雞糞和黃儲玉米秸稈厭氧發酵產沼氣研究

[摘 要] 本試驗采用河南天冠企業集團國家重點實驗室自行設計的可控性恒溫100 L沼氣發酵裝置，以雞糞和黃儲玉米秸稈為發酵原料，在50 ℃下研究分析單一黃儲秸稈厭氧發酵、單一雞糞厭氧發酵以及黃儲秸稈和雞糞按不同比例（不同碳氮比）混合厭氧發酵，總結幾種不同原料配比的產氣率情況。

[關鍵詞] 雞糞;黃儲玉米秸稈;厭氧發酵;配比

[中圖分類號] S216.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）23-121-2

高溫厭氧共消化是解決當前單一農業生物質廢棄物厭氧消化過程中因碳氮元素比例不平衡而造成系統產能不高問題的有效途徑。Weilandf[1]指出，混合厭氧發酵將是厭氧消化技術的重要發展方向。他進行了很多混合發酵的研究，包括對混合發酵原料配比的研究、對混合發酵溫度的研究以及對混合發酵pH值范圍的研究等。楚莉莉、王曉嬌等[2-3]的研究表明，糞便與秸稈兩兩混合及3種混合發酵均能顯著提高沼氣產量。馬煥杰、Dar等[4-5]研究發現，將秸稈、落葉等與糞便混合發酵，可有效提高沼氣產量和甲烷含量。李軼冰、郭歐燕等[6]分別研究了對糞便與秸稈混合發酵的影響，發現隨著溫度的升高，發酵周期縮短，產氣速率和產氣量增大。目前，關于混合厭氧發酵的研究多集中在發酵影響因子的優化，對各因素的重要性程度較少報道。所以，本實驗以雞糞和黃儲玉米秸稈為底物，在連續攪拌厭氧消化反應器中進行高溫厭氧發酵生產沼氣，并分析2種原料碳氮配比情況不同對產氣率的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 發酵原料與消化液。發酵原料的黃儲玉米秸稈取自天冠南陽纖維乙醇公司，經測定其TS（Total Solids，總固體）為42.6，VS（Volatile Solids，揮發性固體）為90.3。雞糞取自南陽市臥龍區潦河鎮一大型養雞場，經測定其TS為17.8，VS為60.9。消化液取自天冠南陽纖維乙醇公司4 000 m3沼氣發酵系統，經測定其TS為4.2。

1.2.2 實驗裝置。實驗采用重點實驗室自制的全自動恒溫100 L發酵罐進行厭氧發酵，產生沼氣使用沼氣流量計進行計數測量。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計。發酵溫度對秸稈和雞糞等原料的研究已經很多，基本可以認定高溫（50～55 ℃）發酵產氣效率較高，故本次試驗設定不再對溫度進行對照試驗，都按照高溫50 ℃發酵進行。本實驗分為4個發酵體系展開，每一個體系總發酵體積為70 L。70 L起始消化液均取自天冠南陽纖維乙醇有限公司同一沼氣發酵罐中部。全自動恒溫發酵罐統一設置溫度為50 ℃，攪拌轉速為150 r/m。發酵投料負荷按原料VS計算為每天1.5‰。全部試驗周期為30 d。第1個體系完全以雞糞為底物，投料VS負荷為每日1.5‰（體系進料碳氮比約為10）;第2個體系雞糞投料VS為0.75‰，黃儲玉米秸稈投料VS負荷為0.75‰（體系進料碳氮比約為16）;第3個體系雞糞投料VS為0.5‰，黃儲玉米秸稈投料VS負荷為1‰（體系進料碳氮比約為21）;第4個體系完全以黃儲玉米秸稈為底物（體系進料碳氮比約為50），根據產氣量考察同樣VS投料負荷下底物碳氮比對工藝性能的影響。

1.2.2 測試項目及方法。總固體TS是指生物質原料在（105±2）℃烘干至恒重，去除水分剩余干物質的重量占樣品總重的百分比。測定原理：將生物質原料于（105±2）℃溫度下烘干至恒重，計算烘干后重量占樣品總重的百分比。揮發性固體VS是指將烘干至恒重的生物質樣品置于（550±20）℃條件下灼燒至恒重，得到灰分，用總固體重量減去灰分重量，即為揮發性固體。測定原理：將已獲取TS所需各數值的樣品移入馬弗爐中，在（550±20）℃燃燒至恒重，測定揮發掉的成分占干物質的百分比，灰分為剩余物質占干物質的百分比。在沼氣工程技術中，TS和VS是2項非常重要的基礎性參數，用以衡量沼氣發酵原料的基本性質，計算厭氧發酵的投料量和確定有機負荷等。pH計使用梅特勒精密pH計測量。氨氮值用納氏試劑分光光度法測量。揮發酸VFA測定按Q/YZJ10-03-02-2000（硫酸法）執行。產氣量使用沼氣流量測定儀每日記錄。

2 實驗結果及分析

2.1 發酵罐30 d平均發酵數據

實驗啟動后，每天上午9時準時補料，并記錄前天產氣量。取未補料的發酵液分析氨氮，揮發酸、TS以及pH值各項數據。匯總30 d發酵結果，平均數據如表1所示。

2.2 實驗結果分析

實驗結果表明，2號體系底物碳氮比為16時，對照秸稈和雞糞單獨發酵產氣量，共發酵產氣比率上升了15%;3號體系底物碳氮比為21時，對照秸稈和雞糞單獨發酵產氣量，共發酵產氣比率上升了15.8%。雞糞與玉米秸稈VS比例按1∶2處理，其碳氮比為21∶1，屬于最佳發酵理論值。因為微生物發酵時，對碳的需求量是氮的20～30倍，所以合理配比有利于產酸階段與產甲烷階段菌群的生長平衡，可以促進沼氣發酵[7]。

Bouallagui研究發現，隨著發酵的進行，pH值在后期有所升高。本研究發現了相似的結果，即pH值從原消化液的7.1左右有所升高，說明微生物逐漸適應了發酵環境，并在其生長、繁殖的過程中調整了pH值，使其更適合自身生長。

另外，分析不同物料配比發酵過程中氨氮和揮發酸的數據可以看出，單純的雞糞氨氮值上升最快，揮發酸也較高，對后期厭氧水深度處理造成了一定影響;而單純的秸稈發酵由于氮源不足，發酵產氣結果不是很理想。共發酵的兩個實驗罐由于調整了進料的碳氮比，發酵產氣率都有了一定提升，尤其是在碳氮比為21時，產氣率提高明顯，發酵罐各項理化指標也更加穩定。

參考文獻

[1]Weiland P.Anaerobic Waste Digestion in Germany-Status and Recent Developments[J].Biodegrndntion，2001（6）：415-421.

[2]楚莉莉，李軼冰，楊改河，等.豬糞麥稈不同比例混合厭氧發酵特性試驗[J].農業機械學報，2011（4）：100-104.

[3]王曉嬌，李軼冰，楊改河，等.牛糞、雞糞和稻稈混合的沼氣發酵特性與工藝優化[J].農業機械學報，2010（3）：104-108.

[4]馬傳杰，花日茂，郭亮.接種量對牛糞厭氧干發酵的影響[J].家畜生態學報，2008（5）：81-84.

[5]Dar H G，Tandon S M.Biogas Production from Pretreated Wheat Straw，Lantana Residue，Apple and Peach Leaf Litter with Cattle Dung[J].BiolWastes，1989（21）：75-83.

[6]郭歐燕，李軼冰，白瑞杰，等.溫度對雞糞和秸稈混合原料厭氧發酵產氣特性的影響[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2009（6）：137-144.

[7]宋籽霖，郭燕，楊改河，等.雞糞與玉米秸稈混合發酵沼氣產量影響因子研究[J].農業環境科學學報，2012（8）：1624-1629.