菌糠與不同種類原料混合對厭氧發酵產氣性能的影響

丑三濤，徐 攀，朱曉利，李 敏

（1.濰坊理工學院，山東 濰坊 261000；2.山東祿禧大盛環保科技有限公司，山東 濰坊 261000）

隨著我國畜牧業及食用菌產業的迅速發展，產生了大量的畜禽糞便及蘑菇培養廢料（菌糠）。厭氧發酵技術是處理畜禽糞便和農業廢棄物的有效途徑之一，能實現畜禽養殖廢棄物的無害化處理與多層次資源化的利用，還能產生沼氣，用于熱電聯產或生物天然氣，維持農業生態化可持續發展[1]。目前有關菌糠與畜禽糞便混合發酵的系統研究在國內外少有報道，將菌糠與畜禽糞便結合起來，實現最優資源化利用及無害化處理具有重大意義。本次試驗以菌糠和雞糞、牛糞、鴨糞為原料，采用厭氧發酵方式，研究不同原料之間混合厭氧發酵產氣潛力，確定菌糠與不同原料間最佳產氣工藝參數，為解決能源短缺、碳減排，提高菌糠和畜禽糞便的利用率[2]，促進沼氣工程事業快速發展提供理論支撐[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

發酵原料為菌糠和雞糞、牛糞、鴨糞。菌糠取自東營沃德豐生物科技有限公司培養完雙孢菇、平菇的廢渣；雞糞取自濰坊立華牧業股份有限公司；牛糞取自山東合力牧業有限公司；鴨糞取自安丘市大盛鎮養鴨戶。發酵原料理化屬性見表1。表1 中，TS（Total Solids）為總固體；NH4-N 為氨氮；COD（Chemical Oxygen Demand）為化學需氧量。

1.2 試驗裝置

厭氧發酵小型試驗裝置見圖1。

圖1 厭氧發酵試驗裝置Fig.1 Anaerobic fermentation test equipment

1.3 試驗設計

用300 L 連續式厭氧發酵小試裝置進行厭氧發酵產氣試驗，發酵方式為連續式厭氧發酵，發酵周期為30 d，試驗裝置由玻璃罐和鋁箔集氣袋組成，玻璃罐口用橡膠塞密封，設有出氣口用來連接鋁箔集氣袋收集氣體。本試驗共設置3 組，試驗編號分別為菌糠與雞糞混合（A1）、菌糠與牛糞混合（A2）、菌糠與鴨糞（A3）混合，進行厭氧發酵產氣試驗。試驗參數，以m（原料TS）∶m（接種物TS）=1∶2的比例混合，用清水進行混料攪拌,發酵液中TS 的質量分數為10%，發酵溫度為40 ℃。發酵過程中每天取發酵料液與氣體樣品，檢測分析厭氧發酵過程中發酵料特性指標變化，包括pH 值、揮發性脂肪酸和碳酸氫鹽堿度比（VFA/TIC）值、NH4-N。從產氣開始，利用濕式氣體流量計計量日產沼氣量，利用沼氣分析儀檢測氣體成分含量。

2 試驗結果與分析

2.1 不同組pH值對厭氧發酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發酵隨反應時間越長，A1組發酵料液pH值整體呈現下降趨勢（K=-0.004 4），在厭氧反應試驗第8 天出現最大值7.81，在第26 天出現最小值7.5；A2組發酵料液pH 值呈微上升趨勢（K=0.001 5），在厭氧反應試驗第5天出現最大值7.97，在第1 天出現最小值7.68；A3組發酵料液pH 值呈現上升趨勢（K=0.005 1），在厭氧反應試驗第21 天出現最大值7.97，在第1天出現最小值7.57。

2.2 不同組VFA/TIC比值對厭氧發酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發酵隨反應時間越長，A1組發酵料液VFA/TIC 比值整體呈現上升趨勢（K=0.000 6），在厭氧反應試驗第23 天出現最大值0.39。A2組發酵料液VFA/TIC 比值呈微下降趨勢（K=-0.000 5），在厭氧反應試驗第9 天出現最大值0.47。A3組發酵料液VFA/TIC 比值呈現上升趨勢（K=-0.001 7），在厭氧反應試驗第10天出現最大值0.51。

2.3 不同組NH4-N值對厭氧發酵特性的影響

隨著3 組不同原料厭氧發酵隨反應時間越長，3 組發酵料液NH4-N 均呈現上升趨勢，其中3 組試驗NH4-N 值上升速度先后順序為A1＞A3＞A2。其中，A1組發酵料液NH4-N值整體上升速度最快（K=49.397），在厭氧反應試驗第30天出現最大值2 778.06 mg/L。A2組發酵料液NH4-N值呈微上升趨勢（K=2.881 3），在厭氧反應試驗第9 天出現最大值2 770.55 mg/L。A3組發酵料液NH4-N 值呈現上升趨勢（K=21.993），在厭氧反應試驗第29天出現最大值2 549.77 mg/L。

2.4 不同組厭氧發酵CH4濃度變化分析

沼氣是一種以CH4和CO2為主要成分的混合氣體，還有少量的H2S、O2等氣體。甲烷濃度是厭氧發酵產沼氣反應指標中的重要參數之一，它可以直接反映厭氧消化系統中產甲烷菌活性、有機酸轉化效率及產氣性能，間接反映厭氧發酵料液的可生物降解性以及厭氧反應器中微生物的降解能力。

3 組試驗日產甲烷濃度由高到低順序如下：A2＞A3＞A1，在整個發酵過程中，3組日產甲烷濃度沒有顯著變化，每組試驗甲烷濃度變化比較穩定，其中，A2組甲烷體積分數平均保持在62.54%，在第25天出現峰值64.76%；A3組甲烷體積分數平均保持在60.38%，在第26天出現峰值62.35%；A1組甲烷體積分數平均保持在56.8%，在試驗第2天出現峰值58.24%；A2組日產甲烷體積分數在初始階段變化較大，試驗前9 天呈下降狀態，在第10 天出現最低值60.24%，試驗后期甲烷體積分數值逐漸回升；A3組日產甲烷體積分數在前9 天保持在60.11%左右。之后呈上升—下降—上升—下降的M 型波動狀態。A1組日產甲烷濃度試驗前18天甲烷濃度變化較為平穩，平均維持在57.47%，從第18 天開始出現波動，呈下降—上升—下降—上升的W型波動狀態。

2.5 不同組厭氧發酵產氣特性變化分析

3組厭氧發酵產沼氣試驗中，A3組累積日產氣量最高，平均累計日產氣量為5 328.58 L/（kg·d），經過對比3 組試驗數據可知，A3組累積日產氣效率比A1、A2組分別提高了21.05%、12.58%，可能與發酵原料按比例混合后的理化屬性有關。菌糠具有碳氮比高、pH 值低、發酵過程易酸化的特點[7]，為了調節碳氮比，提高甲烷含量及產氣量，經過與雞糞、牛糞、鴨糞混合進行厭氧發酵[8]。菌糠與不同原料混合發酵時，可以改變物料特性[9]，能更好地發酵。從累積日產氣量表明，A3組混合厭氧發酵產氣效率最好，因為菌糠和鴨糞的產氣性能可以相互補充，混合后的原料的碳氮比得到了較好調節，這有助于增加系統中微生物的多樣性和數量。

3 結論

（1）通過對3 組發酵料液pH、VFA/TAC 兩種因素檢測分析可知：發酵料液pH 值在7.5～7.82、VFA/TAC 比值在0.2～0.5波動不會影響厭氧發酵反應，并且根據3組試驗得出pH值變化與VFA/TIC 比值成反比，pH 值升高，VFA/TIC 比值會降低，pH值降低，VFA/TIC比值會升高。通過這2項指標可有效監控厭氧發酵料液反應過程中有機酸積累及進料比例失調問題。

（2）通過分析3組發酵料液NH4-N值變化可知：發酵料液NH4-N值越高，會不同程度地影響厭氧發酵反應產氣品質。

（3）通過對3 組發酵料液CH4與產氣綜合分析可知：3 組試驗在厭氧反應條件一定的情況下，甲烷濃度最優順序為A2＞A3＞A1，產氣量最優順序為A3＞A2＞A1。