chǎn)沼氣約114 m3，42℃可產(chǎn)沼氣約156 m3，50℃可產(chǎn)沼氣約166 m3。

2.2 甲烷最大含量分析

本發(fā)酵試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每天所產(chǎn)沼氣的甲烷含量做了檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同C/N的發(fā)酵原料在不同溫度下甲烷含量達(dá)最大值的時(shí)間不同，且最大值也有區(qū)別。由圖2可以看出，在同一溫度下，添加玉米秸稈的雞糞比不添加的產(chǎn)甲烷含量最先到達(dá)最大，即35℃時(shí)添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發(fā)酵第10天甲烷含量達(dá)最大，而純雞糞在厭氧發(fā)酵第14天甲烷含量才達(dá)最大；42℃時(shí)添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發(fā)酵第6天甲烷含量達(dá)最大，而純雞糞在厭氧發(fā)酵第14天甲烷含量才達(dá)最大；50℃時(shí)添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發(fā)酵第5天甲烷含量達(dá)最大，而純雞糞在厭氧發(fā)酵第10天甲烷含量才達(dá)最大；說(shuō)明改善C/N的發(fā)酵原料對(duì)雞糞發(fā)酵過(guò)程有促進(jìn)作用。同時(shí)圖2也說(shuō)明，隨著溫度的升高，對(duì)純雞糞發(fā)酵而言，35℃和42℃條件下發(fā)酵甲烷含量達(dá)到最大值沒(méi)有差別，都是發(fā)酵第14天，說(shuō)明35℃和42℃的溫度對(duì)純雞糞發(fā)酵反應(yīng)影響不明顯，但是在50℃發(fā)酵溫度下純雞糞發(fā)酵甲烷含量達(dá)到最大值明顯提前，是在反應(yīng)的第10天。以上分析說(shuō)明，發(fā)酵溫度越高，反應(yīng)過(guò)程越快。但是甲烷最大含量并沒(méi)有因?yàn)闇囟鹊纳叨龃?，也沒(méi)有因?yàn)楦纳圃螩/N而增加。從圖2不難看出這一點(diǎn)，純雞糞在35℃，42℃，50℃條件下發(fā)酵產(chǎn)生的最大甲烷含量分別是74.85%，68.32%和69.16%；添加玉米秸稈改善C/N的雞糞在35℃，42℃，50℃條件下發(fā)酵產(chǎn)生的最大甲烷含量分別是69.32%，71.04%和66.76%。綜合分析，42℃時(shí)的發(fā)酵溫度和20∶1的C/N更加適合雞糞的穩(wěn)定發(fā)酵。

圖2 甲烷最大含量圖

2.3 溫度和C/N對(duì)雞糞厭氧消化pH值的影響

由圖3可見(jiàn)，所有試驗(yàn)組消化前期(0～10 d)pH值變幅在1.8之內(nèi)，消化后期(10 d)則趨于穩(wěn)定。按C/N大小排列pH值，可以看出：C/N越高，消化液pH值越低，這是由于C/N越高，消化體系中水解酸化的產(chǎn)物越高，氨化作用產(chǎn)生的氨只能中和很少一部分酸，導(dǎo)致消化液酸化。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程中pH值變化

產(chǎn)甲烷菌的最佳生長(zhǎng)pH值范圍在6.8～7.2之間，pH值越低對(duì)厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的抑制效應(yīng)越大，當(dāng)pH值低于6.0時(shí)，產(chǎn)甲烷菌無(wú)法存活[8]。本試驗(yàn)所有試驗(yàn)組pH值在整個(gè)厭氧消化期間均保持在6.00～7.85之間，為雞糞沼氣發(fā)酵提供了適宜的反應(yīng)環(huán)境。

3 結(jié)論

(1)在35℃，42℃和50℃這3個(gè)不同溫度下，無(wú)論是純雞糞原料還是雞糞和玉米秸稈混合原料，溫度越高，產(chǎn)氣越多，產(chǎn)氣潛力也越大，而且混合原料整體都比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力高。

(2)試驗(yàn)20 d時(shí)，35℃和42℃時(shí)混合原料比純雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力提高了26.0%和2.85%，而50度時(shí)混合原料比純雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力卻下降了3.0%。

(3)相比發(fā)酵20 d和39 d，隨著發(fā)酵天數(shù)增加，在35℃和42℃時(shí)混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力少提升了28.6%和3.5%，而在50℃時(shí)混合原料發(fā)酵比單雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣潛力則多提升了3.8%。

(4)雞糞的最佳發(fā)酵條件：發(fā)酵溫度為42℃，原料最佳C/N為20∶1。

(5)所有試驗(yàn)組發(fā)酵過(guò)程pH值始終保持在5.8～7.85之間，為厭氧發(fā)酵提供了適宜的反應(yīng)環(huán)境。