中高溫條件下不同碳氮比對雞糞原料厭氧發酵產氣特性的影響

李淑蘭， 劉 萍， 梅自力

(1.農業部沼氣科學研究所， 成都 610041； 2.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

隨著規模化雞業的發展，雞糞帶來的環境污染已成為制約我國雞生產的重要因素之一。雞糞無害化處理和資源化利用的主要途徑有發酵生產有機肥以及厭氧發酵制取沼氣[1-2]。厭氧消化不受雞糞含水率影響，并且可再生清潔能源。與其它畜禽糞便相比，雞糞碳氮比(C/N)較低，屬于高有機氮廢棄物。高有機氮廢棄物在厭氧消化過程中，過多的氮將導致厭氧消化系統銨鹽的積累，從而抑制產甲烷菌的活動，最終導致厭氧系統處于“抑制的穩定狀態”，造成產氣量低或不產氣[3-4]，即氨氮抑制效應。高濃度氨氮是高有機氮廢棄物厭氧消化處理的難題之一，采取有效的技術措施克服氨氮對厭氧消化過程的抑制顯得十分必要。研究表明，調節消化原料C/N對厭氧消化系統的運行效果和穩定性非常重要[5-6]，然而對中高溫條件下調節原料(C/N)后的厭氧發酵產氣特性影響的報道則很少。本研究以玉米秸稈為碳源，通過調控消化原料C/N，探討中高溫條件下不同C/N對雞糞厭氧消化過程產甲烷性能的影響，以期為厭氧發酵效率的提高及沼氣發酵的可控化研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

厭氧污泥，取自四川簡陽市某沼氣工程；鮮雞糞，取自山西晉中某養雞場；風干的玉米秸稈，取自山西晉中某農田，原料的C/N和干物質含量見表1。

表1 發酵原料的碳氮比和干物質含量 (%)

1.2 試驗裝置

本試驗所用裝置為農業部沼氣科學研究所沼氣工程研究中心自行設計的可控性恒溫厭氧發酵裝置。為了便于實際操作和節約成本，選用2.5 L的兩孔塞玻璃瓶做發酵罐，1 L的兩孔塞玻璃瓶做集氣裝置，1 L的玻璃瓶做集水裝置，通過橡膠管與發膠裝置相連。水浴加熱，由恒溫水浴鍋控制發酵溫度(溫度波動范圍為±1℃)。試驗裝置按圖1方式連接。

圖1 厭氧發酵裝置

1.3 試驗方案

試驗組1：向發酵罐中裝入雞糞49.6 g，玉米秸稈56.5 g，接種物403.4 g，水1090.5 g，使得發酵原料C/N為20∶1，總固體物濃度為8%，接種物和發酵原料TS比為1∶1。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進行試驗。

試驗組2：向發酵罐中裝入雞糞247.6 g，接種物403.4 g，水949 g，使得發酵原料C/N為12∶1,總固體物濃度為8%，接種物和發酵原料TS比為1∶1。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進行試驗。

對照組：向發酵罐中裝入接種物403.4 g，水1196.6 g。在溫度分別為35℃，42℃和50℃條件下進行試驗。

每組試驗設3個重復(見表2)。采用排水集氣法每日定時測量產氣量、氣體成分及發酵溶液pH值。

1.4 測定項目及方法

(1)干物質含量:用烘干法[7]測定。

(2)碳氮比(C/N):C用干燒法測定；N以凱氏定氮法測定。

表2 發酵原料的配比

(3)產氣量:采用排水法測定。

(4)CH4含量:采用沼氣成分分析儀測量。

2 結果與分析

2.1 試驗進行20 d和39 d產氣總量和產沼氣潛力分析

試驗總共進行了39 d，產氣結束。結果表明，在35℃，42℃和50℃這3個不同溫度下，純雞糞原料發酵，溫度越高，產氣越多，依次為11051 mL，13636 mL和14176 mL；且產氣潛力越大，依次為172.3 L·kg-1TS，212.6 L·kg-1TS，221.1 L·kg-1TS。雞糞和玉米秸稈混合發酵，溫度越高，產氣越多，依次為12165 mL，16572 mL，17684 mL；且產氣潛力越大，依次為189.6 L·kg-1TS，258.3 L·kg-1TS，275.7 L·kg-1TS(見表3)。

從表3可以看出，試驗進行到20 d時，35℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了38.6%；42℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了25.0%；50℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了20.9%。說明試驗進行到20 d時，發酵溫度越高，混合原料發酵比單雞糞的發酵潛力提升的越慢。

結果還表明，試驗進行到39 d時，35℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了10.0%；42℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了21.5%；50℃的混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力提高了24.7%。說明試驗進行到39 d時，發酵溫度越高，混合原料發酵比單雞糞的發酵潛力提升的越快。

也就是說，相比發酵20 d和39 d，隨著發酵天數增加，在35℃和42℃時混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力少提升了28.6%和3.5%，可能是由于隨著發酵時間延長，發酵原料減少，導致產氣速度降低。而在50℃時混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力多提升了3.8%。究其原因，可能是由于20 d時原料發酵不完全被降解所致。

表3 試驗條件及試驗結果

表3還可以看出，在試驗進行到20 d的純雞糞發酵，35℃,42℃,50℃條件下產氣量可達到總產氣量的71.8%,87.6%和95.3%；添加玉米秸稈后，同樣35℃,42℃,50℃條件下產氣量可達到總產氣量的90.5%,90.1%,92.4%。說明試驗20 d時，35℃和42℃時混合原料比純雞糞發酵產氣量提高了26.0%和2.85%，而50℃時混合原料比純雞糞發酵產氣量卻下降了3.0%。同樣也說明了試驗進行到20天時，發酵溫度越高，混合原料發酵比單雞糞的發酵潛力提升的越慢。

綜上分析，1噸新鮮雞糞35℃可產沼氣約44 m3，42℃可產沼氣約54 m3，50℃可產沼氣約57 m3。添加玉米秸稈調整C/N后1噸新鮮雞糞35℃可產沼氣約114 m3，42℃可產沼氣約156 m3，50℃可產沼氣約166 m3。

2.2 甲烷最大含量分析

本發酵試驗過程中，對每天所產沼氣的甲烷含量做了檢測。試驗結果表明，不同C/N的發酵原料在不同溫度下甲烷含量達最大值的時間不同，且最大值也有區別。由圖2可以看出，在同一溫度下，添加玉米秸稈的雞糞比不添加的產甲烷含量最先到達最大，即35℃時添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發酵第10天甲烷含量達最大，而純雞糞在厭氧發酵第14天甲烷含量才達最大；42℃時添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發酵第6天甲烷含量達最大，而純雞糞在厭氧發酵第14天甲烷含量才達最大；50℃時添加玉米秸稈的雞糞在厭氧發酵第5天甲烷含量達最大，而純雞糞在厭氧發酵第10天甲烷含量才達最大；說明改善C/N的發酵原料對雞糞發酵過程有促進作用。同時圖2也說明，隨著溫度的升高，對純雞糞發酵而言，35℃和42℃條件下發酵甲烷含量達到最大值沒有差別，都是發酵第14天，說明35℃和42℃的溫度對純雞糞發酵反應影響不明顯，但是在50℃發酵溫度下純雞糞發酵甲烷含量達到最大值明顯提前，是在反應的第10天。以上分析說明，發酵溫度越高，反應過程越快。但是甲烷最大含量并沒有因為溫度的升高而增大，也沒有因為改善原料C/N而增加。從圖2不難看出這一點，純雞糞在35℃，42℃，50℃條件下發酵產生的最大甲烷含量分別是74.85%，68.32%和69.16%；添加玉米秸稈改善C/N的雞糞在35℃，42℃，50℃條件下發酵產生的最大甲烷含量分別是69.32%，71.04%和66.76%。綜合分析，42℃時的發酵溫度和20∶1的C/N更加適合雞糞的穩定發酵。

圖2 甲烷最大含量圖

2.3 溫度和C/N對雞糞厭氧消化pH值的影響

由圖3可見，所有試驗組消化前期(0～10 d)pH值變幅在1.8之內，消化后期(10 d)則趨于穩定。按C/N大小排列pH值，可以看出：C/N越高，消化液pH值越低，這是由于C/N越高，消化體系中水解酸化的產物越高，氨化作用產生的氨只能中和很少一部分酸，導致消化液酸化。

圖3 試驗過程中pH值變化

產甲烷菌的最佳生長pH值范圍在6.8～7.2之間，pH值越低對厭氧消化系統產甲烷的抑制效應越大，當pH值低于6.0時，產甲烷菌無法存活[8]。本試驗所有試驗組pH值在整個厭氧消化期間均保持在6.00～7.85之間，為雞糞沼氣發酵提供了適宜的反應環境。

3 結論

(1)在35℃，42℃和50℃這3個不同溫度下，無論是純雞糞原料還是雞糞和玉米秸稈混合原料，溫度越高，產氣越多，產氣潛力也越大，而且混合原料整體都比單雞糞發酵產氣潛力高。

(2)試驗20 d時，35℃和42℃時混合原料比純雞糞發酵產氣潛力提高了26.0%和2.85%，而50度時混合原料比純雞糞發酵產氣潛力卻下降了3.0%。

(3)相比發酵20 d和39 d，隨著發酵天數增加，在35℃和42℃時混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力少提升了28.6%和3.5%，而在50℃時混合原料發酵比單雞糞發酵產氣潛力則多提升了3.8%。

(4)雞糞的最佳發酵條件：發酵溫度為42℃，原料最佳C/N為20∶1。

(5)所有試驗組發酵過程pH值始終保持在5.8～7.85之間，為厭氧發酵提供了適宜的反應環境。