中高温条件下不同碳氮比对鸡粪原料厌氧发酵产气特性的影响

2018-12-01李淑兰梅自力

中国沼气 2018年5期

李淑兰，刘萍，梅自力

(1.农业部沼气科学研究所，成都 610041； 2.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室，成都 610041)

随着规模化鸡业的发展，鸡粪带来的环境污染已成为制约我国鸡生产的重要因素之一。鸡粪无害化处理和资源化利用的主要途径有发酵生产有机肥以及厌氧发酵制取沼气[1-2]。厌氧消化不受鸡粪含水率影响，并且可再生清洁能源。与其它畜禽粪便相比，鸡粪碳氮比(C/N)较低，属于高有机氮废弃物。高有机氮废弃物在厌氧消化过程中，过多的氮将导致厌氧消化系统铵盐的积累，从而抑制产甲烷菌的活动，最终导致厌氧系统处于“抑制的稳定状态”，造成产气量低或不产气[3-4]，即氨氮抑制效应。高浓度氨氮是高有机氮废弃物厌氧消化处理的难题之一，采取有效的技术措施克服氨氮对厌氧消化过程的抑制显得十分必要。研究表明，调节消化原料C/N对厌氧消化系统的运行效果和稳定性非常重要[5-6]，然而对中高温条件下调节原料(C/N)后的厌氧发酵产气特性影响的报道则很少。本研究以玉米秸秆为碳源，通过调控消化原料C/N，探讨中高温条件下不同C/N对鸡粪厌氧消化过程产甲烷性能的影响，以期为厌氧发酵效率的提高及沼气发酵的可控化研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

厌氧污泥，取自四川简阳市某沼气工程；鲜鸡粪，取自山西晋中某养鸡场；风干的玉米秸秆，取自山西晋中某农田，原料的C/N和干物质含量见表1。

表1 发酵原料的碳氮比和干物质含量 (%)

1.2 试验装置

本试验所用装置为农业部沼气科学研究所沼气工程研究中心自行设计的可控性恒温厌氧发酵装置。为了便于实际操作和节约成本，选用2.5 L的两孔塞玻璃瓶做发酵罐，1 L的两孔塞玻璃瓶做集气装置，1 L的玻璃瓶做集水装置，通过橡胶管与发胶装置相连。水浴加热，由恒温水浴锅控制发酵温度(温度波动范围为±1℃)。试验装置按图1方式连接。

图1 厌氧发酵装置

1.3 试验方案

试验组1：向发酵罐中装入鸡粪49.6 g，玉米秸秆56.5 g，接种物403.4 g，水1090.5 g，使得发酵原料C/N为20∶1，总固体物浓度为8%，接种物和发酵原料TS比为1∶1。在温度分别为35℃，42℃和50℃条件下进行试验。

试验组2：向发酵罐中装入鸡粪247.6 g，接种物403.4 g，水949 g，使得发酵原料C/N为12∶1,总固体物浓度为8%，接种物和发酵原料TS比为1∶1。在温度分别为35℃，42℃和50℃条件下进行试验。

对照组：向发酵罐中装入接种物403.4 g，水1196.6 g。在温度分别为35℃，42℃和50℃条件下进行试验。

每组试验设3个重复(见表2)。采用排水集气法每日定时测量产气量、气体成分及发酵溶液pH值。

1.4 测定项目及方法

(1)干物质含量:用烘干法[7]测定。

(2)碳氮比(C/N):C用干烧法测定；N以凯氏定氮法测定。

表2 发酵原料的配比

(3)产气量:采用排水法测定。

(4)CH4含量:采用沼气成分分析仪测量。

2 结果与分析

2.1 试验进行20 d和39 d产气总量和产沼气潜力分析

试验总共进行了39 d，产气结束。结果表明，在35℃，42℃和50℃这3个不同温度下，纯鸡粪原料发酵，温度越高，产气越多，依次为11051 mL，13636 mL和14176 mL；且产气潜力越大，依次为172.3 L·kg-1TS，212.6 L·kg-1TS，221.1 L·kg-1TS。鸡粪和玉米秸秆混合发酵，温度越高，产气越多，依次为12165 mL，16572 mL，17684 mL；且产气潜力越大，依次为189.6 L·kg-1TS，258.3 L·kg-1TS，275.7 L·kg-1TS(见表3)。

从表3可以看出，试验进行到20 d时，35℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了38.6%；42℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了25.0%；50℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了20.9%。说明试验进行到20 d时，发酵温度越高，混合原料发酵比单鸡粪的发酵潜力提升的越慢。

结果还表明，试验进行到39 d时，35℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了10.0%；42℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了21.5%；50℃的混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力提高了24.7%。说明试验进行到39 d时，发酵温度越高，混合原料发酵比单鸡粪的发酵潜力提升的越快。

也就是说，相比发酵20 d和39 d，随着发酵天数增加，在35℃和42℃时混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力少提升了28.6%和3.5%，可能是由于随着发酵时间延长，发酵原料减少，导致产气速度降低。而在50℃时混合原料发酵比单鸡粪发酵产气潜力多提升了3.8%。究其原因，可能是由于20 d时原料发酵不完全被降解所致。

表3 试验条件及试验结果

表3还可以看出，在试验进行到20 d的纯鸡粪发酵，35℃,42℃,50℃条件下产气量可达到总产气量的71.8%,87.6%和95.3%；添加玉米秸秆后，同样35℃,42℃,50℃条件下产气量可达到总产气量的90.5%,90.1%,92.4%。说明试验20 d时，35℃和42℃时混合原料比纯鸡粪发酵产气量提高了26.0%和2.85%，而50℃时混合原料比纯鸡粪发酵产气量却下降了3.0%。同样也说明了试验进行到20天时，发酵温度越高，混合原料发酵比单鸡粪的发酵潜力提升的越慢。

综上分析，1吨新鲜鸡粪35℃可产沼气约44 m3，42℃可产沼气约54 m3，50℃可产沼气约57 m3。添加玉米秸秆调整C/N后1吨新鲜鸡粪35℃可产沼气约114 m3，42℃可产沼气约156 m3，50℃可产沼气约166 m3。

2.2 甲烷最大含量分析

本发酵试验过程中，对每天所产沼气的甲烷含量做了检测。试验结果表明，不同C/N的发酵原料在不同温度下甲烷含量达最大值的时间不同，且最大值也有区别。由图2可以看出，在同一温度下，添加玉米秸秆的鸡粪比不添加的产甲烷含量最先到达最大，即35℃时添加玉米秸秆的鸡粪在厌氧发酵第10天甲烷含量达最大，而纯鸡粪在厌氧发酵第14天甲烷含量才达最大；42℃时添加玉米秸秆的鸡粪在厌氧发酵第6天甲烷含量达最大，而纯鸡粪在厌氧发酵第14天甲烷含量才达最大；50℃时添加玉米秸秆的鸡粪在厌氧发酵第5天甲烷含量达最大，而纯鸡粪在厌氧发酵第10天甲烷含量才达最大；说明改善C/N的发酵原料对鸡粪发酵过程有促进作用。同时图2也说明，随着温度的升高，对纯鸡粪发酵而言，35℃和42℃条件下发酵甲烷含量达到最大值没有差别，都是发酵第14天，说明35℃和42℃的温度对纯鸡粪发酵反应影响不明显，但是在50℃发酵温度下纯鸡粪发酵甲烷含量达到最大值明显提前，是在反应的第10天。以上分析说明，发酵温度越高，反应过程越快。但是甲烷最大含量并没有因为温度的升高而增大，也没有因为改善原料C/N而增加。从图2不难看出这一点，纯鸡粪在35℃，42℃，50℃条件下发酵产生的最大甲烷含量分别是74.85%，68.32%和69.16%；添加玉米秸秆改善C/N的鸡粪在35℃，42℃，50℃条件下发酵产生的最大甲烷含量分别是69.32%，71.04%和66.76%。综合分析，42℃时的发酵温度和20∶1的C/N更加适合鸡粪的稳定发酵。