鸡粪与玉米秸秆混合厌氧干发酵研究

＊高有清 刘笑宇 孟庆杰 刘志达 刘中军

（沈阳光大环保科技股份有限公司 辽宁 110000）

引言

能源是各国经济发展与社会建设的重要基础，但随着世界范围内能源危机的日益加剧，生物质能受到了广泛关注与研究。厌氧发酵技术能够有效地利用大量的生物质资源，并产生CH4这种清洁能源，从而缓解严峻的能源危机。我国畜禽粪便年产量约为10.9亿吨，农作物秸秆大约9亿吨[1]。因此，高效的处理农作物秸秆与畜禽粪是我国亟待解决的重要问题，提高农作物秸秆与畜禽粪便的综合利用率，不仅有利于解决环境污染问题，还能缓解严峻的能源危机，也是可持续发展的应有之义[2]。

厌氧联合发酵技术能够稀释抑制物与有毒组分，增加有机质的含量，充分利用反应器的体积调节C/N[3]，并且增强过程的稳定性，调节进料的水分含量，从而提高鸡粪和秸秆的利用效率，解决单一底物发酵效率低下的问题，符合我国发展循环经济和绿色农业的需求，对发展社会主义新农村建设和可持续发展有着重要作用，对于解决我国的能源问题有着重要的理论意义和现实意义。

1.材料与方法

(1)实验材料及装置

新鲜鸡粪：取自北票宏发食品有限公司旗下东官黄古屯肉鸡养殖基地，为成年白羽肉食鸡新鲜粪便。

污泥：取自沈阳市北部污水处理厂活性污泥脱水后含水率80%的剩余污泥，取回后驯化24h。

四联30L厌氧发酵在线监测反应器、小型厌氧消化罐、气体流量计、恒温水浴锅、多功能水质分析仪等。

(2)实验方法

鸡粪秸秆混合厌氧干发酵实验方式为中温静态厌氧发酵加定期搅拌，设备为四联30L厌氧发酵反应器，如图1所示。连续式厌氧发酵实验装置罐体材料为进口316L不锈钢，罐体总容积为30L，实验过程有效容积为20L。四组反应器分别投加3000ml污泥进行接种，各组物料投加量见表1：

图1 连续式厌氧消化实验装置图

表1 连续式各组实验物料配比

实验主要分析研究日产气量、累计产气量、pH、COD、氨氮、VFAs（挥发性脂肪酸）等参数的变化规律[4]。

(3)检测方法

TS含量采用重量法进行测定；COD浓度采用重铬酸钾法进行测定；氨氮（NH4+-N）浓度采用纳氏试剂分光光度法进行测定；挥发性脂肪酸（VFAs）浓度采用分光光度计比色法进行测定；pH值采用pH计进行测定[5]。

2.结果与讨论

(1)产气特性分析

图2和图3反映了连续式实验中日产气量和累计产气量的变化，连续式实验从第7d开始稳定进料，7～24d为每3d加一次料，25～30d为每两天加一次料，31～90d为每天加一次料，91d～实验结束为每天加两次料。图2可以看出实验初始前6d日产气量变化呈现先上升后下降的趋势，此时的日产气量与系统中有机物含量有关，在此阶段的封闭环境中微生物逐渐适应环境，对有机物进行分解，日产气量的变化与系统中SCOD变化趋势相同。7～24d日产气量变化趋势呈现出锯齿状且有规律的变化，可以看出加完料的第1d产气量达到峰值，随后两天产气量明显下降，原因是系统中产甲烷菌的产甲烷潜力比预期较高，每次加入系统的物料不能够满足微生物3d的稳定产气量，微生物一直处于饥饿阶段[6]，于是在25～30d开始每两天加一次料，此时的产气量有所提升，但依旧有规律的呈现出锯齿状变化；从第31d开始，在每日进料条件下，各组实验的日产气量均有明显的上升，但随着实验进行，TS逐渐升高，系统pH逐渐下降，pH调节过程中NaOH添加量较少，酸化较为严重，从而导致日产气量大幅下降；随着加碱量的提高产气逐渐恢复，当实验进行到第90d时，开始每天加入两次物料，产气量逐渐上升，平均日产气量均能达到45L左右。

图2 连续式实验日产气量变化图

图3 连续式实验累计产气量变化图

(2)pH的变化情况

图4反映了连续式实验中pH的变化，可以看出各组试验的初始pH均在6.5～7之间，随时间的进行各组实验的pH均呈现下降趋势，其中10%秸秆添加组（55℃）pH下降幅度较大，在第30d左右pH就已降到5以下，由于pH下降过快抑制了产甲烷菌的活性，导致整个反应系统中的产气状况较差。随着加料频率的提高，系统内大分子有机物在分解转化为脂肪酸的同时，会产生大量游离的H+导致系统内pH下降[7]，可以看出在50～70d之间10%秸秆组（37℃）和20%秸秆组（37℃）pH下降到5～5.5之间，此时相对应的日产气量平均为1～2L，产气效率较低。

图4 连续式实验pH变化曲线

(3)COD及氨氮浓度变化情况

图5和图6反映了连续式实验中COD和氨氮浓度的变化，由图5和图6可以看出，在实验前7dCOD含量和氨氮含量均呈现出下降趋势，这是由于前7d实验没有进料和出料，在此封闭阶段，COD含量随着微生物的降解作用从35000mg/L下降到18000mg/L，氨氮含量从945mg/L下降到800mg/L；当pH降低到5～5.5之间时，日产气量也达到最低值，此时的COD和氨氮含量也达到最大值，当实验进行到后期到达稳定阶段后，COD相对稳定并呈现出缓慢下降趋势，氨氮在后期出现较大波动，原因可能是随着进料量的提高，有机物不断积累导致水解产生氨氮的速率大于氨氮的消耗速率，使氨氮含量不断提高[8]。

图5 连续式实验COD浓度变化曲线

图6 连续式实验氨氮浓度变化曲线

(4)挥发性脂肪酸(VFAs)的变化情况

图7反映了挥发性脂肪酸（VFAs）随时间的变化关系，可以看出VFAs的变化与厌氧发酵过程中水解酸化速率、产甲烷菌的降解效率有关，在实验初期水解发酵细菌群将大分子有机物转化为大量VFAs和游离的H+，导致VFAs含量逐渐上升，并与pH呈现出负相关关系；当实验开始间断式加料时，VFAs浓度也出现了间断式的变化趋势，但总体处于上升势态。当实验开始不间断式连续加料后，VFAs浓度逐渐趋于稳定19.07mg/mL，此时产甲烷菌对挥发性脂肪酸和H+的利用效率大致等于进料有机物的水解酸化效率，使整个厌氧发酵系统处于一个平衡状态，从而导致VFAs浓度趋于稳定。

图7 连续式实验VFAs浓度变化曲线

3.结论

少量秸秆的添加能够提高厌氧发酵的产气效率，待实验后期产气达到稳定后，10%秸秆添加组和20%秸秆添加组产气量大致相等，但10%秸秆添加组实验后期VFAs变化更加稳定，COD降解速率相对较高，同时由于实验装置的进料方式为上进下出，20%的秸秆添加量会使秸秆膨胀现象严重，导致出料困难，推荐连续式实验中10%秸秆添加量为最佳配比。