典型畜禽糞便厭氧發(fā)酵產甲烷潛力試驗與計算

徐文倩，董紅敏，尚 斌，陳永杏，陶秀萍

（1.中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農業(yè)農村部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081；2.中國農業(yè)科學院都市農業(yè)研究所，成都 610213）

0 引 言

當今全球溫室效應日益嚴重，應對氣候變暖已成為全球各國社會經濟發(fā)展面臨的重要問題之一。畜禽糞便是溫室氣體的主要排放源之一，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的 CH4排放占人類活動CH4排放總量的4%[1]。隨著中國畜牧業(yè)發(fā)展及其規(guī)模化程度提高，畜禽廢棄物的產生量逐漸增加且相對集中。研究發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵既能顯著減少CH4排放，又能提供清潔能源替代化石燃料，實現(xiàn)畜禽廢棄物的資源化利用，無疑是一種優(yōu)良的CH4減排方式[2-3]?？茖W認識畜禽廢棄物的厭氧發(fā)酵產甲烷能力，將為國家和各地科學制定沼氣工程發(fā)展相關政策提供科學依據(jù)[4]，為國家畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關政策制定提供參考。

厭氧發(fā)酵產甲烷潛力，也稱生化甲烷潛力（Biochemical Methane Potential，BMP），是指在厭氧發(fā)酵條件下有機物可能產生的最大甲烷產量[5]，可用于評估單一物料及混合物料的產甲烷潛力、生物降解性能及厭氧污泥產甲烷活性等[6]。糞便的Bo值（單位底物最大累積甲烷產量）是糞便管理溫室氣體排放和減排量核算中重要的特征參數(shù)[7]，常被用于畜禽糞便CH4排放因子的計算。但目前計算采用的Bo為IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值，不符合中國現(xiàn)階段的生產實際，并且缺省值適合用于區(qū)域清單研究，用于生豬養(yǎng)殖場豬糞管理甲烷評價常存在較大不確定性。盡管實測可以得到較為準確的Bo值，但 BMP測試試驗條件相對復雜，測試周期長，成本較高，可行性較低等特點，對于大部分養(yǎng)殖企業(yè)來說較難完成[8-9]，極大地影響了物料Bo值的獲取。近年來，國內涉及BMP測試下單一物料最大產甲烷潛力研究多傾向于為沼氣工程篩選適合物料，劉雙等[10]通過 BMP測試，獲得了小麥、水稻等多種農作物秸稈的厭氧消化產甲烷潛力，確定了其通過厭氧消化技術轉化為清潔能源的可行性；陸鳳成等[11]通過研究陳化玉米、葵花秸稈等在40 d發(fā)酵周期的產氣潛力，確定其應用于沼氣工程的可行性。另有一些研究集中于探究典型畜禽糞便與其他可行性物料的聯(lián)合產氣潛力[12-15]，周冠男等[16]以醋糟為原料，通過與豬糞、雞糞進行混合發(fā)酵，探究其最佳產氣組合的混合比例。對于典型畜禽糞便單一物料甲烷潛力研究較少，且部分研究時間久遠。

本試驗采用甲烷潛力測試系統(tǒng)（Automatic Methane Potential Test System，AMPTS II）對蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種主要畜禽糞便進行BMP測試，并用兩種動力學模型對糞便產甲烷過程進行擬合，以期獲得符合中國現(xiàn)階段畜牧生產實際的Bo值，為不同養(yǎng)殖場糞便管理甲烷評價提供參考。同時，根據(jù)試驗獲得的三種典型畜禽糞便的產甲烷潛力值計算其年甲烷產生潛力，為中國畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關政策制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種污泥

試驗所用新鮮蛋雞糞取自北京市延慶縣德青源生態(tài)園，奶牛糞取自河北省張家口市張北縣察北牧場，豬糞取自北京市順義區(qū)某規(guī)?；i場，送回實驗室后，對三種糞便基本特性進行檢測，剩余材料保存在4℃恒溫冰箱中備用。接種污泥取自北京市順義區(qū)某規(guī)?；i場常年正常運行的中溫沼氣工程發(fā)酵罐，取回后，（37±0.5）℃下中溫培養(yǎng)，利用AMPTS II的產氣體積監(jiān)測單元觀察產氣情況，培養(yǎng)一周后至不再產氣以減小背景產甲烷量，將其用作試驗接種物。三種糞便和接種污泥的理化性質如表1所示。

表1 試驗糞便及接種污泥特性Table 1 Characteristics of livestock manure and inoculated sludge used in the experiment

1.2 試驗裝置

全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)（AMPTSII，Bioprocess Control AB，瑞典）由樣品消化單元、CO2固定單元和氣體體積測定單元3部分組成（圖1）。樣品消化單元包括15個500 mL玻璃發(fā)酵瓶，有效容積為400 mL，用恒溫水浴鍋對發(fā)酵溫度進行控制。CO2固定單元包括 15個100 mL小玻璃瓶，每個小瓶可裝入一定量堿性溶液，以吸收厭氧消化單元產生的 CO2、H2S等酸性氣體，僅使CH4通過該單元。氣體體積測定單元根據(jù)液體位移與浮力原理設計，用于記錄、顯示和分析結果。

本試驗在CO2固定單元15個100 mL小玻璃瓶，每個小瓶裝入80 mL3 mol/L NaOH溶液，以吸收厭氧消化單元產生的CO2、H2S等酸性氣體，僅使CH4通過該單元。

1.3 試驗設計和運行

如表2所示。根據(jù)試驗設定的總固體濃度和接種比，分別在不同的發(fā)酵瓶中加入對應含量的豬糞和接種污泥，用去離子水補充到400 mL，用離子水與接種污泥混合液作空白處理，即CK處理。每組設置三個重復。物料裝進反應瓶后將瓶口用橡膠塞封住，連接機械攪拌，并將試驗各個單元用聚乙烯軟管連接。反應溫度控制在(37±0.5) ℃。試驗開始前，通氮氣2 min以除去液面上方空氣，制造厭氧環(huán)境。每間隔1 h攪拌一次，每次攪拌時長為5 min。試驗持續(xù)時間62～64 d不等。

表2 試驗工況表Table 2 Experimental conditions

1.4 樣品與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 檢測樣品和方法

總固體、揮發(fā)性固體用灼燒減重法測定[17]，測定溫度分別為105 ℃和550℃；pH值用數(shù)字pH計測定；化學需氧量（CODcr）采用HACHCOD 快速測定方法測定；生物需氧量（BOD5）利用 OxiTop IS6（WTW，Germany）測定；豬糞C、H、O、N含量用元素分析儀（PE-2400II）測定；氨氮按照HJ537-2009用蒸餾-中和滴定法測定[18]；甲烷總產量及日產量由 AMPTSII的氣體體積測定單元記錄。

1.4.2 采樣及數(shù)據(jù)處理

對試驗前和試驗結束后發(fā)酵液特性采樣進行檢測。甲烷總產量及日產量由AMPTSII記錄。發(fā)酵瓶中甲烷總產量扣除 CK處理的甲烷產量即為三種畜禽糞便厭氧消化的實際甲烷產量。根據(jù)獲得的甲烷日產量扣除CK處理的甲烷產量獲得日凈甲烷產量，將日凈甲烷產量逐天累加再除以發(fā)酵瓶中添加相應畜禽糞便的VS量即為三種畜禽糞便的單位累積甲烷產量。試驗中所有數(shù)據(jù)均取重復試驗的平均值作為最終結果進行分析計算。數(shù)據(jù)計算處理用Excel 2016進行，圖表制作利用Origin2021。利用一級動力學模型和修正的 Gompertz模型進行動力學分析。

一級的動力學模型為

式中M(t)為t時刻的甲烷累積產量，mL/g；Mmax為最終產甲烷潛力，mL/g；t為試驗時間，d；k為反應動力學常數(shù)。

修正的Gompertz模型為

式中M(t)為t時刻的甲烷累積產量，mL/g；Mmax為最終產甲烷潛力，mL/g；Rmax為最大產甲烷速率，mL/(g·d)；λ為遲滯期，d；t為發(fā)酵時間，d；e為常數(shù)（2.718 3）。

1.5 甲烷產生潛力計算方法

1.5.1 數(shù)據(jù)來源

畜禽糞便管理現(xiàn)狀排放因子及測算所需相關數(shù)據(jù)來自《2006年 IPCC 國家溫室氣體清單指南》。畜禽年末存欄量、不同養(yǎng)殖規(guī)模所占比重數(shù)據(jù)來自《中國畜牧獸醫(yī)年鑒2015》（中國畜牧獸醫(yī)年鑒編輯委員會）。Bo值來自本試驗測得的數(shù)據(jù)。

1.5.2 計算參數(shù)確定

畜禽生產周期。畜禽種類不同則生產周期也不相同。若生產周期大于一年，則飼養(yǎng)量為年末存欄量，生產周期為一年，即365 d。奶牛和母豬生產周期大于一年，按照一年計算，生豬生產周期為199 d。蛋禽飼養(yǎng)周期一般為一年，因此本文中蛋雞生產周期為365 d，將年末存欄量記為全年飼養(yǎng)量。

畜禽糞尿日排放系數(shù)。不同品種、不同區(qū)域及不同飼養(yǎng)方式下的畜禽糞便排泄系數(shù)會有差異，本文所用糞污排泄系數(shù)來自國務院第一次全國污染源普查領導小組辦公室給出的《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產排污系數(shù)手冊》。所涉及到的畜禽養(yǎng)殖產污系數(shù)如表3。

表3 畜禽養(yǎng)殖產污系數(shù)Table 3 Pollution production coefficient of livestock and poultry breeding (kg·(頭·d)-1)

糞便特征參數(shù)。包括糞便中產生的揮發(fā)性固體（VS）的數(shù)量以及該糞便中可產生的最大甲烷數(shù)量（Bo）。糞便VS產量基于畜禽糞便的實驗室檢測。Bo隨著家畜品種和飼喂方法而變化，是建立在糞便中VS數(shù)量基礎上的理論甲烷產量，本文中畜禽糞便Bo基于BMP試驗測試獲得。

1.5.3 糞便排放量及甲烷產生計算公式

糞便年產量是利用畜禽養(yǎng)殖產污系數(shù)乘以牲畜類別T的年飼養(yǎng)量來確定。具體計算公式如下：

式中M(T)為畜禽T糞便年產量，t；FP(T)為畜禽T產污系數(shù)，kg/(頭·d)；N(T)為畜禽T年飼養(yǎng)量，頭；t(T)為畜禽T糞便生產周期，d。

算出的畜禽T糞便年產量乘以畜禽類別T的VS排泄率及畜禽類別T的最大甲烷產率Bo。

式中EF(T)為畜禽T糞便年最大產甲烷潛力，kg；M(T)為畜禽T糞便年產量，t；VS(T)為畜禽T糞便的揮發(fā)性固體含量，%；Bo(T)為本文BMP試驗中測量獲得的畜禽T糞便產甲烷潛力，mL/g；0.67為1 m3CH4換算為1 kg CH4的換算系數(shù)，kg/m3。

2 結果與討論

2.1 不同糞便在厭氧發(fā)酵過程中的產氣速率變化情況

不同畜禽糞便單位底物的每日甲烷產率的逐時變化如圖2所示。由圖看出，蛋雞糞、奶牛糞、豬糞甲烷產率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。各組試驗啟動時間較短，均在第1天獲得產氣速率峰值，分別為87.86、60.53和102.51 mL/(g·d)。這與本試驗接種物取自運行良好的沼氣工程，接種物中功能微生物豐富且活躍有關[19]。奶牛糞組在第5天出現(xiàn)了第二個產氣峰值為11.12 mL/(g·d)，這可能是因為牛糞中含有比例相對較高的木質素類物質，木質纖維素有機質表現(xiàn)為較低的沼氣產量[20]。在反應初期，易生物降解的物質被降解，出現(xiàn)第一個產氣高峰，隨后木質素類物質被部分降解，出現(xiàn)第二個產氣小高峰。隨后，三種糞便日產氣量逐漸下降直至趨近于零。其原因是試驗啟動后畜禽糞便迅速降解，有機物含量隨著降解進程逐漸減少，降解速度逐漸減慢，甲烷日產量逐漸減小至趨近于零。CM、DM、SM累積甲烷產量達到總產甲烷量的90%時所用時間分別為8、25、13 d。試驗結束時，CM、DM、SM單位底物累積甲烷產量分別為326.01、172.28、375.29 mL/g。蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種畜禽糞便厭氧發(fā)酵TS去除率和VS去除率分別為50.7%、46.8%、64.8%和59.1%、56.4%、71.4%，由此可知，原料中存在的揮發(fā)性固體并非全部可以被微生物降解，有一部分實際是微生物難以降解的，因此，試驗中所測得的Bo值低于畜禽糞便理論甲烷潛力。

2.2 Bo值確定

不同畜禽糞便 BMP試驗發(fā)酵時長及其優(yōu)化結果如表4所示。CM、DM和SM三種物料的BMP1%（當日產甲烷量為累積甲烷產量的1%時的累積甲烷產量）分別為316.85、162.11、351.63 mL/g，三種畜禽糞便的 BMP1%均占到試驗結束時測得 BMP值的 90%以上，所以認為BMP1%作為厭氧發(fā)酵中物料產甲烷潛力是有效的。同時，由表4可知，達到BMP1%時所消耗的時長相比于依靠主觀判斷結束時間耗費時長節(jié)約了45.3%～76.6%，為BMP測試節(jié)省了更多的時間。用得到 BMP1%所耗時長作為試驗結束時間除相對縮短試驗時間外，同時使得BMP測試結果有了量化標準，更能客觀比較相同物料在不同發(fā)酵時間下的試驗結果。

表4 畜禽糞便在日產氣量不大于1%時和試驗結束時的BMP及試驗時長比較Table 4 Comparison of experiment duration and biochemical methane potential between experiment reaching daily biogas ≤1%and reaching end

BMP測試用于在厭氧條件下測定有機物料的生物可降解性及產甲烷潛力，越來越多的被應用于可進行沼氣生產的物料篩選。試驗中，發(fā)酵底物與富含多樣化微生物群落的接種污泥混合在厭氧條件下進行發(fā)酵，反應時間一般為 60 d[21-24]以上。因為缺乏統(tǒng)一標準，導致目前不同研究群體在BMP試驗中對于試驗結束時間的確定大多依賴實驗人員主觀判斷，對確定試驗獲得的最大甲烷產量也有不同的操作方法。相同物料在不同BMP試驗中獲得的Bo值也大不相同，導致試驗獲得的數(shù)據(jù)可用性大大降低。德國工程師協(xié)會2006年制定的有機物料發(fā)酵標準VDI4630中提到了將BMP1%作為BMP測試中獲得的甲烷潛力值，即時停止試驗[25]，此時獲得的累積甲烷產量即為該試驗物料的Bo值。

2.3 厭氧發(fā)酵動力學分析

利用一級動力學模型和修正的Gompertz模型[26-27]分別對甲烷產出過程進行曲線擬合，確定不同處理條件下甲烷產出過程的動力學常數(shù)，模擬發(fā)酵的動態(tài)過程，判斷發(fā)酵的遲滯期以及定量分析發(fā)酵底物的產甲烷潛能。

一級動力學模型是比較基礎常規(guī)的厭氧發(fā)酵產甲烷甲烷曲線擬合方程，通過一級反應速率微分方程進行變化得來，可用在常規(guī)甲烷產氣曲線（曲線無長遲緩期、無階梯型波動、無下降）擬合中。該模型形式簡單、易計算，但卻不適用于復雜曲線擬合。修正的Gompertz模型相比較而言更加復雜，可以用于對過程中有輕微波動、下降以及有遲緩期的產氣曲線進行擬合。

BMP試驗測得的蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種畜禽糞便的Bo值分別為0.33、0.17和0.38 m3/kg，與對應IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值0.24、0.13和0.29 m3/kg差別較大。這是因為IPCC給出的是全球各個地區(qū)的Bo缺省值，反應的是眾多養(yǎng)殖場的平均水平，針對每一個具體養(yǎng)殖場，其家畜品種、養(yǎng)殖結構及日糧等均有不同，導致其糞便成分相差較大，而糞便的Bo值大小只取決于糞便自身特性，如糞便有機碳含量等。在實際的BMP試驗中，試驗獲得的單位底物累積甲烷產量被認定為物料產甲烷潛力的近似值，而獲得精準的物料產甲烷潛力通常需要很長的試驗時間，不適用于生產實際。實際生產中，物料甲烷潛力的獲得通常通過BMP試驗和數(shù)學模型共同確定，在此過程中，還可以獲得產甲烷動力學參數(shù)，如產氣速率、遲滯期、動力學常數(shù)等，以此更直觀的了解厭氧發(fā)酵產甲烷過程。

三種畜禽糞便單位底物累積甲烷實際產量曲線及其用經典First-order模型和修正后Gompertz模型的擬合曲線如圖3所示，兩種模型的擬合參數(shù)見表5。總的來說，F(xiàn)irst-order模型和修正后的Gompertz模型的擬合精度均處于合理范圍內，均能較好地擬合三種畜禽糞便的產甲烷曲線，F(xiàn)irst-order模型和修正后的Gompertz模型的R2均大于0.9，且 BMP∞也均達到了試驗最終獲得累積甲烷產量的 90%以上。相比而言，F(xiàn)irst-order模型相對擬合精度高，但兩者獲得的產甲烷動力學參數(shù)差異并不顯著。兩種模型均可用于沼氣工程物料篩選的 BMP試驗模擬。

表5 First-order和修正的Gompertz方程的擬合參數(shù)Table5 The model parameters of the first-order kinetic model and modified Gompertz model

2.4 畜禽糞便甲烷產生潛力計算

根據(jù)IPCC 2006年《國家溫室氣體清單指南》，影響甲烷排放的主要因素是畜禽養(yǎng)殖場糞便產量和畜禽糞便無氧降解的比例。前者取決于畜禽的產污系數(shù)和畜禽數(shù)量，而后者取決于如何進行養(yǎng)殖場畜禽糞便管理。當糞便以液體形式存儲或管理時（例如，在化糞池、池塘、糞池或糞坑中），糞便無氧降解，產生大量的甲烷。儲存裝置的溫度和滯留時間極大地影響到畜禽糞便產生甲烷的量。當糞便以固體形式處理（例如堆積或堆放）或者在牧場和草場堆放時，糞便趨于在更加耗氧的條件下進行降解，產生的甲烷較少（IPCC，2006）。本文是對畜禽糞便最大甲烷產量進行估算，因此并未對畜禽糞便管理方式進行區(qū)分，均假設所有畜禽糞便進行無氧降解，以此為沼氣工程對溫室氣體減排的貢獻提供科學的評估依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

目前，由于缺乏相應試驗數(shù)據(jù)支撐，畜禽糞便管理過程中的甲烷排放估算過程中所采用的Bo值依舊是IPCC給出的固定數(shù)據(jù)，隨著畜禽品種和飼喂方法而變化，近年來，隨著中國畜牧養(yǎng)殖結構和飼料成分的變化，Bo也發(fā)生了相應的變化，IPCC給出的固定數(shù)據(jù)不再符合中國的生產實際。IPCC給出的亞洲地區(qū)牛糞和豬糞的Bo分別為0.24、0.13和0.29 m3CH4/kg，而本試驗得到的最大單位VS甲烷產率分別為 0.33、0.17和0.38 m3CH4/kg。根據(jù)公式（4），結合IPCC給出的固定值及本試驗測得的實際Bo值，計算出全國各省份三種主要畜禽糞便的甲烷減排潛力。具體計算結果見表6。如表6所示，各省份按照IPCC給出的Bo值和本試驗測得的Bo值估算出的三種主要畜禽糞便年甲烷產生潛力差異顯著，其中，河北省的蛋雞糞年產甲烷潛力為全國最高，為96.71 萬 t，內蒙古自治區(qū)奶牛糞年產甲烷潛力為全國最高，為48.83 萬 t，四川省豬糞年產甲烷潛力為全國最高，為147.14萬t。蛋雞糞年產甲烷潛力最小的是青海省，為 0.19 萬 t，海南省奶牛糞年產甲烷潛力為全國最小，為 0.02 萬 t，寧夏回族自治區(qū)豬糞年產甲烷潛力為全國最小，為2.17萬t。

表6 Bo值優(yōu)化前后畜禽糞便年產甲烷潛力Table 6 The annual biochemical methane potential before and after the optimization of B0 in China （萬t）

3 結 論

1）本試驗得到的蛋雞糞、奶牛糞和豬糞的三種畜禽糞便的單位底物累積甲烷產量分別為 0.33、0.17和0.38 m3/kg，與對應IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值0.24、0.13和0.29 m3/kg不一致。

2）基于 BMP試驗結束時間不確定，大多依賴實驗人員主觀判斷的現(xiàn)狀，提出將BMP1%作為BMP試驗結束標準，不僅相對縮短了試驗時間，而且使得BMP測試結果有了量化標準，更能客觀比較相同物料在不同發(fā)酵時間下的試驗結果。

3）利用First-order模型和修正后的Gompertz模型對三種畜禽糞便產甲烷曲線進行擬合，R2均在0.9以上，兩種模型均能較好的模擬三種畜禽糞便的厭氧發(fā)酵產甲烷過程，為不同地區(qū)不同養(yǎng)殖場畜禽糞便厭氧發(fā)酵甲烷潛力值的估算提供較為科學的方法。

綜上，試驗結果可以為畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程運行參數(shù)選擇、畜禽糞便甲烷排放系數(shù)的確定及科學評估糞便管理中厭氧發(fā)酵減排溫室氣體的貢獻提供較為科學的數(shù)據(jù)支撐，為我國畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關政策制定提供參考。