不同牲畜粪便厌氧发酵产沼气性能研究

秦文弟， 黄凌志， 蒋湖波， 徐铁纯， 宋贤冲， 李金怀， 伍 琪

(广西壮族自治区林业科学研究院， 广西 南宁 530002)



不同牲畜粪便厌氧发酵产沼气性能研究

秦文弟， 黄凌志， 蒋湖波， 徐铁纯， 宋贤冲， 李金怀， 伍 琪

(广西壮族自治区林业科学研究院， 广西 南宁 530002)

为提高牲畜粪便厌氧发酵产沼气速率和综合利用率，文章以猪粪和牛粪及其混合物作为发酵原料，在常温条件下(25℃～35℃)进行厌氧发酵产沼气试验。结果表明：猪粪、牛粪及其混合物在发酵65 d内的累积产气量为15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3，单位TS产气率为0.33 m3·kg-1TS，0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS，池容日平均产气率为0.16 m3·m-3d-1,0.055 m3·m-3d-1和0.12 m3·m-3d-1。猪粪甲烷含量在发酵开始9 d时稳定到50.0%以上，牛粪在发酵开始3 d时即达到57.5%，此后一直在50.0%以上，其混合组在发酵开始4 d时即达到59.7，此后一直在55.0%以上。不同牲畜粪便混合发酵能克服其单独发酵性能的不足之处，也是提高牲畜粪便产沼气速率和综合利用率的有效途径。

牲畜粪便； 厌氧发酵； 沼气； 混合发酵

集约化、规模化养殖业的快速发展，使得牲畜粪便的产生量逐年增加，由于其无害化处理和资源化利用率低，引发了一系列严重的生态环境问题。因此，合理有效地处理、处置和利用这些牲畜粪便已成为急待解决的问题。目前，牲畜粪便的处理和处置方法众多，其中厌氧发酵产沼气技术是广泛接受、优先选择的方法[1-2]。但是，牲畜粪便厌氧发酵产沼气往往存在产气速率和综合利用率偏低的问题[3-4]，再加上各地自然生态环境条件不同，其产气率和综合利用率也差别极大[5]。同时，单一发酵原料沼气产量和甲烷含量一般也会低于混合发酵原料[6]。因此，笔者以广西区牲畜粪便及其混合物在常温条件下(25℃～35℃)进行厌氧发酵产沼气试验，并分析其产气性能，旨在为提高牲畜粪便的产沼气速率和综合利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

发酵原料为新鲜猪粪、新鲜水牛粪及其混合物，均取自广西壮族自治区林业科学研究院附近的养殖场。接种物为常温厌氧发酵沼气池的沼液，取自广西壮族自治区林业科学研究院沼气基地猪粪为原料的沼气池中正常发酵产气3个月以上的沼液。发酵原料和接种物性质见表1。

表1 发酵原料和接种物性质

1.2 试验装置

沼气发酵装置为自制的简易沼气发酵装置，为圆柱形，主体直径为1.3 m，高1.5 m，其发酵区有效容积为1.5 m3。因为沼气发酵不仅受气温影响，而且与发酵装置是否向阳、背风、埋置地下的深度等因素有关，因此所有试验装置均放置于广西壮族自治区林业科学研究院沼气基地荫棚内地面上，以避免外界环境因子对不同组试验结果的干扰。

1.3 试验设计

试验设3组处理，分别为新鲜猪粪组、新鲜牛粪组及其混合组(新鲜猪粪和新鲜牛粪1∶1混合)。每个沼气发酵装置内装入150 kg发酵原料，100 kg沼液和200 kg自来水。试验时间为2014年7月10日～9月12日，在常温(25℃～35℃)条件下发酵反应进行65 d。采用一次性投料，运转周期内不添加新料。

1.4 试验方法

(1)总氮和有机碳的测定：总氮采用凯氏定氮法测定；有机碳采用重铬酸钾氧化法测定[7]。

(2)总固体含量(TS)和挥发性固体含量(VS)的测定：TS采用105℃±2℃烘干恒重法测定；VS采用550℃±5℃条件下灼烧至恒重称量法测定。

(3)产气情况测定：采用气体流量计(宁波津宁仪表有限公司，JB1.6)，从试验启动，每天定时记录各沼气发酵系统的沼气日产气量，并用沼气分析仪(武汉四方光电科技有限公司，Gasboard-3200P)每天定时测定沼气中甲烷含量，单位TS产气率(m3·kg-1TS)参照文献[8]的方法计算。

(4)料液pH值测定：料液的pH值采用pH计(上海精科实业有限公司，PHS-3C)测定。

(5)发酵液温度及气温测定：采用普通酒精混合物温度计测定。

2 结果与讨论

2.1 累积产气量

猪粪组、牛粪组及其混合组在发酵65 d内的累积产气量分别为15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3。由图1看出，试验启动第1 d猪粪组、牛粪组及其混合组均开始产生气体，但此时甲烷产量很低(见图2)，30 d后猪粪组产气量明显高于混合组，主要原因是由于猪粪组的干物质含量高于混合组，因此在发酵后期其产气量高于混合组。同时，牛粪组的累积产气量从发酵开始第5 d后就远远低于混合组，说明猪粪和牛粪混合发酵，其效果远好于其单独发酵。有研究报道，与单一发酵原料发酵产沼气相比，家畜粪便与秸秆混合可以有效地提高沼气产量[9]。研究还发现污水污泥与屠宰猪场废弃物复合厌氧发酵的效果也远好于其单独发酵[10]。笔者在研究中也发现，猪粪和牛粪混合发酵，其产气效果远好于单一发酵；而且当猪粪与牛粪混合发酵时，还能稳定发酵过程，特别是猪粪发酵初期易酸化的问题，有效保证了发酵过程中甲烷含量，进而稳定了产气过程。可见，单一发酵原料混合后进行混合发酵可有效地提高发酵原料产气量和甲烷含量，还可避免单一原料发酵过程中产生的不利影响，进而能高效地提高牲畜粪便厌氧发酵的产沼气速率和综合利用率。因此，在实际生产中应将单一发酵原料进行适当的混合后再进行发酵，以此提高其产沼气产量及质量。

图1 牲畜粪便厌氧发酵过程中的累积产气量

2.2 单位TS产气率

因累积产气量受到发酵负荷的影响大，因此，常用单位TS产气率来表现厌氧发酵的优劣[8]。在整个发酵过程中，猪粪组、牛粪组及其混合组的单位TS产气率分别为0.33 m3·kg-1TS,0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS；从投加到发酵装置内的干物质含量来看，混合组的干物质含量远低于猪粪组而高于牛粪组，而单位TS产气率却与猪粪组的极为接近而远高于牛粪组。这些结果可以进一步表明单一发酵原料混合后进行混合发酵其效果要好于其单一发酵。

2.3 甲烷产量

沼气中甲烷含量的高低直接影响到沼气的品质，一般甲烷含量达到50%以上足以保证沼气的燃烧品质[11]。由图2,图3得知，发酵开始后，猪粪组、牛粪组及其混合组的甲烷含量均迅速上升，牛粪组在发酵第3 d时甲烷含量达到57.5%，且此后甲烷含量一直保持在50%以上；猪粪组在发酵开始第5 d时甲烷含量达到55.9%，但在第8 d时又降到46.1%，第10 d时又重新上升到50.2%，此后一直保持在50%以上。这可能主要是由于猪粪在发酵初期有一个较为严重的产酸过程，导致甲烷菌数量或活性减少[12]，进而致使发酵第8 d时甲烷含量又降到50%以下。混合组甲烷含量在发酵第4 d时达到59.7%，此后一直保持在50%以上。这些结果充分表明，猪粪和牛粪混合发酵可缓冲猪粪单独发酵在发酵初期的产酸过程，能充分保证整个发酵过程中沼气的品质。

图2 牲畜粪便厌氧发酵过程中累积甲烷产量变化

图3 牲畜粪便厌氧发酵过程中甲烷含量变化

2.4 温度与产气量和产气率的关系

温度是影响沼气日产气量和决定沼气厌氧发酵产气率高低的关键因素[13-14]，适宜温度条件下发酵菌繁殖旺盛，活力强，发酵原料分解和甲烷生成的速度快，产气多[15]。由图4可看出，无论是猪粪组、牛粪组还是其混合组，厌氧发酵装置内温度均随气温变化而变化，且厌氧发酵装置内温度与气温变化规律基本一致；但发酵装置内温度由于受厌氧发酵产生热量的影响，其变化幅度小于气温。从图4～图6综合来看，在产气高峰期，气温、猪粪组、牛粪组及其混合组厌氧发酵装置内温度与日产气量和池容日产气率均呈正相关，主要原因就是气温影响装置内温度，装置内温度最终决定日产气量和池容日产气率。同时，在产气高峰期，猪粪组、牛粪组及其混合组的日产气量和池容日产气率的波动都较大，主要是试验在常温条件下进行，产气情况直接受气温影响，从而导致其波动较大。这些结果也与我们前期关于食用菌菌渣产沼气情况一致[16]。因此，温度是影响牲畜粪便产气量和产气率的关键因素，增加保温或增温措施(特别在低温时)是提高牲畜粪便厌氧发酵产沼气日产气量和产气率的关键。在整个试验中，猪粪组厌氧发酵日产气量为0.013～0.505 m3，平均日产气量为0.237 m3；池容日产气率为0.009～0.337 m3·m-3d-1,平均池容日产气率为0.158 m3·m-3d-1；牛粪组厌氧发酵日产气量为0.032～0.137 m3，平均日产气量为0.082 m3，池容日产气率为0.021～0.091 m3·m-3d-1，平均池容日产气率为0.055 m3·m-3d-1；混合组厌氧发酵日产气量为0.033～0.494 m3，平均日产气量为0.174 m3，池容日产气率为0.022～0.329 m3·m-3d-1，平均池容日产气率为0.116 m3·m-3d-1。

图4 牲畜粪便厌氧发酵过程中的发酵装置内温度与气温变化

图5 牲畜粪便厌氧发酵过程中日产气量的变化

图6 牲畜粪便厌氧发酵过程中池容日产气率的变化

3 结论

(1)猪粪和牛粪混合厌氧发酵，其产气效果远好于其单一发酵；而且当猪粪与牛粪混合发酵时，还能稳定发酵过程中，特别是猪粪发酵初期易酸化时的甲烷含量，进而稳定了其产气过程。单一发酵原料混合后进行混合发酵可有效地提高发酵原料产气量和甲烷含量，还可避免单一原料发酵过程中产生的不利影响，进而能高效地提高牲畜粪便厌氧发酵的产沼气速率和综合利用率。。

(2)猪粪、牛粪及其混合组厌氧发酵日产气量和日产气率受温度的影响较大。气温、发酵装置内温度与日产气量和日产气率均呈正相关，产气高峰期气温越高，日产气量和日产气率也越高。

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Biogas Production Performance of Different Livestock Dung /

QIN Wen-di， HUANG Ling-zhi， JIANG Hu-bo, XU Tie-chun， SONG Xian-chong， LI Jin-huai, WU Qi /

(Guangxi Zhuang Autonomous Region Forestry Science Research Institute，Nanning 530002，China)

Anaerobic fermentation test was done with pig dung, cow dung and their mixtures as raw material at ambient temperature of 25℃～35℃， and the daily biogas yield，cumulative biogas yield，methane yield, change of methane content, and biogas production rate based on TS were investigated. The results showed that, after 65 days of anaerobic fermentation, the cumulative biogas production of 150 kg of pig dung, cow dung and their mixtures were 15.42 m3, 5.33 m3and 11.30 m3respectively, the biogas production rates based on TS were 0.33 m3·kg-1, 0.19 m3·kg-1, and 0.30 m3·kg-1, and daily average biogas production rate were 0.16 m3·m-3d-1, 0.055 m3·m-3d-1and 0.12 m3·m-3d-1,respectively. The methane content of biogas from the pig dung was above 50% after 9 days fermentation, that from cow dung reached 57.5% after 3 days fermentation,and maintained above 50% till the end of the experiment, and that from mixture dung reached 59.7% after 4 days fermentation, and maintained above 55% till the end of the experiment. These results indicated that mixed fermentation of livestock dungs could overcome the disadvantages of the sole material, improving the biogas production rate and comprehensive utilization.

livestock dung; anaerobic fermentation; biogas; mixed fermentation

2015-09-07

2015-10-27

项目来源： 广西林科院基金项目(林科201406)； 广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻14124004-3-6)

秦文弟(1977- )，女，副研究员，主要从事环境微生物方面研究工作，E-mail: zjqinwd2006@163.com

S216.4; X713

B

1000-1166(2016)04-0037-04