雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化特性研究*

劉紅艷， 美化， 王昌梅,， 鐘順和， 趙興玲,，吳凱,， 趙紹斌， 樸明國， 尹芳,， 張無敵,

(1.云南師范大學，云南 昆明 650500；2.吉林東晟生物質能工程研究院，吉林 通化134118；3.云南順豐生物肥業(yè)環(huán)?？萍脊煞莨?，云南 大理 671005)

據統(tǒng)計2017年中國秸稈理論資源總量已達10.2億t，較20世紀90年代初增加了近4億t[1].由于木質纖維素資源化利用技術不成熟且轉化成本較高，秸稈收割以后除了部分用于牲畜飼料、粉碎還田、造紙和食用菌基料外，直接丟棄或堆集焚燒是主要去向，既浪費了資源又破壞了環(huán)境[2].另外，我國每年畜禽糞便產生約30億t[3]，這些糞便未經處理直接排放，不僅污染環(huán)境，也會成為影響土壤和水體的污染源.利用農作物秸稈和畜禽糞便等有機廢棄物進行厭氧發(fā)酵生產沼氣，不僅減少了農業(yè)生產對環(huán)境的污染，而且能解決農村燃料短缺問題[4-5].目前農村的沼氣發(fā)酵多采用單一的發(fā)酵原料，但農作物秸稈屬于富碳原料，碳氮比偏高，同時秸稈中木質纖維素含量多且結構復雜，不利于微生物分解利用，影響厭氧發(fā)酵產沼氣的正常運行.將糞便和秸稈混合厭氧消化可以調節(jié)原料的碳氮比，提高發(fā)酵效率.

混合厭氧消化是近年來厭氧消化領域的研究熱點之一，國內外相繼開展了糞便與秸稈混合厭氧消化的研究.Weiland[6]認為，糞便與秸稈混合原料的協同作用可以優(yōu)化秸稈的降解量，提高厭氧消化能力.白潔瑞等[7]研究發(fā)現，在35 ℃下雞糞與玉米秸稈2∶1的處理產氣效果最好.陳廣銀等[8]研究了在35 ℃下，稻草和豬糞VS比為3∶1時日產氣量比較穩(wěn)定，累積產氣量較其他糞稈配比提高.王曉嬌等[9]研究表明，糞便與秸稈兩兩混合及3種混合發(fā)酵均能顯著提高沼氣產量.Dar等[10]研究發(fā)現，將秸稈、落葉等與糞便混合發(fā)酵可有效提高沼氣產量和甲烷含量.

試驗以雞糞和蘆葦秸稈為發(fā)酵原料，采用全混合批量式厭氧發(fā)酵方式，探討不同配比的雞糞和蘆葦秸稈混合厭氧消化的產氣特性，以期為提高畜禽糞便和農作物秸稈的資源化利用率以及實現沼氣發(fā)酵的可控化提供參考依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

雞糞取自云南師范大學附近的菜市場；新鮮蘆葦秸稈取自云南師范大學校園內，收集后將其切碎(長為1～2 cm)備用；接種物取自實驗室正常產沼氣后的底泥.試驗材料的各項基本參數如表1所示.

表1 原料及接種物的基本性質

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用實驗室批量式發(fā)酵裝置

1.3 試驗設計

以雞糞和蘆葦秸稈混合物為原料進行發(fā)酵，將雞糞與蘆葦秸稈按干物質質量比1∶0(單一雞糞)、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1(單一秸稈)混合，設置5個發(fā)酵試驗組進行對比研究，同時設置1個對照試驗，每組設置3個平行.所有組的發(fā)酵料液體積為400 mL，接種物濃度為30%，在溫度(30±1)℃下進行厭氧消化直至產氣結束.發(fā)酵料液的具體配比如表2所示.

表2 發(fā)酵原料的配比

1.4 測量項目及方法

⑴總固體(TS)及揮發(fā)性固體(VS)含量：采用烘干法測定[11].

⑵產氣量：采用向上排水集氣法測定[12]，每天19∶00定時記錄產氣量.

⑶甲烷含量：采用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型，TCD)進行測定，由于試驗發(fā)酵周期較長，故每5 d測量一次甲烷含量.

2 結果與討論

2.1 日產氣量的對比分析

實驗一共進行46 d，在發(fā)酵過程中對照組沒有產氣，不同配比的雞糞和蘆葦秸稈混合厭氧消化的日產氣量變化曲線(已減去對照組的產氣量)如圖1所示.

圖1 日產氣量變化曲線

圖1顯示，各組的日產氣量基本上均有3～4個產氣峰，雞糞和蘆葦秸稈單獨厭氧消化試驗組的日產氣量曲線均出現大幅度波動，其中雞糞單獨厭氧消化試驗組在第3、9和15天有3個產氣峰，在第9天達到產氣高峰，產氣量為250 mL；蘆葦秸稈單獨厭氧消化試驗組在第1、3、6和14天出現產氣峰，在第14天達到產氣高峰，產氣量為270 mL，主要產氣集中在第1-15天之間.雞糞與蘆葦秸稈配比為1∶1的試驗組較先出現產氣高峰，發(fā)酵時間為第5天，產氣量為260 mL；以1∶2配比時，在發(fā)酵第6天時達到產氣高峰，產氣量為280 mL；以2∶1配比時，在發(fā)酵第7天時達到產氣高峰，產氣量為300 mL.當發(fā)酵到第16-20天時，單獨厭氧消化試驗組處于產氣低谷，混合厭氧消化試驗組卻呈現明顯的峰.此后各實驗組均下降并逐漸穩(wěn)定，但由于配比2∶1中雞糞的含量大，該配比的平均產氣量要高.在反應后期，各組的日產氣量逐漸下降直至停止產氣.

上述試驗結果表明，雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化可提高產氣速率.混合厭氧消化試驗組與兩種原料單獨發(fā)酵的試驗組相比，產氣峰值出現的時間提前了2～9 d，且能夠均衡日產氣量，減少單一原料日產氣量的大幅度波動，這是因為雞糞豐富的氮源和蘆葦秸稈較高的碳量正好平衡了發(fā)酵原料的碳氮比，為微生物生存提供了良好的條件.這一結果與李東等[13]稻草與雞糞配比對混合厭氧消化產氣率的影響實驗結論一致.

2.2 甲烷含量的對比分析

各實驗組甲烷含量隨時間變化曲線如圖2所示.

圖2 沼氣中甲烷含量的變化曲線

厭氧消化啟動初期，各試驗組的甲烷含量均較低.隨著反應的進行，除雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1的試驗組外，其他各試驗組甲烷含量增長較慢.而配比為2∶1的試驗組在第5天甲烷含量就高于50%，第10天時，甲烷含量達到最大值，而后呈現增長平穩(wěn)的趨勢.其他各試驗組的甲烷含量直到第10天才達到50%以上，然后甲烷含量先趨于平穩(wěn)后降低，在厭氧消化反應后期又緩慢提高.各試驗組間日產沼氣的甲烷含量差異較小，各試驗組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)甲烷含量平均值分別為51.95%、52.65%、53.94%、55.49%和52.37%.

2.3 累積產氣量和反應速率的對比分析

根據日產氣量數據，得到各試驗組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)累積產氣量分別為2 273、3 438、3 709、3 815 mL和2 685 mL.雞糞與蘆葦秸稈單獨厭氧消化試驗組的累積產氣量明顯低于混合試驗組.其中配比為2∶1的試驗組累積產氣量值最高，為3 815 mL；配比為1∶1的試驗組次之，且與配比2∶1試驗組的累積產氣量數值接近；配比為1∶2試驗組的累積產氣量最低，為3 438 mL.由此可知，在該實驗條件下，雞糞與蘆葦秸稈的配比為2∶1時，產氣效果最佳.

根據日產氣量數據計算，可以得到5個實驗組每隔2 d的累積產氣量占總產氣量的百分比隨時間的變化，結果見圖3.各個實驗組產氣速率的變化曲線趨勢相似，原料厭氧消化的水力滯留時間為日累積產氣量占總產氣量的百分比達到80%的時間，各試驗組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)水力滯留時間分別為22、19、20、19 d和26 d，雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化能縮短水力滯留時間，較單獨厭氧消化試驗組提前了2～7 d，相應地縮短了產氣周期.

圖3 產氣速率圖

2.4 各組實驗產氣潛力對比分析

通過累積產氣量、TS和VS含量計算得到各樣品的產氣潛力及甲烷含量如表3所示.從表3可以看出，雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1的實驗組產氣潛力最佳.

表3 不同配比原料的產氣潛力及甲烷含量

3 結 語

探究了雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化的產氣特性，得到的結論如下：

(1)選用雞糞與蘆葦秸稈配比為1∶2、1∶1、2∶1，試驗結果表明，配比為2∶1的試驗組較配比為1∶1和1∶2實驗組產氣高峰出現時間較長，但其累積產氣量和產氣潛力卻高出其余兩個試驗組，更有利于工程運用.

(2)雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化有利于減少單一原料發(fā)酵日產氣量的大幅度波動，并且混合厭氧消化可以有效利用糞便本身含有的微生物，加快秸稈有機質的水解，從而提高產氣效率.雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化的實際干物質產氣率均高于通過單一物料發(fā)酵產氣率.

(3)將雞糞與蘆葦秸稈按不同配比混合發(fā)酵不僅可以縮短水力滯留時間，并且可以提升原料的產氣潛力，雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1時水力滯留時間最短，為19 d.