混合畜禽糞便配比率對高溫厭氧共發酵的影響

郭廣亮，蘇小紅，范超，劉偉，王欣

（1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150090）

混合畜禽糞便配比率對高溫厭氧共發酵的影響

郭廣亮1，2，蘇小紅1，2，范超1，劉偉1，2，王欣1，2

（1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150090）

通過在牛糞中按不同比例添加雞糞或豬糞進行高溫（55℃）厭氧發酵試驗，并對發酵過程中pH值、COD去除率、日產氣量以及甲烷含量4個重要參數進行監測分析，探尋最優甲烷產量條件。結果表明，在牛糞中添加30%雞糞或在牛糞中添加50%豬糞時可以獲得較高的甲烷產量，產甲烷總量分別為43 477.6m L和42 187.6m L。

牛糞；雞糞；豬糞；高溫厭氧發酵

1　材料與方法

1.1材料來源

本實驗采用新畜禽糞便為發酵原料，新鮮牛糞取自黑龍江省松花江奶牛場，新鮮雞糞取自黑龍江省哈爾濱市呼蘭正大養雞場，新鮮豬糞取自黑龍江省哈爾濱市宏達養豬場。

1.2實驗裝置

圖1　厭氧發酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofanaerobic ferm entation device

我國畜牧業發展迅速，大量的畜禽糞便對環境產生了巨大危害，將畜禽糞便資源化，使其從污染源轉變為新能源具有十分深遠的現實意義，符合人與環境之間的可持續發展策略［1］。將畜禽糞便進行厭氧消化處理可以有效減少其對環境的污染，實現其無害化及資源化，成為寶貴的能源物質［2，3］。高溫條件下的厭氧發酵比常溫發酵具有更強的有機質降解力，可以降低發酵過程中揮發性物質的產量，從而提高發酵池的工作性能［4］。目前對于單一原料的發酵已經積累了大量研究成果，從理論體系到應用技術都已發展成熟，但人們漸漸發現不同原料的混合發酵可以得到更加理想的發酵效果［5，6］。

雞糞和豬糞富含有機質，具有較高的降解潛力，但是在發酵過程中往往由于碳氮比與微生物生長需求不符而難以獲得較高的發酵效率［7］。牛糞是公認的碳氮比適合微生物生長繁殖的發酵原料，但是牛糞中的營養物質卻相對較少，大量的粗纖維難以被微生物降解，造成發酵效率降低。由于這些原料的組成特點具有互補性，本試驗以牛糞為基本原料，以不同的比例加入雞糞或者豬糞，進行55℃高溫混合厭氧發酵，并通過典型的指標測定，對發酵過程進行監測，從而確定雞糞與

1.3實驗設計

試驗分兩組進行，分別研究牛糞與雞糞，牛糞與豬糞混合厭氧發酵產氣性能，每組中做兩個重復，發酵罐為5 L廣口瓶，有效容積為4 L。罐內接種物l L，接種物取自哈爾濱市某污水處理廠運行穩定的活性污泥，發酵液按總固體含量（TS）為8%配制，發酵周期15d，采用單相序批式厭氧發酵工藝，其中牛糞與雞糞混合發酵：在牛糞中添加一定比例的雞糞進行厭氧消化性能的研究，雞糞添加量分別為0%、30%、50%、70%、100%。

牛糞與豬糞混合發酵：在牛糞中添加一定比例的豬糞進行厭氧消化性能的研究，豬糞添加量分別為0%、30%、50%、70%、100%。

對牛糞中添加其他糞便按添加比例進行編組：A組，添加0%其他糞便；B組，添加30%其他糞便；C組，添加50%其他糞便；D組，添加70%其他糞便；E組，添加100%其他糞便。表1為不同配比下混合糞便的碳氮比。

表1　不同配比下混合糞便的C/NTab.1 Variation ofC/N in different proportion

1.4測定方法

1.4.1產氣量的測定

測定產氣量時應用向下排水法的原理。在裝有水的水槽內倒置一個裝滿水的1 000mL量筒，將導氣管插入量筒內，測量排出的水量，獲得產氣量。

1.4.2pH值測定

pH值的測定采用便攜式酸度計進行，型號為雷磁PHS-3C，精度為0.01，每天測定1次。

1.4.3COD值的測定

COD采用重鉻酸鉀法測定。

1.4.4甲烷含量測定

沼氣是混合氣體，包括主成分CH4和CO2，以及少量H2S、CO、H2、和NH3。本試驗所產生的沼氣采用島津公司GC-2010氣相色譜儀進行測量氣體成分，并用歸一法進行定量分析。

2　結果與分析

2.1雞糞與牛糞混合厭氧發酵特性

在雞糞與牛糞混合厭氧發酵的過程中，不同的混合比例使pH值、COD去除率、日產氣量和甲烷含量發生了明顯的變化。在對pH的測定中發現（圖2），所有比例試驗組（A、B、C、D、E）在發酵進行的前2d內受到水解酸化作用的影響導致pH值迅速下降，原因是發酵原料在經歷水解酸化作用一段時間以后，產氫產酸菌將部分高分子化合物降解，產生低分子化合物，其中包括揮發性脂肪酸（VFA）以及有機酸等。在接下來的過程中，甲烷細菌逐漸適應發酵環境，代謝效率提高，脂肪酸被大量降解，與此同時，氨化作用增強，使pH值回升，在發酵進行到第4d左右時，各組pH回升至初始水平，之后小幅平穩上升。整個過程中各組pH值均在6.4～7.8，可以滿足厭氧發酵的要求，其中C組和D組變化過程更加平穩，發酵過程pH值更接近中性，更適于發酵反應進行。

COD去除率是認識發酵系統內有機質去除情況的重要參數，厭氧發酵本身是多種不同微生物種群協同代謝，分解有機質的過程［8］。在本試驗的發酵過程中，各試驗組COD去除率變化趨勢基本相同，但各自變化范圍不同。E組由于發酵底物容易降解，從開始發酵到發酵結束，總COD去除率的去除幅度都高于其他處理組，而A組情況正好相反，整個發酵過程中COD去除率都處于較低水平，而且變化幅度最小，分析原因主要是由于牛糞富含木質素、纖維素以及半纖維素等，而木質素難降解的特性影響了COD去除率。A組與E組的COD去除率差異顯著（P＜0.05），說明牛糞和雞糞的營養成分構成對反應體系的有機物含量有顯著影響。B、C、D三個試驗組則介于E組和A組之間，且COD去除率與加入雞糞的比例正相關。

5個試驗組日產氣量差別較大，從整體趨勢來看，在發酵第4d左右，各組日產氣量均達到最大值，其中D組最高，達到6 400mL，在此之前，各組日產氣量增長幅度很大，原因可能是延滯期的作用，即微生物剛剛接種到新的底物環境中，要有一個適應過程，在接種之后的第ld，微生物將有機質進行液化，隨著時間的推移，這種液化作用開始減弱，取而代之的是逐漸增強的產氣作用。在達到最大日產氣量之后，各組日產量開始均勻降低，至發酵結束時基本降到2 000mL以下，因為甲烷產量與有機物濃度關系密切，低有機物濃度會嚴重影響甲烷的產量［9］。在厭氧消化系統中，由于前期有機物濃度高，而且微生物的代謝活性強，所以促進了產氣量的積累。而有機物會隨著時間推移逐漸被消化，所以其含量會逐漸降低，微生物的活性也自然減弱，最終影響產氣量。總體來看A組和B組的總產氣量最高，分別為62 132mL和60 135mL。不同試驗組的平均日產氣量差異顯著（0.01＜P＜0.05），表明不同的發酵原料對產氣率有顯著影響，可以通過改變發酵原料的方法提高產氣率［10］。

甲烷含量測定結果顯示，整個發酵過程中甲烷含量逐漸升高，其中A組和B組全程都處于較高水平，平均含量分別為64.56%和72.3%。通過計算甲烷總產量，B組為43 477.6mL，為所有試驗組中最高水平，且該組日產氣量和甲烷含量水平相對穩定，為雞糞與牛糞配比最佳組合，即在牛糞中添加30%雞糞可以獲得較高的甲烷產量。

圖2　牛糞與雞糞混合厭氧發酵過程中關鍵指標的變化規律Fig.2 Changes of key index in the process of cattlem anure and chicken manurem ixture anaerobic fermentation

2.2豬糞與牛糞混合厭氧發酵特性

豬糞與牛糞混合厭氧發酵中，各指標的變化幅度較雞糞與牛糞混合發酵試驗相對偏小。pH值變化顯示水解酸化過程比雞糞與牛糞混合試驗中時間要稍長，可能與豬糞易發生酸化的特性有關，但整體來講各試驗組pH值變化范圍仍可滿足厭氧發酵需要，且各試驗組變化差異不大。COD去除率整體均呈上升趨勢，但C、D、E組在1～4d呈現較大幅度上升，之后升幅下降，趨于平穩，A組與E組的COD去除率差異顯著（P＜0.05），說明牛糞和雞糞的營養成分構成對反應體系的有機物含量有顯著影響［11］，但A、B兩組COD去除率均處于較低水平，說明摻入少量的豬糞對于COD去除率影響不大。

不同組間日產氣量的變化差異主要出現在發酵過程的第2～4d，這一階段中各組均達到最大日產氣量，其中A、B組最大日產氣量出現較早，且數值較大，均達到7 000mL左右，而C、D、E三組最大日產氣量則出現較晚，集中在5 400～5 800mL。總產氣量來看，A、B、C組較高且相差不大，分別為62 274mL、60 256mL和60 268mL，不同試驗組的平均日產氣量差異顯著（0.01＜P＜0.05），表明不同的發酵原料對產氣率有顯著影響，與添加雞糞的研究數據分析結果一致。各試驗組的甲烷含量變化規律相似，但A、B、C三組更為接近，平均甲烷含量從56%上升到最終的70%，整體水平均高于D、E兩組，且總體趨勢相對平穩。在A、B、C三組中，平均甲烷含量為C組＞A組＞B組。通過對總甲烷產量進行計算，C組最高為42 187.6mL，說明在牛糞中加入50%的豬糞可以獲得較高的甲烷產量。

圖3　牛糞與豬糞混合厭氧發酵過程中關鍵指標的變化規律Fig.3 Changes of key index in the process o f cattle manure and pig manure m ixture anaerobic ferm entation

2.3不同配比下混合糞便的C/N比對甲烷產量的影響從圖2和圖3可以看出，甲烷含量最大值分別出現在添加30%雞糞和添加50%豬糞的試驗組中，對照表1為C/N分別是20.1和19.9，微生物生長繁殖離不開碳源的能量供給和氮源的原料供應，合理的C/N可以縮短厭氧發酵的周期，提高有機碳的轉化效率，并減少氨中毒對厭氧發酵的影響［12］。分析得出C/N在20/1

左右更利于甲烷產量的提高。

3　結論

第一，牛糞中添加雞糞或豬糞進行混合厭氧發酵可以明顯提高原料產氣率，豬糞對混合發酵的影響整體來說小于雞糞，在牛糞中加入同樣比例的雞糞或豬糞時，加入雞糞的混合發酵體系中pH、COD去除率、日產氣量和甲烷含量的變化更加明顯。

第二，在牛糞中加入30%的雞糞時，總產氣量較其他配比組偏高，平均甲烷含量也較高，甲烷總產量達到最大。

第三，在牛糞中加入50%的豬糞時，總產氣量接近最大值（A組），且甲烷總產量最高，發酵過程中產氣水平相對平穩。

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Influence of differentm ixing ratios ofm anure dung on therm ophilic anaerobic ferm entation

GUO Guang-liang1，2，SU Xiao-Hong1，2，FAN Chao1，LIU Wei1，2，WANG Xin1，2
（1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China；2.Science and Technology Incubator Center，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150090，China）

In this study，chicken and pigmanure were mixed into cattle manure according to different proportion.The mixturewere used in the thermophilic anaerobic fermentation test.The optimum mixture ratiowas found outbased on four importantparameters including pH，COD removal rate，daily gas productivity and CH4 content.The results indicated that the fermentation sh owed the besteffectwhen 30%chickenmanure or 50%pigmanureweremixed into cattlemanure，and the totalCH4 productivitywere 43477.6mL and 42187.6mL respectively.

Cattlemanure；Chickenmanure；Pigmanure；Thermophilic anaerobic fermentation牛糞、豬糞與牛糞混合厭氧發酵的最佳混合比例，以期為多原料混合發酵技術體系的實際應用提供理論基礎。

X713

A

1674-8646（2016）18-0016-04

2016-08-09