豬糞厭氧干濕發酵產氣效率對比

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

(云南師范大學， 昆明 650500)

近年來，隨著我國經濟的迅猛發展和農業構架的逐步完善，以及種養模式的廣泛應用，我國的畜牧業得到了快速的發展，畜牧規模也是逐年增長，而在其快速發展的同時也帶來了一系列的畜禽糞污的污染問題。目前國內養豬產業規模巨大，占畜牧業比重約47%[1]，且每頭豬每天需排糞2.20～4.25 kg[2-3]，豬糞每年的排放總量達到40億噸，其總量在幾種畜禽糞便中居于首位[4]。巨大的豬糞資源如同是一柄雙刃劍，若處理不得當，則會對人類健康造成傷害，對環境造成污染；若巨大的糞便資源得到合理利用，不僅不會造成污染，而且會得到巨大的能源。目前處理糞便最廣泛的方式則是利用厭氧消化技術生產沼氣，而應用厭氧消化技術對豬糞進行處理，具有能耗低、費用少、凈化效果好、能源環境綜合效益高等優點，并且能夠產生綠色能源—沼氣，能夠有效緩解目前面臨的能源危機，同時有利于保護生態環境[5]。

厭氧發酵技術根據發酵濃度的不同，可分為厭氧濕發酵和厭氧干發酵，厭氧濕發酵是指發酵濃度在10%以內的厭氧發酵產沼氣的過程，而厭氧干發酵是指發酵濃度在20%～30%以內的厭氧發酵過程[6]。兩種厭氧發酵方式均有各自的優缺點，厭氧濕發酵具有啟動快、進出料方便、技術相對成熟等優點，同時也有用水量大、建造成本高、后期處理成本高和易造成二次污染等問題；厭氧干發酵的優點有節約水資源、產氣率高、管理方便、后期處理成本低等優點，而厭氧干發酵也存在易酸化、啟動慢、產氣不穩定、發酵周期長等問題。而目前大量研究都集中在利用厭氧濕發酵技術處理畜禽糞便上。張成[7]等在發酵濃度為5%，溫度為35℃下對野豬糞進行發酵產沼氣實驗，結果表明，野豬糞的TS產氣率和VS產氣率分別為170 mL·g-1和210 mL·g-1；史金才[8]等選擇量發酵溫度、接種量和原料的添加量作為三因素，以豬糞作為發酵原料進行了正交實驗，研究結果表明，豬糞厭氧發酵產沼氣的最佳組合是溫度55℃，接種率30%，原料添加量100 g；張萬欽[9]等以不同生長時期的新鮮糞便為發酵原料，在發酵濃度為5%，發酵溫度為37℃的條件下，進行厭氧發酵產沼氣實驗，結果表明混合豬糞、仔豬糞、母豬糞、育肥豬糞的TS產氣率方便為394.4 mL·g-1，269.5 mL·g-1，250.0 mL·g-1，222.1 mL·g-1。厭氧干發酵的研究近年來也是逐步增多，鄭盼[10]等研究了活性炭的添加量對豬糞厭氧干發酵的影響，研究結果表明，添加活性炭可以縮短豬糞干發酵的HRT，提升豬糞的產氣效率，且最佳添加量為發酵干物質的5%；朱圣權[11]等選擇了堆漚時間、糞草比、接種率以及發酵時間四個因素，進行了4因素5水平的正交實驗，結果表明最優工藝為糞草比為5∶5，堆漚時間為3 d，接種率為30%，發酵天數為30 d。大部分均是單獨研究厭氧干發酵或者厭氧濕發酵，而對比厭氧干、濕發酵的產氣效率的研究較少，本文以豬糞為發酵原料，發酵溫度為37℃±1℃，接種物與豬糞的比例為1∶1的條件下，分別進行厭氧干發酵和厭氧濕發酵，研究兩種發酵技術的產氣效率和降解效率，為工程應用提供相應的參數。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

豬糞取自昆明市周邊的生豬養殖場；接種物為實驗室馴化4個月的豬糞接種物。豬糞和接種物的具體參數如表1所示。

1.2 實驗裝置

實驗裝置為實驗室常規的批量式發酵裝置，裝置圖如圖1所示。

A.溫控儀； B.水槽； C.集氣瓶； D.計量瓶； E.發酵瓶； F.點火口； G.刻度線

1.3 實驗設計

為了對比厭氧干、濕發酵的產氣效率，本實驗以豬糞作為實驗原料，設置2個實驗組和2個空白組，一組實驗組做豬糞厭氧濕發酵(發酵濃度為8%左右)，另一組做豬糞干發酵實驗(發酵濃度為20%左右)，每組設置4個平行(其中1組平行組作為取樣組，不取用其產氣數據)，在中溫37℃±1℃進行豬糞發酵實驗。具體實驗設計如表2所示。

表2 實驗設計

1.4 測量項目及方法

(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)[12]。

(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)[12]。

(3)產氣量：采用排水集氣法測定[13]，根據實驗具體情況記錄每日的產氣量。

(4)甲烷含量：每隔3天用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型)測定甲烷含量。

2 結果與分析

2.1 降解率對比分析

實驗組1和實驗組2料液發酵前后TS和VS和降解率如表3所示。

表3 實驗組發酵料液前后TS和VS及降解率 (%)

由表3可知，實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)和實驗組2(厭氧干發酵實驗組)發酵后的TS和VS較發酵前相比，均有不同程度的下降，這是符合厭氧消化規律的。由公式TS降解率 =(發酵前TS-發酵后TS)/發酵前TS[8]，VS降解率=(發酵前VS-發酵后VS)/發酵前VS[14]，計算可得，實驗組1和實驗組2的TS降解率為14.11%和15.40%，VS降解率為10.65%和10.79%，實驗組2的TS降解率和VS降解率均要比實驗組1要高，這說明實驗組2的有機質消耗程度要比實驗組1高，即實驗組2發酵產氣效率要比實驗組1更好。

2.2 日產氣量對比分析

實驗組1和實驗組2的日產氣量變化曲線如圖2所示。

圖2 日產氣量變化曲線

由圖2可知，實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)在發酵開始第1天的日產氣量為155 mL，隨后日產氣量開始逐步上升，并且在第14天達到日產氣量的峰值為380 mL,在第14天之后日產氣量開始下滑，直至產氣結束，整個發酵產沼氣過程一共27 d；實驗組2(厭氧干發酵實驗組)在發酵開始的前7 d內產氣量較少，均在100 mL以內，啟動時間比實驗組1要長，在發酵一個星期后日產氣量開始上升，在第24天達到日產氣量的峰值，日產氣量達到1595 mL,隨后日產氣量開始迅速下滑，直至產氣結束，此發酵過程一共歷時33 d。實驗組1的發酵啟動期明顯要比實驗組2要快，且達到產氣高峰期的時間也要比實驗組2早，故厭氧濕發酵的發酵啟動周期要比厭氧干發酵的更短。

2.3 甲烷含量對比分析

實驗組1和實驗組2的甲烷含量變化曲線如圖3所示。

圖3 甲烷含量變化曲線

由圖3可知，在發酵產氣開始第5天，實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)和實驗組2(厭氧干發酵實驗組)的甲烷含量均要低于50%，所產氣體不能正常點燃，而到達第8天后，實驗組1的甲烷含量達到54.15%，此時所產沼氣可持續的燃燒，隨后所產沼氣的甲烷含量開始上升，并且在第14天時達到甲烷含量的峰值，甲烷含量為61.94%，隨后甲烷含量開始下滑，但始終保持在50%左右，直至產氣結束；實驗組2的甲烷含量在第11天才開始達到50%以上，可正常燃燒，隨后甲烷含量一直保持在50%以上，并且在第26天時達到甲烷含量的峰值，甲烷含量高達71.17%，隨后產氣逐步下滑，甲烷含量也隨之下滑至產氣結束。實驗組1所產沼氣的甲烷含量達到50%以上的時間比實驗組2要短，但是整個發酵過程中的甲烷含量要低于實驗組2，說明厭氧濕發酵的啟動周期短，但厭氧干發酵更有利于甲烷的生成。

2.4 產氣速率對比分析

實驗組1和實驗組2的產氣速率變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)的產氣速率要始終高于實驗2(厭氧干發酵實驗組)，說明厭氧濕發酵的發酵產氣速率較快，發酵產沼氣的進程更迅猛；由圖4中縱坐標的80%做一條垂直線，與實驗組1和實驗組2的產氣速率曲線交于A、B兩點，而交點所對應的橫坐標即為其發酵的HRT，由圖4可得，豬糞厭氧濕發酵的HRT為19 d左右，而豬糞厭氧干發酵的HRT為25 d左右，豬糞厭氧干發酵的發酵周期要比厭氧濕發酵的更長。

圖4 產氣速率變化曲線

3 厭氧干、濕發酵動力學模型分析

在厭氧發酵過程中，生物質原料的消化降解過程遵循一級動力學相關原理。Logistic函數是一種常見的S形函數，它是皮埃爾·弗朗索瓦·韋呂勒在1844年或1845年在研究它與人口增長的關系時命名的。很多學者曾將此方程應用于厭氧消化過程，如吉喜燕[15]等人。本文則用“S”型的Logistic方程來模擬厭氧干、濕發酵產沼氣過程。

(1)

式中：M為沼氣累積產氣量，mL；P為發酵最大累積產氣量，mL；B為原料降解達到高峰的時間，d；K為表示在沼氣最大產率條件下，原料降解所需時間與常數e的比值，e的值為2.718。

將本文中所得的實驗數據帶入Logistic方程，獲得實際數據和擬合數據的產沼氣情況如圖5和圖6所示，方程的擬合參數見表4。經軟件計算，實驗組1和實驗組2的厭氧消化過程與Logistic方程的相關系數分別為R2=0.9985，R2=0.9956，相關系數均高于0.99，這表明它們之間具有非常高的相關度。對于Logistic方程的擬合結果，實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)的最大累積產氣量的擬合結果為5420 mL,與實驗結果的5310 mL相差不大，實驗組2(厭氧干發酵實驗組)的最大累積產氣量的擬合結果18264 mL，與實驗結果17050 mL相差不大，擬合結果與實驗基本相符合；且實驗組1達到最大產氣速率的時間的擬合結果與實驗結果一樣，而實驗組2的有所差別，但相差不大，可能是實驗過程中的誤差所致。可見，擬合數據與實驗數據較為接近，故Logistic方程可作為擬合預測和研究厭氧發酵過程的較為適宜的數學建模方法。

圖5 實驗組1厭氧消化Logistic方程擬合曲線

圖6 實驗組2厭氧消化Logistic方程擬合曲線

表4 各組實驗厭氧消化累積產氣量Logistic方程擬合參數

4 產氣效率對比分析

實驗組1和實驗組2的產氣效率對比如表5所示。

表5 產氣效率對比

由表5可知，實驗組2(厭氧干發酵實驗組)的TS產氣率，VS產氣率，VS降解率均要高于實驗組1(厭氧濕發酵實驗組)，這表明豬糞厭氧干發酵的產氣效率要高于豬糞厭氧濕發酵，對豬糞進行厭氧干發酵的產氣效果更好；而實驗組1的HRT要比實驗組2的更短，說明豬糞厭氧濕發酵的處理效率更快，產氣時間更短。

5 結論

(1)在37℃±1℃，接種物與原料的比例為1∶1的條件下，豬糞厭氧濕發酵(發酵濃度在8%左右)的TS產氣率為450 mL·g-1，VS產氣率為550 mL·g-1；豬糞厭氧干發酵(發酵濃度為20%左右)的TS產氣率為577 mL·g-1，VS產氣率為706 mL·g-1；豬糞厭氧濕發酵的HRT為19 d左右，豬糞厭氧干發酵的HRT為25 d左右，厭氧濕發酵的發酵周期更短。

(2)豬糞厭氧干發酵的VS產氣率較厭氧濕發酵提升了22.10%，且豬糞厭氧干發酵的TS降解率和VS降解率均要高于厭氧濕發酵，故利用厭氧干發酵技術處理豬糞可獲得更多的沼氣能源。

(3)豬糞厭氧干、濕發酵累積產氣量的變化規律與Logistic方程基本符合，兩者的相關系數均要高于0.99，Logistic方程可很好的反映出豬糞厭氧干、濕發酵產沼氣的規律。