不同处理对猪粪干法厌氧发酵产气性能的影响

郭全忠

(安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000)

随着规模养猪场数量和规模的增加，养猪场废弃物产生量相应增加，大量粪便排放使环境污染日趋严重，并且严重影响人类的健康[1，2]。规模养猪场废弃物的无害化处理中，以肥料化和能源化利用技术为主，肥料化利用主要采用好氧发酵堆肥生产有机肥，能源化主要采用沼气发酵技术。沼气发酵属厌氧发酵工艺，厌氧发酵是指在厌氧环境条件下，借助微生物群体降解有机物质并产生沼气的一个复杂过程，由于猪粪中富含有机成分，通过厌氧发酵能高效地转变为沼气[3～5]，该工艺具有既消减污染，又回收能源的优点，因而广泛用于猪场粪便的处理。厌氧发酵分为湿发酵和干发酵，目前各规模养猪场普遍采用湿发酵技术，而干发酵技术因具有更高的池容有机负荷率、节约用水、处理成本低、管理方便等优点，日渐广泛地应用于处理农作物秸秆、畜禽粪便、城市有机废弃物等[6]。

干法厌氧发酵是指干物质质量分数大于15%的厌氧发酵处理工艺，主要应用于污泥、垃圾、农业秸秆等方面的资源化处理，但关于以猪粪为原料进行干法厌氧发酵技术研究报道相对较少。刘刚金等[7]研究认为，猪粪干发酵启动及产气率受温度影响较大。宋香育等[8]采用猪粪与秸秆混合进行干发酵试验认为,在总固体含量TS 为20%的中温厌氧干发酵试验中，猪粪秸秆混合发酵及分层接种、渗滤液回流等工艺措施在调控挥发性脂肪酸积累及提高VS产甲烷量等方面均具有明显的作用。盛迎雪等[9]以猪粪为原料进行了中试试验研究,认为干发酵系统表现较好的稳定性,沼气含量也未出现异常现象,说明以猪粪为原料进行干法厌氧发酵在生产中是可行的。但是，关于多因素对猪粪干法厌氧发酵综合产气性能的影响相关研究报道较为鲜见，笔者研究试图从温度、接种率及粪草比等方面综合考虑，以期为规模养猪场干法厌氧发酵技术的推广应用提供技术支持。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验所用发酵底物猪粪采自安康市阳晨养殖场，玉米秸秆取自阳晨养殖场附近农田，猪粪和玉米秸秆成分见表1。

表1 猪粪和玉米秸秆成分

选用阳晨养猪场沼气发酵液作为接种物,用塑料瓶密封保存且途中保持密闭运输,当天根据试验处理要求添加至厌氧装置中。

2.2 试验装置

试验装置见图1，试验采用自制的厌氧发酵装置，由控温装置、厌氧发酵装置、气体收集装置和溶液收集装置4部分组成。装置主要由2个采用橡胶塞密封的1 000 mL三角瓶和1 000 mL细口瓶，与1 000 mL的广口瓶组成。通过橡胶塞打孔，在这些孔上插入玻璃管作为连接口，然后用橡胶管连接到一起，保证达到试验所要求的厌氧环境。其中三角瓶作为发酵瓶，细口瓶作为集气瓶，广口瓶作为集水瓶。试验过程中通过产气情况来确定发酵周期。

试验温度调节：采用生化培养箱(SPX-250B-Z)，将干法厌氧发酵装置放到此发酵箱，通过生化培养箱提供的温度来满足试验过程中所需的环境温度。

图1 厌氧干发酵装置示意

2.3 试验方案

试验共设9个处理，每个处理设3个重复。选择温度为18℃、35℃、55℃三个温度条件，同温度下设定20%、30%、40%三个不同接种率和1:1、1:2、1:3三个不同猪粪/玉米秸秆比，其中猪粪与玉米秸秆混合干物质总重量为150 g，占供试发酵物总重量的30%。具体试验方案见表2。

表2 试验方案

2.4 测定方法

产气量采用排水集气法计算产气量：吸收瓶中装入0.5 mol·L-1的NaOH，经过NaOH吸收后出来的气体，其甲烷浓度为99.8%[10，11]，剩余的厌氧干发酵产生的甲烷气体会置换出等体积的NaOH溶液到集水瓶中，根据测定置换出来的NaOH溶液的体积，就可以确定厌氧干发酵产生甲烷气体的体积。试验从2018年5月5日正式启动后，每天记录两次产气量，早上10点与下午5点用量筒测量排出来水的体积作为产气量，并进行记录，当天两次测量的数据之和来表示日产气量(mL)，用日产气量来分析试验过程中每日产气量的变化，同时累计产气量(mL)用日产气量来计算，试验过程中产气量变化规律用累积产气量来分析。

发酵液pH值测定：从2018年5月5日开始每天测定两次pH值，早上10点与下午5点采用FE28型pH计测定发酵液的pH值，两次测定的平均值作为当天发酵液的pH值。

TS测定：发酵试验结束后，干物质(TS)采用烘干法[12]测定。

3 结果与分析

3.1 不同处理对猪粪干法厌氧发酵产气量的影响

3.1.1 对日产气量的影响 不同处理的日产气量变化如图2所示。处理4～处理9从试验开始第3天即开始产气，而处理1～处理3启动较晚，第7天才开始产气。从产气的第二天开始统计日产气量，由图2可以看出，处理4～处理9中，日产气量从第二天的不足200 mL·d-1逐日增加，到第10天左右达最高峰并维持一段时间后开始逐日下降，到第20天时下降到200～600 mL·d-1，呈抛物线型变化趋势；处理8即温度为55℃、接种率为30%、猪粪/玉米秸秆比为1：2条件下的日产气量始终高于其它5个处理，其它5个处理日产气量变化呈交替变化状态。处理1～处理3日产气量始终处于较低水平，不足100 mL·d-1，也未出现产气高峰。

温度条件对猪粪干法厌氧发酵启动速率影响明显。18℃下发酵启动慢，产气效率低，中温和高温下发酵启动快，产气效率高。此结果与郭建斌等[13]的研究结果较为接近，说明温度条件是影响猪粪干法厌氧发酵启动的主要因素。

3.1.2 对日累积产气量的影响 每日之前各处理产气量之和作为日累积产气量，分析日累积产气量变化情况(见图3)，由图3可知，处理8日累积产气量始终处于最高值；处理7和处理9较为接近，小于处理8但高于其它处理；在处理4～处理6中，处理4、处理6二个处理较接近，略高于处理5。处理1～处理3三个处理日累积产量较为接近，均明显小于其它6个处理。

图2 不同处理条件下日产气量变化情况

图3 不同处理条件下日累积产气量变化情况

刘荣厚等[14]研究认为，中温(37℃)累积产气量都高于高温(52℃)和室温试验组，笔者研究发现，中温(35℃)和高温(55℃)条件下累积产气量高于低温(18℃)，但高温累积产气量高于中温，与其研究结果有一定差异，可能与接种量和C/N比不同有关系。

3.1.3 对20日总产气量的影响 对各处理20日总产气现(图4)，温度为18℃条件下的处理1～处理3三个处理20日产气总量均最低，不足2 000 mL。温度为35℃条件下的处理4～处理6三个处理总产气量在8 000～10 000 mL之间，温度为55℃条件下的处理7～处理9三个处理总产气量在12 000～115 000 mL之间，其中处理8总产气量最高达14 489 mL。

图4 不同处理20日总产气量

低温(18℃)条件下，3个处理总产气量差异不明显，中温(35℃)条件下，处理5的总产气量明显低于处理4和处理6，高温(55℃)条件下3个处理的总产气量与中温条件表现相反的规律，处理8明显高于处理7和处理9。干法厌氧发酵产气量除受温度影响外，接种率及C/N比二因素在不同温度条件下对产气量会产生不同的影响，厌氧发酵底物C/N比值应该在20～30之间,碳氮比过高与过低均、都会引起有机底物产气量或产气速率的降低[15]。底物中木质纤维素浓度的高低都会影响底物的可降解性,并最终影响到产气过程[16]。

3.2 不同处理对猪粪干法厌氧发酵过程中pH变化的影响

不同处理对猪粪干法厌氧发酵过程中pH变化的影响如图5所示。处理1～处理3在整个发酵过程中其pH值呈缓慢下降趋势，始终保持在7.00 以上。处理4、处理5、处理7、处理8和处理9在产气后的前5 d呈快速下降趋势，最低达5.3，随后维持在5.3～6之间，第14天开始缓慢回升，到20 d时又达到6以上。而处理6在7日前呈缓慢下降，7～15日9 d中快速下降，15日后两次缓慢上升，与处理4、处理5、7处理、处理8和处理9各处理在pH变化上出现较大差异，其产生原因有待进一步研究。

图5 不同处理的发酵液pH值变化情况

pH值会影响发酵液中微生物的活性，研究表明，甲烷菌的适宜pH值为6.8～7.8，pH值低于6．7时，甲烷菌活性受到抑制[17]，研究中发酵启动时pH值高于7.0，随着发酵时间的延续，当pH值在5.7左右时，日产气量达最高峰，之后pH值出现小幅回升。

3.3 不同处理对猪粪干法厌氧发酵底物TS降解率的影响

不同处理对猪粪干法厌氧发酵底物TS降解率的影响如图6所示。温度对发酵底物降解率影响最显著，随着温度的升高，发酵底物TS降解率相应升高。在相同温度条件下的不同处理，发酵底物TS降解率也表现一定的差别。在18℃条件下的处理1～处理3中，处理2(接种率为30%，猪粪/秸秆比1∶2)的TS降解率最低，仅为13.79%。但在35℃和55℃两个温度条件下，TS降解率最高值却出现在接种率为30%，猪粪/秸秆比1：2配方中，即35℃下处理5最高，55℃下处理8降解率最高，说明随着温度的升高，接种率和猪粪/秸秆比对发酵底物TS降解率的影响越大。

图6 不同处理的TS降解率变化情况

4 结论

(1)对产气量的影响。温度是影响猪粪干法厌氧发酵启动速度和产气量的主要因素，18℃的低温条件下的三个处理，不论是启动速度较35℃和55℃条件启动晚4 d，且日产气量和20日累积产气量均低于35℃和55℃各个处理。随着温度的升高，各温度条件下的日产气量和20日累积产气量相应升高，温度55℃、接种率30%、猪粪与玉米秸秆混合配比为1:2的产气量最高，达到14 489 mL。

(2)产气量情况也受接种率和猪粪/秸秆比的影响，特别是底物C/N比对产气量影响较大，C/N比值太高,发酵菌所需氮量不足，就会使得微生物生存受到影响，并且反应液缓冲能力降低；C/N比值太低,氮量过多,使得微生物分解有机物会受到限制，但在相同温度条件下其影响规律尚需进一步研究。

(3)对pH值和发酵底物TS降解率的影响。产气速率快，产气量大的处理中，pH值出现较大变化，表现先抑后扬的趋势，而18℃条件下的三个处理pH值变化也较小。发酵底物TS降解率主要受总产气量的影响，总产气量越高的处理，其TS降解率也越高。