温度与pH对静态厌氧发酵产甲烷的影响

王法武 刘德新 陈浩 黄世臣

摘要 [目的] 筛选静态厌氧发酵产甲烷的最佳试验条件。[方法] 自行研制甲烷厌氧发酵装置生物反应器，以牛、兔和熊的粪便为发酵物料，对甲烷产生的最适温度、物料发酵初始pH以及物料的初始碳氮比对甲烷产生的影响进行研究。[结果] 发酵温度为35 ℃，物料的初始pH为7时可获得最大的甲烷产量，牛粪的碳氮比最适合发酵产甲烷气。改变发酵温度和物料初始pH对总产气量有影响，但对发酵周期影响不大。[结论] 该研究可为利用家畜粪便制造沼气提供理论依据和参考。

关键词 温度;pH;甲烷;厌氧发酵

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 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

作者简介 王法武（1974-），男，吉林抚松人，高级农艺师，从事农技推广研究。*通迅作者，副教授，博士，从事生物修复研究。

收稿日期 2014-10-16

当前，能源危机和环境污染问题已越来越为人们所关注，废弃物的再生和能源化成为人们目前关注的热点。近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，畜禽养殖数量和规模不断扩大，其中粪便的产量也不断加大，远远超过了自然分解能力[1]。在大面积堆放过程中，还会产生温室气体——CO2和CH4，如果能将这些所谓的“废弃物”合理地进行处理，并将产生的气体收集起来，将是一个很大的资源。目前国内相对农业上产生的废弃物，如作物秸杆[2]、牲畜和家禽的粪便[3-4]、有机生活垃圾[5]等用来生产生物能源的研究和實践已经取得了可喜的成绩。中国天然气资源很紧缺，而能替代天然气的沼气的巨大资源潜力尚未被广泛认识和认真地开发，研究表明，中国产业沼气具有相当于年产900亿m3天然气的开发潜力，是很有前景的生物质能源[6]。

该研究利用小型自制厌氧发酵反应装置，研究了3种发酵物料在不同温度和不同发酵物料初始pH下，沼气产生的速度和日产生量，以期为利用家畜粪便制造沼气提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1

物料的采集。取新鲜的牛粪、兔粪和熊粪作为发酵物料，物料均收集自延边大学农学院动物养殖场，牛、免的食物来源主要为青草，熊的食物来源主要是市售的以玉米、大豆等制成的饲料。

1.1.2

接种物。以牛粪经厌氧发酵的残余物作为接种物。

1.2 甲烷生产装置的设计与组装

试验装置设计如图1所示。

图1 静态厌氧发酵生产甲烷装置示意

1.3 物料总有机碳和全氮的测定

物料总有机碳和全氮的测定分别用外加热法和半微量凯氏法[7]。

1.4 温度对甲烷产量影响的测定

恒温发酵温度分别设为30、35、40 ℃。取新鲜的牛粪、兔粪、熊粪各200 g，加100 g接种物和150 ml水于500 ml三角瓶中混均后，将其置于恒温水浴培养器内，按图1所示连接，用排水法和燃烧法测定每日的产气量，每个处理3次重复。

1.5 pH对甲烷产量影响的测定

物料的混配同“1.4”，混匀后用精密pH计将物料的初始pH用0.1 M的NaOH或HCl分别调制为5、6、7、8、9，然后将发酵瓶置于35 ℃恒温水浴锅内培养，每个处理3次重复。

2 结果与分析

2.1 物料总有机碳、全氮含量

经测定，不同物料总有机碳及全氮含量见表1。由表1可见，牛粪的总有机碳含量高于兔粪和熊粪的，兔粪和熊粪的总有机碳含量相当;三者的全氮含量相差不大。牛粪的碳氮比最高。

2.2 温度对不同物料发酵产甲烷的影响

在静态厌氧发酵条件下，以牛粪、兔粪和熊粪为发酵物料，不同温度下的甲烷日产量见图2。由图2可知，不同温度下甲烷产生的规律相同，即甲烷的产生与培养时间的关系呈正态分布曲线状。以牛粪作为发酵物料甲烷日产量（38 ml）明显高于兔粪（28 ml）和熊粪（26 ml），以兔粪和熊粪作为发酵物料的日产气量相当;3种物料均在35 ℃条件下最有利于甲烷的产生，不同物料均在发酵处理6 d时达到最大日产气量;产气周期约为14 d。

表1 不同物料总有机碳及全氮含量

注：A为牛粪，B为兔粪，C为熊粪。

图2 温度对不同物料发酵产甲烷的影响

2.3 pH对不同物料发酵日产甲烷量的影响

3种物料不同初始pH对发酵日产甲烷量的影响见图3。由图3可以看出，产甲烷菌群对物料的初始pH十分敏感。物料初始pH为7，日产气量最高，偏酸或偏碱环境均不利于甲烷的产生，初始物料的pH高于8时，产气量近乎为零。在物料的初始pH为7时，其最大日产气量为50 ml，明显高于相同温度（35 ℃）下牛粪自然发酵最高日产气量（35 ml），但在最适的pH下，不能提高甲烷的最大日产量，也不能对发酵产气量到达最高时间和产气周期产生影响。

注：A为牛粪，B为兔粪，C为熊粪。

图3 pH对不同物料发酵日产甲烷量的影响

2.4 最适温度与pH下3种物料总产气量比较

3种物料在最适的pH和温度条件下厌氧发酵18 d的总产气量如图4所示。由图4可以看出，以牛粪为发酵物料时产甲烷量最多（318.5 ml），显著高于兔粪（208.6 ml）和熊粪（209.4 ml）处理，兔粪和熊粪处理的总产气量无显著差异。

图4 3种物料在最适pH与发酵温度下的总产气量

3 结论

在恒温静态发酵条件下，最适的温度为35 ℃，发酵物料的最适初始pH为7，可获得最高的甲烷产量，碳氮比对甲烷产量的影响明显。最适的发酵温度和物料初始pH对甲烷生产的周期没有影响。适时选用牛粪便厌氧发酵后残余物作为接种物可实现发酵零启动，可明显缩短产气周期。

4 讨论

在厌氧发酵生产甲烷的过程中，产甲烷菌对温度极其敏感[8]，也是产甲烷气的限速步骤，除温度外，物料的pH、物料的碳氮比及其氮的形态[9]，以及反应器中溶解氧的浓度都是影响甲烷生产的主要因素。试验中得到的最适厌氧发酵温度35 ℃与众多文献报道的一致[9-14]，选用牛粪发酵残余物作为接种物在最适的发酵温度下可实现零时间启动，故可大大缩短发酵周期。虽然如此，天然饲料也会因水体、土壤等的污染导致某些抑制甲烷气体产生的物质存在，从而使最适碳氮比和发酵条件下的产气量不高，因此有必要对物料中其他抑制性化学物质进行适当的检测和处理，以减少其造成的不利影响。

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