——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

摘自《中国沼气》第5期  李淑兰 刘萍 梅自力

随着规模化鸡业的发展,鸡粪带来的环境污染  已成为制约我国鸡生产的重要因素之一。鸡粪无害  化处理和资源化利用的主要途径有沼气池发酵生产有机肥  以及厌氧沼气池发酵制取沼气-21。厌氧消化不受鸡粪含  水率影响,并且可再生清洁能源。与其它畜禽粪便  相比,鸡粪碳氮比(C/N)较低,属于高有机氮废弃  物。高有机氮废弃物在厌氧消化过程中,过多的氮将导致厌氧消化系统铵盐的积累,从而抑制产甲烷菌的活动,最终导致厌氧系统处于“抑制的稳定状态”,造成产气量低或不产气3-4),即氨氮抑制效应。高浓度氨氮是高有机氮废弃物厌氧消化处理的难题之一,采取有效的技术措施克服氨氮对厌氧消化过

程的抑制显得十分必要。研究表明,调节消化原料C/N对厌氧消化系统的运行效果和稳定性非常重要5,然而对中高温条件下调节原料(C/N)后的厌氧沼气池发酵产气特性影响的报道则很少。本研究以玉米秸秆为碳源,通过调控消化原料C/N,探讨中高温条件下不同C/N对鸡粪厌氧消化过程产甲烷性  能的影响,以期为厌氧沼气池发酵效率的提高及沼气沼气池发酵的可控化研究提供参考依据。

1材料与方法

1.1材料  厌氧污泥,取自四川简阳市某沼气工程;鲜鸡

粪,取自山西晋中某养鸡场;风干的玉米秸秆,取自  山西晋中某农田,原料的C/N和干物质含量见表1。

1.2试验装置

本试验所用装置为农业部沼气科学研究所沼气工程研究中心自行设计的可控性恒温厌氧沼气池发酵装置。为了便于实际操作和节约成本,选用2.5L的两孔塞玻璃瓶做沼气池发酵罐,1L的两孔塞玻璃瓶做集气装置,1L的玻璃瓶做集水装置,通过橡胶管与发胶装置相连。水浴加热,由恒温水浴锅控制沼气池发酵温度(温度波动范围为±1℃)。试验装置按图1方式连接。

1.3试验方案

试验组1:向沼气池发酵罐中装入鸡粪49.6g,玉米秸杆56.5g,接种物403.4g,水1090.5g,使得沼气池发酵原料C/N为20:1,总固体物浓度为8%,接种物和沼气池发酵原料T比为1:1。在温度分别为35℃,42℃和50℃条件下进行试验。

试验组2:向沼气池发酵罐中装入鸡粪247.6g,接种物403.4g,水949g,使得沼气池发酵原料CN为12:1,总固体物浓度为8%,接种物和沼气池发酵原料TS比为1:1。在温度分别为35℃,42℃和50℃条件下进行试验。

对照组:向沼气池发酵罐中装入接种物403.4g,水1196.6g。在温度分别为35℃,42℃和50℃条件下进行试验。

每组试验设3个重复(见表2)。采用排水集气法每日定时测量产气量、气体成分及沼气池发酵溶液pH值

1.4测定项目及方法

(1)干物质含量:用烘干法测定。

(2)碳氮比(CN):C用干烧法测定;N以凯氏

定氮法测定。

(3)产气量:采用排水法测定

(4)CH4含量:采用沼气成分分析仪测量。

2结果与分析

2.1试验进行20d和39d产气总量和产沼气潜力

分析

试验总共进行了39d,产气结束。结果表明,在35℃,42℃和50℃这3个不同温度下,纯鸡粪原料沼气池发酵,温度越高,产气越多,依次为11051mL,13636mL和14176mL;且产气潜力越大,依次为172

Lkg"TS,212.6 Lkg TS,221.1 Lkg TS.鸡粪  和玉米秸秆混合沼气池发酵,温度越高,产气越多,依次为12165mL,16572mL,17684mL;且产气潜力越大,依次为189.6L·kgTs,258.3L·kgTs,275.7Lkg-Ts(见表3)  从表3可以看出,试验进行到20d时,35℃的混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜力提高了  38.6%;42℃的混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜  力提高了25.0%;50℃的混合原料沼气池发酵比单鸡粪发  酵产气潜力提高了20.9%。说明试验进行到20d  时,沼气池发酵温度越高,混合原料沼气池发酵比单鸡粪的沼气池发酵潜力提升的越慢。  结果还表明,试验进行到39d时,35℃的混合  原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜力提高了10.0%;  42℃的混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜力提高了  21.5%;50°℃的混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜  力提高了24.7%。说明试验进行到39d时,沼气池发酵温  度越高,混合原料沼气池发酵比单鸡粪的沼气池发酵潜力提升的越快。  也就是说,相比沼气池发酵20d和39d,随着沼气池发酵天

数增加,在35℃和42℃时混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜力少提升了28.6%和3.5%,可能是由于  随着沼气池发酵时间延长,沼气池发酵原料减少,导致产气速度降

表3还可以看出,在试验进行到20d的纯鸡粪  沼气池发酵,35℃,42℃,50℃条件下产气量可达到总产气  量的71.8%,87.6%和95.3%;添加玉米秸秆后,同  样35℃,42℃,50℃条件下产气量可达到总产气量  的90.5%,90.1%,92.4%。说明试验20d时,35℃  和42℃时混合原料比纯鸡粪沼气池发酵产气量提高了  20%和2.85%,而50℃时混合原料比纯鸡粪沼气池发酵  产气量却下降了3.0%。同样也说明了试验进行到  20天时,沼气池发酵温度越高,混合原料沼气池发酵比单鸡粪的  沼气池发酵潜力提升的越慢。  综上分析,1吨新鲜鸡粪35℃可产沼气约44  m3,42℃可产沼气约54m3,50℃可产沼气约57m。  添加玉米秸秆调整C/N后1吨新鲜鸡粪35℃可产  沼气约14m2,42℃可产沼气约156m,0℃可产沼气约166m

2.2甲烷最大含量分析

本沼气池发酵试验过程中,对每天所产沼气的甲烷含量做了检测。试验结果表明,不同CN的沼气池发酵原料在不同温度下甲烷含量达最大值的时间不同,且最大值也有区别。由图2可以看出,在同一温度下,添加玉米秸秆的鸡粪比不添加的产甲烷含量最先到达  最大,即35℃时添加玉米秸秆的鸡粪在厌氧沼气池发酵第  10天甲烷含量达最大,而纯鸡粪在厌氧沼气池发酵第14  天甲烷含量才达最大;42℃时添加玉米秸秆的鸡粪  在厌氧沼气池发酵第6天甲烷含量达最大,而纯鸡粪在厌  氧沼气池发酵第14天甲烷含量才达最大;50℃时添加玉米  秸秆的鸡粪在厌氧沼气池发酵第5天甲烷含量达最大,而  纯鸡粪在厌氧沼气池发酵第10天甲烷含量才达最大;说明  改善C/N的沼气池发酵原料对鸡粪沼气池发酵过程有促进作用。

同时图2也说明,随着温度的升高,对纯鸡粪沼气池发酵而言,35℃和42℃条件下沼气池发酵甲烷含量达到最大值没有差别,都是沼气池发酵第14天,说明35℃和42℃的温度对纯鸡粪沼气池发酵反应影响不明显,但是在50℃沼气池发酵温度下纯鸡粪沼气池发酵甲烷含量达到最大值明显提前,是在反应的第10天。以上分析说明,沼气池发酵温度越高,反应过程越快。但是甲烷最大含量并没有因为温度的升高而增大,也没有因为改善原料C/N而增加。从图2不难看出这一点,纯鸡粪在35℃,42℃,50℃条件下沼气池发酵产生的最大甲烷含量分别是74.85%,68.32%和69.16%;添加玉米秸秆改善C/N的鸡粪在35℃,42℃,50℃条件下沼气池发酵产生的最大甲烷含  量分别是69.32%,71.04%和66.76%。综合分析  42℃时的沼气池发酵温度和20:1的C/N更加适合鸡粪的稳定沼气池发酵。

2.3温度和C/N对鸡粪厌氧消化pH值的影响  由图3可见,所有试验组消化前期(0-10d)  pH值变幅在1.8之内,消化后期(10d)则趋于稳

定。按C/N大小排列pH值,可以看出:C/N越高,消化液pH值越低,这是由于C/N越高,消化体系中水解酸化的产物越高,氨化作用产生的氨只能中和很少一部分酸,导致消化液酸化。

产甲烷菌的最佳生长pH值范围在6.8~7.2  之间,pH值越低对厌氧消化系统产甲烷的抑制效应  越大,当pH值低于6.0时,产甲烷菌无法存活  本试验所有试验组pH值在整个厌氧消化期间均保持在6.00~7.85之间,为鸡粪沼气沼气池发酵提供了适宜的反应环境。

结论

(1)在35℃,42℃和50℃这3个不同温度下,无  论是纯鸡粪原料还是鸡粪和玉米秸秆混合原料,温  度越高,产气越多,产气潜力也越大,而且混合原料整体都比单鸡粪沼气池发酵产气潜力高。  (2)试验20d时,35℃和42℃时混合原料比纯鸡粪沼气池发酵产气潜力提高了26.0%和2.85%,而50  度时混合原料比纯鸡粪沼气池发酵产气潜力却下降了3.0%。

(3)相比沼气池发酵20d和39d,随着沼气池发酵天数增加,  在35℃和42℃时混合原料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气  潜力少提升了28.6%和3.5%,而在50℃时混合原  料沼气池发酵比单鸡粪沼气池发酵产气潜力则多提升了3.8%。  (4)鸡粪的最佳沼气池发酵条件:沼气池发酵温度为42℃,原料最佳C/N为20:1。  (5)所有试验组沼气池发酵过程pH值始终保持在  5.8~7.85之间,为厌氧沼气池发酵提供了适宜的反应环境。