史風(fēng)梅，裴占江，王 粟，高亞冰，劉 杰

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村能源研究所，哈爾濱 150086)

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奶牛糞最大甲烷生產(chǎn)潛力的估算和測(cè)定

史風(fēng)梅，裴占江，王 粟，高亞冰，劉 杰

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村能源研究所，哈爾濱 150086)

采用序批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置，在30℃條件下對(duì)牛糞的最大甲烷生產(chǎn)潛力進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)出牛場(chǎng)牛糞的最大甲烷生產(chǎn)潛力為0.187 m3CH4·kg-1VS。系統(tǒng)的含氧量，pH值對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響顯著。同時(shí)根據(jù)其成分，引入各組分權(quán)重在一級(jí)水解速率方程的基礎(chǔ)上建立新的奶牛糞便最大產(chǎn)甲烷潛力的估算公式。然后與其它方法的估算值、實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，通過該估算公式，可較準(zhǔn)確地估算出最大甲烷生產(chǎn)潛力。且該方法簡單易行，可為牛糞厭氧發(fā)酵裝置的設(shè)計(jì)及工程運(yùn)行提供理論支持。

牛糞; 甲烷生產(chǎn)潛力；厭氧發(fā)酵

自20世紀(jì)80年代以來，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。如表1所示，奶牛存欄量從2009年的1135萬頭增加到2014年的1460萬頭[1～2]。奶牛養(yǎng)殖已成為我國畜牧養(yǎng)殖的重要組成部分。

表1 我國奶牛歷年的存欄量、鮮奶及牛糞產(chǎn)量

注：奶牛牛糞的產(chǎn)量以每只每天30 kg計(jì)算[3]。

奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖過程中會(huì)產(chǎn)生大量的糞便，如處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)大氣、水、土壤以及生態(tài)環(huán)境造成污染。厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣日漸成為處理禽畜糞便的有效途徑之一[4-6]。目前，我國對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵的研究主要集中在發(fā)酵條件、工藝及裝置對(duì)厭氧發(fā)酵過程和產(chǎn)氣性能的影響方面，而對(duì)奶牛牛糞的最大甲烷生產(chǎn)潛力的研究較少。甲烷的最大生產(chǎn)潛力，也稱為生物甲烷勢(shì)(Biochemical methane potential,BMP)，即單位質(zhì)量的物料如秸稈、牛糞等在厭氧條件下產(chǎn)生的最大甲烷量[7]。最大甲烷生產(chǎn)潛力是沼氣工程或裝置設(shè)計(jì)及高效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要參考指標(biāo)。目前，常采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定物料的最大甲烷生產(chǎn)潛力，但耗時(shí)較長，35℃時(shí)，生產(chǎn)甲烷的過程可持續(xù)1～2個(gè)月[8～9]?；虿捎糜?jì)算機(jī)模擬對(duì)牛糞的厭氧消化過程進(jìn)行分析，需要研究者具備良好的計(jì)算機(jī)知識(shí)和建模能力[10]。或通過物料中全元素如C，H，O，N，S等的含量計(jì)算最大甲烷潛力[11]。但該法需要精密和昂貴的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試設(shè)備，中小沼型氣工程難以配備?；蛞罁?jù)奶牛糞的有機(jī)物、粗脂肪、粗蛋白的含量，按照每種組分的最大甲烷產(chǎn)量計(jì)算出最大甲烷勢(shì)[12]。但該法未考慮木質(zhì)素和脂肪對(duì)產(chǎn)甲烷過程的阻礙作用。因此，筆者在借鑒各組分權(quán)重的情況下，綜合考慮木質(zhì)素對(duì)厭氧過程的影響，對(duì)最大甲烷勢(shì)的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。將計(jì)算得到的最大甲烷勢(shì)與厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)比較，得到相對(duì)簡便可靠的方法。該研究以期獲得我國北方地區(qū)規(guī)模奶牛場(chǎng)牛糞生化甲烷潛力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，尋找一普適的最大甲烷勢(shì)的計(jì)算方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 材料與處理方法

實(shí)驗(yàn)用的鮮牛糞來自于內(nèi)蒙鄂爾多斯某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)。將稱重的新鮮牛糞樣置于鼓風(fēng)電熱干燥箱內(nèi)，于100℃烘干，粉碎后用于厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。接種物為實(shí)驗(yàn)室厭氧發(fā)酵液。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 奶牛糞樣的測(cè)試方法

奶牛糞樣含水率及總固體(TS)的測(cè)定采用烘干法，即在105℃± 5℃烘至恒重，通過干濕質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算；揮發(fā)性固體(VS) 測(cè)定采用灼燒減重法測(cè)量，將烘干的樣品放在600℃的馬弗爐內(nèi)灼燒，冷至室溫，通過灼燒前后的重量進(jìn)行計(jì)算；利用乙醚將脂肪提取，蒸發(fā)去除乙醚后稱量，通過減量法即可得粗脂肪含量[13]；采用馬氏微量定氮法測(cè)定粗蛋白的含量[13]。

1.2.2 奶牛糞最大甲烷生產(chǎn)潛力實(shí)驗(yàn)

稱取干牛糞21 g和過濾除渣的接種液329 g，置于500 mL血清瓶中，經(jīng)純度為99%的氮?dú)庵脫Q3或6 min后密封，置于恒溫培養(yǎng)箱中。研究表明，當(dāng)固含量為6%時(shí)，厭氧發(fā)酵的最佳溫度為30℃[14-15]。因此，該實(shí)驗(yàn)的厭氧溫度設(shè)為30℃?？瞻讟訛?1 g蒸餾水加329 g接種液。每組3個(gè)平行樣。采用排水法測(cè)量經(jīng)0.5 mol·L-1的 NaOH 水溶液吸收后的氣體體積[8]。實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，每天測(cè)試甲烷的產(chǎn)氣量，待有氣體產(chǎn)生后，每5天測(cè)試一次，直至持續(xù)無甲烷產(chǎn)生。將總甲烷產(chǎn)量換算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積，計(jì)算甲烷生產(chǎn)潛力。

1.3 甲烷最大生產(chǎn)潛力的計(jì)算

1.3.1 依據(jù)每種物質(zhì)的最大產(chǎn)氣量和理論甲烷含量計(jì)算

根據(jù)每種物質(zhì)的質(zhì)量M,最大理論產(chǎn)氣量Li和甲烷含量Ci進(jìn)行計(jì)算。最大甲烷的生產(chǎn)潛力可根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算，記為法1。

VCH4=∑LiMCi

(1)

每種底物的最大理論產(chǎn)氣量和甲烷含量見表2[12]。

表2 有機(jī)物的最大理論產(chǎn)氣量和甲烷含量 (%)

1.3.2 新的計(jì)算方法

厭氧消化分為水解，產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段。水解是脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等難溶的有機(jī)物分子在水解酶的作用下分解成為可溶性的小分子有機(jī)物。然后水解產(chǎn)物在產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)酸、二氧化碳、甲醇等。最后產(chǎn)甲烷菌利用乙酸、甲醇、二氧化碳和氫合成甲烷。目前，常用一級(jí)模型來描述厭氧發(fā)酵時(shí)有機(jī)物分解的動(dòng)力學(xué)過程。該模型較為簡單，但因厭氧發(fā)酵底物的物料成分比較復(fù)雜，用統(tǒng)一的水解速率常數(shù)難以得到理想的結(jié)果。因此有研究者將各組分的質(zhì)量權(quán)重引入一級(jí)水解模型中，用不同的降解速率系數(shù)描述不同生物質(zhì)的降解過程[13]。

Mt=∑AiM0(1-e-kit)=HM0

(2)

式中:Ai為組分i在有機(jī)廢物中的比重；Ki為組分i的水解速率常數(shù)；M0為樣品初始重量；H為樣品的水解率,%;Mt為經(jīng)過時(shí)間t，樣品水解的量。

纖維素、粗脂肪和粗蛋白的經(jīng)驗(yàn)公式分別為C6H10O5,C57H104O6和C5H7NO2，分子量分別為180,884和113[8]。生產(chǎn)甲烷的總的反應(yīng)方程式分別為：

碳水化合物：C6H12O6+6H2O=6CH4+6CO2

脂肪：C57H104O6+28H2O=40CH4+17CO2

蛋白質(zhì)：C5H7NO2+3H2O=2.5CH4+2.5CO2+NH3

因此可按照公式(3)和(4)計(jì)算最大甲烷產(chǎn)量及二氧化碳的產(chǎn)量：

(3)

(4)

式中:VCH4，VCO2分別為CH4和CO2的產(chǎn)氣量,L；TS為總固含量,%;H為樣品的水解率,%;C為纖維素含量,%;F為脂肪含量,%;P為蛋白含量,%。

纖維素、蛋白質(zhì)及脂肪的水解速率常數(shù)分別0.0071,0.1179和0.0811d-1[13,16-17]。該法記為法2。

根據(jù)公式2，可知發(fā)酵第136天，蛋白質(zhì)和脂肪已完全水解，纖維素的降解率僅為61.9%。Chandler[18]等研究了木質(zhì)素對(duì)糞便、秸稈、紙張等生物降解的影響，發(fā)現(xiàn)1wt%的木質(zhì)素可使3wt%的揮發(fā)性有機(jī)物得不到降解，且降解的有機(jī)物中17%用于細(xì)胞壁的組成及生命代謝活動(dòng)。因此公式(3)修訂為：

(5)

式中,VCH4為CH4的產(chǎn)氣量,L；TS為總固含量,%;H為樣品的水解率,%;C為纖維素含量,%;F為脂肪含量,%;P為蛋白含量,%。

2 結(jié)果與討論

2.1 奶牛糞中有機(jī)物的組成

奶牛糞中有機(jī)物主要有粗蛋白、粗脂肪、碳水化合物等。碳水化合物中的木質(zhì)素和半纖維素在厭氧發(fā)酵過程中難以被生物降解。假定碳水化合物由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中木質(zhì)素占40 wt%左右[19]。奶牛糞組成的測(cè)量和計(jì)算值見表3。

表3 奶牛糞的有機(jī)物組成

注：粗蛋白、粗脂肪的含量以牛糞的干物質(zhì)計(jì)。

2.2 奶牛糞最大產(chǎn)甲烷潛力實(shí)驗(yàn)

圖1為厭氧發(fā)酵前70天的甲烷累積產(chǎn)量和每5天的產(chǎn)氣量。3個(gè)空白樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中一直未有甲烷氣產(chǎn)生。而奶牛糞的厭氧體系實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)3天后開始產(chǎn)氣，第7天開始有甲烷產(chǎn)生，最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)在15～20天，70天的累計(jì)產(chǎn)氣量為1253 mL,占總甲烷產(chǎn)量的40.4%。整個(gè)產(chǎn)氣過程持續(xù)了136天，總產(chǎn)氣量為3100±160 mL，實(shí)驗(yàn)牛糞的VS 生化甲烷潛力為0.187 m3CH4·kg-1VS。

通過理論計(jì)算可得到厭氧發(fā)酵過程為60天，日產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在發(fā)酵開始后的5～7天；而實(shí)際厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)氣過程持續(xù)了136天，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時(shí)間也相應(yīng)后延。在理論計(jì)算中，厭氧條件包括溫度，pH 值和生物菌群的活性均為理想狀態(tài)，有機(jī)物以理想的速率快速降解，進(jìn)而被甲烷菌高效利用于生產(chǎn)甲烷。所以，理論計(jì)算的厭氧發(fā)酵過程持續(xù)時(shí)間短。而在實(shí)驗(yàn)中，所用牛糞經(jīng)過烘干，其浸潤需要一定的時(shí)間，且未被消化的草秸中的纖維素因木質(zhì)素的阻礙作用而水解速度緩慢[20-21]。因此，實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)氣過程較長。

圖1 氮?dú)庵脫Q6 min體系甲烷產(chǎn)氣量的變化

體系的空氣的置換時(shí)間和pH值影響厭氧發(fā)酵的持續(xù)時(shí)間和甲烷產(chǎn)氣量。如圖2所示，當(dāng)體系中含有氧時(shí)(氮?dú)庵脫Q3 min)，限制了微生物的活性，體系在實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后第10天才開始有甲烷氣產(chǎn)生，整個(gè)過程持續(xù)了162天，總產(chǎn)氣量為1535 mL。實(shí)驗(yàn)開始后的第70天，整個(gè)體系的甲烷產(chǎn)量為778 mL，為6 min處理的62%，占到產(chǎn)甲烷過程結(jié)束時(shí)甲烷產(chǎn)量的50.7%。

pH值對(duì)甲烷產(chǎn)生量的影響也非常明顯。當(dāng)體系的初始pH值為13，體系第70天，檢測(cè)到甲烷氣的出現(xiàn)。厭氧發(fā)酵結(jié)束后，體系的甲烷產(chǎn)生量不足500 mL(見圖3)。

圖2 氮?dú)庵脫Q3 min體系甲烷產(chǎn)氣量的變化

圖3 強(qiáng)堿性體系甲烷產(chǎn)氣量的變化

因此，采用實(shí)驗(yàn)的方法求取甲烷的最大生產(chǎn)潛力受pH值，氧含量等一系列因素的影響，導(dǎo)致VCH4數(shù)值波動(dòng)較大，此亦為法2計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)差異的原因之一。因此，減少影響影響體系產(chǎn)甲烷過程的影響因素，可保證通過試驗(yàn)獲得的甲烷最大生產(chǎn)潛力的準(zhǔn)確性。

2.3 計(jì)算結(jié)果比較

通過法1和法2計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的VCH4分別為5123，3647和3100 mL，最大甲烷生產(chǎn)潛力分別為0.308，0.219和0.187 m3CH4·kg-1VS。其中法1得到的VCH4的值最大。法1雖然考慮到木質(zhì)素不能參與產(chǎn)甲烷過程，但是該法沒有考慮不同有機(jī)底物混合發(fā)酵時(shí)的相互作用，例如木質(zhì)素和脂肪較多時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷過程起到阻礙作用[21]。甲烷和沼氣的產(chǎn)量不可能達(dá)到最大。法2考慮了奶牛糞中各組分權(quán)重、降解速率及木質(zhì)素對(duì)生物降解過程的影響，VCH4和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相近，二者之間的差異是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)受操作條件的影響造成的。因此依據(jù)法2得到的數(shù)據(jù)具有良好的參考意義。

2.4 有機(jī)物不同含量對(duì)產(chǎn)甲烷潛力的影響

采用法2，保持粗蛋白和粗脂肪的含量不變，改變纖維素和木質(zhì)素之間的比例得到的VCH4見圖4。由圖4可知，因纖維素的增加提高了有機(jī)物底料中可降解的有機(jī)物量，從而使VCH4隨有機(jī)物中纖維素含量的增加而明顯增加[22]。

圖4 纖維素含量對(duì)甲烷產(chǎn)氣效果的影響

3 結(jié)論

筆者結(jié)合一級(jí)水解模型，按照發(fā)酵底料中各有機(jī)物組分權(quán)重及木質(zhì)素對(duì)厭氧發(fā)酵的影響，建立最大甲烷生產(chǎn)潛力的計(jì)算方法。并采用序批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置，在30℃對(duì)牛糞的生化產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：

(1)實(shí)驗(yàn)牛糞的最大甲烷生產(chǎn)潛力為0.187 m3CH4·kg-1VS，受體系的含氧量，pH值等條件的影響顯著。

(2)新計(jì)算方法估算的最大甲烷生產(chǎn)潛力為0.219 m3CH4·kg-1VS。

(3)新計(jì)算方法可較準(zhǔn)確地估算最大甲烷生產(chǎn)潛力。

(4)甲烷產(chǎn)量隨牛糞中纖維素含量的升高而增加。

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Estimation of Methane Production Potential of Dairy Manure/

SHI Feng-mei,PEI Zhan-jiang,WANG Su,GAO Ya-bing,LIU Jie/

(Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China)

The biochemical methane potential of dairy manure from a scaled dairy farm was determined adopting an anaerobic sequencing batch reactor under the condition of 30℃.The gas volume was measured every five days.The maximum methane yield of 0.187 m3CH4·kg-1VS was obtained.The influences of pH value and oxygen content in the system on methane yield were significant.On the basis of level 1 hydrolysis equation,and bring in the weight of component,a new estimation formula was established to estimate the methane production potential in this paper,and compared with other calculation method and experimental data.The result showed the new estimation formula could estimate the methane production potential successfully and more easily.

Dairy manure; biochemical methane potential; anaerobic fermentation

2016-01-11

項(xiàng)目來源：黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程重點(diǎn)項(xiàng)目(2013ZD001; 2014ZD007)；哈爾濱市青年科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2013RFQYJ17)；哈爾濱市創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(2015RAQXJ056)；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)博士人員科研啟動(dòng)金(201507-37); 黑龍江省博士后資助項(xiàng)目(LBH-Z15199)；“十二五”科技支撐項(xiàng)目(2015BAD21B04)

史風(fēng)梅(1972-)，女，漢族，山東莒縣人，博士，主要從事沼氣的凈化及利用研究工作，E-mail：ocean-water@126.com

劉 杰，E-mail：liujie@163.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2016)03-0044-05