常 華， 李海紅*， 閆志英

(1.西安工程大學(xué)， 陜西 西安 710048； 2.中國科學(xué)院 成都生物研究所， 四川 成都 610041)

?

總固體濃度對豬糞中溫連續(xù)厭氧發(fā)酵的影響

常 華1， 李海紅1*， 閆志英2

(1.西安工程大學(xué)， 陜西 西安 710048； 2.中國科學(xué)院 成都生物研究所， 四川 成都 610041)

以豬糞為原料，在中溫(35 ℃)連續(xù)厭氧發(fā)酵的條件下，研究總固體濃度(TS)對產(chǎn)甲烷的影響.采用5 L自制厭氧發(fā)酵裝置，設(shè)置總固體濃度分別為4%、6%、8%、10%、12%進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵實驗，以日產(chǎn)甲烷量、日產(chǎn)甲烷濃度、氨氮和揮發(fā)酸為評價指標(biāo).結(jié)果表明：隨著TS濃度的遞增，日平均產(chǎn)甲烷量分別為2.38 L、3.80 L、2.35 L、2.68 L、2.04 L；產(chǎn)甲烷濃度均維持在56%左右，只有TS濃度為12%時低于50%；揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的濃度與TS呈正比，且TS濃度大于6%時，丁酸和乙酸會在系統(tǒng)內(nèi)累積，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動.綜合各項指標(biāo)，當(dāng)TS濃度為6%時，厭氧發(fā)酵體系運行最穩(wěn)定，產(chǎn)氣性能最好.

總固體濃度； 豬糞； 厭氧發(fā)酵； 甲烷

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，伴隨著大量不可再生能源的消耗，同時也造成了一系列的環(huán)境問題，所以如何利用可再生的清潔能源替代不可再生能源受到了人們的關(guān)注.而沼氣作為清潔的生物質(zhì)新能源為緩減傳統(tǒng)能源的消耗開辟了有效途徑.通過厭氧發(fā)酵技術(shù)從禽畜糞便等生物質(zhì)原料中獲取沼氣，還可解決農(nóng)業(yè)固廢問題.據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年的畜禽糞便產(chǎn)生量高達(dá)8億噸左右，約可產(chǎn)沼氣1 820億m3，可替代燃煤2億噸，相當(dāng)于2011年全國能源消費總量的5.75%[1].因此，畜禽糞便的產(chǎn)沼氣潛力巨大.連續(xù)厭氧發(fā)酵具有復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，溫度、接種物、固體濃度等都是厭氧發(fā)酵的影響因素.其中固體濃度是影響厭氧消化產(chǎn)氣率的重要因素之一.有研究表明固體濃度(Total Solid,TS)越高，產(chǎn)氣速率越快；但固體濃度太高則會造成揮發(fā)酸、氨氮等中間產(chǎn)物的積累[2-4]，甲烷菌的發(fā)酵環(huán)境發(fā)生改變，抑制了甲烷菌的生長，從而影響厭氧消化的產(chǎn)氣效率[5-8].因而不同固體濃度是影響禽畜糞便產(chǎn)氣穩(wěn)定性的最重要因素.

實驗在中溫(35 ℃)條件下，選取豬糞為研究原料，通過設(shè)置不同固體濃度，測定每天的產(chǎn)甲烷量、產(chǎn)甲烷濃度、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸，分析隨著固體濃度的變化對發(fā)酵過程和產(chǎn)氣效率的影響.以期為禽畜糞便產(chǎn)甲烷在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考.

1 實驗部分

1.1 材料

原材料豬糞取自成都雙流某養(yǎng)豬場，剔除雜物后置于4 ℃冰箱待用.接種物為本實驗室中溫(35 ℃)厭氧發(fā)酵富集馴化的發(fā)酵液.發(fā)酵原料基本性質(zhì)如表1所示.

表1 豬糞和接種物的特性

注：TS為總固體濃度；VS為揮發(fā)性固體濃度.下同.

1.2 實驗設(shè)計

以豬糞為發(fā)酵原料，設(shè)置5組連續(xù)厭氧消化實驗，發(fā)酵體系的固體濃度分別為4%、6%、8%、10%、12%，在中溫(35 ℃)條件下運行，反應(yīng)器為有機玻璃制成，有效容積5 L.各發(fā)酵體系的TS濃度始終保持不變，每日總進(jìn)料量250 g，水力停留時間為20 d，日進(jìn)豬糞量m豬糞(g)=250×TS體系/TS豬糞，每天的進(jìn)料量如表2所示.

表2 連續(xù)厭氧消化實驗設(shè)計

1.3 分析方法

(1)總固體濃度(TS)：采用重量法，將樣品混勻置于105 ℃烘箱(天津泰斯特儀器，202-OAB)中烘至恒重.

(2)揮發(fā)性固體濃度(VS)：樣品在TS的基礎(chǔ)上，置于500 ℃～600 ℃的馬弗爐(哈爾濱第二電爐廠，RJM-1.8-10A)中灼燒至恒重，減少的那部分重量即為VS.

(3)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)、C/N：將樣品混勻置于60 ℃烘箱中烘至恒重，將烘好的固體研磨過400目篩，用錫紙包裹過篩后的粉狀物并稱重，置于碳氮分析儀進(jìn)行測定.

(4)甲烷濃度：用安捷倫(7890A)氣相色譜測定，色譜條件如下：檢測器：TCD；柱溫80 ℃；進(jìn)樣口溫度200 ℃；檢測器溫度200 ℃；填充柱：0.3 cm×200 cm；載氣選擇氮氣，流量為25 mL/min.

(5)產(chǎn)甲烷量：用集氣袋收集每日所產(chǎn)氣體，用北京合百意燃?xì)庥嬃勘頊y量記錄每日所產(chǎn)氣體總量，日產(chǎn)甲烷量=氣體總量×日產(chǎn)甲烷濃度×100%.

(6)VFA：用安捷倫氣相色譜測定，總酸的濃度為各個單酸的濃度之和.

(7)氨氮：用FC-100型多用分析測定儀測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)甲烷量

甲烷的產(chǎn)氣量能直觀反映厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能，是判斷厭氧消化進(jìn)度的重要依據(jù).圖1為不同固體濃度的日產(chǎn)甲烷量.

圖1 不同固體濃度對日產(chǎn)甲烷量的影響

從圖1可以看出，日產(chǎn)甲烷量整體趨勢呈現(xiàn)出V(TS6%)>V(TS10%)>V(TS4%)>V(TS8%)>V(TS12%).TS濃度為6%時平均日產(chǎn)甲烷量為3.8 L，產(chǎn)氣最高峰出現(xiàn)在第17 d為4.62 L，在發(fā)酵初期日產(chǎn)甲烷量每天依然呈下降趨勢，從第5 d開始日產(chǎn)甲烷量穩(wěn)步升高，整體維持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)；TS濃度為10%時平均日產(chǎn)甲烷量為2.68 L，在整個發(fā)酵過程中，產(chǎn)甲烷量始終沒有出現(xiàn)大波動，相對較穩(wěn)定，到第17 d時達(dá)到產(chǎn)甲烷量最高峰為3.11 L；TS濃度為4%的平均日產(chǎn)甲烷量為2.35 L，發(fā)酵的前4 d產(chǎn)氣量每天呈下降趨勢，從第5 d開始穩(wěn)步回升，到第14 d時達(dá)到產(chǎn)甲烷最高峰為3.1 L，之后產(chǎn)甲烷量有所下降，但日產(chǎn)甲烷量基本維持在2.5 L左右；TS濃度為8%時平均日產(chǎn)甲烷量為2.38 L，產(chǎn)氣最高峰出現(xiàn)在第20 d為3.45 L，前4 d產(chǎn)氣量每天都有所下降，到第5 d時開始回升，直到發(fā)酵結(jié)束產(chǎn)甲烷量都沒有發(fā)生大波動；TS濃度為12%時平均日產(chǎn)甲烷量為2.04 L，產(chǎn)氣最高峰出現(xiàn)在第20 d為2.82 L，它的產(chǎn)氣性能最差，雖然產(chǎn)氣潛力較高，但是它的有機物濃度過高，超過了體系微生物的降解能力，可能其厭氧環(huán)境不適合甲烷菌的生長，從而抑制了其活性.數(shù)據(jù)表明TS濃度為6%時，平均日產(chǎn)甲烷量最高且相對穩(wěn)定，TS濃度為10%時，日產(chǎn)甲烷量最穩(wěn)定.

2.2 日產(chǎn)甲烷濃度

根據(jù)產(chǎn)氣中甲烷的百分含量可判斷厭氧發(fā)酵中占優(yōu)勢的是酸化反應(yīng)還是甲烷化反應(yīng)，當(dāng)甲烷含量等于或者高于50%時，甲烷反應(yīng)占優(yōu)勢[9].圖2為不同固體濃度的日產(chǎn)甲烷濃度.

圖2 不同固體濃度對日產(chǎn)甲烷濃度的影響

從圖2可以看出，日產(chǎn)甲烷濃度整體趨勢呈現(xiàn)出c(TS4%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS8%)>c(TS12%).各組的TS濃度不同，但是它們的變化趨勢都是一致的，發(fā)酵的前6 d，甲烷濃度每天都在降低，從第6 d開始各組的甲烷濃度均維持在一個穩(wěn)定的水平.TS濃度為4%、6%、8%、10%時，平均日產(chǎn)甲烷濃度分別為60.1%、57.6%、54.6%、55.7%，其中日產(chǎn)甲烷濃度均在50%以上，大部分時間甲烷濃度維持在56%左右，說明這幾組發(fā)酵體系產(chǎn)甲烷情況良好、穩(wěn)定.TS濃度為12%時，甲烷濃度大部分時間維持在44%左右，該組的日產(chǎn)甲烷量也最低，說明發(fā)酵過程中酸化反應(yīng)占優(yōu)勢，有機物負(fù)荷過高，可能抑制了甲烷菌的生長.

2.3 氨氮含量

在厭氧消化過程中，氮平衡是非常重要的影響因素，由于厭氧微生物細(xì)胞增殖緩慢，只有很少的氮轉(zhuǎn)化為細(xì)胞，氨氮以銨態(tài)氮NH4+和游離氨NH3兩種形式存在，高濃度的氨氮對產(chǎn)甲烷菌具有毒害作用[4].圖3為不同固體濃度對氨氮含量影響的變化曲線.

圖3 不同固體濃度對氨氮含量的影響

從圖3可以看出，氨氮濃度整體趨勢呈現(xiàn)出c(TS12%)>c(TS8%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS4%).當(dāng)TS濃度為4%時，氨氮濃度最低，并且一直呈現(xiàn)下降趨勢，這說明該TS濃度下，微生物繁殖生長良好，不斷消耗體系的氨作為自己的營養(yǎng)物質(zhì)，每天所進(jìn)原料的氨含量不能滿足微生物的需求，因此氨氮濃度呈現(xiàn)下降趨勢.當(dāng)TS濃度為6%、8%時，氨氮濃度波動較小，一直維持在1 800 mg/L左右.當(dāng)TS濃度為10%、12%時，氨氮濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢，這是因為該TS濃度下，每日的進(jìn)料量過大，有機負(fù)荷過高，雖然微生物需要一定的氨作為氮源，但是整個體系的微生物數(shù)量有限，當(dāng)氨氮濃度達(dá)到某一限值時，發(fā)酵體系對氨氮的耐受性將趨于飽和，此時繼續(xù)進(jìn)料，氨氮質(zhì)量就會積累，從而氨氮含量呈現(xiàn)遞增趨勢.有學(xué)者報道在厭氧消化過程中，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度增加到3 000 mg/L以上時，氨抑制作用明顯[10].因此，實驗中在不同固體進(jìn)料濃度下，反應(yīng)器中氨氮含量均在產(chǎn)甲烷菌群代謝的安全范圍之內(nèi).

2.4 揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量

產(chǎn)酸發(fā)酵過程中，VFA產(chǎn)生情況可以反映發(fā)酵體系是否具備了產(chǎn)酸菌群生長和代謝適宜的環(huán)境條件，而VFA中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸是衡量其發(fā)酵效果的最可靠的指標(biāo)[11,12].

圖4是不同固體濃度連續(xù)厭氧消化總VFA的變化曲線圖.從圖4可以看出，VFA的濃度和TS呈正比.當(dāng)TS濃度為4%時，VFA濃度波動很小，VFA濃度始終在307 mg/L以下，表明系統(tǒng)中的酸物質(zhì)能夠被微生物及時分解利用，沒有發(fā)生酸積累.當(dāng)TS濃度為6%、8%、10%時，VFA的含量呈現(xiàn)一個緩慢上升的趨勢，但變化的幅度均在合理范圍內(nèi).當(dāng)TS濃度為12%時，VFA的上升幅度很大，達(dá)到了初始值的6倍，這表明代謝產(chǎn)生的酸沒有被產(chǎn)甲烷菌及時利用發(fā)生了酸積累，其產(chǎn)甲烷量和甲烷濃度在所有試驗組里值也是最低的.

圖4 不同固體濃對VFA含量的影響

(a)乙酸的變化曲線

(b)丙酸的變化曲線

(c)丁酸的變化曲線

(d)戊酸的變化曲線圖5 乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的變化曲線

圖5分別為不同固體濃度發(fā)酵體系乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的變化曲線圖.在產(chǎn)乙酸菌的作用下，丙酸、丁酸和戊酸可被降解為乙酸，而乙酸是產(chǎn)甲烷菌的利用底物，因此，圖5乙酸的變化曲線和VFA變化曲線基本一致.任南琪等[13]的相關(guān)研究結(jié)果表明：當(dāng)丁酸濃度高于2 000 mg/L時，比產(chǎn)氣速率降低，菌群活性被緩慢抑制；當(dāng)丙酸濃度高于310 mg/L時，比產(chǎn)氣速率降低，菌群活性很快被抑制；當(dāng)乙酸濃度高于2 341 mg/L時，比產(chǎn)氣速率開始下降，乙酸濃度達(dá)到4 010 mg/L時，比產(chǎn)氣速率銳減，菌群活性被嚴(yán)重抑制.由于丙酸的毒性是最大的，從丙酸的變化曲線可以看出，第6 d開始，TS濃度為6%、8%、10%、12%的發(fā)酵系統(tǒng)丙酸濃度均超過310 mg/L，產(chǎn)甲烷活動會受到不同程度的抑制.而從圖5可以看出，丁酸和戊酸的變化規(guī)律抑制，當(dāng)TS濃度大于6%時，丁酸和乙酸的濃度在發(fā)酵后期都會上升逐漸在系統(tǒng)內(nèi)累積，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活動.

3 結(jié)論

(1)隨著TS濃度的增加，產(chǎn)甲烷量、甲烷濃度與氨氮濃度，均不是呈正比增加.日產(chǎn)甲烷量整體趨勢為V(TS6%)>V(TS10%)>V(TS4%)>V(TS8%)>V(TS12%)，日平均產(chǎn)甲烷量分別為3.80 L、2.68 L、2.38 L、2.35 L、2.04 L；日產(chǎn)甲烷濃度整體趨勢為c(TS4%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS8%)>c(TS12%)，TS濃度為4%、6%、8%、10%時，大部分時間甲烷濃度維持在56%左右，TS濃度為12%時，甲烷濃度大部分時間維持在44%左右；氨氮濃度整體趨勢為c(TS12%)>c(TS8%)>c(TS6%)>c(TS10%)>c(TS4%).

(2)VFA的濃度和TS呈正比，TS濃度為4%時，VFA濃度始終在307 mg/L以下，TS濃度為6%、8%、10%時，濃度始終在3 100 mg/L以下，TS濃度為12%時，峰值濃度為6 303 mg/L，是初始值的6倍；TS濃度大于6%時，丁酸和乙酸會在系統(tǒng)內(nèi)累積，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動.

(3)以豬糞為原料中溫連續(xù)厭氧發(fā)酵，TS濃度為6%時，發(fā)酵體系運行最穩(wěn)定，產(chǎn)氣性能最好.

[1] 國家統(tǒng)計局農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查司.中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2011.

[2] 潘云鋒,李文哲.物料濃度對畜糞厭氧消化的影響[J].農(nóng)機化研究,2008,30(1):193-195,199.

[3] Jurado.E,Antonopoulou.G,Lyberatos.G,et a1.Continuous anaerobic digestion of swine manure:ADM1-based modelling and effect of addition of swine manure fibers pretreated with aqueous ammonia soaking [J].Applied Energy,2016,172:190-198.

[4] 唐 波,李 蕾,何 琴,等.總氨氮在餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中的積累及其抑制作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,36(1):210-216.

[5] G.Bujoczeka,J.Oleszkiewicza,R.Sparlingb,et a1.High solid anaerobic digestion of chicken manure [J].Journal of Agricultural Engineering Research,2000,76(1) :51-60.

[6] 尹冬雪,劉娟娟,季艷敏，等.光照強度對豬糞、牛糞厭氧發(fā)酵的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,31(2):428-434.

[7] 陳 欣,涂德浴,隋倩雯,等.固體濃度對豬糞厭氧消化甲烷產(chǎn)出特性的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(2) :149-155.

[8] 翟寧寧,孫樹貴,張 彤,等.豬糞和牛糞固液分離物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果研究[J].農(nóng)機化研究,2014(4):202-207.

[9] Zhou Jun,Zhang Rui,Liu Fenwu,et al.Biogas production and microbial community shift through neutral pH control during the anaerobicdigestion of pig manure [J].Bioresource Technology,2016,217:44-49.

[10] Tampio E,Ervasti S,Paavola T,et al.Anaerobic digestion of autoclayed and untreated food waste[J].Waste Management,2014,34(2):370-377.

[11] Wang Junqin,Shen Dongsheng,Xu Yanhua.Effect of acidification percentage and volatile organic acids on the anaerobic biological process in simulated landfill bioreactors[J].Process Biochemistry,2006,41(7):1 677-1 681.

[12] Lim S J,Kim B J,Jeong C M,et al.Anaerobic organic acid production of food waste in once-a-day feeding and drawing-off bioreactor[J].Bioresource Technology,2008,99(16):7 866-7 874.

[13] 任南琪,王愛杰.厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

【責(zé)任編輯：陳 佳】

The effect of total solid concentration on swine manure continuous anaerobic fermentation under medium temperature

CHANG Hua1， LI Hai-hong1*， YAN Zhi-ying2

(1.Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China; 2.Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Experiment was conducted by using swine manure as raw material,which was to investigate the influence of methane production by total solids concentration (TS) under the condition of medium temperature (35 degrees) continuous anaerobic fermentation.Using anaerobic fermentation device made by the 5 L,the total solid concentration were 4%,6%,8%,10%,12% to conduct the continuous anaerobic fermentation experiment.the experiment evaluation indexes were daily methane production,daily methane concentration,ammonia nitrogen,and volatile acid.The results show that the average daily methane production was 2.38 L、3.80 L、2.35 L、2.68 L、2.04 L with total solids concentration (TS) increasing; Methane concentrations was maintained around 56%.Only the concentration of TS was 12% it was under 50%;the concentration of volatile fatty acid (VFA) was proportional to the concentration of TS.When the concentration of TS was more than 6%,butyric acid and acetic acid would accumulate in the system inhibiting the activity of methanogens.Integrated indicators,when the concentration of TS was 6%,the operation of anaerobic fermentation system was the most stable and the gas production performance was the best.

total solid concentration; swine manure; anaerobic digestion; methane

2017-02-18

國家973基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB733500)； 國家國際科技合作專項項目(2013DFA61260)； 四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(2013JY0050)

常 華(1987-)，女，陜西延安人，助理工程師，碩士，研究方向：固體廢物處理

李海紅(1971-)，女，陜西西安人，教授，研究方向：固體廢物處理,1624116019@qq.com

2096-398X(2017)04-0027-05

X713

A