添加活性炭的豬糞厭氧干發酵研究

鄭 盼, 尹 芳, 張無敵, 趙興玲, 吳 凱, 王昌梅, 柳 靜, 楊 紅

(云南師范大學， 云南 昆明 650500)

隨著近幾十年來我國民眾生活水平的提升和膳食結構的改善，人們對肉類的需求也是逐年上升[1]。據統計，2015年，全國生豬出欄量達到70825萬頭，豬肉產量達5487萬噸[2]。而我國受居民消費習慣影響，肉類消費以豬肉消費為主體，2000年～2014 年豬肉消費占肉類消費保持在 65%左右[3]。豬糞日排放系數為2.20～4.25 kg·d-1[4-5]，由于豬的養殖量比例大[6]，因此，其糞便排放總量大，產量達到 40 億噸，其數量在幾種畜禽糞便中居于首位[7]。因此，豬糞的合理利用與處置對于改善環境質量、促進生豬乃至整個畜禽養殖業健康發展具有重要意義[8]。而對豬糞進行厭氧發酵處理，不僅能解決畜禽糞便的污染問題，而且還能生產沼氣可供使用[9]，沼液沼渣可還田替代化肥，因此厭氧發酵工藝被廣泛應用與畜禽糞便的處理上。

我國目前廣泛應用的是濕式發酵，而隨著社會的不斷進步和環境問題的日益嚴重，濕式發酵的一些問題也是逐步的被發現，比如：濕式發酵后殘留物的二次污染問題；沼液沼渣還田的污染問題；水資源的浪費等問題。與濕式發酵相比，干式發酵反應體系中總固體(TS)含量達到20%～30%[10]，具有沼渣沼液濃度高，數量少，容易利用等優點，近年在國外受到了廣泛關注[11-12]。但同時厭氧干發酵在啟動運行時也有一些難題，比如：易酸化、啟動慢、產氣不穩定等缺點。從國外厭氧消化的發展歷史來看，干式發酵逐步取代濕式發酵是必然的趨勢。而國內目前對厭氧干發酵的研究還是較少的，對提高厭氧干發酵的產氣效率的研究更是少見。筆者以干式發酵為主要研究對象，探究添加活性炭對提高豬糞干發酵產氣效率的效果和研究活性炭的添加量對提高豬糞干發酵的產氣效果的影響，為工程上畜禽糞便的厭氧干發酵處理提供更好的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

厭氧干發酵的豬糞取自昆明市附近的生豬養殖場；接種物為實驗室馴化的豬糞接種物；活性炭(西隴化工股份有限公司)。材料的基本性質見表1。

表1 原料及接種物的基本性質 (%)

1.2 實驗裝置

厭氧干發酵的裝置是常規的500 mL的批量式發酵裝置。

1.3 實驗方法

為了提高厭氧干發酵的產氣效率和探究活性炭的添加量對豬糞干發酵的影響，設計4個實驗組和4個對照組，每組設4個平行，在發酵濃度為20%左右，中溫(37℃±0.5℃)水浴下進行為期35 d的厭氧發酵。4個實驗組分別添加0 g活性炭，發酵干物質1%的活性炭，發酵干物質5%的活性炭和發酵干物質10%的活性炭，具體的實驗設計如表2所示。

表2 實驗設計

1.4 分析項目及方法

(1)總固體(TS)含量：烘干法(將樣品在 105℃±2℃下烘至恒重，計算樣品除水分后干物質的質量分數)[13]。

(2)揮發性固體(VS)含量：烘干法(將 TS 測定后恒重的總固體在 550℃±20℃下燒至恒重，計算揮發性物質的質量分數)[13]。

(3)產氣量：采用排水集氣法測定[14]，由于試驗開始前幾天產氣量比較大，所以啟動后的第1個星期每隔半天記錄產氣量，而后每天記錄一次即可。

(4)甲烷含量：用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型)測定。

(5)pH值：用精密試紙測量(6.4～8.0)。

2 結果與分析

2.1 日產氣量的對比分析

由圖1可知，未添加活性炭(活性炭+發酵干物質的0%)的豬糞干發酵日產氣量變化可以分為3個階段。第1階段為第1～21天，在第1天產氣337 mL后，從第2～21天的產氣量保持相對平緩，平均日產氣量為90 mL；第2階段為第22～44天，日產氣量較第1階段略有上升，平均日產氣量上升為223 mL；第3階段則是第45天至產氣結束，從第45天后開始進入一個產氣高峰期，在第61天日產氣量達到最大值為610 mL,隨后產氣開始下滑直至結束。

添加0.8 g活性炭(活性炭+發酵干物質的1%)的豬糞干發酵實驗，日產氣量的變化與未添加活性炭組基本相似，同樣在第1～21天產氣比較平緩，平均日產氣量為170 mL，第22～44天期間日產氣量有所上升，平均日產氣量達到305 mL，第45天后開始進入產氣高峰期，在第62天達到日產氣量最大值為545 mL，此后產氣逐步下降至結束。

添加4.0 g活性炭(活性炭+發酵干物質的5%)的豬糞干發酵實驗，在第1～24天為第1個產氣高峰期，在第17天到達日產氣量的峰值為700 mL,隨后產氣逐步下滑至第24天，在第25天后產氣又開始逐步上升至第42天達到日產氣量的第2個峰值為673 mL，而后產氣逐漸下降至產氣結束。

添加8.0 g活性炭(活性炭+發酵干物質的10%)的豬糞干發酵實驗，在第1～18天為產氣高峰期，日產氣量在第10天達到峰值為833 mL，隨后日產氣量逐步下滑，在第19～42天產氣比較平穩，期間平均日產氣量為405 mL，此后日產氣量逐漸下滑至產氣結束。

圖1 日產氣量變化曲線

2.2 甲烷含量的對比分析

由圖2可知，未添加活性炭的試驗組在產氣的第2天，甲烷含量為29.3%，隨后甲烷含量逐漸上升，并且一直保持在50%左右，平均甲烷含量為51.24%；添加發酵干物質量的1%的活性炭試驗組，在開始產氣第2天的甲烷含量為33.9%，而后甲烷含量上升至50%以上，并且始終保持在50%左右，平均甲烷含量為52.08%；添加發酵干物質量的5%的活性炭試驗組，開始產氣第2天的甲烷含量就達到46.7%，隨后甲烷含量一直保持在50%以上直至第53天，第53天后甲烷含量開始下降，平均甲烷含量為51.87%；添加發酵干物質量的10%的活性炭試驗組，開始產氣第2天的甲烷含量達到45%，在第2～42天所產沼氣的甲烷含量一直保持在55%左右，隨后甲烷含量開始下降，所產沼氣的甲烷含量是51.55%。所有實驗組所產沼氣的甲烷含量均在50%以上，沼氣品質較好。

圖2 甲烷含量變化曲線

2.3 累積總產氣量的對比分析

由圖3可知，添加干物質量5%的活性炭實驗組沼氣總產量最高為24454 mL，其次為添加干物質量10%的活性炭實驗組，沼氣總產量為22835 mL，而未添加活性炭實驗組和添加干物質量1%的活性炭實驗組所產沼氣總量相差無幾，分別為21742 mL和21760 mL。

圖3 累積沼氣產量曲線

各個實驗組累計沼氣產量占總產氣量的百分比如表3所示。

表3 累計產氣量占總產氣量百分比 (%)

由表3可知，未添加活性炭實驗組在第44～72天內累計產氣量增長最快，此期間為其實驗組的產氣高峰；添加干物質量1%的活性炭實驗組在第44～64天內沼氣累計產量增長最快，故第44～64天為此實驗組的產氣高峰期；添加干物質量5%的活性炭實驗組在第12～44天累計沼氣產量增長最快，為其產氣高峰期；添加干物質量10%的活性炭實驗組在第4～40天累計沼氣產量增長速度最快，故此時間段為其實驗組的產氣高峰期。對比4組實驗的產氣高峰期可得，添加活性炭實驗組的產氣高峰期要早于未添加活性炭的實驗組，而活性炭添加量越多，產氣的高峰期越早。

若將累計產氣量達到總產氣量80%的時間設為其實驗的HRT可得，未添加活性炭實驗的HRT為66 d左右；添加干物質量1%的活性炭實驗的HRT為58 d左右；添加干物質量5%的活性炭實驗的HRT為42 d左右；添加干物質量10%的活性炭實驗的HRT為35 d左右。添加活性炭有利于縮短豬糞干發酵的HRT，并且隨著活性炭添加量的增加，其豬糞干發酵的HRT也會越來越短。

2.4 產氣效率比較

各個實驗組的各項參數如表4所示。

表4 各組實驗的參數比較

添加8 g活性炭(發酵干物質的10%)的試驗組，添加4g活性炭(發酵干物質的5%)的試驗組，添加0.8 g活性炭(發酵干物質的1%)的試驗組和不添加活性炭的試驗組的TS產氣量分別為411 mL·g-1，440 mL·g-1，392 mL·g-1和391 mL·g-1。從表4中各項參數比對，添加干物質量5%的活性炭實驗組和添加干物質10%的活性炭實驗組的各項參數均要優于未添加活性炭實驗組，而添加干物質量1%的活性炭實驗組與未添加活性炭組的各項參數相差不大；且添加干物質量5%的活性炭實驗組各項參數最佳，發酵產氣效率最高。故當活性炭添加量達到一定量時，是有利于提高豬糞厭氧干發酵產氣效果，且并不是活性炭的添加量越多越好。

3 結論

(1)當活性炭添加量達到一定量時，是有利于提高豬糞厭氧干發酵產氣效果。添加量過小時，影響并不明顯，但并不是活性炭的添加量越多越好，活性炭的添加量為發酵體系干物質量的5%時產氣效果最佳。

(2)添加發酵體系干物質量0%，1%，5%和10%的活性炭實驗組HRT分別為66 d，58 d，42 d和35 d，添加活性炭實驗組的HRT均要比未添加活性炭實驗組的HRT低，添加活性炭可以使豬糞干發酵的產氣高峰期提前，從而縮短豬糞干發酵的HRT；活性炭的添加量越多，產氣高峰期就越早，HRT就越短。

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