郭广亮，苏小红，范超，刘伟，王欣

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090；2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090）

混合畜禽粪便配比率对高温厌氧共发酵的影响

郭广亮1，2，苏小红1，2，范超1，刘伟1，2，王欣1，2

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090；2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090）

通过在牛粪中按不同比例添加鸡粪或猪粪进行高温（55℃）厌氧发酵试验，并对发酵过程中pH值、COD去除率、日产气量以及甲烷含量4个重要参数进行监测分析，探寻最优甲烷产量条件。结果表明，在牛粪中添加30%鸡粪或在牛粪中添加50%猪粪时可以获得较高的甲烷产量，产甲烷总量分别为43 477.6m L和42 187.6m L。

牛粪；鸡粪；猪粪；高温厌氧发酵

1　材料与方法

1.1材料来源

本实验采用新畜禽粪便为发酵原料，新鲜牛粪取自黑龙江省松花江奶牛场，新鲜鸡粪取自黑龙江省哈尔滨市呼兰正大养鸡场，新鲜猪粪取自黑龙江省哈尔滨市宏达养猪场。

1.2实验装置

图1　厌氧发酵装置示意图Fig.1 Schematic diagram ofanaerobic ferm entation device

我国畜牧业发展迅速，大量的畜禽粪便对环境产生了巨大危害，将畜禽粪便资源化，使其从污染源转变为新能源具有十分深远的现实意义，符合人与环境之间的可持续发展策略［1］。将畜禽粪便进行厌氧消化处理可以有效减少其对环境的污染，实现其无害化及资源化，成为宝贵的能源物质［2，3］。高温条件下的厌氧发酵比常温发酵具有更强的有机质降解力，可以降低发酵过程中挥发性物质的产量，从而提高发酵池的工作性能［4］。目前对于单一原料的发酵已经积累了大量研究成果，从理论体系到应用技术都已发展成熟，但人们渐渐发现不同原料的混合发酵可以得到更加理想的发酵效果［5，6］。

鸡粪和猪粪富含有机质，具有较高的降解潜力，但是在发酵过程中往往由于碳氮比与微生物生长需求不符而难以获得较高的发酵效率［7］。牛粪是公认的碳氮比适合微生物生长繁殖的发酵原料，但是牛粪中的营养物质却相对较少，大量的粗纤维难以被微生物降解，造成发酵效率降低。由于这些原料的组成特点具有互补性，本试验以牛粪为基本原料，以不同的比例加入鸡粪或者猪粪，进行55℃高温混合厌氧发酵，并通过典型的指标测定，对发酵过程进行监测，从而确定鸡粪与

1.3实验设计

试验分两组进行，分别研究牛粪与鸡粪，牛粪与猪粪混合厌氧发酵产气性能，每组中做两个重复，发酵罐为5 L广口瓶，有效容积为4 L。罐内接种物l L，接种物取自哈尔滨市某污水处理厂运行稳定的活性污泥，发酵液按总固体含量（TS）为8%配制，发酵周期15d，采用单相序批式厌氧发酵工艺，其中牛粪与鸡粪混合发酵：在牛粪中添加一定比例的鸡粪进行厌氧消化性能的研究，鸡粪添加量分别为0%、30%、50%、70%、100%。

牛粪与猪粪混合发酵：在牛粪中添加一定比例的猪粪进行厌氧消化性能的研究，猪粪添加量分别为0%、30%、50%、70%、100%。

对牛粪中添加其他粪便按添加比例进行编组：A组，添加0%其他粪便；B组，添加30%其他粪便；C组，添加50%其他粪便；D组，添加70%其他粪便；E组，添加100%其他粪便。表1为不同配比下混合粪便的碳氮比。

表1　不同配比下混合粪便的C/NTab.1 Variation ofC/N in different proportion

1.4测定方法

1.4.1产气量的测定

测定产气量时应用向下排水法的原理。在装有水的水槽内倒置一个装满水的1 000mL量筒，将导气管插入量筒内，测量排出的水量，获得产气量。

1.4.2pH值测定

pH值的测定采用便携式酸度计进行，型号为雷磁PHS-3C，精度为0.01，每天测定1次。

1.4.3COD值的测定

COD采用重铬酸钾法测定。

1.4.4甲烷含量测定

沼气是混合气体，包括主成分CH4和CO2，以及少量H2S、CO、H2、和NH3。本试验所产生的沼气采用岛津公司GC-2010气相色谱仪进行测量气体成分，并用归一法进行定量分析。

2　结果与分析

2.1鸡粪与牛粪混合厌氧发酵特性

在鸡粪与牛粪混合厌氧发酵的过程中，不同的混合比例使pH值、COD去除率、日产气量和甲烷含量发生了明显的变化。在对pH的测定中发现（图2），所有比例试验组（A、B、C、D、E）在发酵进行的前2d内受到水解酸化作用的影响导致pH值迅速下降，原因是发酵原料在经历水解酸化作用一段时间以后，产氢产酸菌将部分高分子化合物降解，产生低分子化合物，其中包括挥发性脂肪酸（VFA）以及有机酸等。在接下来的过程中，甲烷细菌逐渐适应发酵环境，代谢效率提高，脂肪酸被大量降解，与此同时，氨化作用增强，使pH值回升，在发酵进行到第4d左右时，各组pH回升至初始水平，之后小幅平稳上升。整个过程中各组pH值均在6.4～7.8，可以满足厌氧发酵的要求，其中C组和D组变化过程更加平稳，发酵过程pH值更接近中性，更适于发酵反应进行。

COD去除率是认识发酵系统内有机质去除情况的重要参数，厌氧发酵本身是多种不同微生物种群协同代谢，分解有机质的过程［8］。在本试验的发酵过程中，各试验组COD去除率变化趋势基本相同，但各自变化范围不同。E组由于发酵底物容易降解，从开始发酵到发酵结束，总COD去除率的去除幅度都高于其他处理组，而A组情况正好相反，整个发酵过程中COD去除率都处于较低水平，而且变化幅度最小，分析原因主要是由于牛粪富含木质素、纤维素以及半纤维素等，而木质素难降解的特性影响了COD去除率。A组与E组的COD去除率差异显著（P＜0.05），说明牛粪和鸡粪的营养成分构成对反应体系的有机物含量有显著影响。B、C、D三个试验组则介于E组和A组之间，且COD去除率与加入鸡粪的比例正相关。

5个试验组日产气量差别较大，从整体趋势来看，在发酵第4d左右，各组日产气量均达到最大值，其中D组最高，达到6 400mL，在此之前，各组日产气量增长幅度很大，原因可能是延滞期的作用，即微生物刚刚接种到新的底物环境中，要有一个适应过程，在接种之后的第ld，微生物将有机质进行液化，随着时间的推移，这种液化作用开始减弱，取而代之的是逐渐增强的产气作用。在达到最大日产气量之后，各组日产量开始均匀降低，至发酵结束时基本降到2 000mL以下，因为甲烷产量与有机物浓度关系密切，低有机物浓度会严重影响甲烷的产量［9］。在厌氧消化系统中，由于前期有机物浓度高，而且微生物的代谢活性强，所以促进了产气量的积累。而有机物会随着时间推移逐渐被消化，所以其含量会逐渐降低，微生物的活性也自然减弱，最终影响产气量。总体来看A组和B组的总产气量最高，分别为62 132mL和60 135mL。不同试验组的平均日产气量差异显著（0.01＜P＜0.05），表明不同的发酵原料对产气率有显著影响，可以通过改变发酵原料的方法提高产气率［10］。

甲烷含量测定结果显示，整个发酵过程中甲烷含量逐渐升高，其中A组和B组全程都处于较高水平，平均含量分别为64.56%和72.3%。通过计算甲烷总产量，B组为43 477.6mL，为所有试验组中最高水平，且该组日产气量和甲烷含量水平相对稳定，为鸡粪与牛粪配比最佳组合，即在牛粪中添加30%鸡粪可以获得较高的甲烷产量。

图2　牛粪与鸡粪混合厌氧发酵过程中关键指标的变化规律Fig.2 Changes of key index in the process of cattlem anure and chicken manurem ixture anaerobic fermentation

2.2猪粪与牛粪混合厌氧发酵特性

猪粪与牛粪混合厌氧发酵中，各指标的变化幅度较鸡粪与牛粪混合发酵试验相对偏小。pH值变化显示水解酸化过程比鸡粪与牛粪混合试验中时间要稍长，可能与猪粪易发生酸化的特性有关，但整体来讲各试验组pH值变化范围仍可满足厌氧发酵需要，且各试验组变化差异不大。COD去除率整体均呈上升趋势，但C、D、E组在1～4d呈现较大幅度上升，之后升幅下降，趋于平稳，A组与E组的COD去除率差异显著（P＜0.05），说明牛粪和鸡粪的营养成分构成对反应体系的有机物含量有显著影响［11］，但A、B两组COD去除率均处于较低水平，说明掺入少量的猪粪对于COD去除率影响不大。

不同组间日产气量的变化差异主要出现在发酵过程的第2～4d，这一阶段中各组均达到最大日产气量，其中A、B组最大日产气量出现较早，且数值较大，均达到7 000mL左右，而C、D、E三组最大日产气量则出现较晚，集中在5 400～5 800mL。总产气量来看，A、B、C组较高且相差不大，分别为62 274mL、60 256mL和60 268mL，不同试验组的平均日产气量差异显著（0.01＜P＜0.05），表明不同的发酵原料对产气率有显著影响，与添加鸡粪的研究数据分析结果一致。各试验组的甲烷含量变化规律相似，但A、B、C三组更为接近，平均甲烷含量从56%上升到最终的70%，整体水平均高于D、E两组，且总体趋势相对平稳。在A、B、C三组中，平均甲烷含量为C组＞A组＞B组。通过对总甲烷产量进行计算，C组最高为42 187.6mL，说明在牛粪中加入50%的猪粪可以获得较高的甲烷产量。

图3　牛粪与猪粪混合厌氧发酵过程中关键指标的变化规律Fig.3 Changes of key index in the process o f cattle manure and pig manure m ixture anaerobic ferm entation

2.3不同配比下混合粪便的C/N比对甲烷产量的影响从图2和图3可以看出，甲烷含量最大值分别出现在添加30%鸡粪和添加50%猪粪的试验组中，对照表1为C/N分别是20.1和19.9，微生物生长繁殖离不开碳源的能量供给和氮源的原料供应，合理的C/N可以缩短厌氧发酵的周期，提高有机碳的转化效率，并减少氨中毒对厌氧发酵的影响［12］。分析得出C/N在20/1

左右更利于甲烷产量的提高。

3　结论

第一，牛粪中添加鸡粪或猪粪进行混合厌氧发酵可以明显提高原料产气率，猪粪对混合发酵的影响整体来说小于鸡粪，在牛粪中加入同样比例的鸡粪或猪粪时，加入鸡粪的混合发酵体系中pH、COD去除率、日产气量和甲烷含量的变化更加明显。

第二，在牛粪中加入30%的鸡粪时，总产气量较其他配比组偏高，平均甲烷含量也较高，甲烷总产量达到最大。

第三，在牛粪中加入50%的猪粪时，总产气量接近最大值（A组），且甲烷总产量最高，发酵过程中产气水平相对平稳。

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Influence of differentm ixing ratios ofm anure dung on therm ophilic anaerobic ferm entation

GUO Guang-liang1，2，SU Xiao-Hong1，2，FAN Chao1，LIU Wei1，2，WANG Xin1，2
（1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China；2.Science and Technology Incubator Center，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150090，China）

In this study，chicken and pigmanure were mixed into cattle manure according to different proportion.The mixturewere used in the thermophilic anaerobic fermentation test.The optimum mixture ratiowas found outbased on four importantparameters including pH，COD removal rate，daily gas productivity and CH4 content.The results indicated that the fermentation sh owed the besteffectwhen 30%chickenmanure or 50%pigmanureweremixed into cattlemanure，and the totalCH4 productivitywere 43477.6mL and 42187.6mL respectively.

Cattlemanure；Chickenmanure；Pigmanure；Thermophilic anaerobic fermentation牛粪、猪粪与牛粪混合厌氧发酵的最佳混合比例，以期为多原料混合发酵技术体系的实际应用提供理论基础。

X713

A

1674-8646（2016）18-0016-04

2016-08-09