韓東全　董良杰

摘要：為了探究溫度、總固體濃度對實驗動物糞便厭氧發(fā)酵產氣量和產生沼氣的成分的影響，確定實驗動物糞便發(fā)酵的最佳溫度和最佳進料量，通過自行設計的厭氧發(fā)酵裝置，在恒溫30℃、35℃、40℃、45℃、50℃條件下，分別進行了總固體濃度為8%、10%、12%、14%、16%、18%的厭氧發(fā)酵實驗。本試驗以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈、普通級（cV）科研用實驗兔糞便和秸稈的混合物（按C/N為25/1配比）為發(fā)酵原料，以常溫厭氧發(fā)酵池的發(fā)酵料液為接種物（接種量為料液總量的30%），進行批量厭氧發(fā)酵試驗，探究在不同溫度TNN總固體濃度的發(fā)酵原料的厭氧發(fā)酵效果。結果顯示，以清潔級（cL）wistar大鼠糞便和秸稈混合為發(fā)酵原料時，35℃、總固體濃度為18%為其最優(yōu)試驗組，日產氣量的最大值和累積產氣量分別達到463 mL和7557mL，且隨著總固體濃度的增加，累積產氣量有上升趨勢；以普通級（CV）科研用實驗兔糞便和秸稈為發(fā)酵原料時，由于pH過低，造成了試驗失敗，可見pH對于厭氧發(fā)酵的啟動有著重要的影響。

關鍵詞：溫度；濃度；厭氧發(fā)酵；沼氣；產氣量

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132009

引言

隨著科技、醫(yī)療水平的不斷進步，各項醫(yī)療研究工作的快速發(fā)展，實驗動物在醫(yī)學研究與探索中的使用越來越普遍，并且它對于醫(yī)療事業(yè)的快速發(fā)展起到及其重要的作用。近些年來，各大醫(yī)院、研究所、高等院校紛紛建立了自己獨立的實驗動物研究中心。實驗動物的大規(guī)模應用和飼養(yǎng)，隨之也就產生了大量的實驗動物糞便。因此，實驗動物糞便的處理成為各實驗動物研究中心的一大難題。將實驗動物糞便厭氧發(fā)酵，轉化為清潔能源沼氣是一種合理的處理方式，并且對于由實驗動物糞便引起的環(huán)境污染有十分重要的意義。

在厭氧條件下，通過各類微生物的分解代謝最終產生沼氣是一個復雜的生物化學反應過程，其厭氧發(fā)酵效果受很多因素的影響，例如溫度、濃度、接種物、接種量、pH等。李金平等研究了溫度對鮮牛糞厭氧發(fā)酵產沼氣的成分影響，王法武等研究了溫度對以牛、兔和熊糞便為發(fā)酵原料時甲烷產量的影響。周丹丹等研究了溫度對高濃度恒溫厭氧發(fā)酵產沼氣成分的影響，宋籽霖等探索了溫度、發(fā)酵料液總固體濃度和產氣量之間的關系。王菲等研究了不同碳氮比對干法厭氧發(fā)酵產沼氣及沼渣造肥的影響。國內外對于動物糞便厭氧發(fā)酵的探究都是以畜禽動物糞便為原料，并且對它們厭氧發(fā)酵的工藝條件都已經有了較為深入的探究，但是對于實驗動物糞便的探究并沒有查閱到相關材料。

本試驗在厭氧發(fā)酵理論和實踐的基礎上，系統(tǒng)的探究了在不同恒溫條件下，總固體濃度對實驗動物糞便沼氣發(fā)酵產氣量和氣體中甲烷含量進行分析。旨在為確定實驗動物糞便沼氣發(fā)酵最佳條件、提高產氣量提供依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料與按種物：實驗動物糞便，取自吉林大學實驗動物中心，粉碎處理；秸稈，取自吉林農業(yè)大學試驗田；接種物，常溫發(fā)酵池中的沼液。

1.2試驗裝置

本試驗所用的試驗裝置為自行設計的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，主要由恒溫水浴鍋、發(fā)酵瓶、集氣瓶和集水瓶4部分組成，如圖1，各裝置間通過橡膠管和玻璃管連接。選用1000mL的廣口瓶作為發(fā)酵瓶和集氣瓶，并用13號膠塞密封，接口處用凡士林密封，1000mL的燒杯收集排出的水，然后用量筒進行測量。

1.3試驗方法

1.3.1試驗前期準備

1.3.1.1總固體質量分數(shù)（Ts）的測定

利用恒溫干燥箱。計算方法如下所示：

TS=A/B×100%

式中：A——樣品烘干后的質量；B——樣品鮮質量。

1.3.1.2發(fā)酵原料碳氮比的測定

利用K₂Cr₂O₇外熱源法測量含碳量，計算方法如下所示： 式中V₂——樣品消耗的硫酸亞鐵銨量（mL）；

V₁——空白消耗的硫酸亞鐵銨量（mL）；

N——酸亞鐵的當量濃度值；

0.03——消耗1mg當量的重鉻酸鉀相當于0.03g有機碳；

1.1——氧化率，校正系數(shù)；

W——樣品干重（g）。

利用凱氏總氮法測定含氮量，計算方法如下所示：

式中N——H₂SO₄標準液的當量濃度；

V——品消耗H₂SO₄標準液的體積（mL）；

V₀——白消耗₂2SO₄標準液的體積（mL）；

0.014——每毫克當量氮的重量（g）；

W——樣品干重（g）。

1.3.2試驗設計

本試驗以清潔級（CL）wistar大鼠和秸稈、普通級（CV）科研用實驗兔和秸稈的混合配置成碳氮比為25：1作為發(fā)酵原料，用1000mL廣口瓶作為發(fā)酵瓶，投料總容積為80%，并把混合液的比重假設為1，接種量為料液總量的30%（240g），計算出應加入的實驗動物糞便、秸稈和水的重量（詳細配置比見表3）。投料前分別對實驗動物糞便和秸稈進行粉碎處理，然后將它們裝入發(fā)酵瓶中，并攪拌均勻。發(fā)酵溫度為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，每個溫度下設定8%、10%、12%、14%、16%、18%6個總固體濃度。

1.4測定項目和方法

1.4.1總固體質量分數(shù)（total solid，TS）

測定方法和結果見試驗前期準備。

1.4.2產氣量（biogas yields）

用排水集氣法手機氣體，每天上午10點定時用量筒測量燒杯中水的體積。

在恒溫條件下進行各組不同總固體濃度的發(fā)酵實驗時，從有甲烷氣體產生時開始進行本組實驗的測量和記錄，直至各發(fā)酵組產氣都量很小時為一個發(fā)酵周期。

2結果與分析

2.1不同溫度下大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對日產氣量的影響

在發(fā)酵產氣過程中，6組總固體濃度的大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液在5個溫度中的產氣量如圖2所示。

從圖2中可以看出，6組總固體濃度的發(fā)酵料液在各個溫度下均能正常發(fā)酵，并且從發(fā)酵開始的第1天起，在一段時間內的產氣量，均呈現(xiàn)出上升趨勢，達到高峰以后，又都出現(xiàn)回落趨勢。但是在不同溫度下，不同濃度的發(fā)酵料液產氣量變化規(guī)律各不相同。不同溫度下的發(fā)酵周期有明顯不同，30℃下的發(fā)酵周期為57d左右，35℃為50d左右，40℃為42d左右，45℃為32d左右，50℃為26d左右，可見隨著溫度的逐漸升高，發(fā)酵周期逐漸變短。在相同溫度下，不同總固體濃度的發(fā)酵料液的產氣周期也有所不同，總固體濃度高料液發(fā)酵周期普遍高于總固體濃度低的發(fā)酵料液。這應該與發(fā)酵料液中可利用的有機質的多少有關，總固體質量分數(shù)高的發(fā)酵料液中可被利用的有機質較多，因此發(fā)酵周期較長。日產氣量的峰值并沒有隨著溫度的提高而增大，日產氣量的峰值為463mL，出現(xiàn)在35℃、總固體濃度為18%的條件下。30℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為180mL；30℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為181mL；35℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為463mL；40℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為311mL；45℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為196mL；50℃條件下，日產氣量的峰值出現(xiàn)于總固體濃度為18%的發(fā)酵料液，為126mL?？梢娙债a氣量的峰值并沒有隨著溫度的升高而增大，而是出現(xiàn)在35℃條件下。

2.2不同溫度下大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對累積氣量的影響

各組試驗的累積產氣量如圖3所示。從圖3可以看出，在各組恒溫條件下，隨著發(fā)酵料液總固體濃度的增加，累計產氣量基本呈現(xiàn)上升趨勢。除了在40℃恒溫條件下，總固體濃度為16%的發(fā)酵料液的累計產量為最大，略高于總固體濃度為18%發(fā)酵料液，其他恒溫條件下，總固體濃度為18%的發(fā)酵料液的累計產量均為最大。溫度對整個發(fā)酵過程的累積產氣量也有顯著影響，除總固體濃度為16%的發(fā)酵料液在30℃恒溫條件下產氣量為最大之外，其他各恒溫條件下，累積產氣量的最大值均出現(xiàn)在35℃，且在35℃、總固體濃度為18%的發(fā)酵料液條件下，累積產氣量達到所有試驗組的最大值，累積產期量的最大值為7557mL?？梢?5℃、總固體濃度18%為清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈混合發(fā)酵的最佳試驗組。

2.3不同溫度下實驗兔糞便和秸稈混合發(fā)酵料液總固體濃度對產氣量的影響

在各組恒溫條件下，進行不同總固體濃度的實驗兔糞便和秸稈混合發(fā)酵試驗時，各試驗組均沒有氣體產生。在整個試驗過程中，使用ph-100筆試pH計對發(fā)酵過程進行酸堿度的測量。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，以普通級（CV）科研用實驗兔糞便和秸稈的混合物為發(fā)酵原料時，發(fā)酵初期投料時，pH呈現(xiàn)中性，為7.00左右。隨著試驗的進行，pH很快下降，最低值達到3.72左右并維持恒定。由此可以推測，由于厭氧發(fā)酵的進行，在發(fā)酵初期產生了大量的酸，正是由于pH過低，發(fā)酵料液中的厭氧細菌的活性受到了抑制，阻礙了厭氧發(fā)酵的啟動和正常進行。在以后試驗中，如何對實驗兔糞便進行預處理和試驗是一項主要和有趣的研究。

3結論

以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈混合為發(fā)酵原料時，發(fā)酵可以正常進行，且在35℃條件下，總固體濃度為18%的條件下，日產氣量和累積產氣量均達到最大值，分別463 mL和7557mL。確定其為試驗過程中的最優(yōu)發(fā)酵條件。

以清潔級（CL）wistar大鼠糞便和秸稈為發(fā)酵原料時，隨著發(fā)酵料液總固體濃度的增加，累計產氣量基本呈現(xiàn)上升趨勢。

pH對于厭氧發(fā)酵的進行有著重要的作用，由于pH過低造成了以普通級（CV）科研用實驗兔糞便和秸稈為發(fā)酵原料的試驗失敗。在后期試驗中，需對其進行預處理，進行調和，再進行研究。