总固体浓度对猪粪中温连续厌氧发酵的影响

常 华， 李海红*， 闫志英

(1.西安工程大学， 陕西 西安 710048； 2.中国科学院 成都生物研究所， 四川 成都 610041)



总固体浓度对猪粪中温连续厌氧发酵的影响

常 华1， 李海红1*， 闫志英2

(1.西安工程大学， 陕西 西安 710048； 2.中国科学院 成都生物研究所， 四川 成都 610041)

以猪粪为原料，在中温(35 ℃)连续厌氧发酵的条件下，研究总固体浓度(TS)对产甲烷的影响.采用5 L自制厌氧发酵装置，设置总固体浓度分别为4%、6%、8%、10%、12%进行连续厌氧发酵实验，以日产甲烷量、日产甲烷浓度、氨氮和挥发酸为评价指标.结果表明：随着TS浓度的递增，日平均产甲烷量分别为2.38 L、3.80 L、2.35 L、2.68 L、2.04 L；产甲烷浓度均维持在56%左右，只有TS浓度为12%时低于50%；挥发性脂肪酸(VFA)的浓度与TS呈正比，且TS浓度大于6%时，丁酸和乙酸会在系统内累积，抑制产甲烷菌的活动.综合各项指标，当TS浓度为6%时，厌氧发酵体系运行最稳定，产气性能最好.

总固体浓度； 猪粪； 厌氧发酵； 甲烷

0 引言

世界经济的快速发展，伴随着大量不可再生能源的消耗，同时也造成了一系列的环境问题，所以如何利用可再生的清洁能源替代不可再生能源受到了人们的关注.而沼气作为清洁的生物质新能源为缓减传统能源的消耗开辟了有效途径.通过厌氧发酵技术从禽畜粪便等生物质原料中获取沼气，还可解决农业固废问题.据不完全统计，我国每年的畜禽粪便产生量高达8亿吨左右，约可产沼气1 820亿m3，可替代燃煤2亿吨，相当于2011年全国能源消费总量的5.75%[1].因此，畜禽粪便的产沼气潜力巨大.连续厌氧发酵具有复杂的生物化学反应过程，温度、接种物、固体浓度等都是厌氧发酵的影响因素.其中固体浓度是影响厌氧消化产气率的重要因素之一.有研究表明固体浓度(Total Solid,TS)越高，产气速率越快；但固体浓度太高则会造成挥发酸、氨氮等中间产物的积累[2-4]，甲烷菌的发酵环境发生改变，抑制了甲烷菌的生长，从而影响厌氧消化的产气效率[5-8].因而不同固体浓度是影响禽畜粪便产气稳定性的最重要因素.

实验在中温(35 ℃)条件下，选取猪粪为研究原料，通过设置不同固体浓度，测定每天的产甲烷量、产甲烷浓度、氨氮、挥发性脂肪酸，分析随着固体浓度的变化对发酵过程和产气效率的影响.以期为禽畜粪便产甲烷在实际生产中的应用提供数据参考.

1 实验部分

1.1 材料

原材料猪粪取自成都双流某养猪场，剔除杂物后置于4 ℃冰箱待用.接种物为本实验室中温(35 ℃)厌氧发酵富集驯化的发酵液.发酵原料基本性质如表1所示.

表1 猪粪和接种物的特性

注：TS为总固体浓度；VS为挥发性固体浓度.下同.

1.2 实验设计

以猪粪为发酵原料，设置5组连续厌氧消化实验，发酵体系的固体浓度分别为4%、6%、8%、10%、12%，在中温(35 ℃)条件下运行，反应器为有机玻璃制成，有效容积5 L.各发酵体系的TS浓度始终保持不变，每日总进料量250 g，水力停留时间为20 d，日进猪粪量m猪粪(g)=250×TS体系/TS猪粪，每天的进料量如表2所示.

表2 连续厌氧消化实验设计

1.3 分析方法

(1)总固体浓度(TS)：采用重量法，将样品混匀置于105 ℃烘箱(天津泰斯特仪器，202-OAB)中烘至恒重.

(2)挥发性固体浓度(VS)：样品在TS的基础上，置于500 ℃～600 ℃的马弗炉(哈尔滨第二电炉厂，RJM-1.8-10A)中灼烧至恒重，减少的那部分重量即为VS.

(3)C质量分数、N质量分数、C/N：将样品混匀置于60 ℃烘箱中烘至恒重，将烘好的固体研磨过400目筛，用锡纸包裹过筛后的粉状物并称重，置于碳氮分析仪进行测定.

(4)甲烷浓度：用安捷伦(7890A)气相色谱测定，色谱条件如下：检测器：TCD；柱温80 ℃；进样口温度200 ℃；检测器温度200 ℃；填充柱：0.3 cm×200 cm；载气选择氮气，流量为25 mL/min.

(5)产甲烷量：用集气袋收集每日所产气体，用北京合百意燃气计量表测量记录每日所产气体总量，日产甲烷量=气体总量×日产甲烷浓度×100%.

(6)VFA：用安捷伦气相色谱测定，总酸的浓度为各个单酸的浓度之和.

(7)氨氮：用FC-100型多用分析测定仪测定.

2 结果与讨论

2.1 日产甲烷量

甲烷的产气量能直观反映厌氧消化系统的产气性能，是判断厌氧消化进度的重要依据.图1为不同固体浓度的日产甲烷量.

图1 不同固体浓度对日产甲烷量的影响

从图1可以看出，日产甲烷量整体趋势呈现出V(TS6%)>V(TS10%)>V(TS4%)>V(TS8%)>V(TS12%).TS浓度为6%时平均日产甲烷量为3.8 L，产气最高峰出现在第17 d为4.62 L，在发酵初期日产甲烷量每天依然呈下降趋势，从第5 d开始日产甲烷量稳步升高，整体维持在一个比较稳定的状态；TS浓度为10%时平均日产甲烷量为2.68 L，在整个发酵过程中，产甲烷量始终没有出现大波动，相对较稳定，到第17 d时达到产甲烷量最高峰为3.11 L；TS浓度为4%的平均日产甲烷量为2.35 L，发酵的前4 d产气量每天呈下降趋势，从第5 d开始稳步回升，到第14 d时达到产甲烷最高峰为3.1 L，之后产甲烷量有所下降，但日产甲烷量基本维持在2.5 L左右；TS浓度为8%时平均日产甲烷量为2.38 L，产气最高峰出现在第20 d为3.45 L，前4 d产气量每天都有所下降，到第5 d时开始回升，直到发酵结束产甲烷量都没有发生大波动；TS浓度为12%时平均日产甲烷量为2.04 L，产气最高峰出现在第20 d为2.82 L，它的产气性能最差，虽然产气潜力较高，但是它的有机物浓度过高，超过了体系微生物的降解能力，可能其厌氧环境不适合甲烷菌的生长，从而抑制了其活性.数据表明TS浓度为6%时，平均日产甲烷量最高且相对稳定，TS浓度为10%时，日产甲烷量最稳定.

2.2 日产甲烷浓度

根据产气中甲烷的百分含量可判断厌氧发酵中占优势的是酸化反应还是甲烷化反应，当甲烷含量等于或者高于50%时，甲烷反应占优势[9].图2为不同固体浓度的日产甲烷浓度.

图2 不同固体浓度对日产甲烷浓度的影响

从图2可以看出，日产甲烷浓度整体趋势呈现出c(TS4%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS8%)>c(TS12%).各组的TS浓度不同，但是它们的变化趋势都是一致的，发酵的前6 d，甲烷浓度每天都在降低，从第6 d开始各组的甲烷浓度均维持在一个稳定的水平.TS浓度为4%、6%、8%、10%时，平均日产甲烷浓度分别为60.1%、57.6%、54.6%、55.7%，其中日产甲烷浓度均在50%以上，大部分时间甲烷浓度维持在56%左右，说明这几组发酵体系产甲烷情况良好、稳定.TS浓度为12%时，甲烷浓度大部分时间维持在44%左右，该组的日产甲烷量也最低，说明发酵过程中酸化反应占优势，有机物负荷过高，可能抑制了甲烷菌的生长.

2.3 氨氮含量

在厌氧消化过程中，氮平衡是非常重要的影响因素，由于厌氧微生物细胞增殖缓慢，只有很少的氮转化为细胞，氨氮以铵态氮NH4+和游离氨NH3两种形式存在，高浓度的氨氮对产甲烷菌具有毒害作用[4].图3为不同固体浓度对氨氮含量影响的变化曲线.

图3 不同固体浓度对氨氮含量的影响

从图3可以看出，氨氮浓度整体趋势呈现出c(TS12%)>c(TS8%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS4%).当TS浓度为4%时，氨氮浓度最低，并且一直呈现下降趋势，这说明该TS浓度下，微生物繁殖生长良好，不断消耗体系的氨作为自己的营养物质，每天所进原料的氨含量不能满足微生物的需求，因此氨氮浓度呈现下降趋势.当TS浓度为6%、8%时，氨氮浓度波动较小，一直维持在1 800 mg/L左右.当TS浓度为10%、12%时，氨氮浓度整体呈现上升趋势，这是因为该TS浓度下，每日的进料量过大，有机负荷过高，虽然微生物需要一定的氨作为氮源，但是整个体系的微生物数量有限，当氨氮浓度达到某一限值时，发酵体系对氨氮的耐受性将趋于饱和，此时继续进料，氨氮质量就会积累，从而氨氮含量呈现递增趋势.有学者报道在厌氧消化过程中，当氨氮质量浓度增加到3 000 mg/L以上时，氨抑制作用明显[10].因此，实验中在不同固体进料浓度下，反应器中氨氮含量均在产甲烷菌群代谢的安全范围之内.

2.4 挥发性脂肪酸(VFA)含量

产酸发酵过程中，VFA产生情况可以反映发酵体系是否具备了产酸菌群生长和代谢适宜的环境条件，而VFA中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸是衡量其发酵效果的最可靠的指标[11,12].

图4是不同固体浓度连续厌氧消化总VFA的变化曲线图.从图4可以看出，VFA的浓度和TS呈正比.当TS浓度为4%时，VFA浓度波动很小，VFA浓度始终在307 mg/L以下，表明系统中的酸物质能够被微生物及时分解利用，没有发生酸积累.当TS浓度为6%、8%、10%时，VFA的含量呈现一个缓慢上升的趋势，但变化的幅度均在合理范围内.当TS浓度为12%时，VFA的上升幅度很大，达到了初始值的6倍，这表明代谢产生的酸没有被产甲烷菌及时利用发生了酸积累，其产甲烷量和甲烷浓度在所有试验组里值也是最低的.

图4 不同固体浓对VFA含量的影响

(a)乙酸的变化曲线

(b)丙酸的变化曲线

(c)丁酸的变化曲线

(d)戊酸的变化曲线图5 乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的变化曲线

图5分别为不同固体浓度发酵体系乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的变化曲线图.在产乙酸菌的作用下，丙酸、丁酸和戊酸可被降解为乙酸，而乙酸是产甲烷菌的利用底物，因此，图5乙酸的变化曲线和VFA变化曲线基本一致.任南琪等[13]的相关研究结果表明：当丁酸浓度高于2 000 mg/L时，比产气速率降低，菌群活性被缓慢抑制；当丙酸浓度高于310 mg/L时，比产气速率降低，菌群活性很快被抑制；当乙酸浓度高于2 341 mg/L时，比产气速率开始下降，乙酸浓度达到4 010 mg/L时，比产气速率锐减，菌群活性被严重抑制.由于丙酸的毒性是最大的，从丙酸的变化曲线可以看出，第6 d开始，TS浓度为6%、8%、10%、12%的发酵系统丙酸浓度均超过310 mg/L，产甲烷活动会受到不同程度的抑制.而从图5可以看出，丁酸和戊酸的变化规律抑制，当TS浓度大于6%时，丁酸和乙酸的浓度在发酵后期都会上升逐渐在系统内累积，从而抑制产甲烷菌的活动.

3 结论

(1)随着TS浓度的增加，产甲烷量、甲烷浓度与氨氮浓度，均不是呈正比增加.日产甲烷量整体趋势为V(TS6%)>V(TS10%)>V(TS4%)>V(TS8%)>V(TS12%)，日平均产甲烷量分别为3.80 L、2.68 L、2.38 L、2.35 L、2.04 L；日产甲烷浓度整体趋势为c(TS4%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS8%)>c(TS12%)，TS浓度为4%、6%、8%、10%时，大部分时间甲烷浓度维持在56%左右，TS浓度为12%时，甲烷浓度大部分时间维持在44%左右；氨氮浓度整体趋势为c(TS12%)>c(TS8%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS4%).

(2)VFA的浓度和TS呈正比，TS浓度为4%时，VFA浓度始终在307 mg/L以下，TS浓度为6%、8%、10%时，浓度始终在3 100 mg/L以下，TS浓度为12%时，峰值浓度为6 303 mg/L，是初始值的6倍；TS浓度大于6%时，丁酸和乙酸会在系统内累积，抑制产甲烷菌的活动.

(3)以猪粪为原料中温连续厌氧发酵，TS浓度为6%时，发酵体系运行最稳定，产气性能最好.

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【责任编辑：陈 佳】

The effect of total solid concentration on swine manure continuous anaerobic fermentation under medium temperature

CHANG Hua1， LI Hai-hong1*， YAN Zhi-ying2

(1.Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China; 2.Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Experiment was conducted by using swine manure as raw material,which was to investigate the influence of methane production by total solids concentration (TS) under the condition of medium temperature (35 degrees) continuous anaerobic fermentation.Using anaerobic fermentation device made by the 5 L,the total solid concentration were 4%,6%,8%,10%,12% to conduct the continuous anaerobic fermentation experiment.the experiment evaluation indexes were daily methane production,daily methane concentration,ammonia nitrogen,and volatile acid.The results show that the average daily methane production was 2.38 L、3.80 L、2.35 L、2.68 L、2.04 L with total solids concentration (TS) increasing; Methane concentrations was maintained around 56%.Only the concentration of TS was 12% it was under 50%;the concentration of volatile fatty acid (VFA) was proportional to the concentration of TS.When the concentration of TS was more than 6%,butyric acid and acetic acid would accumulate in the system inhibiting the activity of methanogens.Integrated indicators,when the concentration of TS was 6%,the operation of anaerobic fermentation system was the most stable and the gas production performance was the best.

total solid concentration; swine manure; anaerobic digestion; methane

2017-02-18

国家973基础研究发展计划项目(2013CB733500)； 国家国际科技合作专项项目(2013DFA61260)； 四川省应用基础研究计划项目(2013JY0050)

常 华(1987-)，女，陕西延安人，助理工程师，硕士，研究方向：固体废物处理

李海红(1971-)，女，陕西西安人，教授，研究方向：固体废物处理,1624116019@qq.com

2096-398X(2017)04-0027-05

X713

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