添加猪粪对稻草厌氧消化产气性能的影响

王鑫宇， 庞少静， 朱 琦， 宋海农， 夏兴良， 罗春凤， 朱红祥,3

(1.广西博世科环保科技股份有限公司， 广西 南宁 530007； 2.广西壮族自治区环境保护科学研究院， 广西 南宁 530022； 3.广西大学 轻工与食品工程学院， 广西 南宁 530004； 4.广西师范学院 环境与生命科学学院， 广西 南宁 530001)

添加猪粪对稻草厌氧消化产气性能的影响

王鑫宇1,4， 庞少静2， 朱 琦1， 宋海农1， 夏兴良1， 罗春凤1， 朱红祥1,3

(1.广西博世科环保科技股份有限公司， 广西 南宁 530007； 2.广西壮族自治区环境保护科学研究院， 广西 南宁 530022； 3.广西大学 轻工与食品工程学院， 广西 南宁 530004； 4.广西师范学院 环境与生命科学学院， 广西 南宁 530001)

文章以稻草为发酵主原料，考察添加不同猪粪量对稻草厌氧消化产气性能的影响。结果表明，添加适量的猪粪能改善稻草厌氧消化的产气性能，均衡日产气量，避免单一稻草厌氧消化日产气量的大幅度波动；添加大量猪粪不利于混合物料被充分利用产气，而且会造成消化液中氨氮的积累和SCOD值的增加；当添加的猪粪量达到稻草与猪粪的VS比为3∶1时，物料厌氧消化的单位TS总产气量最大，产气量值为310 mL·g-1TS，比单独稻草厌氧消化的单位TS总产气量高4%。

厌氧消化； 稻草； 猪粪； 产气量

我国是发展中国家的农业大国之一，根据文献报道，我国每年产生的各类农作物秸秆约7亿多吨，其中稻草秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆这3种秸秆占到了75%以上[1-2]。近年来，随着农业生产水平和农民生活水平的提高，对原来用作肥料和燃料的农业废弃物利用越来越少，大量剩余秸秆被随意丢弃田间甚至直接焚烧，不仅造成资源浪费，而且已经成为我国农业面源污染以及大气污染的严重污染源[3]。因此，研究开发秸秆资源化利用是目前迫切解决的问题。

秸秆资源化利用中的厌氧消化技术还不成熟，而且缺乏专用配套设施，目前对于秸秆厌氧消化的研究主要集中在反应器及发酵工艺改进、原料预处理以及营养调控等[4-5]。对于营养调控，除了添加碳酸氢氨和尿素等化学试剂外，还可以利用不同物料混合进行调控。文章通过添加猪粪与稻草混合厌氧消化，考察添加猪粪量对日产气性能的影响、单位TS总产气量的影响以及消化后沼液成分分析，以期为稻草厌氧消化提供设计和运行依据。

1 材料与方法

1.1 原料和接种污泥

试验原料稻草取自广西玉林市陆川县某农家的干稻草，经磨碎机磨碎至粒径约20目后，装入密封袋保存待用；新鲜猪粪取自广西玉林市陆川县某猪场，呈现半固态，经简单手工除杂后置于4℃冰箱内待用；接种污泥取自广西贵港市某污水处理厂沼气工程发酵罐内，取回后常温密封保存待用。原料和接种污泥的基本性质如表1所示。

表1 原料和接种污泥的基本性质 (%)

注：TS为总固体，VS为挥发性固体，C/N为碳氮比。

1.2 试验装置

试验采用批式厌氧消化，试验装置由3个医用500 mL玻璃盐水瓶组成，采用中温(35℃±1℃)厌氧消化，各盐水瓶由医用输液管连接，其中一个作为厌氧反应器，工作体积300 mL及以上，另外两个分别作为排水瓶和收集瓶。采用排水集气法收集沼气，每天用量筒量取排出液体积并记录。

1.3 试验方法

试验按原料稻草量为4 g，分别添加猪粪量为0 g，6 g，9 g，12 g，15 g和18 g，编号分别记为R1，R2，R3，R4，R5和R6，相应的TS和VS比如表2所示。试验用去离子水调配进料负荷为5%(以TS计)，接种污泥量均为200 mL。接种后密封置于恒温振荡箱中，消化温度控制在35℃±1℃，转速为90 r·min-1。试验过程中，每日手动摇匀一次，同时记录产气量；试验结束后分析消化液的SCOD，pH值,氨氮等指标，并通过分析日产气量、单位TS总产气量，研究添加猪粪对稻草厌氧消化产气性能的影响。其中SCOD测定采用重铬酸盐法；pH值测定采用玻璃电极法测定；氨氮浓度采用水杨酸-次氯酸盐分光光度法测定。

表2 稻草与猪粪混合比例

2 结果与讨论

2.1 厌氧消化

2.1.1 日产气量

添加猪粪对稻草厌氧消化日产气量影响曲线如图1所示。由图可知，稻草厌氧消化随着猪粪添加量的增加，日产气量曲线整体向上移动。未添加猪粪的R1在第2天出现一个产气高峰后，便迅速下降。R2和R3在第3天出现第一个产气高峰，日产气量为162 mL和167 mL，随后日产气量下降趋势较R1缓慢，其中R2还在第6天出现第2个产气高峰，峰值为152 mL。R4，R5和R6则在第1天就出现了产气高峰，峰值为170 mL、206 mL和225 mL；第2天小幅下降后，R4在第3天出现第2个产气高峰，峰值为188 mL；R5和R6则在第4天才出现第2个产气高峰，峰值为200 mL和215 mL；R4、R5和R6均在第6天出现第3个产气高峰，峰值为177 mL,187 mL和209 mL，随后产气量呈现下降趋势。由此可见，添加适量的猪粪能改善稻草厌氧消化的产气性能，均衡日产气量，避免单一稻草原料发酵日产气量的大幅度波动；另外由R4,R5和R6在第2天产气量出现小幅下降，这是由于添加了较多的猪粪，猪粪中含有大量的铵态氮，对稻草厌氧条件下水解酸化产生的酸起到了缓冲作用，促进稻草水解加快酸化，同时也对甲烷菌的生理活动产生了一定的抑制影响，所以添加适量的猪粪，才有利于稻草原料的充分利用产气。

图1 R1～R6日产气量特性曲线

2.1.2 单位TS总产气量

厌氧消化单位TS总产气量如图2所示。从图中可以看出，添加不同猪粪量的稻草厌氧消化单位TS总产气量随着添加量的增加先上升后下降的趋势，其中R3的单位TS总产气量为302 mL·g-1，比单独稻草(R1)厌氧消化单位TS总产气量298 mL·g-1高1.3%；R4、R5和R6的单位TS总产气量为291 mL·g-1,289 mL·g-1和289 mL·g-1，较R1的单位TS总产气量小2.3%，3%和3%。由此可见，当猪粪的添加量超过一定量时，稻草混合物料厌氧消化的单位TS总产气量就会下降，消化物料的利用效率反而下降。这是由于猪粪中含有大量易分解的有机物，使反应前期产气量增加，当添加量超过一定量时，消化液中的铵态氮就会累积增加，致使厌氧消化产气效率下降。在笔者试验中，当添加的猪粪量与稻草的质量比为6∶4(R2)时，即稻草与猪粪的VS比为3∶1时，物料厌氧消化的单位TS总产气量最大为310 mL·g-1，比单独稻草厌氧消化的单位TS总产气量高4%，最有利于物料厌氧消化产气。

图2 R1～R6单位TS总产气量

2.2 沼液成分分析

2.2.1 pH值和SCOD值

R1～R6消化液的pH值分别为7.2,7.3,7.2,7.3,7.3,7.2，SCOD值分别为836 mg·L-1,1122 mg·L-1,930 mg·L-1,843 mg·L-1,850 mg·L-1,998 mg·L-1。从pH值可以知道，添加猪粪量对消化后消化液酸碱影响不大；消化液中SCOD值随着猪粪添加量的增加呈现先下降后上升的趋势，但均比未添加猪粪的高，说明添加猪粪会使得消化后的消化液SCOD增加，增加量在0.8%～35%之间，这是由于猪粪中含有某些有机物不能水解被厌氧微生物利用，而造成了消化液中SCOD的增加。

2.2.2 氨氮含量

消化液中氨氮的含量如图3所示。从图中可以看出，随着猪粪添加量的增加，氨氮含量相应增加。R1的氨氮量(227 mL·g-1)较R2的氨氮量(131 mL·g-1)高，是因为单独稻草厌氧消化时，根据厌氧消化C/N的需求添加了尿素。R2～R6则是不添加尿素来补充氮源的厌氧消化，而是由猪粪中含的氮来提供，最终消化液的氨氮含量分别为131 mL·g-1，225 mL·g-1，244 mL·g-1，287 mL·g-1，326 mL·g-1。

由R1和R3的氨氮含量相当，说明当猪粪添加量为9 g时，即稻草与猪粪的VS比为3∶1.5，与添加尿素来补充氮源的效果相当，所以添加适量的猪粪可以有效补充稻草厌氧消化所需的氮源，并能有效缓冲物料酸化过程，但过量的添加猪粪会造成消化液中氨氮的积累。

图3 消化液中氨氮含量

3 结论

添加适量的猪粪能改善稻草厌氧消化的产气性能，均衡日产气量，避免单一稻草原料发酵日产气量的大幅度波动；但大量添加猪粪不利于混合物料被充分利用产气，而且会造成消化液中氨氮的积累和SCOD值的增加，SCOD值的增加量在0.8%～35%之间。试验研究表明，当猪粪的添加量达到稻草与猪粪的VS比为3∶1时，物料厌氧消化的单位TS总产气量最大，产气量值为310 mL·g-1TS，比单独稻草厌氧消化的单位TS总产气量高4%，最有利于混合物料厌氧消化产气。

[1] 邹星星,郑 正,陈广银,等.稻草中温厌氧消化产气初步研究[J]. 江苏农业科学,2008(5):275-278.

[2] 刘秀娟,李 晖,薛金红,等.稻草秸秆厌氧发酵产沼气研究[J].安徽农业科学,2012,40(2):957-929.

[3] 何荣玉,袁月祥,闫志英,等.提高沼气产量的外源添加物筛选研究[J].农业工程学报,2011(1):194-199.

[4] Nizami A S, Korres N E, Murphy J D. Review of the integrated process for the production of grass biomethane[J].Environ Sci Technol,2009,43(22): 496-508.

[5] 陈广银,郑 正,邹星星,等.稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究[J].农业环境科学学报,2009,28(1):185-18.

Effects of Adding Pig Manure on Anaerobic Digestion of Rice Straw /

WANG Xin-yu1，4， PANG Shao-jing2， ZHU Qi1， SONG Hai-nong1， XIA Xing-liang1， LUO Chun-feng1， ZHU Hong-xiang1，3/

(1.Guangxi Bossco Environment Protecting Technology Co LTD, Nanning 530007,China； 2.Scientific Research Academy of Guangxi Environmental Protection, Nanning 530022, China； 3.College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China； 4.School of Environment and Life Sciences, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

With rice straw as main fermentation raw material,the effect of different amount of pig manure addition on anaerobic fermentation of rice straw was investigated. The results showed that adding proper amount of pig manure could improve the gas production of rice straw, balance the daily gas production avoiding the large fluctuations caused by sole rice straw fermentation.But excessive addition of pig manure was not appreciated,which may cause accumulation of ammonia nitrogen and increase of SCOD.TheVS mixing ratio of rice straw and pig manure of 3∶1 obtained the best gas production of 310 mL·g-1TS, which was 4% of increasing comparing with the sole rice straw fermentation.

anaerobic digestion; ricestraw; pigmanure; gas production

2016-02-14

2016-05-03

项目来源： 国家科技支撑计划项目(2014BAD24B03-04)

王鑫宇(1983-)，男，博士，主要从事固体废弃物资源化利用研究工作，E-mail：215871201@qq.com 通信作者： 朱红祥，E-mail：zhuhx@bossco.cc

S216.4; X712; X713

A

1000-1166(2017)01-0040-03