雞糞與玉米秸稈混合厭氧干發(fā)酵研究

＊高有清 劉笑宇 孟慶杰 劉志達(dá) 劉中軍

（沈陽(yáng)光大環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?遼寧 110000）

引言

能源是各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)，但隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)的日益加劇，生物質(zhì)能受到了廣泛關(guān)注與研究。厭氧發(fā)酵技術(shù)能夠有效地利用大量的生物質(zhì)資源，并產(chǎn)生CH4這種清潔能源，從而緩解嚴(yán)峻的能源危機(jī)。我國(guó)畜禽糞便年產(chǎn)量約為10.9億噸，農(nóng)作物秸稈大約9億噸[1]。因此，高效的處理農(nóng)作物秸稈與畜禽糞是我國(guó)亟待解決的重要問(wèn)題，提高農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便的綜合利用率，不僅有利于解決環(huán)境污染問(wèn)題，還能緩解嚴(yán)峻的能源危機(jī)，也是可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)有之義[2]。

厭氧聯(lián)合發(fā)酵技術(shù)能夠稀釋抑制物與有毒組分，增加有機(jī)質(zhì)的含量，充分利用反應(yīng)器的體積調(diào)節(jié)C/N[3]，并且增強(qiáng)過(guò)程的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)進(jìn)料的水分含量，從而提高雞糞和秸稈的利用效率，解決單一底物發(fā)酵效率低下的問(wèn)題，符合我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色農(nóng)業(yè)的需求，對(duì)發(fā)展社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展有著重要作用，對(duì)于解決我國(guó)的能源問(wèn)題有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1.材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料及裝置

新鮮雞糞：取自北票宏發(fā)食品有限公司旗下東官黃古屯肉雞養(yǎng)殖基地，為成年白羽肉食雞新鮮糞便。

污泥：取自沈陽(yáng)市北部污水處理廠活性污泥脫水后含水率80%的剩余污泥，取回后馴化24h。

四聯(lián)30L厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)器、小型厭氧消化罐、氣體流量計(jì)、恒溫水浴鍋、多功能水質(zhì)分析儀等。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

雞糞秸稈混合厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)方式為中溫靜態(tài)厭氧發(fā)酵加定期攪拌，設(shè)備為四聯(lián)30L厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，如圖1所示。連續(xù)式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置罐體材料為進(jìn)口316L不銹鋼，罐體總?cè)莘e為30L，實(shí)驗(yàn)過(guò)程有效容積為20L。四組反應(yīng)器分別投加3000ml污泥進(jìn)行接種，各組物料投加量見(jiàn)表1：

圖1 連續(xù)式厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 連續(xù)式各組實(shí)驗(yàn)物料配比

實(shí)驗(yàn)主要分析研究日產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量、pH、COD、氨氮、VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）等參數(shù)的變化規(guī)律[4]。

(3)檢測(cè)方法

TS含量采用重量法進(jìn)行測(cè)定；COD濃度采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定；氨氮（NH4+-N）濃度采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測(cè)定；揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度采用分光光度計(jì)比色法進(jìn)行測(cè)定；pH值采用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定[5]。

2.結(jié)果與討論

(1)產(chǎn)氣特性分析

圖2和圖3反映了連續(xù)式實(shí)驗(yàn)中日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量的變化，連續(xù)式實(shí)驗(yàn)從第7d開(kāi)始穩(wěn)定進(jìn)料，7～24d為每3d加一次料，25～30d為每?jī)商旒右淮瘟希?1～90d為每天加一次料，91d～實(shí)驗(yàn)結(jié)束為每天加兩次料。圖2可以看出實(shí)驗(yàn)初始前6d日產(chǎn)氣量變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，此時(shí)的日產(chǎn)氣量與系統(tǒng)中有機(jī)物含量有關(guān)，在此階段的封閉環(huán)境中微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解，日產(chǎn)氣量的變化與系統(tǒng)中SCOD變化趨勢(shì)相同。7～24d日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出鋸齒狀且有規(guī)律的變化，可以看出加完料的第1d產(chǎn)氣量達(dá)到峰值，隨后兩天產(chǎn)氣量明顯下降，原因是系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷潛力比預(yù)期較高，每次加入系統(tǒng)的物料不能夠滿足微生物3d的穩(wěn)定產(chǎn)氣量，微生物一直處于饑餓階段[6]，于是在25～30d開(kāi)始每?jī)商旒右淮瘟?，此時(shí)的產(chǎn)氣量有所提升，但依舊有規(guī)律的呈現(xiàn)出鋸齒狀變化；從第31d開(kāi)始，在每日進(jìn)料條件下，各組實(shí)驗(yàn)的日產(chǎn)氣量均有明顯的上升，但隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，TS逐漸升高，系統(tǒng)pH逐漸下降，pH調(diào)節(jié)過(guò)程中NaOH添加量較少，酸化較為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致日產(chǎn)氣量大幅下降；隨著加堿量的提高產(chǎn)氣逐漸恢復(fù)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第90d時(shí)，開(kāi)始每天加入兩次物料，產(chǎn)氣量逐漸上升，平均日產(chǎn)氣量均能達(dá)到45L左右。

圖2 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)日產(chǎn)氣量變化圖

圖3 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)氣量變化圖

(2)pH的變化情況

圖4反映了連續(xù)式實(shí)驗(yàn)中pH的變化，可以看出各組試驗(yàn)的初始pH均在6.5～7之間，隨時(shí)間的進(jìn)行各組實(shí)驗(yàn)的pH均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中10%秸稈添加組（55℃）pH下降幅度較大，在第30d左右pH就已降到5以下，由于pH下降過(guò)快抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中的產(chǎn)氣狀況較差。隨著加料頻率的提高，系統(tǒng)內(nèi)大分子有機(jī)物在分解轉(zhuǎn)化為脂肪酸的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量游離的H+導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)pH下降[7]，可以看出在50～70d之間10%秸稈組（37℃）和20%秸稈組（37℃）pH下降到5～5.5之間，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的日產(chǎn)氣量平均為1～2L，產(chǎn)氣效率較低。

圖4 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)pH變化曲線

(3)COD及氨氮濃度變化情況

圖5和圖6反映了連續(xù)式實(shí)驗(yàn)中COD和氨氮濃度的變化，由圖5和圖6可以看出，在實(shí)驗(yàn)前7dCOD含量和氨氮含量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這是由于前7d實(shí)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)料和出料，在此封閉階段，COD含量隨著微生物的降解作用從35000mg/L下降到18000mg/L，氨氮含量從945mg/L下降到800mg/L；當(dāng)pH降低到5～5.5之間時(shí)，日產(chǎn)氣量也達(dá)到最低值，此時(shí)的COD和氨氮含量也達(dá)到最大值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后期到達(dá)穩(wěn)定階段后，COD相對(duì)穩(wěn)定并呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)，氨氮在后期出現(xiàn)較大波動(dòng)，原因可能是隨著進(jìn)料量的提高，有機(jī)物不斷積累導(dǎo)致水解產(chǎn)生氨氮的速率大于氨氮的消耗速率，使氨氮含量不斷提高[8]。

圖5 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)COD濃度變化曲線

圖6 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)氨氮濃度變化曲線

(4)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的變化情況

圖7反映了揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出VFAs的變化與厭氧發(fā)酵過(guò)程中水解酸化速率、產(chǎn)甲烷菌的降解效率有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)初期水解發(fā)酵細(xì)菌群將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為大量VFAs和游離的H+，導(dǎo)致VFAs含量逐漸上升，并與pH呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始間斷式加料時(shí)，VFAs濃度也出現(xiàn)了間斷式的變化趨勢(shì)，但總體處于上升勢(shì)態(tài)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始不間斷式連續(xù)加料后，VFAs濃度逐漸趨于穩(wěn)定19.07mg/mL，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌對(duì)揮發(fā)性脂肪酸和H+的利用效率大致等于進(jìn)料有機(jī)物的水解酸化效率，使整個(gè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于一個(gè)平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致VFAs濃度趨于穩(wěn)定。

圖7 連續(xù)式實(shí)驗(yàn)VFAs濃度變化曲線

3.結(jié)論

少量秸稈的添加能夠提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率，待實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)氣達(dá)到穩(wěn)定后，10%秸稈添加組和20%秸稈添加組產(chǎn)氣量大致相等，但10%秸稈添加組實(shí)驗(yàn)后期VFAs變化更加穩(wěn)定，COD降解速率相對(duì)較高，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)料方式為上進(jìn)下出，20%的秸稈添加量會(huì)使秸稈膨脹現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致出料困難，推薦連續(xù)式實(shí)驗(yàn)中10%秸稈添加量為最佳配比。