溫度與pH對靜態厭氧發酵產甲烷的影響

王法武 劉德新 陳浩 黃世臣

摘要 [目的] 篩選靜態厭氧發酵產甲烷的最佳試驗條件。[方法] 自行研制甲烷厭氧發酵裝置生物反應器，以牛、兔和熊的糞便為發酵物料，對甲烷產生的最適溫度、物料發酵初始pH以及物料的初始碳氮比對甲烷產生的影響進行研究。[結果] 發酵溫度為35 ℃，物料的初始pH為7時可獲得最大的甲烷產量，牛糞的碳氮比最適合發酵產甲烷氣。改變發酵溫度和物料初始pH對總產氣量有影響，但對發酵周期影響不大。[結論] 該研究可為利用家畜糞便制造沼氣提供理論依據和參考。

關鍵詞 溫度;pH;甲烷;厭氧發酵

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11839-03

Effects of Temperature and pH Value on Methane Yield during Process of Static Anaerobic Fermentation

WANG Fa-wu1， LIU De-xin2， CHEN Hao2， HUANG Shi-chen2*

（1.Agricultural Science and Technology Promotion Station， Fusong， Jilin 134500; 2.Department of Agricultural Resources and Environment， Agricultural College of Yanbian University， Yanji， Jilin 133002）

Abstract [Objective] The research aimed to screen the optimum experimental conditions of static anaerobic fermentation for the production of methane.[Method] The bioreactor of producing methane was developed. Then taken wastes of cow， rabbit and bear as fermentation material， the effects of temperature， initial pH and ratio of carbon and nitrogen on methane yield were studied.[Result] The results showed that the most yield of methane could be harvested under conditions with temperatureof 35 ℃ and the fermentation initial pH value of 7. The ratio of carbon source to nitrogen source was an important parameter affecting yield of methane. The cow dung was the best material for producing methane under static anaerobic fermentation.[Conclusion] This study could provide theoretical references for the methane production with animal wastes as meterials.

Key words Temperature; pH; Methane; Anaerobic fermentation

作者簡介 王法武（1974-），男，吉林撫松人，高級農藝師，從事農技推廣研究。*通迅作者，副教授，博士，從事生物修復研究。

收稿日期 2014-10-16

當前，能源危機和環境污染問題已越來越為人們所關注，廢棄物的再生和能源化成為人們目前關注的熱點。近年來，我國畜禽養殖業發展迅速，畜禽養殖數量和規模不斷擴大，其中糞便的產量也不斷加大，遠遠超過了自然分解能力[1]。在大面積堆放過程中，還會產生溫室氣體——CO2和CH4，如果能將這些所謂的“廢棄物”合理地進行處理，并將產生的氣體收集起來，將是一個很大的資源。目前國內相對農業上產生的廢棄物，如作物秸桿[2]、牲畜和家禽的糞便[3-4]、有機生活垃圾[5]等用來生產生物能源的研究和實踐已經取得了可喜的成績。中國天然氣資源很緊缺，而能替代天然氣的沼氣的巨大資源潛力尚未被廣泛認識和認真地開發，研究表明，中國產業沼氣具有相當于年產900億m3天然氣的開發潛力，是很有前景的生物質能源[6]。

該研究利用小型自制厭氧發酵反應裝置，研究了3種發酵物料在不同溫度和不同發酵物料初始pH下，沼氣產生的速度和日產生量，以期為利用家畜糞便制造沼氣提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1

物料的采集。取新鮮的牛糞、兔糞和熊糞作為發酵物料，物料均收集自延邊大學農學院動物養殖場，牛、免的食物來源主要為青草，熊的食物來源主要是市售的以玉米、大豆等制成的飼料。

1.1.2

接種物。以牛糞經厭氧發酵的殘余物作為接種物。

1.2 甲烷生產裝置的設計與組裝

試驗裝置設計如圖1所示。

圖1 靜態厭氧發酵生產甲烷裝置示意

1.3 物料總有機碳和全氮的測定

物料總有機碳和全氮的測定分別用外加熱法和半微量凱氏法[7]。

1.4 溫度對甲烷產量影響的測定

恒溫發酵溫度分別設為30、35、40 ℃。取新鮮的牛糞、兔糞、熊糞各200 g，加100 g接種物和150 ml水于500 ml三角瓶中混均后，將其置于恒溫水浴培養器內，按圖1所示連接，用排水法和燃燒法測定每日的產氣量，每個處理3次重復。

1.5 pH對甲烷產量影響的測定

物料的混配同“1.4”，混勻后用精密pH計將物料的初始pH用0.1 M的NaOH或HCl分別調制為5、6、7、8、9，然后將發酵瓶置于35 ℃恒溫水浴鍋內培養，每個處理3次重復。

2 結果與分析

2.1 物料總有機碳、全氮含量

經測定，不同物料總有機碳及全氮含量見表1。由表1可見，牛糞的總有機碳含量高于兔糞和熊糞的，兔糞和熊糞的總有機碳含量相當;三者的全氮含量相差不大。牛糞的碳氮比最高。

2.2 溫度對不同物料發酵產甲烷的影響

在靜態厭氧發酵條件下，以牛糞、兔糞和熊糞為發酵物料，不同溫度下的甲烷日產量見圖2。由圖2可知，不同溫度下甲烷產生的規律相同，即甲烷的產生與培養時間的關系呈正態分布曲線狀。以牛糞作為發酵物料甲烷日產量（38 ml）明顯高于兔糞（28 ml）和熊糞（26 ml），以兔糞和熊糞作為發酵物料的日產氣量相當;3種物料均在35 ℃條件下最有利于甲烷的產生，不同物料均在發酵處理6 d時達到最大日產氣量;產氣周期約為14 d。

表1 不同物料總有機碳及全氮含量

注：A為牛糞，B為兔糞，C為熊糞。

圖2 溫度對不同物料發酵產甲烷的影響

2.3 pH對不同物料發酵日產甲烷量的影響

3種物料不同初始pH對發酵日產甲烷量的影響見圖3。由圖3可以看出，產甲烷菌群對物料的初始pH十分敏感。物料初始pH為7，日產氣量最高，偏酸或偏堿環境均不利于甲烷的產生，初始物料的pH高于8時，產氣量近乎為零。在物料的初始pH為7時，其最大日產氣量為50 ml，明顯高于相同溫度（35 ℃）下牛糞自然發酵最高日產氣量（35 ml），但在最適的pH下，不能提高甲烷的最大日產量，也不能對發酵產氣量到達最高時間和產氣周期產生影響。

注：A為牛糞，B為兔糞，C為熊糞。

圖3 pH對不同物料發酵日產甲烷量的影響

2.4 最適溫度與pH下3種物料總產氣量比較

3種物料在最適的pH和溫度條件下厭氧發酵18 d的總產氣量如圖4所示。由圖4可以看出，以牛糞為發酵物料時產甲烷量最多（318.5 ml），顯著高于兔糞（208.6 ml）和熊糞（209.4 ml）處理，兔糞和熊糞處理的總產氣量無顯著差異。

圖4 3種物料在最適pH與發酵溫度下的總產氣量

3 結論

在恒溫靜態發酵條件下，最適的溫度為35 ℃，發酵物料的最適初始pH為7，可獲得最高的甲烷產量，碳氮比對甲烷產量的影響明顯。最適的發酵溫度和物料初始pH對甲烷生產的周期沒有影響。適時選用牛糞便厭氧發酵后殘余物作為接種物可實現發酵零啟動，可明顯縮短產氣周期。

4 討論

在厭氧發酵生產甲烷的過程中，產甲烷菌對溫度極其敏感[8]，也是產甲烷氣的限速步驟，除溫度外，物料的pH、物料的碳氮比及其氮的形態[9]，以及反應器中溶解氧的濃度都是影響甲烷生產的主要因素。試驗中得到的最適厭氧發酵溫度35 ℃與眾多文獻報道的一致[9-14]，選用牛糞發酵殘余物作為接種物在最適的發酵溫度下可實現零時間啟動，故可大大縮短發酵周期。雖然如此，天然飼料也會因水體、土壤等的污染導致某些抑制甲烷氣體產生的物質存在，從而使最適碳氮比和發酵條件下的產氣量不高，因此有必要對物料中其他抑制性化學物質進行適當的檢測和處理，以減少其造成的不利影響。

參考文獻

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