李木子，孫軍德

(沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽110161)

　　摘要：提高農(nóng)村戶用沼氣的產(chǎn)氣速率和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率，是當前循環(huán)農(nóng)業(yè)領域面臨的主要問題。本實驗利用自行設計的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，模擬農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵過程，研究不同畜禽糞便混合配比(干物質比)對沼氣發(fā)酵的影響。厭氧發(fā)酵試驗表明，單純發(fā)酵原料難以滿足產(chǎn)甲烷菌對C：N的需求，分別存在產(chǎn)氣啟動慢，產(chǎn)氣量低等缺點。而通過合理的富氮和富碳的發(fā)酵原料配比可以有效地加快發(fā)酵產(chǎn)氣并提高產(chǎn)氣量和沼氣中CH₄含量。

　　如何高效地利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵沼氣，是當今農(nóng)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外的科研機構和高校在這方面做了大量的研究。劉德江^[1]研究表明，與單一發(fā)酵原料發(fā)酵沼氣相比，家畜糞便混合或家畜糞便與秸稈混合可以有效地提高沼氣產(chǎn)量，當提高發(fā)酵原料中牛糞的比例時，氣體中CH₄的含量明顯增高，同時，豬糞在厭氧發(fā)酵過程中容易發(fā)生酸化，從而造成產(chǎn)氣量下降甚至停止產(chǎn)氣，而羊糞、牛糞卻不容易發(fā)生酸化，基本上不影響產(chǎn)氣量。李文哲^[2]研究表明，在溫度和料液濃度較高、水停留時間較長時，發(fā)酵液中的丙酸含量也隨之提高，并對接下來的產(chǎn)甲烷期造成負面影響。

　　微生物生產(chǎn)沼氣原料的最適碳氮比為25：1，單一發(fā)酵原料難以滿足要求，因而研究混合原料不同比例發(fā)酵具有重要意義。本實驗研究相同溫度下，豬糞、羊糞單一原料發(fā)酵及不同比例混合發(fā)酵對沼氣產(chǎn)量及CH₄含量的影響，旨在為提高沼氣產(chǎn)量及質量提供理論依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1材料

　　試驗原料取自沈陽農(nóng)業(yè)大學后山養(yǎng)殖場新鮮的牛糞、羊糞；試驗接種物取自沈陽市東陵區(qū)農(nóng)戶自用沼氣池中的池底污泥。發(fā)酵原料的碳氮含量見表1。

　　1.2方法

　　1.2.1發(fā)酵試驗 自行設計的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，該裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶3部分組成。采用1500mL的有機玻璃杯作為發(fā)酵瓶和集氣瓶，分別在發(fā)酵瓶和集水瓶上打孔以作為取樣孔和出水孔，并采用止水夾封住取樣孔。發(fā)酵瓶和集氣瓶之間采用10mm×8mm的硅膠管連接。

　　集水瓶采用100mL的量筒，向下排水集氣法，所有的連結處均做密封處理。結構示意見圖1。

　　本次試驗采用接種物量為20%，總固體8%的發(fā)酵濃度。發(fā)酵液配方分為以下4組：組Ⅰ：純豬糞發(fā)酵；組Ⅱ：純羊糞發(fā)酵；組Ⅲ：豬糞：羊糞(干物質比)=1：1混合發(fā)酵；組Ⅳ：豬糞：羊糞(干物質比)=1：2發(fā)酵。每一種配方的發(fā)酵液取2個平行試驗。分別將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個實驗組，置于1500mL的發(fā)酵瓶內(nèi)敞口預處理9d，然后分別密封并連接導氣管和集氣瓶，將發(fā)酵裝置放入恒溫培養(yǎng)室，在(28±1)℃恒溫條件下進行厭氧發(fā)酵30d。

　　1.2.2分析測定方法 日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量采用向下排水法計量，發(fā)酵液的pH值采用智能pH計(PHS225型)測定，氣體中CH4含量采用ZS22型沼氣分析器測定。

　　2結果與分析

　　2.1預處理中不同發(fā)酵組 pH值的動態(tài)變化

　　按照配方配置好的發(fā)酵液混合物，攪拌均勻后，在1500mL的發(fā)酵瓶中進行為期9d的室溫(20℃)好氣堆漚。在堆漚過程中，每天測定一次體系的pH值，發(fā)酵液pH值變化情況見圖2。由圖2可以看出，組Ⅰ在整個預處理過程中的pH值始終維持在較低水平，呈酸性。組Ⅱ的pH值則一直保持在堿性范圍內(nèi)波動直到預處理結束；混合原料發(fā)酵實驗組中：組Ⅲ在堆漚開始時pH值為7.50，第3天其pH值下降至6.95，呈酸性，隨后又開始升高，并維持堿性，預處理結束時，組Ⅲ的pH值為7.50；組Ⅳ在整個預處理過程中，pH值變化趨勢與組Ⅲ相似，均經(jīng)歷了一個先下降再升高，而后趨于穩(wěn)定的過程，但相對于組Ⅲ，組Ⅳ的pH值變化幅度較小，且在整個預處理過程中，始終維持在堿性范圍內(nèi)。

　　2.2厭氧發(fā)酵過程中不同發(fā)酵組 pH值動態(tài)變化

　　厭氧發(fā)酵實驗過程中，每3d測定一次發(fā)酵液pH值。沼氣發(fā)酵試驗過程中發(fā)酵液pH值變化情況見圖3。由圖3可知，組Ⅰ在發(fā)酵第9天pH值降低至6.20，通過人為添加堿的方式調至pH7.00，在隨后的發(fā)酵過程中，其pH值始終維持在6.50以上，發(fā)酵結束時，pH值為7.10；組ⅡpH值在整個發(fā)酵過程中保持在較高的水平，在發(fā)酵進行第15天降低至6.70，發(fā)酵結束時其pH值為7.20。混合原料發(fā)酵組中：組Ⅲ在發(fā)酵剛開始時pH值迅速降低，第12天時降低到6.45，隨后又開始升高，并維持在6.50以上，至發(fā)酵結束時組ⅢpH值7.30；組Ⅳ的pH值變化幅度最小，發(fā)酵第6天pH值降低至6.90，后開始升高，第15天升高至7.31，發(fā)酵結束時pH值為7.20。

　　2.3不同發(fā)酵原料配比產(chǎn)氣變化情況

　　不同發(fā)酵原料配比的發(fā)酵液日產(chǎn)氣量變化情況見圖4。由圖4可知，組Ⅰ產(chǎn)氣啟動最快，厭氧發(fā)酵開始1d即有少量氣體產(chǎn)生，其日產(chǎn)氣量在第4天達到100mL，隨后迅速下降，發(fā)酵第8天，組Ⅰ產(chǎn)氣完全停止，人為添加堿調節(jié)體系pH值后，恢復產(chǎn)氣，并于第11天達到日產(chǎn)氣高峰246mL/d；組Ⅱ產(chǎn)氣啟動較組Ⅰ緩慢，發(fā)酵第9天開始產(chǎn)氣，第16天達到日產(chǎn)氣高峰325mL/d，后開始逐漸下降，但其日產(chǎn)氣量始終高于組Ⅰ。混合原料發(fā)酵組中，組Ⅲ在第6天開始產(chǎn)氣，其日產(chǎn)氣量在第10天達到峰值375mL/d，隨后開始緩慢降低，第24天降低到175mL/d，至發(fā)酵進行第30天，組Ⅲ的日產(chǎn)氣量只有47mL/d；組Ⅳ在發(fā)酵第4天開始產(chǎn)氣，隨后其日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵進行開始升高，至發(fā)酵第9天達到日產(chǎn)氣高峰350mL/d。

　　不同發(fā)酵原料配比的發(fā)酵液CH₄含量變化情況見圖5。組ⅠCH₄含量一直較低，在發(fā)酵進行第11天達到60%，隨后開始迅速降低，發(fā)酵第25天后所產(chǎn)氣體中無CH₄。組Ⅱ在發(fā)酵第9天產(chǎn)氣啟動時的CH₄含量為21%，發(fā)酵第15天達到峰值79%，后緩慢降低，發(fā)酵結束時，其CH₄含量為30%。組Ⅲ在發(fā)酵第5天產(chǎn)氣啟動后CH₄含量就達到35%，隨后繼續(xù)升高，發(fā)酵第9天達到峰值82%，并維持在較高水平至發(fā)酵第14天開始緩慢降低，發(fā)酵結束時CH₄含量仍保持在30%；組Ⅳ在發(fā)酵第8天達到CH₄含量峰值70%，后開始逐漸降低，發(fā)酵結束時，其CH₄含量僅有10%。混合原料發(fā)酵組中，組Ⅲ相對于組Ⅳ具有更高的CH₄含量峰值和更長的持續(xù)時間。

　　不同發(fā)酵原料配比的發(fā)酵液累積產(chǎn)氣量及干物質產(chǎn)氣率見表2。由表2可知，經(jīng)過恒溫28℃，30d的厭氧發(fā)酵試驗，不同發(fā)酵原料累積產(chǎn)氣量由高到低的順序為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ。

　　組Ⅰ的累計產(chǎn)氣量最低(2749mL)，僅為組Ⅲ(累積產(chǎn)氣量為6258mL)的1/2。混合原料的累計產(chǎn)氣量均高于單一原料，組Ⅲ的累積產(chǎn)氣量高于組Ⅳ。單就累積產(chǎn)氣量而言，組Ⅲ明顯優(yōu)于組Ⅳ，較之高出922mL。干物質產(chǎn)氣率由高到低依次為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ。

　　3討論

　　在進行厭氧發(fā)酵前，對發(fā)酵原料、接種物的混合物進行為期9d的好氣預處理，有助于發(fā)酵原料中復雜有機物的分解產(chǎn)酸，豬糞產(chǎn)酸速度最快，羊糞最慢。4組不同原料發(fā)酵液pH值均經(jīng)歷了一個先降低后升高的過程，原因是產(chǎn)酸菌將原料中復雜有機物分解產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和有機酸致使體系pH值下降，繼而酸隨產(chǎn)氣菌代謝被分解，pH值開始升高并趨于穩(wěn)定。豬糞在厭氧發(fā)酵過程中易發(fā)生酸化，從而造成產(chǎn)氣量下降甚至停止，需要人為地調節(jié)體系的pH值才能維持產(chǎn)氣；而羊糞及混合原料發(fā)酵組不會產(chǎn)生酸化現(xiàn)象。由于豬糞中含有較高的粗脂肪、粗蛋白成分，在厭氧發(fā)酵初期被微生物分解產(chǎn)酸，造成體系pH值迅速下降，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性。羊糞發(fā)酵組產(chǎn)氣啟動相對滯后，這是由于微生物分解纖維素、半纖維素的速度較慢，產(chǎn)甲烷菌無法獲得充足的代謝底物。混合原料發(fā)酵組中豬糞酸化產(chǎn)生的酸會對木質纖維原料的化學結構產(chǎn)生破壞作用，可以促進木質纖維素的水解，提高其生物降解率，加快高纖維素原料的分解產(chǎn)酸，從而提高產(chǎn)氣量及CH₄含量，獲得更好的發(fā)酵效果^[3]。本研究表明，在相同的干物質濃度和溫度條件下，累積產(chǎn)氣量及干物質產(chǎn)氣率由高到低依次為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ，組Ⅲ豬糞：羊糞(干物質比)=1：1是最優(yōu)的發(fā)酵原料混合配比。

　　參考文獻 ：

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　　[2]李文哲，王忠江，王麗麗，等.牛糞高濃度水解酸化過程中丙酸含量的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)工程學學報，2008，27(1)：363－367.

　　[3]Yu，Park B，HwangS.o－digestion of lignocellulosics with glu cose using thermophilic acidogens[J].Biochem－mical Engineering Journal，2004，18：225－229.