温度及总固体浓度对实验动物粪便厌氧发酵产气特性的影响

韩东全　董良杰

摘要：为了探究温度、总固体浓度对实验动物粪便厌氧发酵产气量和产生沼气的成分的影响，确定实验动物粪便发酵的最佳温度和最佳进料量，通过自行设计的厌氧发酵装置，在恒温30℃、35℃、40℃、45℃、50℃条件下，分别进行了总固体浓度为8%、10%、12%、14%、16%、18%的厌氧发酵实验。本试验以清洁级（CL）wistar大鼠粪便和秸秆、普通级（cV）科研用实验兔粪便和秸秆的混合物（按C/N为25/1配比）为发酵原料，以常温厌氧发酵池的发酵料液为接种物（接种量为料液总量的30%），进行批量厌氧发酵试验，探究在不同温度TNN总固体浓度的发酵原料的厌氧发酵效果。结果显示，以清洁级（cL）wistar大鼠粪便和秸秆混合为发酵原料时，35℃、总固体浓度为18%为其最优试验组，日产气量的最大值和累积产气量分别达到463 mL和7557mL，且随着总固体浓度的增加，累积产气量有上升趋势；以普通级（CV）科研用实验兔粪便和秸秆为发酵原料时，由于pH过低，造成了试验失败，可见pH对于厌氧发酵的启动有着重要的影响。

关键词：温度；浓度；厌氧发酵；沼气；产气量

中图分类号：S216.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132009

引言

随着科技、医疗水平的不断进步，各项医疗研究工作的快速发展，实验动物在医学研究与探索中的使用越来越普遍，并且它对于医疗事业的快速发展起到及其重要的作用。近些年来，各大医院、研究所、高等院校纷纷建立了自己独立的实验动物研究中心。实验动物的大规模应用和饲养，随之也就产生了大量的实验动物粪便。因此，实验动物粪便的处理成为各实验动物研究中心的一大难题。将实验动物粪便厌氧发酵，转化为清洁能源沼气是一种合理的处理方式，并且对于由实验动物粪便引起的环境污染有十分重要的意义。

在厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢最终产生沼气是一个复杂的生物化学反应过程，其厌氧发酵效果受很多因素的影响，例如温度、浓度、接种物、接种量、pH等。李金平等研究了温度对鲜牛粪厌氧发酵产沼气的成分影响，王法武等研究了温度对以牛、兔和熊粪便为发酵原料时甲烷产量的影响。周丹丹等研究了温度对高浓度恒温厌氧发酵产沼气成分的影响，宋籽霖等探索了温度、发酵料液总固体浓度和产气量之间的关系。王菲等研究了不同碳氮比对干法厌氧发酵产沼气及沼渣造肥的影响。国内外对于动物粪便厌氧发酵的探究都是以畜禽动物粪便为原料，并且对它们厌氧发酵的工艺条件都已经有了较为深入的探究，但是对于实验动物粪便的探究并没有查阅到相关材料。

本试验在厌氧发酵理论和实践的基础上，系统的探究了在不同恒温条件下，总固体浓度对实验动物粪便沼气发酵产气量和气体中甲烷含量进行分析。旨在为确定实验动物粪便沼气发酵最佳条件、提高产气量提供依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料与按种物：实验动物粪便，取自吉林大学实验动物中心，粉碎处理；秸秆，取自吉林农业大学试验田；接种物，常温发酵池中的沼液。

1.2试验装置

本试验所用的试验装置为自行设计的恒温厌氧发酵装置，主要由恒温水浴锅、发酵瓶、集气瓶和集水瓶4部分组成，如图1，各装置间通过橡胶管和玻璃管连接。选用1000mL的广口瓶作为发酵瓶和集气瓶，并用13号胶塞密封，接口处用凡士林密封，1000mL的烧杯收集排出的水，然后用量筒进行测量。

1.3试验方法

1.3.1试验前期准备

1.3.1.1总固体质量分数（Ts）的测定

利用恒温干燥箱。计算方法如下所示：

TS=A/B×100%

式中：A——样品烘干后的质量；B——样品鲜质量。

1.3.1.2发酵原料碳氮比的测定

利用K₂Cr₂O₇外热源法测量含碳量，计算方法如下所示： 式中V₂——样品消耗的硫酸亚铁铵量（mL）；

V₁——空白消耗的硫酸亚铁铵量（mL）；

N——酸亚铁的当量浓度值；

0.03——消耗1mg当量的重铬酸钾相当于0.03g有机碳；

1.1——氧化率，校正系数；

W——样品干重（g）。

利用凯氏总氮法测定含氮量，计算方法如下所示：

式中N——H₂SO₄標准液的当量浓度；

V——品消耗H₂SO₄标准液的体积（mL）；

V₀——白消耗₂2SO₄标准液的体积（mL）；

0.014——每毫克当量氮的重量（g）；

W——样品干重（g）。

1.3.2试验设计

本试验以清洁级（CL）wistar大鼠和秸秆、普通级（CV）科研用实验兔和秸秆的混合配置成碳氮比为25：1作为发酵原料，用1000mL广口瓶作为发酵瓶，投料总容积为80%，并把混合液的比重假设为1，接种量为料液总量的30%（240g），计算出应加入的实验动物粪便、秸秆和水的重量（详细配置比见表3）。投料前分别对实验动物粪便和秸秆进行粉碎处理，然后将它们装入发酵瓶中，并搅拌均匀。发酵温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，每个温度下设定8%、10%、12%、14%、16%、18%6个总固体浓度。

1.4测定项目和方法

1.4.1总固体质量分数（total solid，TS）

测定方法和结果见试验前期准备。

1.4.2产气量（biogas yields）

用排水集气法手机气体，每天上午10点定时用量筒测量烧杯中水的体积。

在恒温条件下进行各组不同总固体浓度的发酵实验时，从有甲烷气体产生时开始进行本组实验的测量和记录，直至各发酵组产气都量很小时为一个发酵周期。

2结果与分析

2.1不同温度下大鼠粪便和秸秆混合发酵料液总固体浓度对日产气量的影响

在发酵产气过程中，6组总固体浓度的大鼠粪便和秸秆混合发酵料液在5个温度中的产气量如图2所示。

从图2中可以看出，6组总固体浓度的发酵料液在各个温度下均能正常发酵，并且从发酵开始的第1天起，在一段时间内的产气量，均呈现出上升趋势，达到高峰以后，又都出现回落趋势。但是在不同温度下，不同浓度的发酵料液产气量变化规律各不相同。不同温度下的发酵周期有明显不同，30℃下的发酵周期为57d左右，35℃为50d左右，40℃为42d左右，45℃为32d左右，50℃为26d左右，可见随着温度的逐渐升高，发酵周期逐渐变短。在相同温度下，不同总固体浓度的发酵料液的产气周期也有所不同，总固体浓度高料液发酵周期普遍高于总固体浓度低的发酵料液。这应该与发酵料液中可利用的有机质的多少有关，总固体质量分数高的发酵料液中可被利用的有机质较多，因此发酵周期较长。日产气量的峰值并没有随着温度的提高而增大，日产气量的峰值为463mL，出现在35℃、总固体浓度为18%的条件下。30℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为180mL；30℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为181mL；35℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为463mL；40℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为311mL；45℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为196mL；50℃条件下，日产气量的峰值出现于总固体浓度为18%的发酵料液，为126mL。可见日产气量的峰值并没有随着温度的升高而增大，而是出现在35℃条件下。

2.2不同温度下大鼠粪便和秸秆混合发酵料液总固体浓度对累积气量的影响

各组试验的累积产气量如图3所示。从图3可以看出，在各组恒温条件下，随着发酵料液总固体浓度的增加，累计产气量基本呈现上升趋势。除了在40℃恒温条件下，总固体浓度为16%的发酵料液的累计产量为最大，略高于总固体浓度为18%发酵料液，其他恒温条件下，总固体浓度为18%的发酵料液的累计产量均为最大。温度对整个发酵过程的累积产气量也有显著影响，除总固体浓度为16%的发酵料液在30℃恒温条件下产气量为最大之外，其他各恒温条件下，累积产气量的最大值均出现在35℃，且在35℃、总固体浓度为18%的发酵料液条件下，累积产气量达到所有试验组的最大值，累积产期量的最大值为7557mL。可见35℃、总固体浓度18%为清洁级（CL）wistar大鼠粪便和秸秆混合发酵的最佳试验组。

2.3不同温度下实验兔粪便和秸秆混合发酵料液总固体浓度对产气量的影响

在各组恒温条件下，进行不同总固体浓度的实验兔粪便和秸秆混合发酵试验时，各试验组均没有气体产生。在整个试验过程中，使用ph-100笔试pH计对发酵过程进行酸碱度的测量。在测量过程中发现，以普通级（CV）科研用实验兔粪便和秸秆的混合物为发酵原料时，发酵初期投料时，pH呈现中性，为7.00左右。随着试验的進行，pH很快下降，最低值达到3.72左右并维持恒定。由此可以推测，由于厌氧发酵的进行，在发酵初期产生了大量的酸，正是由于pH过低，发酵料液中的厌氧细菌的活性受到了抑制，阻碍了厌氧发酵的启动和正常进行。在以后试验中，如何对实验兔粪便进行预处理和试验是一项主要和有趣的研究。

3结论

以清洁级（CL）wistar大鼠粪便和秸秆混合为发酵原料时，发酵可以正常进行，且在35℃条件下，总固体浓度为18%的条件下，日产气量和累积产气量均达到最大值，分别463 mL和7557mL。确定其为试验过程中的最优发酵条件。

以清洁级（CL）wistar大鼠粪便和秸秆为发酵原料时，随着发酵料液总固体浓度的增加，累计产气量基本呈现上升趋势。

pH对于厌氧发酵的进行有着重要的作用，由于pH过低造成了以普通级（CV）科研用实验兔粪便和秸秆为发酵原料的试验失败。在后期试验中，需对其进行预处理，进行调和，再进行研究。