鄭 盼, 尹 芳, 張無敵, 趙興玲, 吳 凱, 王昌梅, 柳 靜, 楊 紅

(云南師范大學， 云南 昆明 650500)

隨著近幾十年來我國民眾生活水平的提升和膳食結(jié)構(gòu)的改善，人們對肉類的需求也是逐年上升[1]。據(jù)統(tǒng)計，2015年，全國生豬出欄量達到70825萬頭，豬肉產(chǎn)量達5487萬噸[2]。而我國受居民消費習慣影響，肉類消費以豬肉消費為主體，2000年～2014 年豬肉消費占肉類消費保持在 65%左右[3]。豬糞日排放系數(shù)為2.20～4.25 kg·d-1[4-5]，由于豬的養(yǎng)殖量比例大[6]，因此，其糞便排放總量大，產(chǎn)量達到 40 億噸，其數(shù)量在幾種畜禽糞便中居于首位[7]。因此，豬糞的合理利用與處置對于改善環(huán)境質(zhì)量、促進生豬乃至整個畜禽養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展具有重要意義[8]。而對豬糞進行厭氧發(fā)酵處理，不僅能解決畜禽糞便的污染問題，而且還能生產(chǎn)沼氣可供使用[9]，沼液沼渣可還田替代化肥，因此厭氧發(fā)酵工藝被廣泛應(yīng)用與畜禽糞便的處理上。

我國目前廣泛應(yīng)用的是濕式發(fā)酵，而隨著社會的不斷進步和環(huán)境問題的日益嚴重，濕式發(fā)酵的一些問題也是逐步的被發(fā)現(xiàn)，比如：濕式發(fā)酵后殘留物的二次污染問題；沼液沼渣還田的污染問題；水資源的浪費等問題。與濕式發(fā)酵相比，干式發(fā)酵反應(yīng)體系中總固體(TS)含量達到20%～30%[10]，具有沼渣沼液濃度高，數(shù)量少，容易利用等優(yōu)點，近年在國外受到了廣泛關(guān)注[11-12]。但同時厭氧干發(fā)酵在啟動運行時也有一些難題，比如：易酸化、啟動慢、產(chǎn)氣不穩(wěn)定等缺點。從國外厭氧消化的發(fā)展歷史來看，干式發(fā)酵逐步取代濕式發(fā)酵是必然的趨勢。而國內(nèi)目前對厭氧干發(fā)酵的研究還是較少的，對提高厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率的研究更是少見。筆者以干式發(fā)酵為主要研究對象，探究添加活性炭對提高豬糞干發(fā)酵產(chǎn)氣效率的效果和研究活性炭的添加量對提高豬糞干發(fā)酵的產(chǎn)氣效果的影響，為工程上畜禽糞便的厭氧干發(fā)酵處理提供更好的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

厭氧干發(fā)酵的豬糞取自昆明市附近的生豬養(yǎng)殖場；接種物為實驗室馴化的豬糞接種物；活性炭(西隴化工股份有限公司)。材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 原料及接種物的基本性質(zhì) (%)

1.2 實驗裝置

厭氧干發(fā)酵的裝置是常規(guī)的500 mL的批量式發(fā)酵裝置。

1.3 實驗方法

為了提高厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率和探究活性炭的添加量對豬糞干發(fā)酵的影響，設(shè)計4個實驗組和4個對照組，每組設(shè)4個平行，在發(fā)酵濃度為20%左右，中溫(37℃±0.5℃)水浴下進行為期35 d的厭氧發(fā)酵。4個實驗組分別添加0 g活性炭，發(fā)酵干物質(zhì)1%的活性炭，發(fā)酵干物質(zhì)5%的活性炭和發(fā)酵干物質(zhì)10%的活性炭，具體的實驗設(shè)計如表2所示。

表2 實驗設(shè)計

1.4 分析項目及方法

(1)總固體(TS)含量：烘干法(將樣品在 105℃±2℃下烘至恒重，計算樣品除水分后干物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù))[13]。

(2)揮發(fā)性固體(VS)含量：烘干法(將 TS 測定后恒重的總固體在 550℃±20℃下燒至恒重，計算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù))[13]。

(3)產(chǎn)氣量：采用排水集氣法測定[14]，由于試驗開始前幾天產(chǎn)氣量比較大，所以啟動后的第1個星期每隔半天記錄產(chǎn)氣量，而后每天記錄一次即可。

(4)甲烷含量：用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型)測定。

(5)pH值：用精密試紙測量(6.4～8.0)。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量的對比分析

由圖1可知，未添加活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的0%)的豬糞干發(fā)酵日產(chǎn)氣量變化可以分為3個階段。第1階段為第1～21天，在第1天產(chǎn)氣337 mL后，從第2～21天的產(chǎn)氣量保持相對平緩，平均日產(chǎn)氣量為90 mL；第2階段為第22～44天，日產(chǎn)氣量較第1階段略有上升，平均日產(chǎn)氣量上升為223 mL；第3階段則是第45天至產(chǎn)氣結(jié)束，從第45天后開始進入一個產(chǎn)氣高峰期，在第61天日產(chǎn)氣量達到最大值為610 mL,隨后產(chǎn)氣開始下滑直至結(jié)束。

添加0.8 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的1%)的豬糞干發(fā)酵實驗，日產(chǎn)氣量的變化與未添加活性炭組基本相似，同樣在第1～21天產(chǎn)氣比較平緩，平均日產(chǎn)氣量為170 mL，第22～44天期間日產(chǎn)氣量有所上升，平均日產(chǎn)氣量達到305 mL，第45天后開始進入產(chǎn)氣高峰期，在第62天達到日產(chǎn)氣量最大值為545 mL，此后產(chǎn)氣逐步下降至結(jié)束。

添加4.0 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的5%)的豬糞干發(fā)酵實驗，在第1～24天為第1個產(chǎn)氣高峰期，在第17天到達日產(chǎn)氣量的峰值為700 mL,隨后產(chǎn)氣逐步下滑至第24天，在第25天后產(chǎn)氣又開始逐步上升至第42天達到日產(chǎn)氣量的第2個峰值為673 mL，而后產(chǎn)氣逐漸下降至產(chǎn)氣結(jié)束。

添加8.0 g活性炭(活性炭+發(fā)酵干物質(zhì)的10%)的豬糞干發(fā)酵實驗，在第1～18天為產(chǎn)氣高峰期，日產(chǎn)氣量在第10天達到峰值為833 mL，隨后日產(chǎn)氣量逐步下滑，在第19～42天產(chǎn)氣比較平穩(wěn)，期間平均日產(chǎn)氣量為405 mL，此后日產(chǎn)氣量逐漸下滑至產(chǎn)氣結(jié)束。

圖1 日產(chǎn)氣量變化曲線

2.2 甲烷含量的對比分析

由圖2可知，未添加活性炭的試驗組在產(chǎn)氣的第2天，甲烷含量為29.3%，隨后甲烷含量逐漸上升，并且一直保持在50%左右，平均甲烷含量為51.24%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的1%的活性炭試驗組，在開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量為33.9%，而后甲烷含量上升至50%以上，并且始終保持在50%左右，平均甲烷含量為52.08%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的5%的活性炭試驗組，開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量就達到46.7%，隨后甲烷含量一直保持在50%以上直至第53天，第53天后甲烷含量開始下降，平均甲烷含量為51.87%；添加發(fā)酵干物質(zhì)量的10%的活性炭試驗組，開始產(chǎn)氣第2天的甲烷含量達到45%，在第2～42天所產(chǎn)沼氣的甲烷含量一直保持在55%左右，隨后甲烷含量開始下降，所產(chǎn)沼氣的甲烷含量是51.55%。所有實驗組所產(chǎn)沼氣的甲烷含量均在50%以上，沼氣品質(zhì)較好。

圖2 甲烷含量變化曲線

2.3 累積總產(chǎn)氣量的對比分析

由圖3可知，添加干物質(zhì)量5%的活性炭實驗組沼氣總產(chǎn)量最高為24454 mL，其次為添加干物質(zhì)量10%的活性炭實驗組，沼氣總產(chǎn)量為22835 mL，而未添加活性炭實驗組和添加干物質(zhì)量1%的活性炭實驗組所產(chǎn)沼氣總量相差無幾，分別為21742 mL和21760 mL。

圖3 累積沼氣產(chǎn)量曲線

各個實驗組累計沼氣產(chǎn)量占總產(chǎn)氣量的百分比如表3所示。

表3 累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量百分比 (%)

由表3可知，未添加活性炭實驗組在第44～72天內(nèi)累計產(chǎn)氣量增長最快，此期間為其實驗組的產(chǎn)氣高峰；添加干物質(zhì)量1%的活性炭實驗組在第44～64天內(nèi)沼氣累計產(chǎn)量增長最快，故第44～64天為此實驗組的產(chǎn)氣高峰期；添加干物質(zhì)量5%的活性炭實驗組在第12～44天累計沼氣產(chǎn)量增長最快，為其產(chǎn)氣高峰期；添加干物質(zhì)量10%的活性炭實驗組在第4～40天累計沼氣產(chǎn)量增長速度最快，故此時間段為其實驗組的產(chǎn)氣高峰期。對比4組實驗的產(chǎn)氣高峰期可得，添加活性炭實驗組的產(chǎn)氣高峰期要早于未添加活性炭的實驗組，而活性炭添加量越多，產(chǎn)氣的高峰期越早。

若將累計產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量80%的時間設(shè)為其實驗的HRT可得，未添加活性炭實驗的HRT為66 d左右；添加干物質(zhì)量1%的活性炭實驗的HRT為58 d左右；添加干物質(zhì)量5%的活性炭實驗的HRT為42 d左右；添加干物質(zhì)量10%的活性炭實驗的HRT為35 d左右。添加活性炭有利于縮短豬糞干發(fā)酵的HRT，并且隨著活性炭添加量的增加，其豬糞干發(fā)酵的HRT也會越來越短。

2.4 產(chǎn)氣效率比較

各個實驗組的各項參數(shù)如表4所示。

表4 各組實驗的參數(shù)比較

添加8 g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的10%)的試驗組，添加4g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的5%)的試驗組，添加0.8 g活性炭(發(fā)酵干物質(zhì)的1%)的試驗組和不添加活性炭的試驗組的TS產(chǎn)氣量分別為411 mL·g-1，440 mL·g-1，392 mL·g-1和391 mL·g-1。從表4中各項參數(shù)比對，添加干物質(zhì)量5%的活性炭實驗組和添加干物質(zhì)10%的活性炭實驗組的各項參數(shù)均要優(yōu)于未添加活性炭實驗組，而添加干物質(zhì)量1%的活性炭實驗組與未添加活性炭組的各項參數(shù)相差不大；且添加干物質(zhì)量5%的活性炭實驗組各項參數(shù)最佳，發(fā)酵產(chǎn)氣效率最高。故當活性炭添加量達到一定量時，是有利于提高豬糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效果，且并不是活性炭的添加量越多越好。

3 結(jié)論

(1)當活性炭添加量達到一定量時，是有利于提高豬糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效果。添加量過小時，影響并不明顯，但并不是活性炭的添加量越多越好，活性炭的添加量為發(fā)酵體系干物質(zhì)量的5%時產(chǎn)氣效果最佳。

(2)添加發(fā)酵體系干物質(zhì)量0%，1%，5%和10%的活性炭實驗組HRT分別為66 d，58 d，42 d和35 d，添加活性炭實驗組的HRT均要比未添加活性炭實驗組的HRT低，添加活性炭可以使豬糞干發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰期提前，從而縮短豬糞干發(fā)酵的HRT；活性炭的添加量越多，產(chǎn)氣高峰期就越早，HRT就越短。

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