不同牲畜糞便厭氧發酵產沼氣性能研究

秦文弟， 黃凌志， 蔣湖波， 徐鐵純， 宋賢沖， 李金懷， 伍 琪

(廣西壯族自治區林業科學研究院， 廣西 南寧 530002)

?

不同牲畜糞便厭氧發酵產沼氣性能研究

秦文弟， 黃凌志， 蔣湖波， 徐鐵純， 宋賢沖， 李金懷， 伍 琪

(廣西壯族自治區林業科學研究院， 廣西 南寧 530002)

為提高牲畜糞便厭氧發酵產沼氣速率和綜合利用率，文章以豬糞和牛糞及其混合物作為發酵原料，在常溫條件下(25℃～35℃)進行厭氧發酵產沼氣試驗。結果表明：豬糞、牛糞及其混合物在發酵65 d內的累積產氣量為15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3，單位TS產氣率為0.33 m3·kg-1TS，0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS，池容日平均產氣率為0.16 m3·m-3d-1,0.055 m3·m-3d-1和0.12 m3·m-3d-1。豬糞甲烷含量在發酵開始9 d時穩定到50.0%以上，牛糞在發酵開始3 d時即達到57.5%，此后一直在50.0%以上，其混合組在發酵開始4 d時即達到59.7，此后一直在55.0%以上。不同牲畜糞便混合發酵能克服其單獨發酵性能的不足之處，也是提高牲畜糞便產沼氣速率和綜合利用率的有效途徑。

牲畜糞便； 厭氧發酵； 沼氣； 混合發酵

集約化、規模化養殖業的快速發展，使得牲畜糞便的產生量逐年增加，由于其無害化處理和資源化利用率低，引發了一系列嚴重的生態環境問題。因此，合理有效地處理、處置和利用這些牲畜糞便已成為急待解決的問題。目前，牲畜糞便的處理和處置方法眾多，其中厭氧發酵產沼氣技術是廣泛接受、優先選擇的方法[1-2]。但是，牲畜糞便厭氧發酵產沼氣往往存在產氣速率和綜合利用率偏低的問題[3-4]，再加上各地自然生態環境條件不同，其產氣率和綜合利用率也差別極大[5]。同時，單一發酵原料沼氣產量和甲烷含量一般也會低于混合發酵原料[6]。因此，筆者以廣西區牲畜糞便及其混合物在常溫條件下(25℃～35℃)進行厭氧發酵產沼氣試驗，并分析其產氣性能，旨在為提高牲畜糞便的產沼氣速率和綜合利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發酵原料為新鮮豬糞、新鮮水牛糞及其混合物，均取自廣西壯族自治區林業科學研究院附近的養殖場。接種物為常溫厭氧發酵沼氣池的沼液，取自廣西壯族自治區林業科學研究院沼氣基地豬糞為原料的沼氣池中正常發酵產氣3個月以上的沼液。發酵原料和接種物性質見表1。

表1 發酵原料和接種物性質

1.2 試驗裝置

沼氣發酵裝置為自制的簡易沼氣發酵裝置，為圓柱形，主體直徑為1.3 m，高1.5 m，其發酵區有效容積為1.5 m3。因為沼氣發酵不僅受氣溫影響，而且與發酵裝置是否向陽、背風、埋置地下的深度等因素有關，因此所有試驗裝置均放置于廣西壯族自治區林業科學研究院沼氣基地蔭棚內地面上，以避免外界環境因子對不同組試驗結果的干擾。

1.3 試驗設計

試驗設3組處理，分別為新鮮豬糞組、新鮮牛糞組及其混合組(新鮮豬糞和新鮮牛糞1∶1混合)。每個沼氣發酵裝置內裝入150 kg發酵原料，100 kg沼液和200 kg自來水。試驗時間為2014年7月10日～9月12日，在常溫(25℃～35℃)條件下發酵反應進行65 d。采用一次性投料，運轉周期內不添加新料。

1.4 試驗方法

(1)總氮和有機碳的測定：總氮采用凱氏定氮法測定；有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定[7]。

(2)總固體含量(TS)和揮發性固體含量(VS)的測定：TS采用105℃±2℃烘干恒重法測定；VS采用550℃±5℃條件下灼燒至恒重稱量法測定。

(3)產氣情況測定：采用氣體流量計(寧波津寧儀表有限公司，JB1.6)，從試驗啟動，每天定時記錄各沼氣發酵系統的沼氣日產氣量，并用沼氣分析儀(武漢四方光電科技有限公司，Gasboard-3200P)每天定時測定沼氣中甲烷含量，單位TS產氣率(m3·kg-1TS)參照文獻[8]的方法計算。

(4)料液pH值測定：料液的pH值采用pH計(上海精科實業有限公司，PHS-3C)測定。

(5)發酵液溫度及氣溫測定：采用普通酒精混合物溫度計測定。

2 結果與討論

2.1 累積產氣量

豬糞組、牛糞組及其混合組在發酵65 d內的累積產氣量分別為15.42 m3，5.33 m3和11.30 m3。由圖1看出，試驗啟動第1 d豬糞組、牛糞組及其混合組均開始產生氣體，但此時甲烷產量很低(見圖2)，30 d后豬糞組產氣量明顯高于混合組，主要原因是由于豬糞組的干物質含量高于混合組，因此在發酵后期其產氣量高于混合組。同時，牛糞組的累積產氣量從發酵開始第5 d后就遠遠低于混合組，說明豬糞和牛糞混合發酵，其效果遠好于其單獨發酵。有研究報道，與單一發酵原料發酵產沼氣相比，家畜糞便與秸稈混合可以有效地提高沼氣產量[9]。研究還發現污水污泥與屠宰豬場廢棄物復合厭氧發酵的效果也遠好于其單獨發酵[10]。筆者在研究中也發現，豬糞和牛糞混合發酵，其產氣效果遠好于單一發酵；而且當豬糞與牛糞混合發酵時，還能穩定發酵過程，特別是豬糞發酵初期易酸化的問題，有效保證了發酵過程中甲烷含量，進而穩定了產氣過程。可見，單一發酵原料混合后進行混合發酵可有效地提高發酵原料產氣量和甲烷含量，還可避免單一原料發酵過程中產生的不利影響，進而能高效地提高牲畜糞便厭氧發酵的產沼氣速率和綜合利用率。因此，在實際生產中應將單一發酵原料進行適當的混合后再進行發酵，以此提高其產沼氣產量及質量。

圖1 牲畜糞便厭氧發酵過程中的累積產氣量

2.2 單位TS產氣率

因累積產氣量受到發酵負荷的影響大，因此，常用單位TS產氣率來表現厭氧發酵的優劣[8]。在整個發酵過程中，豬糞組、牛糞組及其混合組的單位TS產氣率分別為0.33 m3·kg-1TS,0.19 m3·kg-1TS和0.30 m3·kg-1TS；從投加到發酵裝置內的干物質含量來看，混合組的干物質含量遠低于豬糞組而高于牛糞組，而單位TS產氣率卻與豬糞組的極為接近而遠高于牛糞組。這些結果可以進一步表明單一發酵原料混合后進行混合發酵其效果要好于其單一發酵。

2.3 甲烷產量

沼氣中甲烷含量的高低直接影響到沼氣的品質，一般甲烷含量達到50%以上足以保證沼氣的燃燒品質[11]。由圖2,圖3得知，發酵開始后，豬糞組、牛糞組及其混合組的甲烷含量均迅速上升，牛糞組在發酵第3 d時甲烷含量達到57.5%，且此后甲烷含量一直保持在50%以上；豬糞組在發酵開始第5 d時甲烷含量達到55.9%，但在第8 d時又降到46.1%，第10 d時又重新上升到50.2%，此后一直保持在50%以上。這可能主要是由于豬糞在發酵初期有一個較為嚴重的產酸過程，導致甲烷菌數量或活性減少[12]，進而致使發酵第8 d時甲烷含量又降到50%以下。混合組甲烷含量在發酵第4 d時達到59.7%，此后一直保持在50%以上。這些結果充分表明，豬糞和牛糞混合發酵可緩沖豬糞單獨發酵在發酵初期的產酸過程，能充分保證整個發酵過程中沼氣的品質。

圖2 牲畜糞便厭氧發酵過程中累積甲烷產量變化

圖3 牲畜糞便厭氧發酵過程中甲烷含量變化

2.4 溫度與產氣量和產氣率的關系

溫度是影響沼氣日產氣量和決定沼氣厭氧發酵產氣率高低的關鍵因素[13-14]，適宜溫度條件下發酵菌繁殖旺盛，活力強，發酵原料分解和甲烷生成的速度快，產氣多[15]。由圖4可看出，無論是豬糞組、牛糞組還是其混合組，厭氧發酵裝置內溫度均隨氣溫變化而變化，且厭氧發酵裝置內溫度與氣溫變化規律基本一致；但發酵裝置內溫度由于受厭氧發酵產生熱量的影響，其變化幅度小于氣溫。從圖4～圖6綜合來看，在產氣高峰期，氣溫、豬糞組、牛糞組及其混合組厭氧發酵裝置內溫度與日產氣量和池容日產氣率均呈正相關，主要原因就是氣溫影響裝置內溫度，裝置內溫度最終決定日產氣量和池容日產氣率。同時，在產氣高峰期，豬糞組、牛糞組及其混合組的日產氣量和池容日產氣率的波動都較大，主要是試驗在常溫條件下進行，產氣情況直接受氣溫影響，從而導致其波動較大。這些結果也與我們前期關于食用菌菌渣產沼氣情況一致[16]。因此，溫度是影響牲畜糞便產氣量和產氣率的關鍵因素，增加保溫或增溫措施(特別在低溫時)是提高牲畜糞便厭氧發酵產沼氣日產氣量和產氣率的關鍵。在整個試驗中，豬糞組厭氧發酵日產氣量為0.013～0.505 m3，平均日產氣量為0.237 m3；池容日產氣率為0.009～0.337 m3·m-3d-1,平均池容日產氣率為0.158 m3·m-3d-1；牛糞組厭氧發酵日產氣量為0.032～0.137 m3，平均日產氣量為0.082 m3，池容日產氣率為0.021～0.091 m3·m-3d-1，平均池容日產氣率為0.055 m3·m-3d-1；混合組厭氧發酵日產氣量為0.033～0.494 m3，平均日產氣量為0.174 m3，池容日產氣率為0.022～0.329 m3·m-3d-1，平均池容日產氣率為0.116 m3·m-3d-1。

圖4 牲畜糞便厭氧發酵過程中的發酵裝置內溫度與氣溫變化

圖5 牲畜糞便厭氧發酵過程中日產氣量的變化

圖6 牲畜糞便厭氧發酵過程中池容日產氣率的變化

3 結論

(1)豬糞和牛糞混合厭氧發酵，其產氣效果遠好于其單一發酵；而且當豬糞與牛糞混合發酵時，還能穩定發酵過程中，特別是豬糞發酵初期易酸化時的甲烷含量，進而穩定了其產氣過程。單一發酵原料混合后進行混合發酵可有效地提高發酵原料產氣量和甲烷含量，還可避免單一原料發酵過程中產生的不利影響，進而能高效地提高牲畜糞便厭氧發酵的產沼氣速率和綜合利用率。。

(2)豬糞、牛糞及其混合組厭氧發酵日產氣量和日產氣率受溫度的影響較大。氣溫、發酵裝置內溫度與日產氣量和日產氣率均呈正相關，產氣高峰期氣溫越高，日產氣量和日產氣率也越高。

[1] 吳淑杭，姜震方，俞清英．禽畜糞便處理技術與資源化途徑(綜述)[J]．上海農業學報，2003，19(2)：52-54．

[2] Nasir I M，Mohd Ghazi T I，Omar R．Anaerobic digestion technology in livestock manure treatment for biogas production：A review [J]．Engineering in Life Sciences，2012，12(3)：258-269．

[3] 張翠麗，李軼冰，卜東升，等．牲畜糞便與麥稈混合厭氧發酵的產氣量、 發酵時間及最優溫度[J]．應用生態學報，2008，19(8)：1817-1822．

[4] Yadvikaa，Santosha，Sreekrishnanb T R，et al．Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques-a review[J]．Bioresource Technology，2004，95(1)：1-10．

[5] Karakashev D，Batstone D J，Angelidaki I．Influence of environmental conditions on methanogenic compositions in anaerobic biogas reactors[J]．Applied and Environmental Microbiology,2005，71(1)：331-338．

[6] Kasisira L L，Muyiiya N D．Assessment of the effect of mixing pig and cow dung on biogas yield[J]．Agricultural Engineering International：the CIGR Journal，2009，11：1-7．

[7] 靳紅梅，常志州，葉小梅，等．江蘇省大型沼氣工程沼液理化特性分析[J]．農業工程學報，2011，27(1)：291-296．

[8] 白 娜，符征鴿，梅自力，等．茶渣沼氣發酵潛力研究[J]．中國沼氣，2011，29(3)：20-23．

[9] Liu L L，Zhang T，Wan H W，et al．Anaerobic co-digestion of animal manure and wheat straw for optimized biogas production by the addition of magnetite and zeolite[J]．Energy Conversion and Management，2015，97：132-139

[10] Borowski S，Kubacki P．Co-digestion of pig slaughterhouse waste with sewage sludge[J]．Waste Management，2015，40：119-126．

[11] Abdel-Hadi M A．Determination of methane content by measurements of flame temperature and voltage from biogas burner [J]．Misr Journal of Agricultural Engineering，2009，26(1)：498-513．

[12] Merlino G，Rizzi A，Schievano A，et al．Microbial community structure and dynamics in two-stage vs single-stage thermophilic anaerobic digestion of mixed swine slurry and market biowaste[J]．Water Research，2013，47：1983-1995．

[13] 李金懷，徐鐵純，蔣湖波，等．地上和地下式沼氣池產氣性能對比[J]．廣西林業科學，2012，41(4)：375-378．

[14] Chae K J，Jang Am，Yim S K，et al．The effects of digestion temperature and temperature shock on the biogas yields from the mesophilic anaerobic digestion of swine manure[J]．Bioresource Technology，2008，99：1-6．

[15] 劉國勝．沼氣池產氣率隨氣溫地溫變化規律的研究[J]．可再生能源，2006，62(6)：56-57．

[16] 秦文弟，甘福丁，徐鐵純，等．食用菌菌渣產沼氣潛力測定[J]．貴州農業科學，2014,42(11)：237-239．

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

項目來源： 廣西林科院基金項目(林科201406)； 廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科攻14124004-3-6)

秦文弟(1977- )，女，副研究員，主要從事環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