牛粪、羊粪及混合发酵产氢能力的比较研究

孙学习，高广颖，任保增

(1.郑州大学化工与能源学院，郑州450001;2.中州大学 化工食品学院，郑州450044)

利用牲畜粪便及堆肥进行厌氧发酵，不仅减少了废物对环境的污染，还可以得到清洁高效的能源氢气［1-3］。厌氧发酵的影响因素主要包括四个方面:发酵菌种的来源、底物的种类及浓度、厌氧反应器的结构、酸碱度以及温度等［4］，尤以底物的浓度和发酵菌种的来源对厌氧发酵产氢的影响较大。大部分研究者只进行了单一动物粪便和活性污泥的发酵研究，进行混合堆肥研究的报道很少。本研究用间歇实验方法，在37℃、初始pH 7.0和蔗糖20 g/L时，研究了预处理的牛粪和羊粪及混合菌对发酵产氢能力的影响。

1 材料与方法

1.1 混合菌种来源

采自郑州北郊的牛粪堆肥和新鲜羊粪，牛粪堆肥和新鲜羊粪经过煮沸15min和强制曝气2h富集产氢菌种，经过滤网过滤取上清液作为生物产氢的菌种来源。

1.2 实验仪器与方法

实验仪器:GC900型气相色谱仪;THZ-82B型气浴恒温振荡器;微波密封消解仪;6219型精密酸度计。

发酵产氢实验在250mL的锥形瓶中进行。实验过程中所采用营养液组成为(g/L):NiCl2·6 H2O 0.002;K2HPO4·3 H2O 6;NaHCO330;MgCl2·6 H2O 0.080;NH4Cl 6;NaH2PO4·2H2O 6;FeSO4·7 H2O 15。在实验过程中，锥形瓶中根据需要分别加入100mL热处理15min后的牛粪、牛粪堆肥和新鲜羊粪以及相应质量的蔗糖，然后加入10mL营养液，用去离子水把混合液的体积定容到200mL，接着用一定浓度的酸碱溶液把锥形瓶内混合液的酸碱度调至中性，用纯氮气在锥形瓶内吹脱3min，排除里面的氧气，最后及时用橡胶塞密封，在恒温气浴摇床中进行发酵培养，摇床转动速度控制在140r/min，温度为37℃，每个实验取3个平行样。

1.3 分析方法

发酵气体成分气利用气相色谱测量，发酵产生的气体用排水法收集，并用气体流量计计量。气相色谱测定的条件:Porapak Q 6英尺不锈钢柱，利用N2作为载气，气体流速为20mL/min，柱内温度为60℃，检测室和汽化室的温度均控制在100℃。用气相色谱测量发酵液相末端产物的浓度(FID检测器)。测定条件:毛细管柱，30m ×0.53mm，SE-30，组成为100%甲基聚硅氧烷(胶体)，非极性，载气为N2，流速 5.7mL/min，H2流速为 17mL/min，空气流速为340mL/min，尾吹 10mL/min，柱温 90℃，气化室温度150℃，检测器温度220℃。进样量0.1μL。用6219型精密酸度计测量发酵液pH;残余蔗糖浓度用3，5—二硝基水杨酸比色测量［5］。产氢率计算公式为:

式中:φ(H2)——氢气的体积分数;

n(H2)——氢气物质的量;

y——糖利用率;

n(底物)——底物物质的量。

2 结果与讨论

2.1 牛粪堆肥与新鲜牛粪产氢能力比较

牛粪堆肥及新鲜牛粪重量为1.0kg，放入容器内加入2.5L水浸泡1d，用滤网过滤去除杂质得到上清菌液。在大烧杯中加入质量百分比为0.25%的NaOH溶液50mL，在电炉上加热至沸腾，持续18min，然后用空气机曝气2h。取经过处理的牛粪堆肥和新鲜牛粪的菌液 20mL，40mL，80mL，100mL，150mL，分别放入250mL的锥形瓶内，然后每个瓶内加入4g蔗糖，完全溶解后进行发酵产氢。加入不同量菌液后蔗糖的累计产氢量有较大的区别，如图1所示，通过图中曲线可知，随着加入菌液量的增加，累计产氢量也有所增加，总体来看利用牛粪堆肥作为发酵菌源比采用新鲜牛粪的产氢能力要高，最大时的比产氢量可以达到112mL/g(蔗糖)。

图1 牛粪堆肥与新鲜牛粪比产氢量的比较

2.2 新鲜羊粪发酵产氢潜力的研究

利用牲畜粪便产生沼气的实验表明［6］，在厌氧发酵过程中利用猪粪作为菌源，反应系统内容易酸化，酸度增加造成产气量下降，甚至有可能停止产气;而采用牛粪和羊粪发生酸化可能性较小，基本上不会影响产气的持续进行。产氢实验也是尽量要避免厌氧发酵过程中酸化的发生，因此，选择羊粪作为产氢微生物菌源是切实可行的。研究者利用羊粪作为厌氧发酵产氢的菌源［7，8］，并取得了较好的实验效果。选取1.0kg的干燥羊粪，经过破碎处理后浸泡24h，过滤后进行加碱煮沸预处理;分别取处理后的菌液30mL，60mL，90mL，120mL 加入到 250mL 的锥形瓶内，然后每个瓶内加入4g蔗糖，完全溶解后进行发酵产氢。加入不同量菌液后系统的累计产氢量区别不大，如图2所示，系统的最大比产氢率为121mL/g(蔗糖)。

图2 新鲜羊粪不同菌液用量对比产氢量的影响

2.3 牛粪和羊粪不同质量比混合发酵产氢能力的比较

在37℃、初始pH 7.0和蔗糖20 g/L时，发酵液中堆肥的液固质量比为2.5∶1，牛粪和羊粪的总质量为1kg，取羊粪和牛粪混合处理菌液120mL置于250mL的序批式锥形瓶中，然后每个瓶内加入4g蔗糖，完全溶解后进行发酵产氢。对产氢能力进行比较，不同牛粪和羊粪混合比例对产氢力具有较大的影响，结果见表1。

表1 混合菌对产氢量和底物降解率的影响

不同质量比混合发酵产氢能力的比较结果表明，产氢能力均比采用单一菌源的产氢能力高。牛粪与羊粪的质量比小于0.5时产氢效果较好，最好条件是其比值为1∶3，此时比产氢率为136mL/g(蔗糖)。

3 结论

在37℃和初始pH 7.0，蔗糖底物浓度为20 g/L时，研究了不同混合菌对产氢能力的影响，得出以下结论。

(1)利用牛粪、牛粪堆肥及羊粪作为产氢菌源都取得了较好的产氢效果。

(2)在相同条件下，羊粪处理菌液的产氢能力好于牛粪堆肥处理菌液的产氢能力。

(3)发酵液中堆肥的液固质量比为2.5∶1，产氢能力最大的为牛粪和羊粪混合发酵，其质量比为1∶3，此时混合发酵的比产氢能力为136mL/g(蔗糖)。

［1］潘春梅，李卓，樊耀亭，等.海藻类生物质废弃物的发酵生物制氢研究［J］.环境科学与技术，2009，32(2)：1-4.

［2］张淑芳，潘春梅，樊耀亭，等.玉米芯发酵法生物制氢［J］.生物工程学报，2008，24(6)：1085-1090.

［3］杏艳，赵金安，樊耀亭，等.含纤维素类生物质的生物制氢［J］.太阳能学报，2006(7)：656-660.

［4］任保增，唐大惠，李扬.厌氧发酵生物制氢试验研究［J］.郑州大学学报，2004，25(4)：64-66.

［5］Miller G L.Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar［J］.Anal Chem，1959，31(3)：426-427.

［6］刘德江.玉米秸秆与牛粪混合原料的沼气发酵试验［J］.中国沼气，2009，27(4)：13-15，34.

［7］张无敌，尹芳，卢怡，等.农村秸秆与粪便发酵产氢的研究［J］.可再生能源，2008，26(2)：69-72.

［8］张鸣，高天鹏，常国华，等.猪粪和羊粪与麦秆不同配比中温厌氧发酵研究［J］.环境工程学报，2010，4(9)：13-15，34.