王法武 劉德新 陳浩 黃世臣

摘要 [目的] 篩選靜態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的最佳試驗(yàn)條件。[方法] 自行研制甲烷厭氧發(fā)酵裝置生物反應(yīng)器，以牛、兔和熊的糞便為發(fā)酵物料，對(duì)甲烷產(chǎn)生的最適溫度、物料發(fā)酵初始pH以及物料的初始碳氮比對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。[結(jié)果] 發(fā)酵溫度為35 ℃，物料的初始pH為7時(shí)可獲得最大的甲烷產(chǎn)量，牛糞的碳氮比最適合發(fā)酵產(chǎn)甲烷氣。改變發(fā)酵溫度和物料初始pH對(duì)總產(chǎn)氣量有影響，但對(duì)發(fā)酵周期影響不大。[結(jié)論] 該研究可為利用家畜糞便制造沼氣提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞 溫度;pH;甲烷;厭氧發(fā)酵

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）33-11839-03

Effects of Temperature and pH Value on Methane Yield during Process of Static Anaerobic Fermentation

WANG Fa-wu1， LIU De-xin2， CHEN Hao2， HUANG Shi-chen2*

（1.Agricultural Science and Technology Promotion Station， Fusong， Jilin 134500; 2.Department of Agricultural Resources and Environment， Agricultural College of Yanbian University， Yanji， Jilin 133002）

Abstract [Objective] The research aimed to screen the optimum experimental conditions of static anaerobic fermentation for the production of methane.[Method] The bioreactor of producing methane was developed. Then taken wastes of cow， rabbit and bear as fermentation material， the effects of temperature， initial pH and ratio of carbon and nitrogen on methane yield were studied.[Result] The results showed that the most yield of methane could be harvested under conditions with temperatureof 35 ℃ and the fermentation initial pH value of 7. The ratio of carbon source to nitrogen source was an important parameter affecting yield of methane. The cow dung was the best material for producing methane under static anaerobic fermentation.[Conclusion] This study could provide theoretical references for the methane production with animal wastes as meterials.

Key words Temperature; pH; Methane; Anaerobic fermentation

作者簡(jiǎn)介 王法武（1974-），男，吉林撫松人，高級(jí)農(nóng)藝師，從事農(nóng)技推廣研究。*通迅作者，副教授，博士，從事生物修復(fù)研究。

收稿日期 2014-10-16

當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題已越來(lái)越為人們所關(guān)注，廢棄物的再生和能源化成為人們目前關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，其中糞便的產(chǎn)量也不斷加大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了自然分解能力[1]。在大面積堆放過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體——CO2和CH4，如果能將這些所謂的“廢棄物”合理地進(jìn)行處理，并將產(chǎn)生的氣體收集起來(lái)，將是一個(gè)很大的資源。目前國(guó)內(nèi)相對(duì)農(nóng)業(yè)上產(chǎn)生的廢棄物，如作物秸桿[2]、牲畜和家禽的糞便[3-4]、有機(jī)生活垃圾[5]等用來(lái)生產(chǎn)生物能源的研究和實(shí)踐已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)。中國(guó)天然氣資源很緊缺，而能替代天然氣的沼氣的巨大資源潛力尚未被廣泛認(rèn)識(shí)和認(rèn)真地開(kāi)發(fā)，研究表明，中國(guó)產(chǎn)業(yè)沼氣具有相當(dāng)于年產(chǎn)900億m3天然氣的開(kāi)發(fā)潛力，是很有前景的生物質(zhì)能源[6]。

該研究利用小型自制厭氧發(fā)酵反應(yīng)裝置，研究了3種發(fā)酵物料在不同溫度和不同發(fā)酵物料初始pH下，沼氣產(chǎn)生的速度和日產(chǎn)生量，以期為利用家畜糞便制造沼氣提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1

物料的采集。取新鮮的牛糞、兔糞和熊糞作為發(fā)酵物料，物料均收集自延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)，牛、免的食物來(lái)源主要為青草，熊的食物來(lái)源主要是市售的以玉米、大豆等制成的飼料。

1.1.2

接種物。以牛糞經(jīng)厭氧發(fā)酵的殘余物作為接種物。

1.2 甲烷生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)與組裝

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 靜態(tài)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷裝置示意

1.3 物料總有機(jī)碳和全氮的測(cè)定

物料總有機(jī)碳和全氮的測(cè)定分別用外加熱法和半微量凱氏法[7]。

1.4 溫度對(duì)甲烷產(chǎn)量影響的測(cè)定

恒溫發(fā)酵溫度分別設(shè)為30、35、40 ℃。取新鮮的牛糞、兔糞、熊糞各200 g，加100 g接種物和150 ml水于500 ml三角瓶中混均后，將其置于恒溫水浴培養(yǎng)器內(nèi)，按圖1所示連接，用排水法和燃燒法測(cè)定每日的產(chǎn)氣量，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.5 pH對(duì)甲烷產(chǎn)量影響的測(cè)定

物料的混配同“1.4”，混勻后用精密pH計(jì)將物料的初始pH用0.1 M的NaOH或HCl分別調(diào)制為5、6、7、8、9，然后將發(fā)酵瓶置于35 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)培養(yǎng)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料總有機(jī)碳、全氮含量

經(jīng)測(cè)定，不同物料總有機(jī)碳及全氮含量見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，牛糞的總有機(jī)碳含量高于兔糞和熊糞的，兔糞和熊糞的總有機(jī)碳含量相當(dāng);三者的全氮含量相差不大。牛糞的碳氮比最高。

2.2 溫度對(duì)不同物料發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

在靜態(tài)厭氧發(fā)酵條件下，以牛糞、兔糞和熊糞為發(fā)酵物料，不同溫度下的甲烷日產(chǎn)量見(jiàn)圖2。由圖2可知，不同溫度下甲烷產(chǎn)生的規(guī)律相同，即甲烷的產(chǎn)生與培養(yǎng)時(shí)間的關(guān)系呈正態(tài)分布曲線狀。以牛糞作為發(fā)酵物料甲烷日產(chǎn)量（38 ml）明顯高于兔糞（28 ml）和熊糞（26 ml），以兔糞和熊糞作為發(fā)酵物料的日產(chǎn)氣量相當(dāng);3種物料均在35 ℃條件下最有利于甲烷的產(chǎn)生，不同物料均在發(fā)酵處理6 d時(shí)達(dá)到最大日產(chǎn)氣量;產(chǎn)氣周期約為14 d。

表1 不同物料總有機(jī)碳及全氮含量

注：A為牛糞，B為兔糞，C為熊糞。

圖2 溫度對(duì)不同物料發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

2.3 pH對(duì)不同物料發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響

3種物料不同初始pH對(duì)發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，產(chǎn)甲烷菌群對(duì)物料的初始pH十分敏感。物料初始pH為7，日產(chǎn)氣量最高，偏酸或偏堿環(huán)境均不利于甲烷的產(chǎn)生，初始物料的pH高于8時(shí)，產(chǎn)氣量近乎為零。在物料的初始pH為7時(shí)，其最大日產(chǎn)氣量為50 ml，明顯高于相同溫度（35 ℃）下牛糞自然發(fā)酵最高日產(chǎn)氣量（35 ml），但在最適的pH下，不能提高甲烷的最大日產(chǎn)量，也不能對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣量到達(dá)最高時(shí)間和產(chǎn)氣周期產(chǎn)生影響。

注：A為牛糞，B為兔糞，C為熊糞。

圖3 pH對(duì)不同物料發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量的影響

2.4 最適溫度與pH下3種物料總產(chǎn)氣量比較

3種物料在最適的pH和溫度條件下厭氧發(fā)酵18 d的總產(chǎn)氣量如圖4所示。由圖4可以看出，以牛糞為發(fā)酵物料時(shí)產(chǎn)甲烷量最多（318.5 ml），顯著高于兔糞（208.6 ml）和熊糞（209.4 ml）處理，兔糞和熊糞處理的總產(chǎn)氣量無(wú)顯著差異。

圖4 3種物料在最適pH與發(fā)酵溫度下的總產(chǎn)氣量

3 結(jié)論

在恒溫靜態(tài)發(fā)酵條件下，最適的溫度為35 ℃，發(fā)酵物料的最適初始pH為7，可獲得最高的甲烷產(chǎn)量，碳氮比對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響明顯。最適的發(fā)酵溫度和物料初始pH對(duì)甲烷生產(chǎn)的周期沒(méi)有影響。適時(shí)選用牛糞便厭氧發(fā)酵后殘余物作為接種物可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵零啟動(dòng)，可明顯縮短產(chǎn)氣周期。

4 討論

在厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌對(duì)溫度極其敏感[8]，也是產(chǎn)甲烷氣的限速步驟，除溫度外，物料的pH、物料的碳氮比及其氮的形態(tài)[9]，以及反應(yīng)器中溶解氧的濃度都是影響甲烷生產(chǎn)的主要因素。試驗(yàn)中得到的最適厭氧發(fā)酵溫度35 ℃與眾多文獻(xiàn)報(bào)道的一致[9-14]，選用牛糞發(fā)酵殘余物作為接種物在最適的發(fā)酵溫度下可實(shí)現(xiàn)零時(shí)間啟動(dòng)，故可大大縮短發(fā)酵周期。雖然如此，天然飼料也會(huì)因水體、土壤等的污染導(dǎo)致某些抑制甲烷氣體產(chǎn)生的物質(zhì)存在，從而使最適碳氮比和發(fā)酵條件下的產(chǎn)氣量不高，因此有必要對(duì)物料中其他抑制性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)和處理，以減少其造成的不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1]程一鳴，徐杰明，吳瑤，等.完全混合厭氧反應(yīng)器（CSRT）在農(nóng)村沼氣發(fā)電工程中的應(yīng)用[J].能源研究與利用，2014（1）：42-45.

[2] 陳小華，朱洪光.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007（3）：279-283.

[3] 張翠麗，李軼冰，卜東升，等.牲畜糞便與麥稈混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量、發(fā)酵時(shí)間及最優(yōu)溫度[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008（8）：1817-1822.

[4] 于穎，王宏燕，周東興.畜禽糞便的資源化利用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（8）：140-144.

[5] 趙云飛，劉曉玲，李十中，等.餐廚垃圾與污泥高固體聯(lián)合厭氧產(chǎn)沼氣的特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011（10）：255-260.

[6] 程序，梁近光，鄭恒受，等.中國(guó)“產(chǎn)業(yè)沼氣”的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用前景[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010（5）：1-6.

[7] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1981.

[8]馬詩(shī)淳.沼氣發(fā)酵微生物代謝調(diào)控技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

[9] 史金才，廖新俤，吳銀寶.4種畜禽糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010（3）：632-636.

[10] 傅建輝.牛糞高效沼氣發(fā)酵工藝的探討[J].中國(guó)沼氣，1991（4）：48-49.

[11] 于曉章，彭曉英，周樸華.溫度對(duì)厭氧嗜熱菌群產(chǎn)甲烷能力的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005（4）：422-426.

[12] 黃岳海，趙偉.沼氣發(fā)酵的基本條件（一）[J].新農(nóng)業(yè)，2006（8）：61.

[13] 黃岳海.常溫發(fā)酵大中型沼氣池啟動(dòng)步驟與方法（上）[J].新農(nóng)業(yè)，2007（3）：61.

[14] 南艷艷，鄒華，嚴(yán)群，等.秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的初步研究[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2007（6）：64-68.