典型畜禽粪便厌氧发酵产甲烷潜力试验与计算

2021-10-12徐文倩董红敏陈永杏陶秀萍

农业工程学报 2021年14期

徐文倩，董红敏，尚斌，陈永杏，陶秀萍

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081；2.中国农业科学院都市农业研究所，成都 610213）

0 引言

当今全球温室效应日益严重，应对气候变暖已成为全球各国社会经济发展面临的重要问题之一。畜禽粪便是温室气体的主要排放源之一，畜禽养殖业的 CH4排放占人类活动CH4排放总量的4%[1]。随着中国畜牧业发展及其规模化程度提高，畜禽废弃物的产生量逐渐增加且相对集中。研究发现，厌氧发酵既能显著减少CH4排放，又能提供清洁能源替代化石燃料，实现畜禽废弃物的资源化利用，无疑是一种优良的CH4减排方式[2-3]。科学认识畜禽废弃物的厌氧发酵产甲烷能力，将为国家和各地科学制定沼气工程发展相关政策提供科学依据[4]，为国家畜牧业温室气体减排及相关政策制定提供参考。

厌氧发酵产甲烷潜力，也称生化甲烷潜力（Biochemical Methane Potential，BMP），是指在厌氧发酵条件下有机物可能产生的最大甲烷产量[5]，可用于评估单一物料及混合物料的产甲烷潜力、生物降解性能及厌氧污泥产甲烷活性等[6]。粪便的Bo值（单位底物最大累积甲烷产量）是粪便管理温室气体排放和减排量核算中重要的特征参数[7]，常被用于畜禽粪便CH4排放因子的计算。但目前计算采用的Bo为IPCC给出的亚洲地区缺省值，不符合中国现阶段的生产实际，并且缺省值适合用于区域清单研究，用于生猪养殖场猪粪管理甲烷评价常存在较大不确定性。尽管实测可以得到较为准确的Bo值，但 BMP测试试验条件相对复杂，测试周期长，成本较高，可行性较低等特点，对于大部分养殖企业来说较难完成[8-9]，极大地影响了物料Bo值的获取。近年来，国内涉及BMP测试下单一物料最大产甲烷潜力研究多倾向于为沼气工程筛选适合物料，刘双等[10]通过 BMP测试，获得了小麦、水稻等多种农作物秸秆的厌氧消化产甲烷潜力，确定了其通过厌氧消化技术转化为清洁能源的可行性；陆凤成等[11]通过研究陈化玉米、葵花秸秆等在40 d发酵周期的产气潜力，确定其应用于沼气工程的可行性。另有一些研究集中于探究典型畜禽粪便与其他可行性物料的联合产气潜力[12-15]，周冠男等[16]以醋糟为原料，通过与猪粪、鸡粪进行混合发酵，探究其最佳产气组合的混合比例。对于典型畜禽粪便单一物料甲烷潜力研究较少，且部分研究时间久远。

本试验采用甲烷潜力测试系统（Automatic Methane Potential Test System，AMPTS II）对蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种主要畜禽粪便进行BMP测试，并用两种动力学模型对粪便产甲烷过程进行拟合，以期获得符合中国现阶段畜牧生产实际的Bo值，为不同养殖场粪便管理甲烷评价提供参考。同时，根据试验获得的三种典型畜禽粪便的产甲烷潜力值计算其年甲烷产生潜力，为中国畜牧业温室气体减排及相关政策制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 发酵原料与接种污泥

试验所用新鲜蛋鸡粪取自北京市延庆县德青源生态园，奶牛粪取自河北省张家口市张北县察北牧场，猪粪取自北京市顺义区某规模化猪场，送回实验室后，对三种粪便基本特性进行检测，剩余材料保存在4℃恒温冰箱中备用。接种污泥取自北京市顺义区某规模化猪场常年正常运行的中温沼气工程发酵罐，取回后，（37±0.5）℃下中温培养，利用AMPTS II的产气体积监测单元观察产气情况，培养一周后至不再产气以减小背景产甲烷量，将其用作试验接种物。三种粪便和接种污泥的理化性质如表1所示。

表1 试验粪便及接种污泥特性Table 1 Characteristics of livestock manure and inoculated sludge used in the experiment

1.2 试验装置

全自动甲烷潜力测试系统（AMPTSII，Bioprocess Control AB，瑞典）由样品消化单元、CO2固定单元和气体体积测定单元3部分组成（图1）。样品消化单元包括15个500 mL玻璃发酵瓶，有效容积为400 mL，用恒温水浴锅对发酵温度进行控制。CO2固定单元包括 15个100 mL小玻璃瓶，每个小瓶可装入一定量碱性溶液，以吸收厌氧消化单元产生的 CO2、H2S等酸性气体，仅使CH4通过该单元。气体体积测定单元根据液体位移与浮力原理设计，用于记录、显示和分析结果。

本试验在CO2固定单元15个100 mL小玻璃瓶，每个小瓶装入80 mL3 mol/L NaOH溶液，以吸收厌氧消化单元产生的CO2、H2S等酸性气体，仅使CH4通过该单元。

1.3 试验设计和运行

如表2所示。根据试验设定的总固体浓度和接种比，分别在不同的发酵瓶中加入对应含量的猪粪和接种污泥，用去离子水补充到400 mL，用离子水与接种污泥混合液作空白处理，即CK处理。每组设置三个重复。物料装进反应瓶后将瓶口用橡胶塞封住，连接机械搅拌，并将试验各个单元用聚乙烯软管连接。反应温度控制在(37±0.5) ℃。试验开始前，通氮气2 min以除去液面上方空气，制造厌氧环境。每间隔1 h搅拌一次，每次搅拌时长为5 min。试验持续时间62～64 d不等。

表2 试验工况表Table 2 Experimental conditions

1.4 样品与数据分析

1.4.1 检测样品和方法

总固体、挥发性固体用灼烧减重法测定[17]，测定温度分别为105 ℃和550℃；pH值用数字pH计测定；化学需氧量（CODcr）采用HACHCOD 快速测定方法测定；生物需氧量（BOD5）利用 OxiTop IS6（WTW，Germany）测定；猪粪C、H、O、N含量用元素分析仪（PE-2400II）测定；氨氮按照HJ537-2009用蒸馏-中和滴定法测定[18]；甲烷总产量及日产量由 AMPTSII的气体体积测定单元记录。

1.4.2 采样及数据处理

对试验前和试验结束后发酵液特性采样进行检测。甲烷总产量及日产量由AMPTSII记录。发酵瓶中甲烷总产量扣除 CK处理的甲烷产量即为三种畜禽粪便厌氧消化的实际甲烷产量。根据获得的甲烷日产量扣除CK处理的甲烷产量获得日净甲烷产量，将日净甲烷产量逐天累加再除以发酵瓶中添加相应畜禽粪便的VS量即为三种畜禽粪便的单位累积甲烷产量。试验中所有数据均取重复试验的平均值作为最终结果进行分析计算。数据计算处理用Excel 2016进行，图表制作利用Origin2021。利用一级动力学模型和修正的 Gompertz模型进行动力学分析。

一级的动力学模型为

式中M(t)为t时刻的甲烷累积产量，mL/g；Mmax为最终产甲烷潜力，mL/g；t为试验时间，d；k为反应动力学常数。

修正的Gompertz模型为

式中M(t)为t时刻的甲烷累积产量，mL/g；Mmax为最终产甲烷潜力，mL/g；Rmax为最大产甲烷速率，mL/(g·d)；λ为迟滞期，d；t为发酵时间，d；e为常数（2.718 3）。

1.5 甲烷产生潜力计算方法

1.5.1 数据来源

畜禽粪便管理现状排放因子及测算所需相关数据来自《2006年 IPCC 国家温室气体清单指南》。畜禽年末存栏量、不同养殖规模所占比重数据来自《中国畜牧兽医年鉴2015》（中国畜牧兽医年鉴编辑委员会）。Bo值来自本试验测得的数据。

1.5.2 计算参数确定

畜禽生产周期。畜禽种类不同则生产周期也不相同。若生产周期大于一年，则饲养量为年末存栏量，生产周期为一年，即365 d。奶牛和母猪生产周期大于一年，按照一年计算，生猪生产周期为199 d。蛋禽饲养周期一般为一年，因此本文中蛋鸡生产周期为365 d，将年末存栏量记为全年饲养量。

畜禽粪尿日排放系数。不同品种、不同区域及不同饲养方式下的畜禽粪便排泄系数会有差异，本文所用粪污排泄系数来自国务院第一次全国污染源普查领导小组办公室给出的《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》。所涉及到的畜禽养殖产污系数如表3。

表3 畜禽养殖产污系数Table 3 Pollution production coefficient of livestock and poultry breeding (kg·(头·d)-1)

粪便特征参数。包括粪便中产生的挥发性固体（VS）的数量以及该粪便中可产生的最大甲烷数量（Bo）。粪便VS产量基于畜禽粪便的实验室检测。Bo随着家畜品种和饲喂方法而变化，是建立在粪便中VS数量基础上的理论甲烷产量，本文中畜禽粪便Bo基于BMP试验测试获得。

1.5.3 粪便排放量及甲烷产生计算公式

粪便年产量是利用畜禽养殖产污系数乘以牲畜类别T的年饲养量来确定。具体计算公式如下：

式中M(T)为畜禽T粪便年产量，t；FP(T)为畜禽T产污系数，kg/(头·d)；N(T)为畜禽T年饲养量，头；t(T)为畜禽T粪便生产周期，d。

算出的畜禽T粪便年产量乘以畜禽类别T的VS排泄率及畜禽类别T的最大甲烷产率Bo。

式中EF(T)为畜禽T粪便年最大产甲烷潜力，kg；M(T)为畜禽T粪便年产量，t；VS(T)为畜禽T粪便的挥发性固体含量，%；Bo(T)为本文BMP试验中测量获得的畜禽T粪便产甲烷潜力，mL/g；0.67为1 m3CH4换算为1 kg CH4的换算系数，kg/m3。

2 结果与讨论

2.1 不同粪便在厌氧发酵过程中的产气速率变化情况

不同畜禽粪便单位底物的每日甲烷产率的逐时变化如图2所示。由图看出，蛋鸡粪、奶牛粪、猪粪甲烷产率均呈现先上升后下降的趋势。各组试验启动时间较短，均在第1天获得产气速率峰值，分别为87.86、60.53和102.51 mL/(g·d)。这与本试验接种物取自运行良好的沼气工程，接种物中功能微生物丰富且活跃有关[19]。奶牛粪组在第5天出现了第二个产气峰值为11.12 mL/(g·d)，这可能是因为牛粪中含有比例相对较高的木质素类物质，木质纤维素有机质表现为较低的沼气产量[20]。在反应初期，易生物降解的物质被降解，出现第一个产气高峰，随后木质素类物质被部分降解，出现第二个产气小高峰。随后，三种粪便日产气量逐渐下降直至趋近于零。其原因是试验启动后畜禽粪便迅速降解，有机物含量随着降解进程逐渐减少，降解速度逐渐减慢，甲烷日产量逐渐减小至趋近于零。CM、DM、SM累积甲烷产量达到总产甲烷量的90%时所用时间分别为8、25、13 d。试验结束时，CM、DM、SM单位底物累积甲烷产量分别为326.01、172.28、375.29 mL/g。蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种畜禽粪便厌氧发酵TS去除率和VS去除率分别为50.7%、46.8%、64.8%和59.1%、56.4%、71.4%，由此可知，原料中存在的挥发性固体并非全部可以被微生物降解，有一部分实际是微生物难以降解的，因此，试验中所测得的Bo值低于畜禽粪便理论甲烷潜力。

2.2 Bo值确定

不同畜禽粪便 BMP试验发酵时长及其优化结果如表4所示。CM、DM和SM三种物料的BMP1%（当日产甲烷量为累积甲烷产量的1%时的累积甲烷产量）分别为316.85、162.11、351.63 mL/g，三种畜禽粪便的 BMP1%均占到试验结束时测得 BMP值的 90%以上，所以认为BMP1%作为厌氧发酵中物料产甲烷潜力是有效的。同时，由表4可知，达到BMP1%时所消耗的时长相比于依靠主观判断结束时间耗费时长节约了45.3%～76.6%，为BMP测试节省了更多的时间。用得到 BMP1%所耗时长作为试验结束时间除相对缩短试验时间外，同时使得BMP测试结果有了量化标准，更能客观比较相同物料在不同发酵时间下的试验结果。

表4 畜禽粪便在日产气量不大于1%时和试验结束时的BMP及试验时长比较Table 4 Comparison of experiment duration and biochemical methane potential between experiment reaching daily biogas ≤1%and reaching end

BMP测试用于在厌氧条件下测定有机物料的生物可降解性及产甲烷潜力，越来越多的被应用于可进行沼气生产的物料筛选。试验中，发酵底物与富含多样化微生物群落的接种污泥混合在厌氧条件下进行发酵，反应时间一般为 60 d[21-24]以上。因为缺乏统一标准，导致目前不同研究群体在BMP试验中对于试验结束时间的确定大多依赖实验人员主观判断，对确定试验获得的最大甲烷产量也有不同的操作方法。相同物料在不同BMP试验中获得的Bo值也大不相同，导致试验获得的数据可用性大大降低。德国工程师协会2006年制定的有机物料发酵标准VDI4630中提到了将BMP1%作为BMP测试中获得的甲烷潜力值，即时停止试验[25]，此时获得的累积甲烷产量即为该试验物料的Bo值。

2.3 厌氧发酵动力学分析

利用一级动力学模型和修正的Gompertz模型[26-27]分别对甲烷产出过程进行曲线拟合，确定不同处理条件下甲烷产出过程的动力学常数，模拟发酵的动态过程，判断发酵的迟滞期以及定量分析发酵底物的产甲烷潜能。

一级动力学模型是比较基础常规的厌氧发酵产甲烷甲烷曲线拟合方程，通过一级反应速率微分方程进行变化得来，可用在常规甲烷产气曲线（曲线无长迟缓期、无阶梯型波动、无下降）拟合中。该模型形式简单、易计算，但却不适用于复杂曲线拟合。修正的Gompertz模型相比较而言更加复杂，可以用于对过程中有轻微波动、下降以及有迟缓期的产气曲线进行拟合。

BMP试验测得的蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种畜禽粪便的Bo值分别为0.33、0.17和0.38 m3/kg，与对应IPCC给出的亚洲地区缺省值0.24、0.13和0.29 m3/kg差别较大。这是因为IPCC给出的是全球各个地区的Bo缺省值，反应的是众多养殖场的平均水平，针对每一个具体养殖场，其家畜品种、养殖结构及日粮等均有不同，导致其粪便成分相差较大，而粪便的Bo值大小只取决于粪便自身特性，如粪便有机碳含量等。在实际的BMP试验中，试验获得的单位底物累积甲烷产量被认定为物料产甲烷潜力的近似值，而获得精准的物料产甲烷潜力通常需要很长的试验时间，不适用于生产实际。实际生产中，物料甲烷潜力的获得通常通过BMP试验和数学模型共同确定，在此过程中，还可以获得产甲烷动力学参数，如产气速率、迟滞期、动力学常数等，以此更直观的了解厌氧发酵产甲烷过程。

三种畜禽粪便单位底物累积甲烷实际产量曲线及其用经典First-order模型和修正后Gompertz模型的拟合曲线如图3所示，两种模型的拟合参数见表5。总的来说，First-order模型和修正后的Gompertz模型的拟合精度均处于合理范围内，均能较好地拟合三种畜禽粪便的产甲烷曲线，First-order模型和修正后的Gompertz模型的R2均大于0.9，且 BMP∞也均达到了试验最终获得累积甲烷产量的 90%以上。相比而言，First-order模型相对拟合精度高，但两者获得的产甲烷动力学参数差异并不显著。两种模型均可用于沼气工程物料筛选的 BMP试验模拟。

表5 First-order和修正的Gompertz方程的拟合参数Table5 The model parameters of the first-order kinetic model and modified Gompertz model

2.4 畜禽粪便甲烷产生潜力计算

根据IPCC 2006年《国家温室气体清单指南》，影响甲烷排放的主要因素是畜禽养殖场粪便产量和畜禽粪便无氧降解的比例。前者取决于畜禽的产污系数和畜禽数量，而后者取决于如何进行养殖场畜禽粪便管理。当粪便以液体形式存储或管理时（例如，在化粪池、池塘、粪池或粪坑中），粪便无氧降解，产生大量的甲烷。储存装置的温度和滞留时间极大地影响到畜禽粪便产生甲烷的量。当粪便以固体形式处理（例如堆积或堆放）或者在牧场和草场堆放时，粪便趋于在更加耗氧的条件下进行降解，产生的甲烷较少（IPCC，2006）。本文是对畜禽粪便最大甲烷产量进行估算，因此并未对畜禽粪便管理方式进行区分，均假设所有畜禽粪便进行无氧降解，以此为沼气工程对温室气体减排的贡献提供科学的评估依据和数据支撑。

目前，由于缺乏相应试验数据支撑，畜禽粪便管理过程中的甲烷排放估算过程中所采用的Bo值依旧是IPCC给出的固定数据，随着畜禽品种和饲喂方法而变化，近年来，随着中国畜牧养殖结构和饲料成分的变化，Bo也发生了相应的变化，IPCC给出的固定数据不再符合中国的生产实际。IPCC给出的亚洲地区牛粪和猪粪的Bo分别为0.24、0.13和0.29 m3CH4/kg，而本试验得到的最大单位VS甲烷产率分别为 0.33、0.17和0.38 m3CH4/kg。根据公式（4），结合IPCC给出的固定值及本试验测得的实际Bo值，计算出全国各省份三种主要畜禽粪便的甲烷减排潜力。具体计算结果见表6。如表6所示，各省份按照IPCC给出的Bo值和本试验测得的Bo值估算出的三种主要畜禽粪便年甲烷产生潜力差异显著，其中，河北省的蛋鸡粪年产甲烷潜力为全国最高，为96.71 万 t，内蒙古自治区奶牛粪年产甲烷潜力为全国最高，为48.83 万 t，四川省猪粪年产甲烷潜力为全国最高，为147.14万t。蛋鸡粪年产甲烷潜力最小的是青海省，为 0.19 万 t，海南省奶牛粪年产甲烷潜力为全国最小，为 0.02 万 t，宁夏回族自治区猪粪年产甲烷潜力为全国最小，为2.17万t。