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李木子，孫軍德
(沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽110161)
摘要：提高農村戶用沼氣的產氣速率和畜禽糞便等農業廢棄物的利用率，是當前循環農業領域面臨的主要問題。本實驗利用自行設計的恒溫厭氧發酵裝置，模擬農村戶用沼氣發酵過程，研究不同畜禽糞便混合配比(干物質比)對沼氣發酵的影響。厭氧發酵試驗表明，單純發酵原料難以滿足產甲烷菌對C：N的需求，分別存在產氣啟動慢，產氣量低等缺點。而通過合理的富氮和富碳的發酵原料配比可以有效地加快發酵產氣并提高產氣量和沼氣中CH4含量。
如何高效地利用農業廢棄物發酵沼氣，是當今農業面臨的重大挑戰。國內外的科研機構和高校在這方面做了大量的研究。劉德江[1]研究表明，與單一發酵原料發酵沼氣相比，家畜糞便混合或家畜糞便與秸稈混合可以有效地提高沼氣產量，當提高發酵原料中牛糞的比例時，氣體中CH4的含量明顯增高，同時，豬糞在厭氧發酵過程中容易發生酸化，從而造成產氣量下降甚至停止產氣，而羊糞、牛糞卻不容易發生酸化，基本上不影響產氣量。李文哲[2]研究表明，在溫度和料液濃度較高、水停留時間較長時，發酵液中的丙酸含量也隨之提高，并對接下來的產甲烷期造成負面影響。
微生物生產沼氣原料的最適碳氮比為25：1，單一發酵原料難以滿足要求，因而研究混合原料不同比例發酵具有重要意義。本實驗研究相同溫度下，豬糞、羊糞單一原料發酵及不同比例混合發酵對沼氣產量及CH4含量的影響，旨在為提高沼氣產量及質量提供理論依據。
1材料與方法
1.1材料
試驗原料取自沈陽農業大學后山養殖場新鮮的牛糞、羊糞；試驗接種物取自沈陽市東陵區農戶自用沼氣池中的池底污泥。發酵原料的碳氮含量見表1。
1.2方法
1.2.1發酵試驗 自行設計的恒溫厭氧發酵裝置，該裝置由發酵瓶、集氣瓶、集水瓶3部分組成。采用1500mL的有機玻璃杯作為發酵瓶和集氣瓶，分別在發酵瓶和集水瓶上打孔以作為取樣孔和出水孔，并采用止水夾封住取樣孔。發酵瓶和集氣瓶之間采用10mm×8mm的硅膠管連接。
集水瓶采用100mL的量筒，向下排水集氣法，所有的連結處均做密封處理。結構示意見圖1。
本次試驗采用接種物量為20%，總固體8%的發酵濃度。發酵液配方分為以下4組：組Ⅰ：純豬糞發酵；組Ⅱ：純羊糞發酵；組Ⅲ：豬糞：羊糞(干物質比)=1：1混合發酵；組Ⅳ：豬糞：羊糞(干物質比)=1：2發酵。每一種配方的發酵液取2個平行試驗。分別將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個實驗組，置于1500mL的發酵瓶內敞口預處理9d，然后分別密封并連接導氣管和集氣瓶，將發酵裝置放入恒溫培養室，在(28±1)℃恒溫條件下進行厭氧發酵30d。
1.2.2分析測定方法 日產氣量、累積產氣量采用向下排水法計量，發酵液的pH值采用智能pH計(PHS225型)測定，氣體中CH4含量采用ZS22型沼氣分析器測定。
2結果與分析
2.1預處理中不同發酵組 pH值的動態變化
按照配方配置好的發酵液混合物，攪拌均勻后，在1500mL的發酵瓶中進行為期9d的室溫(20℃)好氣堆漚。在堆漚過程中，每天測定一次體系的pH值，發酵液pH值變化情況見圖2。由圖2可以看出，組Ⅰ在整個預處理過程中的pH值始終維持在較低水平，呈酸性。組Ⅱ的pH值則一直保持在堿性范圍內波動直到預處理結束；混合原料發酵實驗組中：組Ⅲ在堆漚開始時pH值為7.50，第3天其pH值下降至6.95，呈酸性，隨后又開始升高，并維持堿性，預處理結束時，組Ⅲ的pH值為7.50；組Ⅳ在整個預處理過程中，pH值變化趨勢與組Ⅲ相似，均經歷了一個先下降再升高，而后趨于穩定的過程，但相對于組Ⅲ，組Ⅳ的pH值變化幅度較小，且在整個預處理過程中，始終維持在堿性范圍內。
2.2厭氧發酵過程中不同發酵組 pH值動態變化
厭氧發酵實驗過程中，每3d測定一次發酵液pH值。沼氣發酵試驗過程中發酵液pH值變化情況見圖3。由圖3可知，組Ⅰ在發酵第9天pH值降低至6.20，通過人為添加堿的方式調至pH7.00，在隨后的發酵過程中，其pH值始終維持在6.50以上，發酵結束時，pH值為7.10；組ⅡpH值在整個發酵過程中保持在較高的水平，在發酵進行第15天降低至6.70，發酵結束時其pH值為7.20。混合原料發酵組中：組Ⅲ在發酵剛開始時pH值迅速降低，第12天時降低到6.45，隨后又開始升高，并維持在6.50以上，至發酵結束時組ⅢpH值7.30；組Ⅳ的pH值變化幅度最小，發酵第6天pH值降低至6.90，后開始升高，第15天升高至7.31，發酵結束時pH值為7.20。
2.3不同發酵原料配比產氣變化情況
不同發酵原料配比的發酵液日產氣量變化情況見圖4。由圖4可知，組Ⅰ產氣啟動最快，厭氧發酵開始1d即有少量氣體產生，其日產氣量在第4天達到100mL，隨后迅速下降，發酵第8天，組Ⅰ產氣完全停止，人為添加堿調節體系pH值后，恢復產氣，并于第11天達到日產氣高峰246mL/d；組Ⅱ產氣啟動較組Ⅰ緩慢，發酵第9天開始產氣，第16天達到日產氣高峰325mL/d，后開始逐漸下降，但其日產氣量始終高于組Ⅰ。混合原料發酵組中，組Ⅲ在第6天開始產氣，其日產氣量在第10天達到峰值375mL/d，隨后開始緩慢降低，第24天降低到175mL/d，至發酵進行第30天，組Ⅲ的日產氣量只有47mL/d；組Ⅳ在發酵第4天開始產氣，隨后其日產氣量隨發酵進行開始升高，至發酵第9天達到日產氣高峰350mL/d。
不同發酵原料配比的發酵液CH4含量變化情況見圖5。組ⅠCH4含量一直較低，在發酵進行第11天達到60%，隨后開始迅速降低，發酵第25天后所產氣體中無CH4。組Ⅱ在發酵第9天產氣啟動時的CH4含量為21%，發酵第15天達到峰值79%，后緩慢降低，發酵結束時，其CH4含量為30%。組Ⅲ在發酵第5天產氣啟動后CH4含量就達到35%，隨后繼續升高，發酵第9天達到峰值82%，并維持在較高水平至發酵第14天開始緩慢降低，發酵結束時CH4含量仍保持在30%；組Ⅳ在發酵第8天達到CH4含量峰值70%，后開始逐漸降低，發酵結束時，其CH4含量僅有10%。混合原料發酵組中，組Ⅲ相對于組Ⅳ具有更高的CH4含量峰值和更長的持續時間。
不同發酵原料配比的發酵液累積產氣量及干物質產氣率見表2。由表2可知，經過恒溫28℃，30d的厭氧發酵試驗，不同發酵原料累積產氣量由高到低的順序為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ。
組Ⅰ的累計產氣量最低(2749mL)，僅為組Ⅲ(累積產氣量為6258mL)的1/2。混合原料的累計產氣量均高于單一原料，組Ⅲ的累積產氣量高于組Ⅳ。單就累積產氣量而言，組Ⅲ明顯優于組Ⅳ，較之高出922mL。干物質產氣率由高到低依次為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ。
3討論
在進行厭氧發酵前，對發酵原料、接種物的混合物進行為期9d的好氣預處理，有助于發酵原料中復雜有機物的分解產酸，豬糞產酸速度最快，羊糞最慢。4組不同原料發酵液pH值均經歷了一個先降低后升高的過程，原因是產酸菌將原料中復雜有機物分解產生揮發性脂肪酸(VFA)和有機酸致使體系pH值下降，繼而酸隨產氣菌代謝被分解，pH值開始升高并趨于穩定。豬糞在厭氧發酵過程中易發生酸化，從而造成產氣量下降甚至停止，需要人為地調節體系的pH值才能維持產氣；而羊糞及混合原料發酵組不會產生酸化現象。由于豬糞中含有較高的粗脂肪、粗蛋白成分，在厭氧發酵初期被微生物分解產酸，造成體系pH值迅速下降，抑制了產甲烷菌的活性。羊糞發酵組產氣啟動相對滯后，這是由于微生物分解纖維素、半纖維素的速度較慢，產甲烷菌無法獲得充足的代謝底物。混合原料發酵組中豬糞酸化產生的酸會對木質纖維原料的化學結構產生破壞作用，可以促進木質纖維素的水解，提高其生物降解率，加快高纖維素原料的分解產酸，從而提高產氣量及CH4含量，獲得更好的發酵效果[3]。本研究表明，在相同的干物質濃度和溫度條件下，累積產氣量及干物質產氣率由高到低依次為：組Ⅲ>組Ⅳ>組Ⅱ>組Ⅰ，組Ⅲ豬糞：羊糞(干物質比)=1：1是最優的發酵原料混合配比。
參考文獻 ：
[1]劉德江，高桂麗，朱妍梅，等.豬糞、 牛糞、 羊糞沼氣發酵比較試驗[J].塔里木大學學報，2005，17(2)：11－13.
[2]李文哲，王忠江，王麗麗，等.牛糞高濃度水解酸化過程中丙酸含量的影響因素研究[J].農業工程學學報，2008，27(1)：363－367.
[3]Yu，Park B，HwangS.o－digestion of lignocellulosics with glu cose using thermophilic acidogens[J].Biochem－mical Engineering Journal，2004，18：225－229. |
