郭廣亮，蘇小紅，范超，劉偉，王欣

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱150090）

混合畜禽糞便配比率對(duì)高溫厭氧共發(fā)酵的影響

郭廣亮1，2，蘇小紅1，2，范超1，劉偉1，2，王欣1，2

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱150090）

通過(guò)在牛糞中按不同比例添加雞糞或豬糞進(jìn)行高溫（55℃）厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)酵過(guò)程中pH值、COD去除率、日產(chǎn)氣量以及甲烷含量4個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，探尋最優(yōu)甲烷產(chǎn)量條件。結(jié)果表明，在牛糞中添加30%雞糞或在牛糞中添加50%豬糞時(shí)可以獲得較高的甲烷產(chǎn)量，產(chǎn)甲烷總量分別為43 477.6m L和42 187.6m L。

牛糞；雞糞；豬糞；高溫厭氧發(fā)酵

1　材料與方法

1.1材料來(lái)源

本實(shí)驗(yàn)采用新畜禽糞便為發(fā)酵原料，新鮮牛糞取自黑龍江省松花江奶牛場(chǎng)，新鮮雞糞取自黑龍江省哈爾濱市呼蘭正大養(yǎng)雞場(chǎng)，新鮮豬糞取自黑龍江省哈爾濱市宏達(dá)養(yǎng)豬場(chǎng)。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

圖1　厭氧發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofanaerobic ferm entation device

我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展迅速，大量的畜禽糞便對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大危害，將畜禽糞便資源化，使其從污染源轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉淳哂惺稚钸h(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義，符合人與環(huán)境之間的可持續(xù)發(fā)展策略［1］。將畜禽糞便進(jìn)行厭氧消化處理可以有效減少其對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化及資源化，成為寶貴的能源物質(zhì)［2，3］。高溫條件下的厭氧發(fā)酵比常溫發(fā)酵具有更強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)降解力，可以降低發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)量，從而提高發(fā)酵池的工作性能［4］。目前對(duì)于單一原料的發(fā)酵已經(jīng)積累了大量研究成果，從理論體系到應(yīng)用技術(shù)都已發(fā)展成熟，但人們漸漸發(fā)現(xiàn)不同原料的混合發(fā)酵可以得到更加理想的發(fā)酵效果［5，6］。

雞糞和豬糞富含有機(jī)質(zhì)，具有較高的降解潛力，但是在發(fā)酵過(guò)程中往往由于碳氮比與微生物生長(zhǎng)需求不符而難以獲得較高的發(fā)酵效率［7］。牛糞是公認(rèn)的碳氮比適合微生物生長(zhǎng)繁殖的發(fā)酵原料，但是牛糞中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)卻相對(duì)較少，大量的粗纖維難以被微生物降解，造成發(fā)酵效率降低。由于這些原料的組成特點(diǎn)具有互補(bǔ)性，本試驗(yàn)以牛糞為基本原料，以不同的比例加入雞糞或者豬糞，進(jìn)行55℃高溫混合厭氧發(fā)酵，并通過(guò)典型的指標(biāo)測(cè)定，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而確定雞糞與

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，分別研究牛糞與雞糞，牛糞與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能，每組中做兩個(gè)重復(fù)，發(fā)酵罐為5 L廣口瓶，有效容積為4 L。罐內(nèi)接種物l L，接種物取自哈爾濱市某污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定的活性污泥，發(fā)酵液按總固體含量（TS）為8%配制，發(fā)酵周期15d，采用單相序批式厭氧發(fā)酵工藝，其中牛糞與雞糞混合發(fā)酵：在牛糞中添加一定比例的雞糞進(jìn)行厭氧消化性能的研究，雞糞添加量分別為0%、30%、50%、70%、100%。

牛糞與豬糞混合發(fā)酵：在牛糞中添加一定比例的豬糞進(jìn)行厭氧消化性能的研究，豬糞添加量分別為0%、30%、50%、70%、100%。

對(duì)牛糞中添加其他糞便按添加比例進(jìn)行編組：A組，添加0%其他糞便；B組，添加30%其他糞便；C組，添加50%其他糞便；D組，添加70%其他糞便；E組，添加100%其他糞便。表1為不同配比下混合糞便的碳氮比。

表1　不同配比下混合糞便的C/NTab.1 Variation ofC/N in different proportion

1.4測(cè)定方法

1.4.1產(chǎn)氣量的測(cè)定

測(cè)定產(chǎn)氣量時(shí)應(yīng)用向下排水法的原理。在裝有水的水槽內(nèi)倒置一個(gè)裝滿水的1 000mL量筒，將導(dǎo)氣管插入量筒內(nèi)，測(cè)量排出的水量，獲得產(chǎn)氣量。

1.4.2pH值測(cè)定

pH值的測(cè)定采用便攜式酸度計(jì)進(jìn)行，型號(hào)為雷磁PHS-3C，精度為0.01，每天測(cè)定1次。

1.4.3COD值的測(cè)定

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定。

1.4.4甲烷含量測(cè)定

沼氣是混合氣體，包括主成分CH4和CO2，以及少量H2S、CO、H2、和NH3。本試驗(yàn)所產(chǎn)生的沼氣采用島津公司GC-2010氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)量氣體成分，并用歸一法進(jìn)行定量分析。

2　結(jié)果與分析

2.1雞糞與牛糞混合厭氧發(fā)酵特性

在雞糞與牛糞混合厭氧發(fā)酵的過(guò)程中，不同的混合比例使pH值、COD去除率、日產(chǎn)氣量和甲烷含量發(fā)生了明顯的變化。在對(duì)pH的測(cè)定中發(fā)現(xiàn)（圖2），所有比例試驗(yàn)組（A、B、C、D、E）在發(fā)酵進(jìn)行的前2d內(nèi)受到水解酸化作用的影響導(dǎo)致pH值迅速下降，原因是發(fā)酵原料在經(jīng)歷水解酸化作用一段時(shí)間以后，產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌將部分高分子化合物降解，產(chǎn)生低分子化合物，其中包括揮發(fā)性脂肪酸（VFA）以及有機(jī)酸等。在接下來(lái)的過(guò)程中，甲烷細(xì)菌逐漸適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境，代謝效率提高，脂肪酸被大量降解，與此同時(shí)，氨化作用增強(qiáng)，使pH值回升，在發(fā)酵進(jìn)行到第4d左右時(shí)，各組pH回升至初始水平，之后小幅平穩(wěn)上升。整個(gè)過(guò)程中各組pH值均在6.4～7.8，可以滿足厭氧發(fā)酵的要求，其中C組和D組變化過(guò)程更加平穩(wěn)，發(fā)酵過(guò)程pH值更接近中性，更適于發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行。

COD去除率是認(rèn)識(shí)發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)質(zhì)去除情況的重要參數(shù)，厭氧發(fā)酵本身是多種不同微生物種群協(xié)同代謝，分解有機(jī)質(zhì)的過(guò)程［8］。在本試驗(yàn)的發(fā)酵過(guò)程中，各試驗(yàn)組COD去除率變化趨勢(shì)基本相同，但各自變化范圍不同。E組由于發(fā)酵底物容易降解，從開(kāi)始發(fā)酵到發(fā)酵結(jié)束，總COD去除率的去除幅度都高于其他處理組，而A組情況正好相反，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中COD去除率都處于較低水平，而且變化幅度最小，分析原因主要是由于牛糞富含木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素等，而木質(zhì)素難降解的特性影響了COD去除率。A組與E組的COD去除率差異顯著（P＜0.05），說(shuō)明牛糞和雞糞的營(yíng)養(yǎng)成分構(gòu)成對(duì)反應(yīng)體系的有機(jī)物含量有顯著影響。B、C、D三個(gè)試驗(yàn)組則介于E組和A組之間，且COD去除率與加入雞糞的比例正相關(guān)。

5個(gè)試驗(yàn)組日產(chǎn)氣量差別較大，從整體趨勢(shì)來(lái)看，在發(fā)酵第4d左右，各組日產(chǎn)氣量均達(dá)到最大值，其中D組最高，達(dá)到6 400mL，在此之前，各組日產(chǎn)氣量增長(zhǎng)幅度很大，原因可能是延滯期的作用，即微生物剛剛接種到新的底物環(huán)境中，要有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，在接種之后的第ld，微生物將有機(jī)質(zhì)進(jìn)行液化，隨著時(shí)間的推移，這種液化作用開(kāi)始減弱，取而代之的是逐漸增強(qiáng)的產(chǎn)氣作用。在達(dá)到最大日產(chǎn)氣量之后，各組日產(chǎn)量開(kāi)始均勻降低，至發(fā)酵結(jié)束時(shí)基本降到2 000mL以下，因?yàn)榧淄楫a(chǎn)量與有機(jī)物濃度關(guān)系密切，低有機(jī)物濃度會(huì)嚴(yán)重影響甲烷的產(chǎn)量［9］。在厭氧消化系統(tǒng)中，由于前期有機(jī)物濃度高，而且微生物的代謝活性強(qiáng)，所以促進(jìn)了產(chǎn)氣量的積累。而有機(jī)物會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸被消化，所以其含量會(huì)逐漸降低，微生物的活性也自然減弱，最終影響產(chǎn)氣量?？傮w來(lái)看A組和B組的總產(chǎn)氣量最高，分別為62 132mL和60 135mL。不同試驗(yàn)組的平均日產(chǎn)氣量差異顯著（0.01＜P＜0.05），表明不同的發(fā)酵原料對(duì)產(chǎn)氣率有顯著影響，可以通過(guò)改變發(fā)酵原料的方法提高產(chǎn)氣率［10］。

甲烷含量測(cè)定結(jié)果顯示，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中甲烷含量逐漸升高，其中A組和B組全程都處于較高水平，平均含量分別為64.56%和72.3%。通過(guò)計(jì)算甲烷總產(chǎn)量，B組為43 477.6mL，為所有試驗(yàn)組中最高水平，且該組日產(chǎn)氣量和甲烷含量水平相對(duì)穩(wěn)定，為雞糞與牛糞配比最佳組合，即在牛糞中添加30%雞糞可以獲得較高的甲烷產(chǎn)量。

圖2　牛糞與雞糞混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律Fig.2 Changes of key index in the process of cattlem anure and chicken manurem ixture anaerobic fermentation

2.2豬糞與牛糞混合厭氧發(fā)酵特性

豬糞與牛糞混合厭氧發(fā)酵中，各指標(biāo)的變化幅度較雞糞與牛糞混合發(fā)酵試驗(yàn)相對(duì)偏小。pH值變化顯示水解酸化過(guò)程比雞糞與牛糞混合試驗(yàn)中時(shí)間要稍長(zhǎng)，可能與豬糞易發(fā)生酸化的特性有關(guān)，但整體來(lái)講各試驗(yàn)組pH值變化范圍仍可滿足厭氧發(fā)酵需要，且各試驗(yàn)組變化差異不大。COD去除率整體均呈上升趨勢(shì)，但C、D、E組在1～4d呈現(xiàn)較大幅度上升，之后升幅下降，趨于平穩(wěn)，A組與E組的COD去除率差異顯著（P＜0.05），說(shuō)明牛糞和雞糞的營(yíng)養(yǎng)成分構(gòu)成對(duì)反應(yīng)體系的有機(jī)物含量有顯著影響［11］，但A、B兩組COD去除率均處于較低水平，說(shuō)明摻入少量的豬糞對(duì)于COD去除率影響不大。

不同組間日產(chǎn)氣量的變化差異主要出現(xiàn)在發(fā)酵過(guò)程的第2～4d，這一階段中各組均達(dá)到最大日產(chǎn)氣量，其中A、B組最大日產(chǎn)氣量出現(xiàn)較早，且數(shù)值較大，均達(dá)到7 000mL左右，而C、D、E三組最大日產(chǎn)氣量則出現(xiàn)較晚，集中在5 400～5 800mL?？偖a(chǎn)氣量來(lái)看，A、B、C組較高且相差不大，分別為62 274mL、60 256mL和60 268mL，不同試驗(yàn)組的平均日產(chǎn)氣量差異顯著（0.01＜P＜0.05），表明不同的發(fā)酵原料對(duì)產(chǎn)氣率有顯著影響，與添加雞糞的研究數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。各試驗(yàn)組的甲烷含量變化規(guī)律相似，但A、B、C三組更為接近，平均甲烷含量從56%上升到最終的70%，整體水平均高于D、E兩組，且總體趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)。在A、B、C三組中，平均甲烷含量為C組＞A組＞B組。通過(guò)對(duì)總甲烷產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，C組最高為42 187.6mL，說(shuō)明在牛糞中加入50%的豬糞可以獲得較高的甲烷產(chǎn)量。

圖3　牛糞與豬糞混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律Fig.3 Changes of key index in the process o f cattle manure and pig manure m ixture anaerobic ferm entation

2.3不同配比下混合糞便的C/N比對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響從圖2和圖3可以看出，甲烷含量最大值分別出現(xiàn)在添加30%雞糞和添加50%豬糞的試驗(yàn)組中，對(duì)照表1為C/N分別是20.1和19.9，微生物生長(zhǎng)繁殖離不開(kāi)碳源的能量供給和氮源的原料供應(yīng)，合理的C/N可以縮短厭氧發(fā)酵的周期，提高有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化效率，并減少氨中毒對(duì)厭氧發(fā)酵的影響［12］。分析得出C/N在20/1

左右更利于甲烷產(chǎn)量的提高。

3　結(jié)論

第一，牛糞中添加雞糞或豬糞進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵可以明顯提高原料產(chǎn)氣率，豬糞對(duì)混合發(fā)酵的影響整體來(lái)說(shuō)小于雞糞，在牛糞中加入同樣比例的雞糞或豬糞時(shí)，加入雞糞的混合發(fā)酵體系中pH、COD去除率、日產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化更加明顯。

第二，在牛糞中加入30%的雞糞時(shí)，總產(chǎn)氣量較其他配比組偏高，平均甲烷含量也較高，甲烷總產(chǎn)量達(dá)到最大。

第三，在牛糞中加入50%的豬糞時(shí)，總產(chǎn)氣量接近最大值（A組），且甲烷總產(chǎn)量最高，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣水平相對(duì)平穩(wěn)。

［1］曾波，鐘榮珍，譚支良.畜牧業(yè)中的甲烷排放及其減排調(diào)控技術(shù)［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，17（4）：811-816.

［2］顧元兵，馬堅(jiān)，李建彬.畜禽糞便的無(wú)害化處理及利用［J］.養(yǎng)殖與飼料，2013，（10）：26-27.

［3］Marascni T N，Maroulis J.Piggery：From environmental pollution to a climate change solution［J］.Journal of Environmental Science and Health.Part B：Pesticides.Food Contaminantsand AgriculturalWastes，2008，43（4）：358-363.

［4］李道義，李樹君，劉天舒，等.牛糞高溫干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（3）：110-113.

［5］關(guān)正軍，畢蘭平，李文哲，等.牛糞高效厭氧發(fā)酵技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（4）：123-126.

［6］李晶宇.混合原料對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響研究［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［7］李偉，李文靜，張彤，等.不同配比雞糞、豬糞與玉米稈混合發(fā)酵的產(chǎn)氣效果［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（05）：79-84.

［8］MMyint，NN.Anaerobic fermentation ofcattlemanure:Modelingofhydrolysisand acidogenesis［J］.Water Research，2007，41（2）：323-332.

［9］Wu X，Y Wan Yin，Zhu J，et al.Biogas and CH4 productivity by co-digesting swine manure with three crop residues as an external carbon source［J］. Bioresource Technology，2010，101（11）：4042-4047.

［10］Liu K.Thermophilic anaerobic co-digestion ofgarbage，screened swine and dairy cattlemanure［J］.JournalofBioscience&Bioengineering，2009，107（1）：54-60.

［11］Zhang T，Yang Y，Liu L，etal.Improved BiogasProduction from Chicken Manure Anaerobic Digestion Using Cereal Residues as Co-substrates［J］.Energy Fuels，2014，28（4）：2490-2495.

［12］Dewes T，Hunsche E.Composition and microbial degradability in the soil of farmyard manure from ecologically-managed farms［J］.Biological Agriculture& Horticulture，2014，16（3）：251-268.

Influence of differentm ixing ratios ofm anure dung on therm ophilic anaerobic ferm entation

GUO Guang-liang1，2，SU Xiao-Hong1，2，F(xiàn)AN Chao1，LIU Wei1，2，WANG Xin1，2
（1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China；2.Science and Technology Incubator Center，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150090，China）

In this study，chicken and pigmanure were mixed into cattle manure according to different proportion.The mixturewere used in the thermophilic anaerobic fermentation test.The optimum mixture ratiowas found outbased on four importantparameters including pH，COD removal rate，daily gas productivity and CH4 content.The results indicated that the fermentation sh owed the besteffectwhen 30%chickenmanure or 50%pigmanureweremixed into cattlemanure，and the totalCH4 productivitywere 43477.6mL and 42187.6mL respectively.

Cattlemanure；Chickenmanure；Pigmanure；Thermophilic anaerobic fermentation牛糞、豬糞與牛糞混合厭氧發(fā)酵的最佳混合比例，以期為多原料混合發(fā)酵技術(shù)體系的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

X713

A

1674-8646（2016）18-0016-04

2016-08-09