猪粪厌氧干湿发酵产气效率对比

郑 盼， 尹 芳， 张无敌， 杨 红， 吴 凯， 赵兴玲， 王昌梅， 柳 静， 刘士清

(云南师范大学， 昆明 650500)

近年来，随着我国经济的迅猛发展和农业构架的逐步完善，以及种养模式的广泛应用，我国的畜牧业得到了快速的发展，畜牧规模也是逐年增长，而在其快速发展的同时也带来了一系列的畜禽粪污的污染问题。目前国内养猪产业规模巨大，占畜牧业比重约47%[1]，且每头猪每天需排粪2.20～4.25 kg[2-3]，猪粪每年的排放总量达到40亿吨，其总量在几种畜禽粪便中居于首位[4]。巨大的猪粪资源如同是一柄双刃剑，若处理不得当，则会对人类健康造成伤害，对环境造成污染；若巨大的粪便资源得到合理利用，不仅不会造成污染，而且会得到巨大的能源。目前处理粪便最广泛的方式则是利用厌氧消化技术生产沼气，而应用厌氧消化技术对猪粪进行处理，具有能耗低、费用少、净化效果好、能源环境综合效益高等优点，并且能够产生绿色能源—沼气，能够有效缓解目前面临的能源危机，同时有利于保护生态环境[5]。

厌氧发酵技术根据发酵浓度的不同，可分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵，厌氧湿发酵是指发酵浓度在10%以内的厌氧发酵产沼气的过程，而厌氧干发酵是指发酵浓度在20%～30%以内的厌氧发酵过程[6]。两种厌氧发酵方式均有各自的优缺点，厌氧湿发酵具有启动快、进出料方便、技术相对成熟等优点，同时也有用水量大、建造成本高、后期处理成本高和易造成二次污染等问题；厌氧干发酵的优点有节约水资源、产气率高、管理方便、后期处理成本低等优点，而厌氧干发酵也存在易酸化、启动慢、产气不稳定、发酵周期长等问题。而目前大量研究都集中在利用厌氧湿发酵技术处理畜禽粪便上。张成[7]等在发酵浓度为5%，温度为35℃下对野猪粪进行发酵产沼气实验，结果表明，野猪粪的TS产气率和VS产气率分别为170 mL·g-1和210 mL·g-1；史金才[8]等选择量发酵温度、接种量和原料的添加量作为三因素，以猪粪作为发酵原料进行了正交实验，研究结果表明，猪粪厌氧发酵产沼气的最佳组合是温度55℃，接种率30%，原料添加量100 g；张万钦[9]等以不同生长时期的新鲜粪便为发酵原料，在发酵浓度为5%，发酵温度为37℃的条件下，进行厌氧发酵产沼气实验，结果表明混合猪粪、仔猪粪、母猪粪、育肥猪粪的TS产气率方便为394.4 mL·g-1，269.5 mL·g-1，250.0 mL·g-1，222.1 mL·g-1。厌氧干发酵的研究近年来也是逐步增多，郑盼[10]等研究了活性炭的添加量对猪粪厌氧干发酵的影响，研究结果表明，添加活性炭可以缩短猪粪干发酵的HRT，提升猪粪的产气效率，且最佳添加量为发酵干物质的5%；朱圣权[11]等选择了堆沤时间、粪草比、接种率以及发酵时间四个因素，进行了4因素5水平的正交实验，结果表明最优工艺为粪草比为5∶5，堆沤时间为3 d，接种率为30%，发酵天数为30 d。大部分均是单独研究厌氧干发酵或者厌氧湿发酵，而对比厌氧干、湿发酵的产气效率的研究较少，本文以猪粪为发酵原料，发酵温度为37℃±1℃，接种物与猪粪的比例为1∶1的条件下，分别进行厌氧干发酵和厌氧湿发酵，研究两种发酵技术的产气效率和降解效率，为工程应用提供相应的参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料

猪粪取自昆明市周边的生猪养殖场；接种物为实验室驯化4个月的猪粪接种物。猪粪和接种物的具体参数如表1所示。

1.2 实验装置

实验装置为实验室常规的批量式发酵装置，装置图如图1所示。

A.温控仪； B.水槽； C.集气瓶； D.计量瓶； E.发酵瓶； F.点火口； G.刻度线

1.3 实验设计

为了对比厌氧干、湿发酵的产气效率，本实验以猪粪作为实验原料，设置2个实验组和2个空白组，一组实验组做猪粪厌氧湿发酵(发酵浓度为8%左右)，另一组做猪粪干发酵实验(发酵浓度为20%左右)，每组设置4个平行(其中1组平行组作为取样组，不取用其产气数据)，在中温37℃±1℃进行猪粪发酵实验。具体实验设计如表2所示。

表2 实验设计

1.4 测量项目及方法

(1)总固体(TS)含量：烘干法(将样品在105℃±2℃下烘至恒重，计算样品除水分后干物质的质量分数)[12]。

(2)挥发性固体(VS)含量：烘干法(将TS测定后恒重的总固体在550℃±20℃下烧至恒重，计算挥发性物质的质量分数)[12]。

(3)产气量：采用排水集气法测定[13]，根据实验具体情况记录每日的产气量。

(4)甲烷含量：每隔3天用气相色谱仪(福立GC9700Ⅱ型)测定甲烷含量。

2 结果与分析

2.1 降解率对比分析

实验组1和实验组2料液发酵前后TS和VS和降解率如表3所示。

表3 实验组发酵料液前后TS和VS及降解率 (%)

由表3可知，实验组1(厌氧湿发酵实验组)和实验组2(厌氧干发酵实验组)发酵后的TS和VS较发酵前相比，均有不同程度的下降，这是符合厌氧消化规律的。由公式TS降解率 =(发酵前TS-发酵后TS)/发酵前TS[8]，VS降解率=(发酵前VS-发酵后VS)/发酵前VS[14]，计算可得，实验组1和实验组2的TS降解率为14.11%和15.40%，VS降解率为10.65%和10.79%，实验组2的TS降解率和VS降解率均要比实验组1要高，这说明实验组2的有机质消耗程度要比实验组1高，即实验组2发酵产气效率要比实验组1更好。

2.2 日产气量对比分析

实验组1和实验组2的日产气量变化曲线如图2所示。

图2 日产气量变化曲线

由图2可知，实验组1(厌氧湿发酵实验组)在发酵开始第1天的日产气量为155 mL，随后日产气量开始逐步上升，并且在第14天达到日产气量的峰值为380 mL,在第14天之后日产气量开始下滑，直至产气结束，整个发酵产沼气过程一共27 d；实验组2(厌氧干发酵实验组)在发酵开始的前7 d内产气量较少，均在100 mL以内，启动时间比实验组1要长，在发酵一个星期后日产气量开始上升，在第24天达到日产气量的峰值，日产气量达到1595 mL,随后日产气量开始迅速下滑，直至产气结束，此发酵过程一共历时33 d。实验组1的发酵启动期明显要比实验组2要快，且达到产气高峰期的时间也要比实验组2早，故厌氧湿发酵的发酵启动周期要比厌氧干发酵的更短。

2.3 甲烷含量对比分析

实验组1和实验组2的甲烷含量变化曲线如图3所示。

图3 甲烷含量变化曲线

由图3可知，在发酵产气开始第5天，实验组1(厌氧湿发酵实验组)和实验组2(厌氧干发酵实验组)的甲烷含量均要低于50%，所产气体不能正常点燃，而到达第8天后，实验组1的甲烷含量达到54.15%，此时所产沼气可持续的燃烧，随后所产沼气的甲烷含量开始上升，并且在第14天时达到甲烷含量的峰值，甲烷含量为61.94%，随后甲烷含量开始下滑，但始终保持在50%左右，直至产气结束；实验组2的甲烷含量在第11天才开始达到50%以上，可正常燃烧，随后甲烷含量一直保持在50%以上，并且在第26天时达到甲烷含量的峰值，甲烷含量高达71.17%，随后产气逐步下滑，甲烷含量也随之下滑至产气结束。实验组1所产沼气的甲烷含量达到50%以上的时间比实验组2要短，但是整个发酵过程中的甲烷含量要低于实验组2，说明厌氧湿发酵的启动周期短，但厌氧干发酵更有利于甲烷的生成。

2.4 产气速率对比分析

实验组1和实验组2的产气速率变化曲线如图4所示。

由图4可知，实验组1(厌氧湿发酵实验组)的产气速率要始终高于实验2(厌氧干发酵实验组)，说明厌氧湿发酵的发酵产气速率较快，发酵产沼气的进程更迅猛；由图4中纵坐标的80%做一条垂直线，与实验组1和实验组2的产气速率曲线交于A、B两点，而交点所对应的横坐标即为其发酵的HRT，由图4可得，猪粪厌氧湿发酵的HRT为19 d左右，而猪粪厌氧干发酵的HRT为25 d左右，猪粪厌氧干发酵的发酵周期要比厌氧湿发酵的更长。

图4 产气速率变化曲线

3 厌氧干、湿发酵动力学模型分析

在厌氧发酵过程中，生物质原料的消化降解过程遵循一级动力学相关原理。Logistic函数是一种常见的S形函数，它是皮埃尔·弗朗索瓦·韦吕勒在1844年或1845年在研究它与人口增长的关系时命名的。很多学者曾将此方程应用于厌氧消化过程，如吉喜燕[15]等人。本文则用“S”型的Logistic方程来模拟厌氧干、湿发酵产沼气过程。

(1)

式中：M为沼气累积产气量，mL；P为发酵最大累积产气量，mL；B为原料降解达到高峰的时间，d；K为表示在沼气最大产率条件下，原料降解所需时间与常数e的比值，e的值为2.718。

将本文中所得的实验数据带入Logistic方程，获得实际数据和拟合数据的产沼气情况如图5和图6所示，方程的拟合参数见表4。经软件计算，实验组1和实验组2的厌氧消化过程与Logistic方程的相关系数分别为R2=0.9985，R2=0.9956，相关系数均高于0.99，这表明它们之间具有非常高的相关度。对于Logistic方程的拟合结果，实验组1(厌氧湿发酵实验组)的最大累积产气量的拟合结果为5420 mL,与实验结果的5310 mL相差不大，实验组2(厌氧干发酵实验组)的最大累积产气量的拟合结果18264 mL，与实验结果17050 mL相差不大，拟合结果与实验基本相符合；且实验组1达到最大产气速率的时间的拟合结果与实验结果一样，而实验组2的有所差别，但相差不大，可能是实验过程中的误差所致。可见，拟合数据与实验数据较为接近，故Logistic方程可作为拟合预测和研究厌氧发酵过程的较为适宜的数学建模方法。

图5 实验组1厌氧消化Logistic方程拟合曲线

图6 实验组2厌氧消化Logistic方程拟合曲线

表4 各组实验厌氧消化累积产气量Logistic方程拟合参数

4 产气效率对比分析

实验组1和实验组2的产气效率对比如表5所示。

表5 产气效率对比

由表5可知，实验组2(厌氧干发酵实验组)的TS产气率，VS产气率，VS降解率均要高于实验组1(厌氧湿发酵实验组)，这表明猪粪厌氧干发酵的产气效率要高于猪粪厌氧湿发酵，对猪粪进行厌氧干发酵的产气效果更好；而实验组1的HRT要比实验组2的更短，说明猪粪厌氧湿发酵的处理效率更快，产气时间更短。

5 结论

(1)在37℃±1℃，接种物与原料的比例为1∶1的条件下，猪粪厌氧湿发酵(发酵浓度在8%左右)的TS产气率为450 mL·g-1，VS产气率为550 mL·g-1；猪粪厌氧干发酵(发酵浓度为20%左右)的TS产气率为577 mL·g-1，VS产气率为706 mL·g-1；猪粪厌氧湿发酵的HRT为19 d左右，猪粪厌氧干发酵的HRT为25 d左右，厌氧湿发酵的发酵周期更短。

(2)猪粪厌氧干发酵的VS产气率较厌氧湿发酵提升了22.10%，且猪粪厌氧干发酵的TS降解率和VS降解率均要高于厌氧湿发酵，故利用厌氧干发酵技术处理猪粪可获得更多的沼气能源。

(3)猪粪厌氧干、湿发酵累积产气量的变化规律与Logistic方程基本符合，两者的相关系数均要高于0.99，Logistic方程可很好的反映出猪粪厌氧干、湿发酵产沼气的规律。