物料濃度(TS)對豬糞厭氧消化的影響*

彭景權 楊 梅 李裕榮 劉永霞

(1.貴州省環境科學研究設計院， 貴陽 550081； 2.貴州省農業科技信息研究所， 貴陽 550006)

物料濃度(TS)對豬糞厭氧消化的影響*

彭景權1楊 梅1李裕榮2劉永霞1

(1.貴州省環境科學研究設計院， 貴陽 550081； 2.貴州省農業科技信息研究所， 貴陽 550006)

在實驗室室溫條件下，采用20 L自制厭氧發酵裝置，設置物料濃度(TS)分別為1%、2%、3%、4%和6%的豬糞水進行厭氧消化試驗，觀測其對豬糞厭氧消化的影響。結果表明：豬糞發酵液的TS與初始COD、TN、TP和NH3-N的初始濃度成正比，至試驗結束，豬糞COD和TN含量低于初始濃度，NH3-N和TP含量高于初始濃度。在試驗范圍內豬糞的總產氣量隨TS升高而增加；但總產氣率與TS并不成正比。從產氣開始時間、穩定度以及產氣率綜合考慮，TS 6%的豬糞發酵較好；從資源化利用來看，TS低于3%不利于持續性產氣，且啟動時間較長。此外，溫度對豬糞厭氧發酵產氣有較大影響，環境溫度變幅超過±5℃時，整個厭氧消化過程停止產氣。

豬糞；厭氧消化；物料濃度TS；產氣量

厭氧消化處理技術是指在無游離氧的條件下，以厭氧微生物以及兼氧微生物為主降解復雜的有機污染物，產生以甲烷為主的可燃燒和可回收利用的消化氣的一種無害化的處理方法[1]?，F如今此技術正廣泛應用于畜禽廢棄物的處理中，因為它不僅能夠降低畜糞廢棄物對環境產生的污染，還能夠產生能源物質——沼氣，為農業牧業提供養料，是畜禽廢棄物無害化、資源化最有效的處理方法[2-4]。

物料濃度(TS)是影響厭氧發酵的重要因素之一。國內外研究表明：TS越高，產氣速率越快；但TS太高就會引起揮發酸、NH3-N等中間產物積累，甲烷菌的發酵環境發生改變，抑制了甲烷菌的生長，從而影響厭氧消化的產氣效率[5-11]。

據國家統計局發布，2014年全國生豬出欄73 510萬頭，同比增長2.7%[12]，怎樣科學高效地處理豬場糞水，防止環境污染，目前已成為社會高度關注并亟需解決的問題。本試驗是在實驗室室溫條件下，選取新鮮的豬糞，研究不同豬糞TS對厭氧消化效率的影響，以期為大中型養殖規模沼氣工程生產的控制參數的選擇提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

采用20 L具塞廣口玻璃瓶作為發酵瓶，并在橡膠塞上鉆出取樣口與輸氣孔，與排水集氣瓶(選用具塞廣口玻璃瓶)相連，鉆出進氣口與導水孔，導水的玻璃導管要通至玻璃瓶底部，其后與集水瓶相連，其均用玻璃導管與硅膠管連接，并用凡士林密封如圖1。

圖1 厭氧發酵裝置

1.2 試驗材料

本試驗采用新鮮豬糞便為材料，糞便采集地為貴州某大學養豬場的新鮮糞便。試驗用糞便的理化指標見表1。

表1 糞便理化指標

注：糞便理化指標pH值、TN、NH3-N、TP及COD值的測定均是將新鮮樣品用去離子水按固液比1:10在200 r/min轉速下振蕩1 h，靜置30 min，過濾經離心機以5 000 r/min離心30 min，取上清液用定量濾紙過濾，后按廢水國標方法分析測定。

1.3 試驗設計

以新鮮豬糞為材料，去除雜物后將豬糞進料設置物料濃度(TS)分別為1%、2%、3%、4%、6%；每個處理設置3個平行，裝入20 L(有效容積為18 L)的發酵瓶中，在常溫下進行厭氧發酵培養90 d。根據測定指標的反應變化，除產氣量記錄90 d，其余指標記錄60 d結束。

主要分布于渠道沿線表層，南薄北厚，層厚0.1～5.0m，干強度低，韌性低。局部存在小礫石夾層。根據土工試驗，該層滲透系數3.0×10-4cm/s，內聚力c=11kPa，內摩擦角φ=28°。

1.4 測定指標

產氣量利用排水集氣法每天下午16:00定時測量。各指標每5天取樣檢測，為使混合均勻，進行人工搖晃后靜置半小時后取樣。每天下午16:00記錄發酵裝置所處的環境溫度。TS采用烘干法測定；pH值采用雷磁pHS-3C精密pH計(GB 6920—86)測定；COD值采用重鉻酸鉀消解法(GB 11914—89)測定；TN值采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89)測定；NH3-N采用納氏試劑分光光度法(GB 7479—87)測定；TP采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定；每天固定時間搖晃發酵瓶100下，以使發酵液混合均勻，有利于排氣。

2 試驗結果和分析

2.1 厭氧消化過程中pH值的變化情況

由圖2可以看出：不同TS條件下豬糞厭氧消化過程中pH值的總體大致規律均是先降低后逐漸升高，變化范圍在5.52～7.23之間，這同厭氧發酵過程(水解-酸化-產沼氣)[13-14]的變化規律相一致。豬糞初始pH值均在7.53～8.21之間，偏堿性。TS 6%的發酵料液pH值在第20 d降至最低(由8.21降至6.27)，此后開始不斷上升，最后穩定在7.20左右；1%、2%、3%與4%試驗組的初始pH值相差不大，整個反應期間的變化規律也一致，均在第20 d降至最低值，之后開始上升，至試驗結束穩定在6.5～7.3范圍內。

圖2 厭氧消化過程中pH值的變化情況

產酸菌對pH值適應范圍較寬，多數產酸細菌可在5.0～8.5的pH值范圍內生長，一些產酸菌在pH值小于5.0仍可以生長[15]。相比較而言，甲烷菌的pH值最佳適應范圍較窄(6.5～7.8左右)，在5以下厭氧消化則完全受到抑制[16]。所以應嚴格控制厭氧過程中發酵液中的pH值的變化范圍。整個試驗組均滿足產氣所要求的酸堿環境。

2.2 豬糞厭氧消化過程中COD值的變化情況

如圖3，進料TS越高，起始COD值越大。厭氧消化開始后，5組試驗均先呈下降趨勢，5 d后均緩慢上升，在試驗20 d達到高峰值，其中6%TS實驗組最高達到13 361 mg/L。之后各組COD值開始呈下降趨勢，在50 d降至最低值。5組實驗在反應結束后，COD削減率按TS由低到高排列依次為39.3%、19.2%、21.8%、13.1%、51.4%。

圖3 厭氧消化過程中COD值的變化情況

COD去除率反映了厭氧消化系統中有機物的去除情況，只要能夠被強氧化劑氧化的物質都可以COD表現出來，所以測得的COD包括有機物的同時也包括無機物，且有機物又包括易被生物降解的有機物與難被生物降解的有機物。通常所說的厭氧發酵主要就是分解和轉化易被生物降解的有機物[17]。厭氧發酵是多種微生物協同代謝的過程，各種厭氧菌群的共同作用有助于有機物質的降解和轉化，其中包含碳水化合物、蛋白質與脂肪等多種復雜有機質的分解代謝。在各厭氧菌群的代謝過程中，產生的大量甲酸、乙酸和原子氫等中間產物，使VFA的濃度增高。這在一定程度上會影響COD去除率，使COD去除率在反應過程中不總是隨著反應的進行逐漸降低。有報道認為蛋白質水解酸化后COD并不降低反而增加[18]，并且在常溫下，產酸菌(其中包括丁酸梭菌和其它梭菌、乳酸桿菌和革蘭氏陽性小桿菌等)的代謝速度比甲烷菌的代謝速度快得多[17]，有可能在發酵周期結束時，仍剩余一部分有機酸未被轉化而影響COD去除率，所以在發酵開始時必須慎重選擇料液濃度，使揮發性脂肪酸的生成和消耗能夠保持平衡，不致發生酸積累[19]。

2.3 厭氧消化過程中TN含量的變化情況

圖4 厭氧消化過程中TN含量的變化情況

2.4 厭氧消化過程中NH3-N含量的變化情況

由圖5可以看出，不同TS條件下豬糞NH3-N在厭氧消化過程中的變化規律大體一致。起始NH3-N含量隨TS由高到低依次遞增，在發酵開始5 d內，NH3-N急劇上升，達到第一個峰值，之后短暫下降后再呈緩慢穩定上升狀態。整個反應過程，6%TS試驗組變化幅度最大，由初始NH3-N值為265.10 mg/L上升至667.37 mg/L，至試驗結束，NH3-N含量基本均高于初始濃度。

圖5 豬糞厭氧消化過程中NH3-N含量的變化情況

2.5 厭氧消化過程中TP含量的變化情況

由圖6可以看出，不同TS條件下，TP含量總體隨著反應的進行呈先急劇上升后下降，之后再上升，最后趨于穩定的變化趨勢。起始TP值隨TS由高到低依次遞增，且TP含量變化幅度也受TS的影響較大，TS越大，變化幅度越大。其中TS為6%的反應組由初始TP值為198.794 mg/L上升至525.13 mg/L，TS為1%的反應組由初始TP值為70.61 mg/L上升至97.94 mg/L，其余三組居中，至試驗結束，終止TP含量均高于初始濃度。

圖6 豬糞厭氧消化過程中TP含量的變化情況

2.6 不同物料濃度厭氧消化對產氣性能的影響

試驗結果見圖7和表2，從產氣時間來看，除1%組在第6 d開始產氣，其余4組均在第3 d開始產氣；從總產氣量來看，在試驗濃度范圍內產氣量隨TS升高而增加；但從TS總產氣率來說，并不是TS越高，總產氣率越高，1%組雖然總產氣量不高，但總產氣率為16.34%，2%組總產氣率最低為11.65%，3%組與4%組總產氣率相當，6%總產氣率最高，達到22.43%。

圖7 厭氧消化對產氣性能的影響

由圖7可以看出，產氣量受溫度波動影響較大，在試驗前期，溫度一直不穩定，20天后溫度從25℃降至18℃，產氣一度中止，至42 d時溫度才開始緩慢上升，產氣開始恢復，但到52 d時溫度忽然從20℃上升至28℃，產氣同樣受到嚴重影響。反應后期溫度始終保持在25±1℃，產氣開始恢復正常。

表2 不同豬糞發酵濃度厭氧消化總產氣量與TS產氣率

3 結果與討論

(1) 豬糞發酵液的物料濃度(TS)影響初始COD、TN、TP、NH3-N的初始濃度，TS與初始COD、TN、NH3-N與TP含量成正比；至試驗結束，豬糞COD和TN含量低于初始濃度，NH3-N和TP含量高于初始濃度。

(2) 在試驗范圍內，豬糞的總產氣量隨發酵TS升高而增加；但TS總產氣率與TS并不成正比。從產氣開始時間、穩定度以及總固體產氣率綜合考慮，認為試驗范圍內，TS為6%的豬糞發酵較好；從資源化利用來看，TS低于3%不利于持續性產氣，且啟動時間較長。

(3) 溫度對豬糞厭氧發酵產氣有較大影響，環境溫度變幅超過±5℃時，整個厭氧消化過程停止產氣。因此在實際運用中，要注意控制環境溫度變幅過大問題。由于我省農村家用沼氣池多建于地下，受地溫影響很大，根據貴州省多年平均氣溫統計，通常最冷月(1月)平均氣溫多在3～6℃，使池內溫度隨之降低，必須采取保溫和增溫措施，才能保證沼氣微生物的正?；顒?，以利于正常產氣。

(4) 在產氣試驗中，TS 6%豬糞發酵90 d產氣停止，總產氣量為24.227 L，發酵罐有效容積18 L，相當于1 000 kg干糞產氣22.42 m3。李裕榮等[20]用1 000 kg豬糞加水6 m3放入8 m3戶用高效曲流布料發酵池進行發酵分解直持續平穩產氣長達150 d；史金才等[21]用1 000 mL玻璃發酵罐發酵100 g豬糞干糞，得出20 d內豬糞的產沼量為1 964 mL，相當于1 000 kg干糞產氣19.6 m3。本試驗結果與他們的結論相差較大，一是可能由于糞便的質量差異，李裕榮等使用的糞便是曬干的新鮮糞便，史金才等使用的是經過預發酵過的，而本試驗的糞便為新鮮的糞便；另一方面的原因，可能是由于發酵容器大小、發酵環境的溫度、以及物料濃度(TS)等影響因素的不同，從而導致結果的差異。

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Influence of Material Concentration(TS) On Anaerobic Digestion of Swine Manure

Peng Jingquan1，Yang Mei1， Li Yurong2，Liu Yongxia1

(1.Guizhou Institute of Environmental Science and Designing，Guiyang，Guizhou 550081; 2.Guizhou Agricultural Science and Technology Information Institute, Guiyang，Guizhou 550006, China)

Lab-scale experiment was conducted by using anaerobic fermentation devices for 20 liters under room temperature to investigate the influence of swine manure material concentrations (TS) with 1%, 2%, 3%, 2%, and 6% on anaerobic digestion. The results show that TS and initial COD, TN, TP and NH3-N in fermented liquid of swine manure are proportional to initial concentration. Until end of test, COD and TN contents are lower than initial concentration while NH3-N and TP contents are higher than that of initial. Total biogas production increases with the increase of TS, but total biogas production rate is disproportionate to TS. Comprehensively taking factors such as biogas starting time, stability, and biogas production rate into consideration, TS of 6% ferments completely. While from the view of resource utilization, TS less than 3% can't produce biogas continuously and take longer to start. In addition, temperature has great influence on anaerobic fermentation for biogas production. The anaerobic digestion process will be terminated if temperature variation amplitude exceeds +/-5℃.

Swine manure, Anaerobic digestion, Material concentration, Biogas production

* 貴州省社會發展攻關項目“畜禽養殖廢棄物綜合利用研究及應用”(黔科合SZ字(2009)3005); 貴州省農業科學院專項“沼肥在有機農業中的應用研究與示范”[黔農科院專項(2009)025]；貴州省科技廳創新能力建設項目“農作物系統模擬研究”[黔科合農G字(2009)4010]；貴州省科技廳農業攻關項目“用于水肥一體化的液體肥研制與示范研究”黔科合NY[2013]3076號

2015-07-06； 2015-07-12修回

彭景權，男，1982年出生，工程師，碩士，研究方向：環境咨詢。E-mail: jingquanp@126.com

劉永霞，高級工程師，研究方向：環境保護。E-mail:. yongxialiu@163.com

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