菌糠與不同種類原料混合對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響

丑三濤，徐 攀，朱曉利，李 敏

（1.濰坊理工學(xué)院，山東 濰坊 261000；2.山東祿禧大盛環(huán)保科技有限公司，山東 濰坊 261000）

隨著我國畜牧業(yè)及食用菌產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的畜禽糞便及蘑菇培養(yǎng)廢料（菌糠）。厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理畜禽糞便和農(nóng)業(yè)廢棄物的有效途徑之一，能實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理與多層次資源化的利用，還能產(chǎn)生沼氣，用于熱電聯(lián)產(chǎn)或生物天然氣，維持農(nóng)業(yè)生態(tài)化可持續(xù)發(fā)展[1]。目前有關(guān)菌糠與畜禽糞便混合發(fā)酵的系統(tǒng)研究在國內(nèi)外少有報(bào)道，將菌糠與畜禽糞便結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)資源化利用及無害化處理具有重大意義。本次試驗(yàn)以菌糠和雞糞、牛糞、鴨糞為原料，采用厭氧發(fā)酵方式，研究不同原料之間混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力，確定菌糠與不同原料間最佳產(chǎn)氣工藝參數(shù)，為解決能源短缺、碳減排，提高菌糠和畜禽糞便的利用率[2]，促進(jìn)沼氣工程事業(yè)快速發(fā)展提供理論支撐[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

發(fā)酵原料為菌糠和雞糞、牛糞、鴨糞。菌糠取自東營沃德豐生物科技有限公司培養(yǎng)完雙孢菇、平菇的廢渣；雞糞取自濰坊立華牧業(yè)股份有限公司；牛糞取自山東合力牧業(yè)有限公司；鴨糞取自安丘市大盛鎮(zhèn)養(yǎng)鴨戶。發(fā)酵原料理化屬性見表1。表1 中，TS（Total Solids）為總固體；NH4-N 為氨氮；COD（Chemical Oxygen Demand）為化學(xué)需氧量。

1.2 試驗(yàn)裝置

厭氧發(fā)酵小型試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)裝置Fig.1 Anaerobic fermentation test equipment

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用300 L 連續(xù)式厭氧發(fā)酵小試裝置進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)，發(fā)酵方式為連續(xù)式厭氧發(fā)酵，發(fā)酵周期為30 d，試驗(yàn)裝置由玻璃罐和鋁箔集氣袋組成，玻璃罐口用橡膠塞密封，設(shè)有出氣口用來連接鋁箔集氣袋收集氣體。本試驗(yàn)共設(shè)置3 組，試驗(yàn)編號分別為菌糠與雞糞混合（A1）、菌糠與牛糞混合（A2）、菌糠與鴨糞（A3）混合，進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)，以m（原料TS）∶m（接種物TS）=1∶2的比例混合，用清水進(jìn)行混料攪拌,發(fā)酵液中TS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，發(fā)酵溫度為40 ℃。發(fā)酵過程中每天取發(fā)酵料液與氣體樣品，檢測分析厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵料特性指標(biāo)變化，包括pH 值、揮發(fā)性脂肪酸和碳酸氫鹽堿度比（VFA/TIC）值、NH4-N。從產(chǎn)氣開始，利用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量日產(chǎn)沼氣量，利用沼氣分析儀檢測氣體成分含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同組pH值對厭氧發(fā)酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發(fā)酵隨反應(yīng)時(shí)間越長，A1組發(fā)酵料液pH值整體呈現(xiàn)下降趨勢（K=-0.004 4），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第8 天出現(xiàn)最大值7.81，在第26 天出現(xiàn)最小值7.5；A2組發(fā)酵料液pH 值呈微上升趨勢（K=0.001 5），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第5天出現(xiàn)最大值7.97，在第1 天出現(xiàn)最小值7.68；A3組發(fā)酵料液pH 值呈現(xiàn)上升趨勢（K=0.005 1），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第21 天出現(xiàn)最大值7.97，在第1天出現(xiàn)最小值7.57。

2.2 不同組VFA/TIC比值對厭氧發(fā)酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發(fā)酵隨反應(yīng)時(shí)間越長，A1組發(fā)酵料液VFA/TIC 比值整體呈現(xiàn)上升趨勢（K=0.000 6），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第23 天出現(xiàn)最大值0.39。A2組發(fā)酵料液VFA/TIC 比值呈微下降趨勢（K=-0.000 5），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第9 天出現(xiàn)最大值0.47。A3組發(fā)酵料液VFA/TIC 比值呈現(xiàn)上升趨勢（K=-0.001 7），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第10天出現(xiàn)最大值0.51。

2.3 不同組NH4-N值對厭氧發(fā)酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發(fā)酵隨反應(yīng)時(shí)間越長，3 組發(fā)酵料液NH4-N 均呈現(xiàn)上升趨勢，其中3 組試驗(yàn)NH4-N 值上升速度先后順序?yàn)锳1＞A3＞A2。其中，A1組發(fā)酵料液NH4-N值整體上升速度最快（K=49.397），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第30天出現(xiàn)最大值2 778.06 mg/L。A2組發(fā)酵料液NH4-N值呈微上升趨勢（K=2.881 3），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第9 天出現(xiàn)最大值2 770.55 mg/L。A3組發(fā)酵料液NH4-N 值呈現(xiàn)上升趨勢（K=21.993），在厭氧反應(yīng)試驗(yàn)第29天出現(xiàn)最大值2 549.77 mg/L。

2.4 不同組厭氧發(fā)酵CH4濃度變化分析

沼氣是一種以CH4和CO2為主要成分的混合氣體，還有少量的H2S、O2等氣體。甲烷濃度是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣反應(yīng)指標(biāo)中的重要參數(shù)之一，它可以直接反映厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌活性、有機(jī)酸轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)氣性能，間接反映厭氧發(fā)酵料液的可生物降解性以及厭氧反應(yīng)器中微生物的降解能力。

3 組試驗(yàn)日產(chǎn)甲烷濃度由高到低順序如下：A2＞A3＞A1，在整個(gè)發(fā)酵過程中，3組日產(chǎn)甲烷濃度沒有顯著變化，每組試驗(yàn)甲烷濃度變化比較穩(wěn)定，其中，A2組甲烷體積分?jǐn)?shù)平均保持在62.54%，在第25天出現(xiàn)峰值64.76%；A3組甲烷體積分?jǐn)?shù)平均保持在60.38%，在第26天出現(xiàn)峰值62.35%；A1組甲烷體積分?jǐn)?shù)平均保持在56.8%，在試驗(yàn)第2天出現(xiàn)峰值58.24%；A2組日產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)在初始階段變化較大，試驗(yàn)前9 天呈下降狀態(tài)，在第10 天出現(xiàn)最低值60.24%，試驗(yàn)后期甲烷體積分?jǐn)?shù)值逐漸回升；A3組日產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)在前9 天保持在60.11%左右。之后呈上升—下降—上升—下降的M 型波動(dòng)狀態(tài)。A1組日產(chǎn)甲烷濃度試驗(yàn)前18天甲烷濃度變化較為平穩(wěn)，平均維持在57.47%，從第18 天開始出現(xiàn)波動(dòng)，呈下降—上升—下降—上升的W型波動(dòng)狀態(tài)。

2.5 不同組厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性變化分析

3組厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)中，A3組累積日產(chǎn)氣量最高，平均累計(jì)日產(chǎn)氣量為5 328.58 L/（kg·d），經(jīng)過對比3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，A3組累積日產(chǎn)氣效率比A1、A2組分別提高了21.05%、12.58%，可能與發(fā)酵原料按比例混合后的理化屬性有關(guān)。菌糠具有碳氮比高、pH 值低、發(fā)酵過程易酸化的特點(diǎn)[7]，為了調(diào)節(jié)碳氮比，提高甲烷含量及產(chǎn)氣量，經(jīng)過與雞糞、牛糞、鴨糞混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵[8]。菌糠與不同原料混合發(fā)酵時(shí)，可以改變物料特性[9]，能更好地發(fā)酵。從累積日產(chǎn)氣量表明，A3組混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率最好，因?yàn)榫泛网喖S的產(chǎn)氣性能可以相互補(bǔ)充，混合后的原料的碳氮比得到了較好調(diào)節(jié)，這有助于增加系統(tǒng)中微生物的多樣性和數(shù)量。

3 結(jié)論

（1）通過對3 組發(fā)酵料液pH、VFA/TAC 兩種因素檢測分析可知：發(fā)酵料液pH 值在7.5～7.82、VFA/TAC 比值在0.2～0.5波動(dòng)不會(huì)影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)，并且根據(jù)3組試驗(yàn)得出pH值變化與VFA/TIC 比值成反比，pH 值升高，VFA/TIC 比值會(huì)降低，pH值降低，VFA/TIC比值會(huì)升高。通過這2項(xiàng)指標(biāo)可有效監(jiān)控厭氧發(fā)酵料液反應(yīng)過程中有機(jī)酸積累及進(jìn)料比例失調(diào)問題。

（2）通過分析3組發(fā)酵料液NH4-N值變化可知：發(fā)酵料液NH4-N值越高，會(huì)不同程度地影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)氣品質(zhì)。

（3）通過對3 組發(fā)酵料液CH4與產(chǎn)氣綜合分析可知：3 組試驗(yàn)在厭氧反應(yīng)條件一定的情況下，甲烷濃度最優(yōu)順序?yàn)锳2＞A3＞A1，產(chǎn)氣量最優(yōu)順序?yàn)锳3＞A2＞A1。