雞糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

湯 昀，李永平，龐震鵬，朱教寧

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速[1]。2015 年我國(guó)雞糞排放總量高達(dá)3.93 億t[1]，2016 年山西省畜禽糞尿總排放量為3 410.97 萬(wàn)t，其中雞糞占16.6%，約566.22 萬(wàn)t[2]，成為亟待解決的農(nóng)業(yè)廢棄物之一，而且雞糞中含有大量的致病菌[3]，采用厭氧發(fā)酵處理雞糞既能回收能源又能保護(hù)環(huán)境，受到普遍歡迎[4]。我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)生量約為7 億t[5]，除了用于飼料、還田和造紙外，還有約3.7 億t 秸稈未被利用[6]，利用率不足55%。厭氧發(fā)酵可以通過(guò)厭氧微生物對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行分解代謝，是秸稈利用的主要途徑之一[7]。厭氧消化系統(tǒng)符合國(guó)家農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的政策，使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

在厭氧發(fā)酵中，碳氮比是影響厭氧發(fā)酵效率的核心因素，碳氮比在（25～30）∶1 時(shí)，發(fā)酵效率最高。畜禽糞便C/N 低，發(fā)酵過(guò)程中易形成銨氮積累，影響發(fā)酵效率。而秸稈C/N 高，但是秸稈中木質(zhì)素含量較高，親水基團(tuán)較少，不溶于一般溶劑，不容易被微生物分解利用，使得厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氣速度變慢[9]。WEILAND[10]研究認(rèn)為，秸稈與糞便原料混合后發(fā)酵可以增加秸稈的降解量，提高發(fā)酵能力。張翠麗等[11]對(duì)麥稈與糞便混合后的厭氧發(fā)酵進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，麥稈與牲畜糞便混合后與單一原料的產(chǎn)氣效率相比有了顯著提高。張娟[12]研究了35 ℃下豬糞、玉米秸稈與小麥秸稈的配比，結(jié)果表明，3 種不同原料的配比有著較高的總產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量。白潔瑞等[13]研究了不同溫度條件下糞稈配比對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，35 ℃條件下，雞糞與玉米秸稈為2∶1 的處理產(chǎn)氣效果最佳。趙玲等[14]在對(duì)秸稈與畜禽糞便混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性研究中發(fā)現(xiàn)，在35 ℃條件下，玉米秸稈與雞糞干物質(zhì)質(zhì)量比1∶2 為最佳組合，累積產(chǎn)氣量高出單一秸稈組合37.5%?，F(xiàn)階段的相關(guān)研究存在配混比例較為寬泛，處理設(shè)置較少，未形成統(tǒng)一的配混標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足指導(dǎo)生產(chǎn)的要求。

本試驗(yàn)在厭氧發(fā)酵的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求，選取玉米秸稈與雞糞按照揮發(fā)性固體質(zhì)量一定比例混合作為發(fā)酵原料，通過(guò)對(duì)其發(fā)酵后的日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣總量等指標(biāo)的研究，以期找到一種最合適的玉米秸稈與雞糞的混合比例，提高發(fā)酵效率和養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理速率，實(shí)現(xiàn)山西省養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的發(fā)酵原料為玉米秸稈和新鮮雞糞。玉米秸稈取自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽(yáng)試驗(yàn)示范基地，去除雜草并粉粹成顆粒，過(guò)0.25 mm 篩去除大顆粒后用于試驗(yàn)；雞糞取自于山西省太谷縣鴻昊養(yǎng)殖場(chǎng)鮮雞糞；接種物取自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽(yáng)試驗(yàn)示范基地沼氣池內(nèi)中溫發(fā)酵30 d 以上的反應(yīng)物，并于取樣當(dāng)天完成特性分析和接種。發(fā)酵物料與接種物的特性如表1 所示，試驗(yàn)過(guò)程中不添加其他任何添加劑。

表1 雞糞玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵原料性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心沼氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自制1 L 小型厭氧發(fā)酵發(fā)生器，發(fā)生器由上、下2 個(gè)部分組成，下部為厭氧發(fā)酵區(qū)，上部為注水區(qū)。發(fā)酵物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入到下部的厭氧發(fā)酵區(qū)，發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣經(jīng)導(dǎo)氣管進(jìn)入到上部的注水區(qū)，使注水區(qū)的壓力逐漸增大，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)水經(jīng)橡膠軟管流入集水瓶?jī)?nèi)，通過(guò)稱質(zhì)量測(cè)定產(chǎn)氣量；當(dāng)測(cè)定沼氣組分及含量時(shí)，將止水夾打開，氣體進(jìn)入到集氣袋。厭氧發(fā)生器如圖1 所示。

1.3 試驗(yàn)方法

將玉米秸稈與雞糞按照不同揮發(fā)性固體質(zhì)量（VS）比混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)采用自制1 L厭氧發(fā)生器，物料濃度均為8%，接種量30%，物料總量650 g，調(diào)節(jié)pH 值至7.0，反應(yīng)溫度控制在中溫（35±1）℃，厭氧發(fā)酵試驗(yàn)周期42 d。各處理具體如表2 所示。

表2 處理設(shè)置

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 干物質(zhì)量（TS）測(cè)定 將雞糞和玉米秸稈、接種物取樣置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為105 ℃，烘干水分，采用差重法計(jì)算干物質(zhì)量，發(fā)酵前的物料和反應(yīng)后的混合物都要進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 揮發(fā)性固體量（VS）測(cè)定 將烘干后的樣品于600 ℃馬弗爐中進(jìn)行高溫灼燒，去除有機(jī)成分，得到灰分，采用差重法計(jì)算揮發(fā)性有機(jī)物固體質(zhì)量。

1.4.3 日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量測(cè)定 日產(chǎn)氣量采用排水法測(cè)定，每天10：00 定時(shí)測(cè)定集水瓶中排出水的體積。累積產(chǎn)氣量為每日產(chǎn)氣量總和。

1.4.4 產(chǎn)氣性能指標(biāo)測(cè)定 產(chǎn)氣性能指標(biāo)包括干物質(zhì)產(chǎn)氣量（TS 產(chǎn)氣量）、干物質(zhì)產(chǎn)甲烷量（TS 產(chǎn)甲烷量）、揮發(fā)性固體產(chǎn)氣體量（VS 產(chǎn)氣量）及揮發(fā)性固體產(chǎn)甲烷量（VS 產(chǎn)甲烷量）等指標(biāo)。

式中，M1為發(fā)酵期內(nèi)總產(chǎn)氣量（mL）；M0為物料中干物質(zhì)總量（g）；M2為發(fā)酵期內(nèi)產(chǎn)甲烷總體積（mL）；M3為物料中有機(jī)質(zhì)的總量（g）。

1.4.5 酸堿度（pH）測(cè)定 每2 d 從用于取樣的發(fā)生器中吸取少量樣液，采用PHS-3C 型酸度計(jì)測(cè)定pH 值，測(cè)定結(jié)束后再用注射器將樣液注射回發(fā)生器。

1.4.6 沼氣組分測(cè)定 使用鋁箔氣體采樣袋收集每日各處理產(chǎn)生的氣體，采用安捷倫7980B 氣相色譜儀對(duì)氣體成分進(jìn)行測(cè)定。色譜條件：色譜柱HPINNOWAX，40～240 ℃，60 μm×530 μm×1 μm，載氣為氫氣，流量5 mL/min，壓力7.244 3 psi，平均線速度35.701 cm/s，滯留時(shí)間2.801 1 min；FID 檢測(cè)器：溫度300 ℃，空氣流量400 mL/min，氫氣燃?xì)饬髁?0 mL/min，尾吹氣流量（N2）25 mL/min；TCD 檢測(cè)器：溫度250 ℃，參比流量40 mL/min，尾吹氣流量（H2）：2 mL/min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 及SPSS 17.0 軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化圖表編輯及分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵對(duì)日產(chǎn)氣量的影響

雞糞與玉米秸稈的不同配比下碳氮比不同，不同的碳氮比可以影響微生物的活性，進(jìn)而影響沼氣產(chǎn)量。由圖2 可知，各處理日產(chǎn)氣量的整體趨勢(shì)大致相同，均為先升高，達(dá)到峰值之后逐漸回落趨于平緩。配比后的處理產(chǎn)氣高峰期都有所提前，其中，M4 處理達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間最早，為6 d；而CK 到達(dá)產(chǎn)氣高峰的時(shí)間最長(zhǎng)，為12 d。由此可知，合理的原料配比可以縮短達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間。達(dá)到產(chǎn)氣高峰時(shí)，M4 處理的日產(chǎn)氣量最高，為802.54 mL，較單一原料處理CK 產(chǎn)氣量（553.73 mL）提高44.93%。因此，將玉米秸稈與雞糞進(jìn)行合理配混后發(fā)酵，不僅可以提高日產(chǎn)氣量，還可使產(chǎn)氣高峰提前6 d 左右。

2.2 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響

厭氧發(fā)酵時(shí)，適宜的碳氮比在（25～30）∶1[14]，所以，合理的配比原料有利于產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階段菌群的生長(zhǎng)平衡，以促進(jìn)沼氣發(fā)酵[15]。累積產(chǎn)氣量是指發(fā)酵系統(tǒng)在發(fā)酵周期內(nèi)日產(chǎn)氣量總和。從圖3 可以看出，各處理的累積產(chǎn)氣量趨勢(shì)基本一致，均為先上升后趨于平緩。隨著發(fā)酵天數(shù)的增加，各處理的沼氣累積量均呈現(xiàn)穩(wěn)定上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。累積產(chǎn)氣量最大的為M4 處理，為12 933.23 mL，比CK 提高了159.62%。由此可知，雞糞和玉米秸稈不同配比碳氮比不同，適宜的碳氮比可促進(jìn)厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣效率。

2.3 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵對(duì)甲烷含量及甲烷總產(chǎn)量的影響

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中每日產(chǎn)出沼氣中的甲烷所占比例被稱之為甲烷含量，這一指標(biāo)的高低決定產(chǎn)氣效果的好壞，甲烷含量越高，產(chǎn)氣效果越好[16]。由圖4 可知，甲烷含量隨著發(fā)酵天數(shù)的增加呈現(xiàn)先升高后趨于平緩的規(guī)律。適當(dāng)增加玉米秸稈含量既可以縮短到達(dá)產(chǎn)甲烷高峰的時(shí)間，也可以提高沼氣中甲烷含量。M4 處理的甲烷含量在第9 d 達(dá)到峰值，含量為62.52%，較單一雞糞提前8 d，CK 處理在發(fā)酵的第17 天產(chǎn)甲烷含量達(dá)到峰值（55.86%），M4 處理最高甲烷含量比CK 提高11.92%。這可能與M4 處理的C/N 更適合產(chǎn)甲烷菌的代謝活性有關(guān)。

產(chǎn)甲烷總量是整個(gè)發(fā)酵期內(nèi)厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣中甲烷氣體的總量，是衡量發(fā)酵物料產(chǎn)氣效果最直接的指標(biāo)。從圖5 可以看出，各處理厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷總量均不相同，其中，M4 處理的甲烷總產(chǎn)量較高，為7 757.06 mL，與CK 相比，提高191.33%。雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵處理中產(chǎn)甲烷總量整體上高于單一物料發(fā)酵，且隨著物料中玉米秸稈含量的增加，甲烷總產(chǎn)量呈先升高后降低趨勢(shì)，說(shuō)明以雞糞、玉米秸稈作為混合物料進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，增大玉米秸稈添加比例對(duì)提升產(chǎn)甲烷總量具有促進(jìn)作用，原因可能是C/N 在30 以下時(shí)，隨著秸稈量的增加，物料中碳素含量增加，微生物利用碳素可生產(chǎn)較多的揮發(fā)性有機(jī)酸作為產(chǎn)甲烷菌的利用底物，且當(dāng)pH 維持在微生物相對(duì)適宜的范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)酵體系可產(chǎn)出較多的甲烷。

2.4 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)pH 值的影響

由圖6 可知，不同處理在厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH值的變化規(guī)律基本一致，呈先下降后上升最后趨于平緩的趨勢(shì)。這種pH 的動(dòng)態(tài)變化，主要是由在厭氧發(fā)酵的過(guò)程中，產(chǎn)甲烷相與產(chǎn)酸相的動(dòng)態(tài)平衡決定。發(fā)酵初期，接種物充足，產(chǎn)酸菌活躍，產(chǎn)生大量有機(jī)酸，使得pH 值下降；隨后產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生的有機(jī)酸，生產(chǎn)甲烷，產(chǎn)氣量達(dá)到峰值，由于有機(jī)酸被利用，pH 值隨之上升，這與覃國(guó)棟等[17]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明，pH 值的波動(dòng)范圍在1.0 之內(nèi)，發(fā)酵系統(tǒng)中料液的pH 值波動(dòng)小，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定，這與艾平等[18]的研究結(jié)果一致。由試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，投料的配比C/N 越高，料液的pH 值越低，這與李淑蘭等[19]的研究結(jié)果一致。

2.5 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵對(duì)產(chǎn)氣性能指標(biāo)的影響

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效果的優(yōu)劣由該系統(tǒng)產(chǎn)氣性能指標(biāo)的高低來(lái)衡量。發(fā)酵系統(tǒng)中物料的產(chǎn)氣效率主要由容積產(chǎn)氣量和容積產(chǎn)甲烷量2 個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)。單位質(zhì)量干物質(zhì)被利用產(chǎn)生沼氣量和甲烷含量由TS 產(chǎn)氣量和TS 產(chǎn)甲烷量來(lái)表示，而且這2 個(gè)指標(biāo)的量與產(chǎn)氣性能之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。VS 產(chǎn)氣量和VS 產(chǎn)甲烷量是表示厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)酵物料產(chǎn)氣潛力的指標(biāo)，該指標(biāo)值越大，表示單位質(zhì)量的該物料有機(jī)質(zhì)成分產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷量越多，即產(chǎn)氣潛力越大。由表3 可知，雞糞與玉米秸稈混合后各項(xiàng)產(chǎn)氣性能指標(biāo)均高于CK 的產(chǎn)氣性能指標(biāo)。其中，M4 處理的各項(xiàng)指標(biāo)均顯著高于其他處理，該處理的容積產(chǎn)氣率和容積產(chǎn)甲烷率分別為0.350、0.210 L/（L·d），分別較CK 提高了1.59、1.92 倍。M4處理的TS 產(chǎn)氣量和TS 產(chǎn)甲烷量分別為0.336、0.201 L/g，分別較CK 提高了2.03、2.35 倍。VS 產(chǎn)氣量及VS 產(chǎn)甲烷量仍然是M4 處理最大，分別為0.474、0.284 L/g，分別較CK 提高了1.60、1.90 倍。由此可見(jiàn)，對(duì)雞糞和玉米秸稈配比后進(jìn)行混合發(fā)酵既可以提升產(chǎn)氣速率，還可以增加發(fā)酵物料的產(chǎn)氣潛力，且適宜的配比可以大幅提高厭氧系統(tǒng)中物料的產(chǎn)氣性能。此結(jié)論與張彬等[20]的研究結(jié)果一致。

表3 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能指標(biāo)比較

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中的單一雞糞發(fā)酵產(chǎn)氣效果并不理想，可能是由于雞糞的碳氮比不合適，加入一定比例的玉米秸稈后，可以提高發(fā)酵體系中有機(jī)碳的含量，這樣可以保證發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)需求[21]。而高濃度的玉米秸稈會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵體系酸化，將雞糞以適當(dāng)比例投入高濃度秸稈發(fā)酵體系中可以降低系統(tǒng)酸化的概率，使得發(fā)酵體系可以穩(wěn)定產(chǎn)氣。由此可以得出，雞糞和玉米秸稈配混后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，較單一雞糞可顯著提升產(chǎn)氣量，混合厭氧發(fā)酵在產(chǎn)氣方面比單一物料更具優(yōu)勢(shì)。周莎等[22]研究發(fā)現(xiàn)，雞糞與麥稈的混合比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)酵體系表現(xiàn)出明顯的產(chǎn)氣優(yōu)勢(shì)；超過(guò)這一范圍時(shí)，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣優(yōu)勢(shì)消失。這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。

揮發(fā)性固體量（VS）比值對(duì)雞糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能方面具有顯著影響，綜合累積產(chǎn)氣量、產(chǎn)甲烷總量及容積產(chǎn)氣率、TS 產(chǎn)氣量等指標(biāo)，雞糞∶玉米秸稈（VS 比）＝6∶4 時(shí)，具有較好的產(chǎn)氣性能和發(fā)酵潛力，累積產(chǎn)氣量、容積產(chǎn)氣率、TS 產(chǎn)氣量及VS 產(chǎn)氣量均高于其他處理，分別達(dá)12 933.23 mL、0.350 L/（L·d）、0.336 L/g 和0.474 L/g，與單一雞糞處理（CK）相比，分別提高了159.62%、159.26%、202.70%和160.44%。發(fā)酵過(guò)程甲烷含量穩(wěn)定，平均甲烷含量達(dá)60.48%，與單一雞糞處理（CK）相比，提高了9.32%。由此可知，雞糞∶玉米秸稈（VS 比）＝6∶4 為最佳配比組合。