李 靖， 邢向欣， 裴海林， 袁存亮， 孫 京， 趙國(guó)明

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

我國(guó)是農(nóng)牧業(yè)發(fā)展大國(guó)，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的快速興起導(dǎo)致每年畜禽糞污的排放量十分巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國(guó)每年所產(chǎn)生的畜禽糞污可達(dá)4.4×109t，畜禽糞便的無(wú)害化處理已成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)面臨的緊迫問(wèn)題[2]。目前，我國(guó)畜禽舍多采用干清糞工藝對(duì)畜禽糞便進(jìn)行收集，因此，如何迅速高效地解決畜禽糞便的合理利用問(wèn)題已成為我國(guó)學(xué)者的主要研究方向[3-4]。畜禽糞便的沼氣發(fā)酵處理工藝可分為濕式與干式兩種，濕式沼氣發(fā)酵技術(shù)的TS通?？刂圃?%～10%左右，畜禽糞便在進(jìn)入沼氣發(fā)酵罐體時(shí)還需額外添加水或沼液等來(lái)稀釋發(fā)酵原料濃度，從而造成資源的浪費(fèi)與后續(xù)沼液處理的工作量[5-7]；而干式沼氣發(fā)酵技術(shù)的TS通常在25%以上[8-9]，在沼氣發(fā)酵過(guò)程中為維持較高的沼氣發(fā)酵濃度需要在發(fā)酵原料中加入添加劑保持物料通氣性，因此對(duì)設(shè)備要求較高，攪拌也成為難題。近幾年我國(guó)基于環(huán)保與節(jié)能基礎(chǔ)上，畜禽舍現(xiàn)多為干清糞，其物料TS濃度在10%～25%之間，水分含量少[10]，而直接將其用于半干式沼氣發(fā)酵的工藝鮮有報(bào)道。本文則以干清牛糞為發(fā)酵原料，對(duì)干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化研究，確定一種適合干清牛糞的沼氣發(fā)酵工藝，為后續(xù)干清糞便的資源化無(wú)害化處理提供有力的解決途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用發(fā)酵原料為干清牛糞，取自吉林省長(zhǎng)春市富家屯養(yǎng)殖戶，將收集的干清牛糞于通風(fēng)處適當(dāng)密封保存；接種物為實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)充分沼氣發(fā)酵后不再產(chǎn)氣的活性污泥(發(fā)酵底物為牛糞)，其總固體(TS)為16.19%±0.12%。發(fā)酵原料與接種物主要理化性質(zhì)如表1所示。

表1 發(fā)酵原料與接種物理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置與儀器

沼氣發(fā)酵裝置采用全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)(RTK-BMP)，發(fā)酵瓶容積為1000 mL，沼氣通過(guò)3 mol·L-1NaOH溶液脫硫后進(jìn)入流量自動(dòng)記錄裝置，由自動(dòng)集氣裝置、脫硫裝置、恒溫水浴鍋等部件組成，裝置將甲烷產(chǎn)氣量自動(dòng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)并記錄，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢查，確保使用過(guò)程中的密封性，保證試驗(yàn)所需的嚴(yán)格厭氧環(huán)境。在沼氣發(fā)酵瓶中加入干清牛糞與接種物，分別將恒溫水浴鍋設(shè)定為25℃與35℃后將沼氣發(fā)酵瓶置于恒溫水浴鍋中，在進(jìn)行沼氣發(fā)酵反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體通過(guò)集氣管路脫硫后在設(shè)備中進(jìn)行計(jì)數(shù)。沼氣發(fā)酵瓶底部設(shè)有出料口，可在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行料液的取樣。

每天9:00登陸系統(tǒng)記錄日產(chǎn)氣量與累積產(chǎn)氣量，每3 d采樣1次，用于檢測(cè)料液的pH值，通過(guò)對(duì)產(chǎn)氣效率、日產(chǎn)氣量、甲烷濃度等指標(biāo)的分析，確定干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵適宜的沼氣發(fā)酵工藝條件。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，將沼氣發(fā)酵溫度設(shè)置為常溫(25℃±2℃)和中溫(35℃±2℃)，發(fā)酵物料的TS含量為實(shí)際干清牛糞的TS含量(16.19±0.5)，接種物選用在實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐中進(jìn)行充分沼氣發(fā)酵后的發(fā)酵底物，接種物比例分別為20%、30%、40%，共6組試驗(yàn)，每組設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2所示。

其次，將上述試驗(yàn)中優(yōu)化后的沼氣發(fā)酵溫度與接種物比例作為本次試驗(yàn)的沼氣發(fā)酵條件，干清牛糞處理量為200 g。在考慮機(jī)械攪拌操作參數(shù)的條件下，影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效果的因素主要有攪拌強(qiáng)度、攪拌周期與攪拌時(shí)長(zhǎng)，由于攪拌時(shí)間為發(fā)酵原料與攪拌器之間的固有參數(shù)，因此，本次試驗(yàn)將固定攪拌時(shí)長(zhǎng)為2 min，攪拌強(qiáng)度分別取5 r·min-1、10 r·min-1，攪拌周期分別取3 h、4 h、5 h，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3所示，共10個(gè)試驗(yàn)組，每組設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

表3 攪拌參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本論文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)均采用一次性進(jìn)料，發(fā)酵方式為批式發(fā)酵，攪拌方式均為機(jī)械攪拌。每3 d在沼氣發(fā)酵瓶底部出料口位置進(jìn)行采樣用于檢測(cè)pH值，產(chǎn)氣量通過(guò)全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)定儀進(jìn)行記錄，沼氣中的甲烷含量通過(guò)便攜式甲烷含量檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定，每3 d測(cè)定1次。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵溫度與接種物比例對(duì)干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵的影響

2.1.1 pH值

圖2為發(fā)酵溫度與接種比例試驗(yàn)組的pH值變化情況，從圖中可以看出，各實(shí)驗(yàn)組的pH值在前期變化較大，隨著沼氣發(fā)酵進(jìn)程的進(jìn)行，各試驗(yàn)組的pH值均趨于穩(wěn)定。在沼氣發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行至第6天時(shí)，B1、B2、B3試驗(yàn)組的pH值均達(dá)到最低值，分別為6.4、6.5和6.2，并在第9天之后恢復(fù)至7以上，之后逐漸穩(wěn)定直至反應(yīng)結(jié)束，而A1、A2和A3試驗(yàn)組由于發(fā)酵溫度過(guò)低，pH值在記錄期間基本穩(wěn)定在6.2～7之間。

2.1.2 產(chǎn)氣情況分析

圖3為各組試驗(yàn)在不同溫度與不同接種物比例下的日產(chǎn)氣量變化情況，由圖3可以看出，整個(gè)試驗(yàn)組中25℃的A組試驗(yàn)的產(chǎn)氣情況與低于B組試驗(yàn)的產(chǎn)氣情況。并且試驗(yàn)組B2的日產(chǎn)量情況最佳，產(chǎn)氣高峰可達(dá)356.1 mL，并且達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間也可提前至第6天，在沼氣發(fā)酵進(jìn)行至第20天之后，日產(chǎn)氣量低于50 mL，基本停止產(chǎn)氣；而25℃的A1試驗(yàn)組，由于接種比例較小，發(fā)酵溫度較低導(dǎo)致pH值下降，系統(tǒng)基本處于較酸水平，從而破壞沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣進(jìn)程，并且總體來(lái)看35℃試驗(yàn)組與25℃試驗(yàn)組相比產(chǎn)氣情況較好。B2與B3試驗(yàn)組相比，產(chǎn)氣進(jìn)程基本相同但從累積產(chǎn)氣量來(lái)看，B2試驗(yàn)組的4901.9 mL要優(yōu)于B3試驗(yàn)組的4523.6 mL。

2.1.3 甲烷含量分析

圖4為各試驗(yàn)組甲烷含量的變化情況，隨著沼氣發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，各試驗(yàn)組的CH4含量均出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，但A組甲烷含量變化趨勢(shì)明顯低于B組甲烷含量變化，這是由于A組試驗(yàn)下的沼氣發(fā)酵溫度較低，導(dǎo)致整個(gè)沼氣發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行緩慢，此外，各組試驗(yàn)均可在第12天后相繼進(jìn)入甲烷含量高峰，其中B2試驗(yàn)組的沼氣發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行至第18天時(shí)，甲烷含量可達(dá)70.2%,并在整個(gè)厭氧反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中維持穩(wěn)定水平。

2.2 攪拌參數(shù)對(duì)干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵的影響

2.2.1 pH值

如圖5所示為不同攪拌參數(shù)對(duì)沼氣發(fā)酵pH值變化的影響，各試驗(yàn)組均可維持相對(duì)穩(wěn)定的pH值變化范圍，都呈現(xiàn)先酸后堿的變化趨勢(shì)，其中T2試驗(yàn)組由于攪拌周期過(guò)短，攪拌強(qiáng)度過(guò)高導(dǎo)致整體迅速進(jìn)入酸化階段，在第6天時(shí)pH值達(dá)到6.2，這是因?yàn)閿嚢枘軌蚣涌煺託獍l(fā)酵水解酸化反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致沼氣發(fā)酵環(huán)境呈現(xiàn)酸化趨勢(shì)，但后續(xù)進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段時(shí)pH值也有所提升，因此要選取適宜的沼氣發(fā)酵攪拌參數(shù)。而T4試驗(yàn)組在合適的攪拌周期與攪拌強(qiáng)度下，由于接種比例適宜，在第6天時(shí)pH值達(dá)到6.9，能在短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)入沼氣發(fā)酵產(chǎn)甲烷階段，進(jìn)而將沼氣發(fā)酵反應(yīng)周期提前，從而提高沼氣發(fā)酵反應(yīng)速率。

2.2.2 產(chǎn)氣情況分析

圖6為不同攪拌參數(shù)下的對(duì)厭氧產(chǎn)氣情況的影響，圖中可以看出，增加攪拌試驗(yàn)組整體比CK對(duì)照無(wú)攪拌試驗(yàn)組的產(chǎn)氣情況有所提高，并且當(dāng)攪拌周期為4 h，攪拌強(qiáng)度為10 r·min-1時(shí)，厭氧反應(yīng)產(chǎn)氣情況可達(dá)到最佳，產(chǎn)氣高峰為396.1 mL，并且由于加入合適的攪拌，達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間也由原來(lái)的第9天提前至第5天，加快了沼氣發(fā)酵整體的反應(yīng)進(jìn)程。此外，當(dāng)攪拌周期間隔較大，攪拌強(qiáng)度較低時(shí)，沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣情況較CK無(wú)攪拌試驗(yàn)組的產(chǎn)氣變化相差不多，而過(guò)小的攪拌周期則會(huì)加快沼氣發(fā)酵的水解酸化進(jìn)程，而長(zhǎng)期維持較小的攪拌周期會(huì)進(jìn)一步影響產(chǎn)甲烷環(huán)境，從而抑制產(chǎn)氣情況。

2.2.3 甲烷含量分析

不同的攪拌參數(shù)對(duì)沼氣發(fā)酵的甲烷含量變化也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，圖7為不同攪拌參數(shù)下對(duì)甲烷含量的影響，總體來(lái)看，加設(shè)攪拌的沼氣發(fā)酵試驗(yàn)組甲烷含量進(jìn)入高峰時(shí)間,較CK無(wú)攪拌試驗(yàn)組甲烷含量進(jìn)入高峰時(shí)間均提前3～4 d，并且通過(guò)增加合適的攪拌參數(shù)，也可在提高甲烷含量的同時(shí)維持甲烷含量的穩(wěn)定，甲烷含量在第6天時(shí)均超過(guò)50%，且T4試驗(yàn)組的甲烷含量在第15天后能夠維持在68%以上。

3 討論

3.1 對(duì)與前人研究相同或相似的結(jié)果予以證實(shí)的闡釋

(1)溫度是影響沼氣發(fā)酵的最重要的參數(shù)之一，鄭盼[11]在豬糞干式厭氧消化試驗(yàn)研究中，對(duì)不同溫度下豬糞的干法厭氧消化試驗(yàn)中得出，30℃～38℃中溫發(fā)酵對(duì)豬糞的干式沼氣發(fā)酵有明顯的促進(jìn)作用，并且在30℃～38℃之間，隨著溫度越高能到達(dá)到日產(chǎn)氣量高峰的時(shí)間越快。此外，在李晶宇[12]等與李政偉[13]等溫度對(duì)牛糞兩相沼氣發(fā)酵特性的影響試驗(yàn)中，分別設(shè)置30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃和60℃共7個(gè)溫度的沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，其中發(fā)現(xiàn)在35℃時(shí)的中溫沼氣發(fā)酵更利于牛糞的沼氣發(fā)酵。本文研究則是針對(duì)干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)在常溫25℃及中溫35℃條件下進(jìn)行，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)酵溫度為35℃時(shí)，厭氧產(chǎn)氣情況較好，適合作為干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵的發(fā)酵溫度。

(2)接種物比例的確定也會(huì)影響沼氣發(fā)酵的整體運(yùn)行情況，李道義[14]等在對(duì)牛糞批式干式沼氣發(fā)酵接種比例優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中得出，選取接種比例為3∶10是較為合適的，與本次試驗(yàn)的結(jié)果一致，適合進(jìn)行干清牛糞的沼氣發(fā)酵。

(3)攪拌方式的選取也直接影響干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)的進(jìn)行，Huang Y[15]等對(duì)沼氣發(fā)酵機(jī)械攪拌裝置的研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械攪拌能夠增加物料的流動(dòng)性與生物質(zhì)顆粒的相互作用，并且提高有機(jī)物的去除與沼氣產(chǎn)量。趙東方[16]等在研究厭氧消化攪拌技術(shù)時(shí)，對(duì)比氣體攪拌與機(jī)械攪拌時(shí)得出，機(jī)械攪拌效果要優(yōu)于氣體攪拌效果，并且隨著攪拌頻率的增加，攪拌效果也隨之增加。王欣[17]等人在研究不同攪拌方式對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率影響的試驗(yàn)中分別對(duì)比氣體攪拌、液體攪拌和機(jī)械攪拌對(duì)沼氣發(fā)酵的影響，得出機(jī)械攪拌對(duì)物料的混合為最優(yōu)。本文研究則是選取機(jī)械攪拌方式，通過(guò)控制攪拌轉(zhuǎn)速與時(shí)長(zhǎng)對(duì)比不同機(jī)械攪拌條件下產(chǎn)氣情況，與無(wú)攪拌的試驗(yàn)組相比，間歇式低轉(zhuǎn)速的機(jī)械攪拌更適宜處理干清糞便。

3.2 本研究需要說(shuō)明的問(wèn)題

本次研究以干清牛糞為例，通過(guò)對(duì)干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵工藝的研究，確定了適合干清牛糞的半干式沼氣發(fā)酵工藝，但畜禽干清糞便不僅僅為干清牛糞，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)針對(duì)干清雞糞、干清豬糞的多種類畜禽糞便進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)利用干清牛糞進(jìn)行半干式沼氣發(fā)酵，通過(guò)對(duì)發(fā)酵溫度、接種物比例與攪拌方式的工藝優(yōu)化試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)酵溫度為35℃、接種物比例為30%、攪拌方式為低轉(zhuǎn)速的間歇式機(jī)械攪拌(攪拌周期4 h，攪拌強(qiáng)度10 r·min-1)時(shí)，干清牛糞的半干式沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣情況較好，并且測(cè)得牛糞降解率可達(dá)66.57%，降解效果較好。

綜上所述，干清牛糞半干式沼氣發(fā)酵能夠高效地對(duì)干清牛糞進(jìn)行無(wú)害化及資源化處理，且能維持較好的產(chǎn)氣效率，并且在后續(xù)過(guò)程中無(wú)大量沼液產(chǎn)生，而沼氣發(fā)酵所產(chǎn)生的發(fā)酵沼渣等底物還可作為后續(xù)沼氣發(fā)酵的接種物進(jìn)行循環(huán)利用，提高畜禽干清糞便的資源化利用效率，并為畜禽干清糞便的處理提供了有效的工藝路線?？蓪?shí)現(xiàn)畜禽糞污的高效低成本處理，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益顯著，具有很好的推廣應(yīng)用前景。