雞糞與玉米秸稈混合厭氧干發酵研究

＊高有清 劉笑宇 孟慶杰 劉志達 劉中軍

（沈陽光大環保科技股份有限公司 遼寧 110000）

引言

能源是各國經濟發展與社會建設的重要基礎，但隨著世界范圍內能源危機的日益加劇，生物質能受到了廣泛關注與研究。厭氧發酵技術能夠有效地利用大量的生物質資源，并產生CH4這種清潔能源，從而緩解嚴峻的能源危機。我國畜禽糞便年產量約為10.9億噸，農作物秸稈大約9億噸[1]。因此，高效的處理農作物秸稈與畜禽糞是我國亟待解決的重要問題，提高農作物秸稈與畜禽糞便的綜合利用率，不僅有利于解決環境污染問題，還能緩解嚴峻的能源危機，也是可持續發展的應有之義[2]。

厭氧聯合發酵技術能夠稀釋抑制物與有毒組分，增加有機質的含量，充分利用反應器的體積調節C/N[3]，并且增強過程的穩定性，調節進料的水分含量，從而提高雞糞和秸稈的利用效率，解決單一底物發酵效率低下的問題，符合我國發展循環經濟和綠色農業的需求，對發展社會主義新農村建設和可持續發展有著重要作用，對于解決我國的能源問題有著重要的理論意義和現實意義。

1.材料與方法

(1)實驗材料及裝置

新鮮雞糞：取自北票宏發食品有限公司旗下東官黃古屯肉雞養殖基地，為成年白羽肉食雞新鮮糞便。

污泥：取自沈陽市北部污水處理廠活性污泥脫水后含水率80%的剩余污泥，取回后馴化24h。

四聯30L厭氧發酵在線監測反應器、小型厭氧消化罐、氣體流量計、恒溫水浴鍋、多功能水質分析儀等。

(2)實驗方法

雞糞秸稈混合厭氧干發酵實驗方式為中溫靜態厭氧發酵加定期攪拌，設備為四聯30L厭氧發酵反應器，如圖1所示。連續式厭氧發酵實驗裝置罐體材料為進口316L不銹鋼，罐體總容積為30L，實驗過程有效容積為20L。四組反應器分別投加3000ml污泥進行接種，各組物料投加量見表1：

圖1 連續式厭氧消化實驗裝置圖

表1 連續式各組實驗物料配比

實驗主要分析研究日產氣量、累計產氣量、pH、COD、氨氮、VFAs（揮發性脂肪酸）等參數的變化規律[4]。

(3)檢測方法

TS含量采用重量法進行測定；COD濃度采用重鉻酸鉀法進行測定；氨氮（NH4+-N）濃度采用納氏試劑分光光度法進行測定；揮發性脂肪酸（VFAs）濃度采用分光光度計比色法進行測定；pH值采用pH計進行測定[5]。

2.結果與討論

(1)產氣特性分析

圖2和圖3反映了連續式實驗中日產氣量和累計產氣量的變化，連續式實驗從第7d開始穩定進料，7～24d為每3d加一次料，25～30d為每兩天加一次料，31～90d為每天加一次料，91d～實驗結束為每天加兩次料。圖2可以看出實驗初始前6d日產氣量變化呈現先上升后下降的趨勢，此時的日產氣量與系統中有機物含量有關，在此階段的封閉環境中微生物逐漸適應環境，對有機物進行分解，日產氣量的變化與系統中SCOD變化趨勢相同。7～24d日產氣量變化趨勢呈現出鋸齒狀且有規律的變化，可以看出加完料的第1d產氣量達到峰值，隨后兩天產氣量明顯下降，原因是系統中產甲烷菌的產甲烷潛力比預期較高，每次加入系統的物料不能夠滿足微生物3d的穩定產氣量，微生物一直處于饑餓階段[6]，于是在25～30d開始每兩天加一次料，此時的產氣量有所提升，但依舊有規律的呈現出鋸齒狀變化；從第31d開始，在每日進料條件下，各組實驗的日產氣量均有明顯的上升，但隨著實驗進行，TS逐漸升高，系統pH逐漸下降，pH調節過程中NaOH添加量較少，酸化較為嚴重，從而導致日產氣量大幅下降；隨著加堿量的提高產氣逐漸恢復，當實驗進行到第90d時，開始每天加入兩次物料，產氣量逐漸上升，平均日產氣量均能達到45L左右。

圖2 連續式實驗日產氣量變化圖

圖3 連續式實驗累計產氣量變化圖

(2)pH的變化情況

圖4反映了連續式實驗中pH的變化，可以看出各組試驗的初始pH均在6.5～7之間，隨時間的進行各組實驗的pH均呈現下降趨勢，其中10%秸稈添加組（55℃）pH下降幅度較大，在第30d左右pH就已降到5以下，由于pH下降過快抑制了產甲烷菌的活性，導致整個反應系統中的產氣狀況較差。隨著加料頻率的提高，系統內大分子有機物在分解轉化為脂肪酸的同時，會產生大量游離的H+導致系統內pH下降[7]，可以看出在50～70d之間10%秸稈組（37℃）和20%秸稈組（37℃）pH下降到5～5.5之間，此時相對應的日產氣量平均為1～2L，產氣效率較低。

圖4 連續式實驗pH變化曲線

(3)COD及氨氮濃度變化情況

圖5和圖6反映了連續式實驗中COD和氨氮濃度的變化，由圖5和圖6可以看出，在實驗前7dCOD含量和氨氮含量均呈現出下降趨勢，這是由于前7d實驗沒有進料和出料，在此封閉階段，COD含量隨著微生物的降解作用從35000mg/L下降到18000mg/L，氨氮含量從945mg/L下降到800mg/L；當pH降低到5～5.5之間時，日產氣量也達到最低值，此時的COD和氨氮含量也達到最大值，當實驗進行到后期到達穩定階段后，COD相對穩定并呈現出緩慢下降趨勢，氨氮在后期出現較大波動，原因可能是隨著進料量的提高，有機物不斷積累導致水解產生氨氮的速率大于氨氮的消耗速率，使氨氮含量不斷提高[8]。

圖5 連續式實驗COD濃度變化曲線

圖6 連續式實驗氨氮濃度變化曲線

(4)揮發性脂肪酸(VFAs)的變化情況

圖7反映了揮發性脂肪酸（VFAs）隨時間的變化關系，可以看出VFAs的變化與厭氧發酵過程中水解酸化速率、產甲烷菌的降解效率有關，在實驗初期水解發酵細菌群將大分子有機物轉化為大量VFAs和游離的H+，導致VFAs含量逐漸上升，并與pH呈現出負相關關系；當實驗開始間斷式加料時，VFAs濃度也出現了間斷式的變化趨勢，但總體處于上升勢態。當實驗開始不間斷式連續加料后，VFAs濃度逐漸趨于穩定19.07mg/mL，此時產甲烷菌對揮發性脂肪酸和H+的利用效率大致等于進料有機物的水解酸化效率，使整個厭氧發酵系統處于一個平衡狀態，從而導致VFAs濃度趨于穩定。

圖7 連續式實驗VFAs濃度變化曲線

3.結論

少量秸稈的添加能夠提高厭氧發酵的產氣效率，待實驗后期產氣達到穩定后，10%秸稈添加組和20%秸稈添加組產氣量大致相等，但10%秸稈添加組實驗后期VFAs變化更加穩定，COD降解速率相對較高，同時由于實驗裝置的進料方式為上進下出，20%的秸稈添加量會使秸稈膨脹現象嚴重，導致出料困難，推薦連續式實驗中10%秸稈添加量為最佳配比。