畜禽糞便高溫厭氧消化產(chǎn)氣特性比較研究

陳芬 余高 譚杰斌

摘 要：厭氧消化是處理有機(jī)廢棄物一種主流工藝。在實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)有效容積為1L的厭氧反應(yīng)裝置中，對(duì)雞糞、豬糞及牛糞進(jìn)行高溫厭氧消化試驗(yàn)，對(duì)3種畜禽糞便高溫厭氧消化過(guò)程含固率（TS），總有機(jī)碳（TOC），C/N，pH值的變化及其與甲烷產(chǎn)生量的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定與分析。結(jié)果表明：消化物料TS和TOC含量及C/N隨消化時(shí)間呈下降趨勢(shì)，30d厭氧消化后，雞糞、豬糞和牛糞的TS含量分別下降了35.9%，23.2%和47.5%；TOC含量分別下降了42.7%、39.2%和61.5%；C/N分別下降了12.6、11.0、18.6。而pH隨消化時(shí)間呈先下降后上升并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。TS、TOC及C/N減少量均與甲烷累積產(chǎn)生量成正相關(guān)，牛糞產(chǎn)甲烷效果優(yōu)于雞糞，豬糞最差。研究結(jié)果可為提高畜禽糞便厭氧消化產(chǎn)氣效率提供基礎(chǔ)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：畜禽糞便；高溫厭氧消化；產(chǎn)甲烷量；TS；TOC；C/N；pH

中圖分類號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）13-0015-03

Abstract：Anaerobic digestion is a main technology for organic waste treatment.Thermophilic anaerobic digestion experiments of chicken manure，pig manure，and cattle manurewere carried out in anaerobic reaction device of 1 L working volume.The total solid（TS），total organic carbon（TOC），C/N，and pH value were measured in the process of thermophilic anaerobic digestion and their relationships with methane production were analyzed.The results showed that TS、TOC，and C/Nof the digestion materials were decreased gradually with digestion time.TS contents of chicken manure，pig manure，and cattle manure declined by 35.9%，23.2%，and 47.5%respectively，TOC contents decreased by 42.7%，39.2%，and 61.5% respectively，and C/N declined by 12.6，11.0，and 18.6 respectively after 30 d anaerobic digestion.But pH valueswere deceased first and then increased and later to a constant valuein different treatments as digestion time want on.The losses of TS，TOC，and C/N all positively correlated to thetotal methane production.The methane production of cattle manure was better than that of chicken manure，and the pig manure was the worst.The resultsof this studycan providebasic parameters support for increasinggas-producing efficiency of livestock and poultry manure in anaerobic digestion.

Key words：Livestock and poultry manure；Methane production；Thermophilicanaerobic digestion；TS；TOC；C/N；pH

厭氧消化處理有機(jī)廢棄物具有能耗小、剩余污泥少、可回收能源等優(yōu)點(diǎn)，是有機(jī)固體廢物處理處置方向之一[1]。厭氧消化處理畜禽糞便不僅是一項(xiàng)清潔能源的生物質(zhì)工程[2]，而且是減輕環(huán)境污染、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要紐帶[3]。近20年來(lái)，我國(guó)的肉類、奶類和禽蛋產(chǎn)量以6%～10%的速度遞增，從而導(dǎo)致畜禽糞便量激增[4]。目前，中國(guó)年產(chǎn)生量超過(guò)20億t的糞便已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染源[4]。但畜禽糞便經(jīng)厭氧消化后，碳素大量轉(zhuǎn)化為CH4和CO2氣體而減少，氮、磷等元素更多地保留在沼液和沼渣中[5]，直接排放會(huì)引起環(huán)境的二次污染，而農(nóng)田利用是消納沼液和沼渣的有效方式[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外厭氧消化處置的有機(jī)廢棄物種類主要集中于畜禽糞便、城市生活垃圾、城市污泥等[7-9]。然而，大部分研究工作者致力于消化物料的預(yù)處理方式、厭氧消化工藝及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣率的影響。例如，采用粉碎、浸泡、超聲、微波、熱水解、酸、堿、臭氧物質(zhì)等方式處理發(fā)酵物料，以提高系統(tǒng)產(chǎn)氣率[10-11]；駱曉松等[12]研究表明，城市有機(jī)垃圾溫度在55℃時(shí)厭氧消化甲烷的產(chǎn)生量要高于中溫37℃的厭氧消化過(guò)程；胡凱等[13]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)超聲處理后，剩余污泥的厭氧消化產(chǎn)氣率提高了57.9%。然而，關(guān)于畜禽糞便本身的厭氧消化特性及其產(chǎn)氣性能的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)自制厭氧消化裝置研究了畜禽糞便單一厭氧消化過(guò)程中含固率（TS）、總有機(jī)碳（TOC）、C/N的變化情況，了解不同畜禽糞便的厭氧消化特性，為高效利用畜禽糞便提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)所用的雞糞、豬糞和牛糞分別取自山西省太谷縣楊家莊養(yǎng)雞場(chǎng)、楊家莊農(nóng)戶和大同市原種場(chǎng)。新鮮糞便樣品用塑料容器密封后余0～4℃冰柜中保存，最大程度降低其水分散失，接種物用采自山西省高平市農(nóng)村沼氣池的沼液與采自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)牧站的牛糞按體積比為10∶1混合后進(jìn)行高溫（55℃）密封馴化，馴化時(shí)間為10d，總固體質(zhì)量（total solid，TS）分?jǐn)?shù)為10%。

1.2 試驗(yàn)方法 按不同消化原料設(shè)3個(gè)處理，即雞糞、豬糞和牛糞。在厭氧消化反應(yīng)器分別加入不同量的雞糞、豬糞和牛糞3，并分別加入去離子水使總體積達(dá)到600mL，雞糞、豬糞和牛糞的加入量以600mL含固率（TS）均為10%確定，然后分別加入接種液80mL（TS=10%），充分混勻，此時(shí)反應(yīng)器中發(fā)酵物固體含量均為10%。當(dāng)所有物料配置好后，往反應(yīng)器中通入U(xiǎn)HP-N2，從而使其達(dá)到厭氧環(huán)境。將全部處理的厭氧發(fā)酵裝置放置于同一臺(tái)高溫老化培養(yǎng)箱（140cm×120cm×170cm）中進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵溫度恒定為55℃，發(fā)酵過(guò)程每天上午和下午分別收集集NaOH溶液瓶中的NaOH溶液，測(cè)定其體積以代表甲烷產(chǎn)生量[14]，發(fā)酵過(guò)程一直持續(xù)到日產(chǎn)甲烷量≤累積產(chǎn)甲烷量的1%為止，延續(xù)時(shí)間為30d。同時(shí)，試驗(yàn)期間每隔6d吸取消化沼液20mL，除初始點(diǎn)外，厭氧消化30d共取樣5次。3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 畜禽糞便固體含量（TS）采用105±5℃的烘箱烘干至恒重法[15]；揮發(fā)性固體（VS）采用550℃灼燒法[15]；總有機(jī)碳（TOC）含量采用K2Cr2O7容量法測(cè)定（NY525-2002）；總氮（TN）采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測(cè)定[16]；pH值采用pH酸度計(jì)（上海雷磁廠）測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同畜禽糞便累積的CH4產(chǎn)生量 在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中雞糞、豬糞、牛糞的累積產(chǎn)CH4產(chǎn)生量分別為4015mL、3098mL、4333mL（見(jiàn)圖2），牛糞累積CH4產(chǎn)生量分別比雞糞和豬糞提高7.9%、39.9%（P≤0.05），雞糞累積CH4產(chǎn)生量豬糞提高29.6%（P≤0.05）。在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中，3種畜禽糞便的累積CH4產(chǎn)生量從高到低的順序?yàn)椋号＜S>雞糞>豬糞。

2.2 不同畜禽糞便厭氧消化始末TS含量的變化 反應(yīng)初期，發(fā)酵罐發(fā)酵液總體積為680mL，發(fā)酵罐中雞糞、豬糞和牛糞的TS含量分別為均為68.0g，厭氧消化30d后，由于每隔6d取一次樣，每次取樣20mL，到30d時(shí)，發(fā)酵液總體積減少為580mL，發(fā)酵罐中雞糞、豬糞和牛糞的TS含量分別為43.6g、52.2g和35.7g（末期TS含量以發(fā)酵液580mL計(jì)算而得），與反應(yīng)初期折算為580mL時(shí)的TS含量（雞糞、豬糞和牛糞均為58.0g）相比，TS含量損失率分別為35.9%，23.2%和47.5%。

2.3 不同畜禽糞便厭氧消化過(guò)程TOC含量的變化 由圖3可知，厭氧消化過(guò)程中雞糞、豬糞和牛糞中復(fù)雜的有機(jī)物在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，從而導(dǎo)致了TOC隨著厭氧消化的時(shí)間的推移而逐漸減少。3種畜禽糞便單一發(fā)酵過(guò)程中，TOC從厭氧消化初的262.1g·kg-1、292.9g·kg-1和318.9g·kg-1分別下降到厭氧消化終止時(shí)的150.1g·kg-1、178.1g·kg-1和122.8g·kg-1，其下降率分別為42.7%、39.2%和61.5%。牛糞中TOC含量的損失率最高，雞糞次之，豬糞損失量最少。

2.4 不同畜禽糞便厭氧消化過(guò)程C/N的變化 一般認(rèn)為，原料的碳氮比是影響生物轉(zhuǎn)化的重要因素之一[15]，物料厭氧發(fā)酵的C/N比在25～30最好，如果比值過(guò)小，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)銨鹽積累，從而危害產(chǎn)甲烷菌，抑制消化過(guò)程的進(jìn)行[17]。供試雞糞、豬糞和牛糞在厭氧消化過(guò)程中C/N變化趨勢(shì)均為下降趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖4）。雞糞、豬糞和牛糞單一發(fā)酵過(guò)程中，C/N從厭氧消化初的17.8、19.5、28.1分別下降到厭氧消化終止時(shí)的5.2、8.5、9.5，其分別下降了12.6、11.0、18.6。牛糞C/N下降幅度最大，產(chǎn)甲烷量最高，雞糞次之，豬糞最少。

2.5 厭氧消化過(guò)程液相pH的變化 甲烷菌對(duì)pH值較為敏感，最適pH值范圍為6.8～7.2，而當(dāng)pH>8或者<6時(shí)，甲烷菌活性會(huì)受到嚴(yán)重抑制[18]。由圖5可以看出，豬糞和牛糞在厭氧消化過(guò)程中pH值變化趨勢(shì)為先降低再升高最后達(dá)到穩(wěn)定，0～12d為下降趨勢(shì)，第12天達(dá)到最低值，分別為6.6和7.1，而后上升，最后穩(wěn)定在7.7～7.8；而雞糞pH值為上升趨勢(shì)，其pH值從厭氧消化前的6.9上升到厭氧消化結(jié)束時(shí)的8.2。

3 結(jié)論

（1）厭氧消化過(guò)程中，牛糞的累積CH4產(chǎn)生量最高，雞糞次之，豬糞最少。

（2）厭氧消化過(guò)程中，3種畜禽糞便的TS含量、TOC以及C/N均有不同程度的下降。

（3）C/N是影響厭氧消化的重要因素，過(guò)小會(huì)使pH值上升，從而抑制產(chǎn)氣。

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（責(zé)編：張宏民）