张钧，王月，黄培操，管贤贤，卢赫宇，孙洋洋，石利军



牛粪水稻秸秆厌氧共发酵产沼气操作参数优化

张钧，王月，黄培操，管贤贤，卢赫宇，孙洋洋，石利军通信作者

（天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384）

在牛粪中添加水稻秸秆进行厌氧共发酵产沼气，考察接种量、发酵温度、原料固体含量对发酵产沼气效果的影响。结果表明：厌氧发酵接种是必需的，随着接种量增多产气量增大，适宜的接种比例为10%（质量比）；常温、中温（36 ℃）和高温（55 ℃）3种温度条件下，中高温发酵产气效果较好，中温更适合发酵；在20%、10%、5%（质量比）3种固体含量条件下，固体含量越大产气量波动越大，10%固体含量产气效果最好，发酵前30天累积产气量可达4 710 mL，容积产气率为0.313 m3/（m3·d）。本试验所得的结果可为牛粪水稻秸秆厌氧共发酵的实际应用提供参考。

牛粪；水稻秸秆；厌氧共发酵；接种量；温度；固体含量

随着我国种植业和养殖业的持续发展，在产出粮食产品和畜禽产品的同时，也会产生大量的作物秸秆和畜禽粪便[1]。由于生产和生活方式的转变，农村地区大量秸秆和畜禽粪便废弃在田间地头、沟渠河畔，造成了严重的环境污染。将作物秸秆和畜禽粪便进行厌氧共发酵产生沼气，不但可以解决环境污染问题，也可以回收利用生物质资源[2-3]。

接种量对厌氧发酵产沼气效果有明显影响。一般来说接种量越大，发酵产沼气效果越好；但接种量增大会提高接种成本，同时也会占据较多反应器容积使发酵装置容积产气率降低。温度是影响发酵性能的主要因素之一，通常发酵可以分为常温、中温（36 ℃）和高温（55 ℃）发酵。在一定的温度范围内，温度越高生化反应速度也越快，但高温发酵能耗也较高[4]。根据固体含量的不同，发酵分为湿式发酵和干式发酵。湿式发酵固体含量一般小于10%（质量比），原料易水解被微生物利用，因此湿式发酵启动较快且产气稳定；干式发酵则有机负荷率相对较高，因此装置容积较小，投资费用也较低[5]。

本研究选择牛粪和水稻秸秆作为发酵原料，对二者厌氧共发酵的操作参数进行优化，考察接种量、发酵温度、原料固体含量对发酵性能和产沼气效果的影响，以期找到合适的发酵工艺参数条件，为实际工业应用提供参考资料。

1 材料和方法

1.1 发酵原料

牛粪和水稻秸秆作为发酵原料。牛粪取自天津市西青区某大型奶牛养殖场，已经过风干处理，颜色为棕褐色，试验前将其粉碎过筛备用（粒径小于1 mm）。水稻秸秆来源于天津农学院宝坻区水稻试验田，秸秆风干后，剪为3 cm左右的小段，放入FW80型秸秆粉碎机中粉碎备用。接种污泥取自上述奶牛场污水处理装置，经过实验室自行培养驯化，颜色为黑褐色，含水量为97.5%。牛粪、水稻秸秆和接种污泥的相关性质如表1所示。

表1 发酵原料和接种污泥性质

注：TS：总固体；VS：总挥发性固体；TC总炭；TN：总氮

1.2 发酵装置

试验装置如图1所示，主要由发酵瓶、集气瓶、集水瓶、集气管和排水管组成。发酵瓶体积为500 mL，顶部通过橡胶塞密封，橡胶塞上钻孔插入集气管收集产生的沼气，发酵瓶上部侧面设有取样口以收集发酵渗滤液，发酵瓶通过橡胶塞密封以保证厌氧条件。产生的沼气在集气瓶中收集，同时将集气瓶中的饱和食盐水压入集水瓶，沼气的体积通过排出饱和水的体积计量。

图1 试验装置图

（注：1. 发酵瓶；2. 集气瓶；3. 集水瓶；4. 集气管；5. 排水管；6. 液体取样口；7. 橡胶密封塞）

1.3 试验方法

1.3.1 接种量对产气效果的影响

发酵瓶分别加入75.0 g牛粪和25.0 g水稻秸秆，然后分别加入接种液0、50、100、150 mL，再分别加入自来水400、350、300、250 mL，混合作为发酵原料，对应的接种比例分别为0%、10%、20%、30%（质量比），其中0 mL作为对照组。

总而言之，在新课改的实施过程中，教师更应注重教学方式，创新设计实验，培养学生的创新意识，强化他们对所学知识的理解，提升学生的物理综合能力，实现可持续发展.

1.3.2 温度对产气效果的影响

发酵瓶中分别加入牛粪和水稻秸秆75.0 g和25.0 g，同时分别加入50 mL接种液和350.0 mL自来水。将发酵瓶置于室温、（36±1）℃水浴和（55±1）℃水浴，形成室温、中温和高温3个温度条件。

1.3.3 固体含量对产气效果的影响

将牛粪、水稻秸秆、接种污泥分别装入发酵瓶中，牛粪和水稻秸秆的装填比例为3:1（质量比），使原料的C/N值在25～30之间；每个发酵瓶添加接种污泥50 mL，然后加入自来水使发酵原料的固体含量分别为20%、10%、5%（质量比），具体物料装填数量见表2。发酵瓶置于（36±1）℃的恒温水浴条件下进行发酵。

表2 发酵原料装填数量

1.4 分析指标和方法

分析指标包括沼气产生量，发酵原料TC、TN、TS、VS。沼气产生量采用排水法进行测定，通过每天计量排出饱和食盐水的数量确定沼气体积，同时记录水浴温度和室温。TC采用重铬酸钾-稀释热法测定，TN采用凯式定氮法，TS、VS分别采用烘干法、灼烧法[6]。

2 结果与分析

2.1 不同接种量对产气效果的影响

不同接种量对每日产气量和累积产气量的影响如图2所示。最初各组产气量都较高，随后产气量逐渐下降。接种的3组第1天产气量均超过900 mL，对照组产气量最小，为542mL；第5天时，对照组产气量下降到44 mL，后趋于稳定，第14天时完全停止产气；而接种量50、100、150 mL各组从第6天开始产气量分别下降为98、67和127 mL，之后趋于平稳。

从累积产气量看，前4天对照组累积沼气产量为2 046 mL，此后增幅变缓到第14天停止产气。而接种量50、100、150 mL各组前6天累积产气量分别为2 437、2 462、2 736 mL，此后增幅同样变缓；接种量较大时，累积产气量也相对较多。

图2 不同接种量对日产气量和累积产气量的影响

厌氧发酵进行接种是必需的，原料固体含量越高，需要的接种量越大[7-8]。本试验中，对照组14天后停止产气，也说明这一点。有研究表明，随着接种量增多，沼气产量也增大[9]，这和本试验结果一致。本试验中接种量分别为10%、20%、30%时，沼气累积产量相差不大，因此选择10%为合适的接种比例。

2.2 不同温度条件对产气效果的影响

不同温度下每日和累积产气量如图3所示。图3表明，中温和高温组最初9 天产气量较大，二者平均日产沼气量分别达到319 mL和279 mL，最高日产气量则为805 mL和1 491 mL；和中温组相比，高温组产气量波动更大，9 d后二者产气量下降并保持稳定。室温组最初几乎不产气，第14天才开始产气但产气量较低，此后15天平均日产气量只有36 mL。这说明室温组启动较慢，日产气量也较少。

从图3还可以看出，室温组累积产气量较少，发酵29 d后的累积产气量只有762.5 mL；中温组、高温组累积产气量相差不多，同一时间二者沼气累积产量分别为3 946.5 mL、4 030.0 mL。

根据温度的不同，发酵分为中温发酵和高温发酵。通常高温时微生物活性更高[10]，但高温条件下牛粪中的有机氮更容易转化为铵态氮，高浓度氨氮会对发酵微生物产生抑制作用[11]，这也解释了本试验两种温度下累积产气量为何相差不多。由于高温发酵需要能耗较多，因此中温是合适的发酵温度。

图3 温度对日产气量和累积产气量的影响

2.3 不同固体含量对产气效果的影响

3种固体含量下日产气量变化如图4所示。前30天时，3种条件下日产气量均较高，其中20%固体含量在第14天时达到最高日产气量840 mL，10%固体含量多次出现日产气量高于400 mL的情况；第30天日产气量明显降低，一般小于50 mL。由图4还可以看出，20%和10%固体含量条件下日产气量波动高于固体含量5%条件。其中20%固体含量日产沼气量在0～840 mL之间，5%固体含量的变化范围是0～178 mL。和相关文献相似[12]，固体含量增大时，产气量不稳定，日产气量波动范围大。

图4 不同固体含量对日产气量和累积产气量的影响

和日产气量相对应，随着时间的增加，累积产气量也增多。试验结束时（30 d），20%、10%和5% 固体含量条件下的累积产气量分别为2 625、4 710、2 402 mL，10%固体含量累积产气量最多，其次为20%固体含量，5%固体含量最低。户用沼气池的池容产气率为0.132 m3/（m3·d）[13]，本试验20%、10%和5%固体含量的池容产气率（以30 d累积产气量计算）分别为0.173、0.313和0.160 m3/（m3·d），都高于户用沼气池。本试验得出，发酵前30天为产气高峰期，因此厌氧发酵的时间不宜超过1个月。

3 结论

（1）对于厌氧发酵进行接种是必需的，随着接种液数量增多，产气量也增大，本试验得出适宜的接种比例为10%。

（2）温度对干式发酵产气效果影响较大，室温几乎不产气，中、高温产气量相差不多。由于高温气量波动较大且能耗较高，建议实际工程中选择中温进行发酵。

（3）3种固体含量条件下，发酵前30天为产气高峰期，固体含量增大产气量波动也增大；10%的固体含量产气效果最好，30 d后的累积产气量达到4 710 mL，对应的容积产气率为0.313 m3/（m3·d）。

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责任编辑：宗淑萍

Operation Parameters Optimization of Anaerobic Co-digestion from Dairy Manure and Straw

ZHANG Jun, WANG Yue, HUANG Pei-cao, GUAN Xian-xian, LU He-yu, SUN Yang-yang, SHI Li-junCorresponding Author

（College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

In this article, anaerobic co-digestion of dairy manure and straw was conducted to produce biogas. Influence of several operation parameters including inoculum amount, temperature and solid content on biogas production were investigated. The result showed that incubation was necessary during anaerobic co-digestion of dairy manure and straw and appropriate inoculation proportion was about 10%（mass percent）. Mesophilic condition （36 ℃） and thermophilic condition （55 ℃） appeared higher biogas production than room temperature, and it was suggested that mesophilic condition was more appropriate. Under three solid contents of 20%, 10% and 5%（mass percent）, biogas production amount appeared larger fluctuation when solid content increased. 10% was more suitable for anaerobic digestion to produce biogas with total biogas production amount of 4 710 mL after 30 days and volumetric biogas production ratesof 0.313 m3/（m3·d）. These results could provide reference to engineering application of anaerobic co-digestion from dairy manure and straw.

dairy manure; straw; anaerobic co-digestion; inoculum amount; temperature; solid content

1008-5394（2017）01-0058-04

S216.4；X712

A

2016-09-06

天津市科技支撑计划重点项目“规模化种养殖废弃物生态循环利用技术集成与示范”（13ZCZDNC09700）；天津市大学生创新创业训练计划项目“农业固体废弃物厌氧发酵产沼气工艺优化研究”（201610061141）

张钧（1995-），男，天津市人，本科在读，研究方向为农业环境保护。E-mail：958594762@qq.com。

石利军（1970-），男，山西大同人，教授，博士，主要从事农业环境保护方面的研究。E-mail：shilj898@126.com。