郭全忠

(安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000)

隨著規(guī)模養(yǎng)豬場數(shù)量和規(guī)模的增加，養(yǎng)豬場廢棄物產(chǎn)生量相應(yīng)增加，大量糞便排放使環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，并且嚴(yán)重影響人類的健康[1，2]。規(guī)模養(yǎng)豬場廢棄物的無害化處理中，以肥料化和能源化利用技術(shù)為主，肥料化利用主要采用好氧發(fā)酵堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥，能源化主要采用沼氣發(fā)酵技術(shù)。沼氣發(fā)酵屬厭氧發(fā)酵工藝，厭氧發(fā)酵是指在厭氧環(huán)境條件下，借助微生物群體降解有機(jī)物質(zhì)并產(chǎn)生沼氣的一個復(fù)雜過程，由于豬糞中富含有機(jī)成分，通過厭氧發(fā)酵能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)檎託鈁3～5]，該工藝具有既消減污染，又回收能源的優(yōu)點，因而廣泛用于豬場糞便的處理。厭氧發(fā)酵分為濕發(fā)酵和干發(fā)酵，目前各規(guī)模養(yǎng)豬場普遍采用濕發(fā)酵技術(shù)，而干發(fā)酵技術(shù)因具有更高的池容有機(jī)負(fù)荷率、節(jié)約用水、處理成本低、管理方便等優(yōu)點，日漸廣泛地應(yīng)用于處理農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、城市有機(jī)廢棄物等[6]。

干法厭氧發(fā)酵是指干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%的厭氧發(fā)酵處理工藝，主要應(yīng)用于污泥、垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈等方面的資源化處理，但關(guān)于以豬糞為原料進(jìn)行干法厭氧發(fā)酵技術(shù)研究報道相對較少。劉剛金等[7]研究認(rèn)為，豬糞干發(fā)酵啟動及產(chǎn)氣率受溫度影響較大。宋香育等[8]采用豬糞與秸稈混合進(jìn)行干發(fā)酵試驗認(rèn)為,在總固體含量TS 為20%的中溫厭氧干發(fā)酵試驗中，豬糞秸稈混合發(fā)酵及分層接種、滲濾液回流等工藝措施在調(diào)控?fù)]發(fā)性脂肪酸積累及提高VS產(chǎn)甲烷量等方面均具有明顯的作用。盛迎雪等[9]以豬糞為原料進(jìn)行了中試試驗研究,認(rèn)為干發(fā)酵系統(tǒng)表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性,沼氣含量也未出現(xiàn)異常現(xiàn)象,說明以豬糞為原料進(jìn)行干法厭氧發(fā)酵在生產(chǎn)中是可行的。但是，關(guān)于多因素對豬糞干法厭氧發(fā)酵綜合產(chǎn)氣性能的影響相關(guān)研究報道較為鮮見，筆者研究試圖從溫度、接種率及糞草比等方面綜合考慮，以期為規(guī)模養(yǎng)豬場干法厭氧發(fā)酵技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用發(fā)酵底物豬糞采自安康市陽晨養(yǎng)殖場，玉米秸稈取自陽晨養(yǎng)殖場附近農(nóng)田，豬糞和玉米秸稈成分見表1。

表1 豬糞和玉米秸稈成分

選用陽晨養(yǎng)豬場沼氣發(fā)酵液作為接種物,用塑料瓶密封保存且途中保持密閉運輸,當(dāng)天根據(jù)試驗處理要求添加至厭氧裝置中。

2.2 試驗裝置

試驗裝置見圖1，試驗采用自制的厭氧發(fā)酵裝置，由控溫裝置、厭氧發(fā)酵裝置、氣體收集裝置和溶液收集裝置4部分組成。裝置主要由2個采用橡膠塞密封的1 000 mL三角瓶和1 000 mL細(xì)口瓶，與1 000 mL的廣口瓶組成。通過橡膠塞打孔，在這些孔上插入玻璃管作為連接口，然后用橡膠管連接到一起，保證達(dá)到試驗所要求的厭氧環(huán)境。其中三角瓶作為發(fā)酵瓶，細(xì)口瓶作為集氣瓶，廣口瓶作為集水瓶。試驗過程中通過產(chǎn)氣情況來確定發(fā)酵周期。

試驗溫度調(diào)節(jié)：采用生化培養(yǎng)箱(SPX-250B-Z)，將干法厭氧發(fā)酵裝置放到此發(fā)酵箱，通過生化培養(yǎng)箱提供的溫度來滿足試驗過程中所需的環(huán)境溫度。

圖1 厭氧干發(fā)酵裝置示意

2.3 試驗方案

試驗共設(shè)9個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)。選擇溫度為18℃、35℃、55℃三個溫度條件，同溫度下設(shè)定20%、30%、40%三個不同接種率和1:1、1:2、1:3三個不同豬糞/玉米秸稈比，其中豬糞與玉米秸稈混合干物質(zhì)總重量為150 g，占供試發(fā)酵物總重量的30%。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2.4 測定方法

產(chǎn)氣量采用排水集氣法計算產(chǎn)氣量：吸收瓶中裝入0.5 mol·L-1的NaOH，經(jīng)過NaOH吸收后出來的氣體，其甲烷濃度為99.8%[10，11]，剩余的厭氧干發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體會置換出等體積的NaOH溶液到集水瓶中，根據(jù)測定置換出來的NaOH溶液的體積，就可以確定厭氧干發(fā)酵產(chǎn)生甲烷氣體的體積。試驗從2018年5月5日正式啟動后，每天記錄兩次產(chǎn)氣量，早上10點與下午5點用量筒測量排出來水的體積作為產(chǎn)氣量，并進(jìn)行記錄，當(dāng)天兩次測量的數(shù)據(jù)之和來表示日產(chǎn)氣量(mL)，用日產(chǎn)氣量來分析試驗過程中每日產(chǎn)氣量的變化，同時累計產(chǎn)氣量(mL)用日產(chǎn)氣量來計算，試驗過程中產(chǎn)氣量變化規(guī)律用累積產(chǎn)氣量來分析。

發(fā)酵液pH值測定：從2018年5月5日開始每天測定兩次pH值，早上10點與下午5點采用FE28型pH計測定發(fā)酵液的pH值，兩次測定的平均值作為當(dāng)天發(fā)酵液的pH值。

TS測定：發(fā)酵試驗結(jié)束后，干物質(zhì)(TS)采用烘干法[12]測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理對豬糞干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

3.1.1 對日產(chǎn)氣量的影響 不同處理的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示。處理4～處理9從試驗開始第3天即開始產(chǎn)氣，而處理1～處理3啟動較晚，第7天才開始產(chǎn)氣。從產(chǎn)氣的第二天開始統(tǒng)計日產(chǎn)氣量，由圖2可以看出，處理4～處理9中，日產(chǎn)氣量從第二天的不足200 mL·d-1逐日增加，到第10天左右達(dá)最高峰并維持一段時間后開始逐日下降，到第20天時下降到200～600 mL·d-1，呈拋物線型變化趨勢；處理8即溫度為55℃、接種率為30%、豬糞/玉米秸稈比為1：2條件下的日產(chǎn)氣量始終高于其它5個處理，其它5個處理日產(chǎn)氣量變化呈交替變化狀態(tài)。處理1～處理3日產(chǎn)氣量始終處于較低水平，不足100 mL·d-1，也未出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰。

溫度條件對豬糞干法厭氧發(fā)酵啟動速率影響明顯。18℃下發(fā)酵啟動慢，產(chǎn)氣效率低，中溫和高溫下發(fā)酵啟動快，產(chǎn)氣效率高。此結(jié)果與郭建斌等[13]的研究結(jié)果較為接近，說明溫度條件是影響豬糞干法厭氧發(fā)酵啟動的主要因素。

3.1.2 對日累積產(chǎn)氣量的影響 每日之前各處理產(chǎn)氣量之和作為日累積產(chǎn)氣量，分析日累積產(chǎn)氣量變化情況(見圖3)，由圖3可知，處理8日累積產(chǎn)氣量始終處于最高值；處理7和處理9較為接近，小于處理8但高于其它處理；在處理4～處理6中，處理4、處理6二個處理較接近，略高于處理5。處理1～處理3三個處理日累積產(chǎn)量較為接近，均明顯小于其它6個處理。

圖2 不同處理條件下日產(chǎn)氣量變化情況

圖3 不同處理條件下日累積產(chǎn)氣量變化情況

劉榮厚等[14]研究認(rèn)為，中溫(37℃)累積產(chǎn)氣量都高于高溫(52℃)和室溫試驗組，筆者研究發(fā)現(xiàn)，中溫(35℃)和高溫(55℃)條件下累積產(chǎn)氣量高于低溫(18℃)，但高溫累積產(chǎn)氣量高于中溫，與其研究結(jié)果有一定差異，可能與接種量和C/N比不同有關(guān)系。

3.1.3 對20日總產(chǎn)氣量的影響 對各處理20日總產(chǎn)氣現(xiàn)(圖4)，溫度為18℃條件下的處理1～處理3三個處理20日產(chǎn)氣總量均最低，不足2 000 mL。溫度為35℃條件下的處理4～處理6三個處理總產(chǎn)氣量在8 000～10 000 mL之間，溫度為55℃條件下的處理7～處理9三個處理總產(chǎn)氣量在12 000～115 000 mL之間，其中處理8總產(chǎn)氣量最高達(dá)14 489 mL。

圖4 不同處理20日總產(chǎn)氣量

低溫(18℃)條件下，3個處理總產(chǎn)氣量差異不明顯，中溫(35℃)條件下，處理5的總產(chǎn)氣量明顯低于處理4和處理6，高溫(55℃)條件下3個處理的總產(chǎn)氣量與中溫條件表現(xiàn)相反的規(guī)律，處理8明顯高于處理7和處理9。干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量除受溫度影響外，接種率及C/N比二因素在不同溫度條件下對產(chǎn)氣量會產(chǎn)生不同的影響，厭氧發(fā)酵底物C/N比值應(yīng)該在20～30之間,碳氮比過高與過低均、都會引起有機(jī)底物產(chǎn)氣量或產(chǎn)氣速率的降低[15]。底物中木質(zhì)纖維素濃度的高低都會影響底物的可降解性,并最終影響到產(chǎn)氣過程[16]。

3.2 不同處理對豬糞干法厭氧發(fā)酵過程中pH變化的影響

不同處理對豬糞干法厭氧發(fā)酵過程中pH變化的影響如圖5所示。處理1～處理3在整個發(fā)酵過程中其pH值呈緩慢下降趨勢，始終保持在7.00 以上。處理4、處理5、處理7、處理8和處理9在產(chǎn)氣后的前5 d呈快速下降趨勢，最低達(dá)5.3，隨后維持在5.3～6之間，第14天開始緩慢回升，到20 d時又達(dá)到6以上。而處理6在7日前呈緩慢下降，7～15日9 d中快速下降，15日后兩次緩慢上升，與處理4、處理5、7處理、處理8和處理9各處理在pH變化上出現(xiàn)較大差異，其產(chǎn)生原因有待進(jìn)一步研究。

圖5 不同處理的發(fā)酵液pH值變化情況

pH值會影響發(fā)酵液中微生物的活性，研究表明，甲烷菌的適宜pH值為6.8～7.8，pH值低于6．7時，甲烷菌活性受到抑制[17]，研究中發(fā)酵啟動時pH值高于7.0，隨著發(fā)酵時間的延續(xù)，當(dāng)pH值在5.7左右時，日產(chǎn)氣量達(dá)最高峰，之后pH值出現(xiàn)小幅回升。

3.3 不同處理對豬糞干法厭氧發(fā)酵底物TS降解率的影響

不同處理對豬糞干法厭氧發(fā)酵底物TS降解率的影響如圖6所示。溫度對發(fā)酵底物降解率影響最顯著，隨著溫度的升高，發(fā)酵底物TS降解率相應(yīng)升高。在相同溫度條件下的不同處理，發(fā)酵底物TS降解率也表現(xiàn)一定的差別。在18℃條件下的處理1～處理3中，處理2(接種率為30%，豬糞/秸稈比1∶2)的TS降解率最低，僅為13.79%。但在35℃和55℃兩個溫度條件下，TS降解率最高值卻出現(xiàn)在接種率為30%，豬糞/秸稈比1：2配方中，即35℃下處理5最高，55℃下處理8降解率最高，說明隨著溫度的升高，接種率和豬糞/秸稈比對發(fā)酵底物TS降解率的影響越大。

圖6 不同處理的TS降解率變化情況

4 結(jié)論

(1)對產(chǎn)氣量的影響。溫度是影響豬糞干法厭氧發(fā)酵啟動速度和產(chǎn)氣量的主要因素，18℃的低溫條件下的三個處理，不論是啟動速度較35℃和55℃條件啟動晚4 d，且日產(chǎn)氣量和20日累積產(chǎn)氣量均低于35℃和55℃各個處理。隨著溫度的升高，各溫度條件下的日產(chǎn)氣量和20日累積產(chǎn)氣量相應(yīng)升高，溫度55℃、接種率30%、豬糞與玉米秸稈混合配比為1:2的產(chǎn)氣量最高，達(dá)到14 489 mL。

(2)產(chǎn)氣量情況也受接種率和豬糞/秸稈比的影響，特別是底物C/N比對產(chǎn)氣量影響較大，C/N比值太高,發(fā)酵菌所需氮量不足，就會使得微生物生存受到影響，并且反應(yīng)液緩沖能力降低；C/N比值太低,氮量過多,使得微生物分解有機(jī)物會受到限制，但在相同溫度條件下其影響規(guī)律尚需進(jìn)一步研究。

(3)對pH值和發(fā)酵底物TS降解率的影響。產(chǎn)氣速率快，產(chǎn)氣量大的處理中，pH值出現(xiàn)較大變化，表現(xiàn)先抑后揚(yáng)的趨勢，而18℃條件下的三個處理pH值變化也較小。發(fā)酵底物TS降解率主要受總產(chǎn)氣量的影響，總產(chǎn)氣量越高的處理，其TS降解率也越高。