病死猪与猪粪混合厌氧消化产气性能研究

成潇伟，朱洪光，张 涛,彭胜男，李 玲

(同济大学 新农村发展研究院生物质能源研究中心，上海 201804)



病死猪与猪粪混合厌氧消化产气性能研究

成潇伟，朱洪光，张 涛,彭胜男，李 玲

(同济大学 新农村发展研究院生物质能源研究中心，上海 201804)

伴随着生猪养殖规模化、集约化的发展，病死猪无害化处理问题日益突出，利用沼气工程来处理病死猪可以实现病死猪的资源化利用并获得较高的经济效益。文章通过进行病死猪与猪粪混合厌氧发酵的批式试验，探讨了病死猪与猪粪混合厌氧发酵的可行性以及不同的病死猪添加比例、反应温度对混合厌氧发酵产气的影响。结果表明，在反应温度35℃，病死猪添加比例为12%的情况下发酵产气效果最好，最高甲烷含量可达64.72%，总产气量达5310 mL，较猪粪单一发酵提升26%，且单位TS和VS产气量也分别能够提升30%和22%。

厌氧发酵；病死猪；无害化处理；养猪场；沼气工程

猪肉是我国消费最多的畜产品，随着我国经济的发展，人们生活水平的提升，市场对猪肉的需求量不断增加，使得我国生猪养殖业的规模也不断扩大。2014年全年我国生猪出栏量为73510万头，猪肉产量达5671万吨，二者均接近世界总量的一半，我国是当之无愧的世界第一养猪大国[1～2]。生产技术的相对落后和养殖规模化、集约化的发展使得养殖阶段病死猪的数量逐年上升，病死猪的处理成为养殖场不得不面对的问题，如果处理不当，不仅会对环境造成污染，还会导致疾病的传播。

农业部于2013年颁布的《病死动物无害化处理技术规范》明确提出了焚烧、化制、掩埋、发酵4种处理方式，但是这些方式均存在一系列弊端，难以解决目前病死动物无害化处理过程中所遇到的病死动物数量大、处理设备不足、处理成本较高等问题[3]，寻找一种更加环保且较为经济的无害化处理方式显得格外重要。

病死猪尸体富含大量的有机物，是一种潜在的生物质资源，如果对其进行合理的开发利用，能够获得一定的经济效益，常用的处理方法中仅化制和发酵两种方法可通过制取有一定价值的产品获得较少的经济效益[4]。而利用沼气工程来处理病死猪，不仅可以获得清洁能源沼气，还能够实现沼液、沼渣的综合利用，可以较大程度的实现病死猪的资源化利用并获得较高的经济效益[5]。

目前的报道中仅上海市动物无害化处理中心和中国农业大学对病死猪厌氧发酵有过一定的研究[6～7]。笔者通过试验研究了向猪粪中添加不同比例的病死猪分别在中温和高温的条件下进行混合厌氧发酵的产气情况，以期找到一个最适添加比例和最佳反应温度，为指导沼气工程处理病死猪的工程实践提供科学参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用猪粪取自上海市崇明县富民农场堆沤1周的猪粪，猪肉取自富民农场的病死猪，接种物为取自富民农场以猪粪为发酵原料正常发酵的沼气工程所产生的沼渣。在试验前测定了3者的理化性质，如表1所示。

表1 试验材料的理化性质 (%)

1.2 试验装置

本试验采用的厌氧发酵装置由4个部分组成(见图1)：恒温水浴振荡器、厌氧发酵瓶、导气管、采气袋。其中厌氧发酵瓶为500 mL的蓝盖玻璃瓶，采气袋为1 L的铝箔采气袋。

1.恒温水浴振荡器; 2.厌氧发酵瓶; 3.导气管; 4.采气袋图1 试验装置图

试验装置工作过程为：向发酵原料中按一定接种率添加接种物，搅拌均匀后加入到厌氧发酵瓶中盖上特制的瓶盖并用蜡密封，将厌氧发酵瓶置于恒温水浴振荡器中，厌氧发酵产生的沼气通过导气管输入到采气袋中，每日更换采气袋，用注射器抽出采气袋中的气体测出其体积得到日产气量，测定气体成分时，用10 mL注射器抽取5 mL气体注入气相色谱分析仪中进行成分分析。

1.3 试验方法

将病死猪的猪肉先用组织搅碎机进行粉碎，然后用压力蒸汽灭菌器在120℃，0.3 MPa的条件下进行蒸煮30 min，使之成为糊状肉泥，再放入冰箱在4℃下储存备用。

试验设置0%,3%,6%,9%,12%,15%这6个水平的肉泥添加比例和35℃h和55℃两个反应温度做双因素试验，同时设置仅有接种物的空白试验组，用于校正接种物对各组产气的影响。

根据设置的不同肉泥添加比例向猪粪中添加一定质量经过预处理的病死猪肉泥，混合均匀后作为发酵原料，采用一次投料的方式，在接种率为30%，进料浓度为8%的情况下加入相应质量的接种物和水，最终调节发酵总重为400 g(除仅接种物试验组)。将厌氧发酵瓶密封后置于2台恒温水浴振荡器中，分别设置温度为35℃和55℃，同时设置振荡频率为100 r·min-1。启动试验后每天测定产气量，每两天测定一次气体成分，以一周内无气体产生判断为反应结束。

1.4 分析方法

总固体含量(TS)：烘干法(恒温鼓风干燥箱中105℃下烘至恒重)；挥发性固体含量(VS)：烘干法(马弗炉中600℃烘干2 h)；含水率、灰分：烘干法；pH值：精密pH计(PHS-25)测定；总有机碳(TOC)：大约为有机质的47%[8]，TOC=0.47×VS；总氮(TN)：H2SO4-H2O2消煮滴定法(NY525-2012)；产气量：注射器抽取测定；气体成分：气相色谱分析仪测定(GC122，TCD检测器，氢气载气，上海精科)。

物料的产气潜力用TS产气量表示，物料有机质转化潜力用VS产气量表示[9]，计算公式如下：

2 结果

2.1 日产气量

图2为中温发酵时不同试验组的日产气量变化情况。由图可以知，各试验组在反应第二天均有一个产气高峰。此后肉泥添加比例为0%，3%，6%，9%的4个试验组日产气量走势十分接近，第3天到第13天呈现一个振荡下降的趋势，随即日产气量又开始迅速上升，并在第25天左右达到第二个峰值，分别为192 mL，275 mL，257 mL和210 mL，随后日产气量开始快速下降并维持在一个较低的水平，各组反应分别于第64天，第66天，第75天和第72天停止；12%和15%这2个试验组日产气量从第6天到第45天一直维持在一个较低的水平，随后缓慢增加，在第61天和第62天达到第二个峰值，分别为231 mL和258 mL，随即日产气量迅速下降直到反应停止。

图2 中温发酵不同试验组日产气量变化图

图3为高温发酵时不同试验组的日产气量变化情况。由图可以知，0%的试验组日产气量经过一个震荡变化后于第13天达到产气最高峰为302 mL，从第20天到第27天日产气量一直维持在170 mL左右，随后开始快速下降直到第58天反应停止；3%的试验组经过一段时间的震荡上升后于第24天达到产气最高峰为323 mL，随后产气量迅速下降直到第66天反应停止；6%的试验组整个反应持续89天，日产气量一直处于一个较低水平的震荡变化中，仅4天超过100 mL；9%，12%，15%这3个试验组从反应开始日产气量一直处于一个较低水平，反应分别于第17天、第18天和第21天结束。

图3 高温发酵不同试验组日产气量变化图

2.2 总产气量

图4为不同试验组总产气量对比图，由图可知，中温发酵情况下纯猪粪发酵试验组的总产气量为4199 mL,添加病死猪肉泥的试验组总产气量较为接近且均超过0%的试验组，其中添加比例为12%的试验组的总产气量最高，达5310 mL；高温发酵情况下，纯猪粪发酵试验组的总产气量为3718 mL，添加病死猪肉泥比例为3%和6%的2个试验组的总产气量均超过0%的试验组，分别达4299 mL和4609 mL，而9%，12%和15%这3个高添加比例的试验组总产气量则较为接近且远小于0%的试验组。相同添加比例的试验组在高温发酵时总产气量均小于中温发酵时的总产气量，而空白组在不同温度下的总产气量分别为512 mL和501 mL，接种物对各试验组总产气量的影响较小。

图4 不同试验组总产气量对比图

2.3 甲烷含量

图5为中温发酵时不同试验组所产气体中甲烷含量变化情况。由图可以知，添加比例为0%，3%，6%的3个试验组甲烷含量在试验的前10天一直在30%上下浮动，此后甲烷含量开始逐步上升，于第26天左右达到最高峰，分别为64.78%，67.03%和66.09%，随后甲烷含量缓慢下降，最终维持在30%～40%之间；9%的试验组从试验开始甲烷含量处于上升状态，于第34天达到最高峰51.76%，随后保持在40%～50%之间；12%和15%的甲烷含量在试验的前48天均在25%上下浮动，随即迅速上升，于第60天左右达最高峰，分别为64.72%和65.94%，此后甲烷含量缓慢下降，最终维持在30%～40%之间。

图5 中温发酵不同试验组甲烷含量变化图

图6为高温发酵时不同试验组所产气体中甲烷含量变化情况。由图可知，0%和3%的试验组所产气体分别于第6天和第8天才检测出甲烷成分，随即甲烷含量迅速上升，于第22天达到最高峰，分别为68.45%和67.94%，随后甲烷含量迅速下降，最终维持在20%～30%之间；6%的试验组第8天才检测出甲烷成分，第10天便达到最高峰，为52.7%，随即迅速下降，从第12天起一直在20%～40%之间震荡变化；9%、12%、15%这3个试验组整个试验阶段所产气体均未检测出甲烷成分。

图6 高温发酵不同试验组甲烷含量变化图

2.4 单位TS和VS产气量

根据各试验组所测得的产气量和投加物料的TS值和VS值计算出各物料单位TS和VS产气量分别如图7和图8所示。中温发酵时，猪粪的单位TS和VS产气量分别为164.6 mL·g-1和218.2 mL·g-1，5组混合物料的单位TS和VS产气量均优于纯猪粪发酵时的情况，分别在197.1～214.2 mL·g-1和251.6～267.2 mL·g-1之间，其中12%的混合物料单位TS产气量最高，6%的混合物料单位VS产气量最高；高温发酵时，猪粪的单位TS和VS产气量分别为143.6 mL·g-1和190.4 mL·g-1，仅3%和6%的混合物料单位TS和VS产气量优于纯猪粪发酵时的情况，其余3组均远小于纯猪粪发酵时的值，6%的混合物料单位TS和VS产气量最高，分别达183.4 mL·g-1和234.7 mL·g-1。相同物料中温发酵时的单位TS和VS产气量均明显高于高温发酵。

图7 各物料TS产气量对比图

图8 各物料VS产气量对比图

3 讨论

3.1 病死猪与猪粪混合厌氧发酵可行性及产沼气潜能

通过对各试验组的总产气量、单位TS和VS产气量和甲烷含量进行分析可知：中温发酵，病死猪与猪粪混合厌氧发酵总产气量，单位TS和VS产气量较猪粪单一发酵时有较大幅度的上升，各组总产气量分别提升17%～26%，单位TS产气量分别提升20%～30%，单位VS产气量分别提升15%～22%，提升幅度最大的均为12%的试验组；各试验组所产气体中甲烷含量变化较为接近，除肉泥添加比例为9%的试验组，其余各组产气高峰期的甲烷含量均超过60%。高温发酵，也有3%的试验组甲烷含量处于一个正常的变化范围，且总产气量，单位TS，VS产气量较猪粪单一发酵分别提升了16%,18%,16%。由此可知：病死猪与猪粪进行混合厌氧发酵是可行的，混合后的物料具有很好的产沼气潜能。

一般情况下，猪肉的蛋白质含量约为20%，脂肪含量约为28%[10]，添加病死猪可以使发酵原料中的蛋白质和油脂等有机物的含量上升，而甲烷主要由这些有机物产生[11]，所以将病死猪与猪粪进行混合发酵能使发酵料液中有机物含量上升，使得最终发酵产气量有所增加，其甲烷含量也相应上升。

3.2 温度对病死猪与猪粪混合厌氧发酵的影响

从试验结果可知，0%，3%，6%这3个添加比例下，中温、高温均能够成功发酵，但高温时的总产气量只有中温反应时总产气量的89%左右；而9%，12%，15%这3组仅能够在中温时发酵成功且取得较好的产气效果，在高温发酵时则直接失败。由此可知：温度对病死猪与猪粪混合厌氧发酵的影响很大，高温不利于混合物料的厌氧发酵。

厌氧微生物对环境十分敏感，温度是一个重要的影响因素，温度的波动会直接影响菌群的稳定性及代谢活性，而高温发酵时反应过程难以进行调控，容易导致反应体系不稳定，甚至会使得反应失败[12]，所以使用病死猪与猪粪的混合物料在高温条件下进行厌氧发酵，反应体系不稳定，产气效果较差。因此在未来利用实际工程来处理病死猪要注意合理控制反应温度，35℃的中温发酵效果更佳。

3.3 添加比例对病死猪与猪粪混合厌氧发酵的影响

中温发酵3%～15% 5组的总产气量较为接近，其中12%的试验组产气情况最佳，但12%和15%两组反应启动时间较长，反应开始前45天日产气量和甲烷含量均较低，反应处于一个厌氧污泥驯化的状态；高温发酵3%的试验组取得较好的发酵效果，6%的试验组总产气量高，但是甲烷含量一直处于较低水平，其产甲烷潜力差，其余3组发酵失败。由此可知，肉泥的添加比例对病死猪与猪粪混合厌氧发酵有较大的影响，存在一个最佳的添加比例，可以获得最好的产气效果，比例的上升会导致污泥驯化周期变长，甚至会导致反应的失败。

接种物的选择与污泥的驯化会对厌氧发酵的启动时间和产气效果有一定的影响[13]，而当环境因素的变化超过污泥中微生物的承受能力时容易导致驯化的失败[14]。当病死猪添加比例上升时，发酵料液中的挥发性脂肪酸和氨氮的浓度会随着油脂和蛋白质含量的上升而有一定幅度上升，从而使得污泥的驯化时间变长，当其浓度超过厌氧微生物的承受能力时，反应直接失败。因此在实际工程的连续反应中选择一个合适的病死猪添加比例显得格外重要。

4 结论

试验通过病死猪与猪粪混合厌氧发酵的批式试验验证了二者混合厌氧发酵的可行性，说明了混合物料具有很好的产沼气潜力，利用沼气工程来处理病死猪能够获得较好的经济效益。同时本文也为指导沼气工程处理病死猪找到最适的反应温度和最佳的病死猪添加比例：在反应温度35℃，病死猪添加比例为12%的情况下，能够提升总产气量26%，单位TS产气量30%，单位VS产气量22%。

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Biogas Production Performance of Anaerobic Co-digestion of Dead Pig and Pig Manure/

CHENG Xiao-wei,ZHU Hong-guang,ZHANG Tao,PENG Sheng-nan,LI Ling/

(Bio-Energy Research Center,Institute of New Rural Development,Tongji University,Shanghai 201804,China)

With the development of large-scale and intensive pig breeding,the harmless disposal of dead pigs has become more prominent.The method to process dead pig by the biogas engineering can realize resource utilization and obtain higher economic benefits.In this paper,through the batch test,the co-digestion feasibility of dead pig and pig manure was investigated,and the effect of different adding ratio and temperature on the co-anaerobic fermentation were analyzed.The result showed that,the fermentation could obtain the best effect when the temperature was 35℃ and the dead pig proportion was 12%.The highest methane content reached 64.72%,and the total biogas yield was 5310 mL,26% higher than the sole fermentation of pig manure.The unit TS,VS biogas yield improved 30%,22% respectively.

anaerobic fermentation; dead pig; harmless disposal; pig farm; biogas project

2016-01-20

项目来源：上海市科技兴农项目(沪农科攻字(2014)第5-4号)；国家科技支撑计划项目(2015BAD21B04)

成潇伟(1993-)，男，安徽绩溪人，硕士，主要研究方向为生物质能源工程，E-mail: jxcxw1993@163.com

朱洪光，E-mail:zhuhg@tongji.edu.cn

S216.4; X713

A

1000-1166(2016)03-0009-05