鸡粪和黄储玉米秸秆厌氧发酵产沼气研究

薛红军 米锡耿

（河南天冠纤维乙醇有限公司，河南 南阳 473000）

高温厌氧共消化是解决当前单一农业生物质废弃物厌氧消化过程中因碳氮元素比例不平衡而造成系统产能不高问题的有效途径。Weilandf［1］指出，混合厌氧发酵将是厌氧消化技术的重要发展方向。他进行了很多混合发酵的研究，包括对混合发酵原料配比的研究、对混合发酵温度的研究以及对混合发酵pH值范围的研究等。楚莉莉、王晓娇等［2-3］的研究表明，粪便与秸秆两两混合及3种混合发酵均能显著提高沼气产量。马焕杰、Dar等［4-5］研究发现，将秸秆、落叶等与粪便混合发酵，可有效提高沼气产量和甲烷含量。李轶冰、郭欧燕等［6］分别研究了对粪便与秸秆混合发酵的影响，发现随着温度的升高，发酵周期缩短，产气速率和产气量增大。目前，关于混合厌氧发酵的研究多集中在发酵影响因子的优化，对各因素的重要性程度较少报道。所以，本实验以鸡粪和黄储玉米秸秆为底物，在连续搅拌厌氧消化反应器中进行高温厌氧发酵生产沼气，并分析2种原料碳氮配比情况不同对产气率的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 发酵原料与消化液。发酵原料的黄储玉米秸秆取自天冠南阳纤维乙醇公司，经测定其TS（Total Solids，总固体）为42.6，VS（Volatile Solids，挥发性固体）为90.3。鸡粪取自南阳市卧龙区潦河镇一大型养鸡场，经测定其TS为17.8，VS为60.9。消化液取自天冠南阳纤维乙醇公司4 000 m3沼气发酵系统，经测定其TS为4.2。

1.2.2 实验装置。实验采用重点实验室自制的全自动恒温100 L发酵罐进行厌氧发酵，产生沼气使用沼气流量计进行计数测量。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计。发酵温度对秸秆和鸡粪等原料的研究已经很多，基本可以认定高温（50～55℃）发酵产气效率较高，故本次试验设定不再对温度进行对照试验，都按照高温50℃发酵进行。本实验分为4个发酵体系展开，每一个体系总发酵体积为70 L。70 L起始消化液均取自天冠南阳纤维乙醇有限公司同一沼气发酵罐中部。全自动恒温发酵罐统一设置温度为50℃，搅拌转速为150 r/m。发酵投料负荷按原料VS计算为每天1.5‰。全部试验周期为30 d。第1个体系完全以鸡粪为底物，投料VS负荷为每日1.5‰（体系进料碳氮比约为10）；第2个体系鸡粪投料VS为0.75‰，黄储玉米秸秆投料VS负荷为0.75‰（体系进料碳氮比约为16）；第3个体系鸡粪投料VS为0.5‰，黄储玉米秸秆投料VS负荷为1‰（体系进料碳氮比约为21）；第4个体系完全以黄储玉米秸秆为底物（体系进料碳氮比约为50），根据产气量考察同样VS投料负荷下底物碳氮比对工艺性能的影响。

1.2.2 测试项目及方法。总固体TS是指生物质原料在（105±2）℃烘干至恒重，去除水分剩余干物质的重量占样品总重的百分比。测定原理：将生物质原料于（105±2）℃温度下烘干至恒重，计算烘干后重量占样品总重的百分比。挥发性固体VS是指将烘干至恒重的生物质样品置于（550±20）℃条件下灼烧至恒重，得到灰分，用总固体重量减去灰分重量，即为挥发性固体。测定原理：将已获取TS所需各数值的样品移入马弗炉中，在（550±20）℃燃烧至恒重，测定挥发掉的成分占干物质的百分比，灰分为剩余物质占干物质的百分比。在沼气工程技术中，TS和VS是2项非常重要的基础性参数，用以衡量沼气发酵原料的基本性质，计算厌氧发酵的投料量和确定有机负荷等。pH计使用梅特勒精密pH计测量。氨氮值用纳氏试剂分光光度法测量。挥发酸VFA测定按Q/YZJ10-03-02-2000（硫酸法）执行。产气量使用沼气流量测定仪每日记录。

2 实验结果及分析

2.1 发酵罐30 d平均发酵数据

实验启动后，每天上午9时准时补料，并记录前天产气量。取未补料的发酵液分析氨氮，挥发酸、TS以及pH值各项数据。汇总30 d发酵结果，平均数据如表1所示。

表1 30日发酵结果平均数据

2.2 实验结果分析

实验结果表明，2号体系底物碳氮比为16时，对照秸秆和鸡粪单独发酵产气量，共发酵产气比率上升了15%；3号体系底物碳氮比为21时，对照秸秆和鸡粪单独发酵产气量，共发酵产气比率上升了15.8%。鸡粪与玉米秸秆VS比例按1∶2处理，其碳氮比为21∶1，属于最佳发酵理论值。因为微生物发酵时，对碳的需求量是氮的20～30倍，所以合理配比有利于产酸阶段与产甲烷阶段菌群的生长平衡，可以促进沼气发酵［7］。

Bouallagui研究发现，随着发酵的进行，pH值在后期有所升高。本研究发现了相似的结果，即pH值从原消化液的7.1左右有所升高，说明微生物逐渐适应了发酵环境，并在其生长、繁殖的过程中调整了pH值，使其更适合自身生长。

另外，分析不同物料配比发酵过程中氨氮和挥发酸的数据可以看出，单纯的鸡粪氨氮值上升最快，挥发酸也较高，对后期厌氧水深度处理造成了一定影响；而单纯的秸秆发酵由于氮源不足，发酵产气结果不是很理想。共发酵的两个实验罐由于调整了进料的碳氮比，发酵产气率都有了一定提升，尤其是在碳氮比为21时，产气率提高明显，发酵罐各项理化指标也更加稳定。