刘红艳， 美化， 王昌梅,， 钟顺和， 赵兴玲,，吴凯,， 赵绍斌， 朴明国， 尹芳,， 张无敌,

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.吉林东晟生物质能工程研究院，吉林 通化134118；3.云南顺丰生物肥业环保科技股份公司，云南 大理 671005)

据统计2017年中国秸秆理论资源总量已达10.2亿t，较20世纪90年代初增加了近4亿t[1].由于木质纤维素资源化利用技术不成熟且转化成本较高，秸秆收割以后除了部分用于牲畜饲料、粉碎还田、造纸和食用菌基料外，直接丢弃或堆集焚烧是主要去向，既浪费了资源又破坏了环境[2].另外，我国每年畜禽粪便产生约30亿t[3]，这些粪便未经处理直接排放，不仅污染环境，也会成为影响土壤和水体的污染源.利用农作物秸秆和畜禽粪便等有机废弃物进行厌氧发酵生产沼气，不仅减少了农业生产对环境的污染，而且能解决农村燃料短缺问题[4-5].目前农村的沼气发酵多采用单一的发酵原料，但农作物秸秆属于富碳原料，碳氮比偏高，同时秸秆中木质纤维素含量多且结构复杂，不利于微生物分解利用，影响厌氧发酵产沼气的正常运行.将粪便和秸秆混合厌氧消化可以调节原料的碳氮比，提高发酵效率.

混合厌氧消化是近年来厌氧消化领域的研究热点之一，国内外相继开展了粪便与秸秆混合厌氧消化的研究.Weiland[6]认为，粪便与秸秆混合原料的协同作用可以优化秸秆的降解量，提高厌氧消化能力.白洁瑞等[7]研究发现，在35 ℃下鸡粪与玉米秸秆2∶1的处理产气效果最好.陈广银等[8]研究了在35 ℃下，稻草和猪粪VS比为3∶1时日产气量比较稳定，累积产气量较其他粪秆配比提高.王晓娇等[9]研究表明，粪便与秸秆两两混合及3种混合发酵均能显著提高沼气产量.Dar等[10]研究发现，将秸秆、落叶等与粪便混合发酵可有效提高沼气产量和甲烷含量.

试验以鸡粪和芦苇秸秆为发酵原料，采用全混合批量式厌氧发酵方式，探讨不同配比的鸡粪和芦苇秸秆混合厌氧消化的产气特性，以期为提高畜禽粪便和农作物秸秆的资源化利用率以及实现沼气发酵的可控化提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸡粪取自云南师范大学附近的菜市场；新鲜芦苇秸秆取自云南师范大学校园内，收集后将其切碎(长为1～2 cm)备用；接种物取自实验室正常产沼气后的底泥.试验材料的各项基本参数如表1所示.

表1 原料及接种物的基本性质

1.2 试验装置

试验装置采用实验室批量式发酵装置

1.3 试验设计

以鸡粪和芦苇秸秆混合物为原料进行发酵，将鸡粪与芦苇秸秆按干物质质量比1∶0(单一鸡粪)、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1(单一秸秆)混合，设置5个发酵试验组进行对比研究，同时设置1个对照试验，每组设置3个平行.所有组的发酵料液体积为400 mL，接种物浓度为30%，在温度(30±1)℃下进行厌氧消化直至产气结束.发酵料液的具体配比如表2所示.

表2 发酵原料的配比

1.4 测量项目及方法

⑴总固体(TS)及挥发性固体(VS)含量：采用烘干法测定[11].

⑵产气量：采用向上排水集气法测定[12]，每天19∶00定时记录产气量.

⑶甲烷含量：采用气相色谱仪(福立GC9700Ⅱ型，TCD)进行测定，由于试验发酵周期较长，故每5 d测量一次甲烷含量.

2 结果与讨论

2.1 日产气量的对比分析

实验一共进行46 d，在发酵过程中对照组没有产气，不同配比的鸡粪和芦苇秸秆混合厌氧消化的日产气量变化曲线(已减去对照组的产气量)如图1所示.

图1 日产气量变化曲线

图1显示，各组的日产气量基本上均有3～4个产气峰，鸡粪和芦苇秸秆单独厌氧消化试验组的日产气量曲线均出现大幅度波动，其中鸡粪单独厌氧消化试验组在第3、9和15天有3个产气峰，在第9天达到产气高峰，产气量为250 mL；芦苇秸秆单独厌氧消化试验组在第1、3、6和14天出现产气峰，在第14天达到产气高峰，产气量为270 mL，主要产气集中在第1-15天之间.鸡粪与芦苇秸秆配比为1∶1的试验组较先出现产气高峰，发酵时间为第5天，产气量为260 mL；以1∶2配比时，在发酵第6天时达到产气高峰，产气量为280 mL；以2∶1配比时，在发酵第7天时达到产气高峰，产气量为300 mL.当发酵到第16-20天时，单独厌氧消化试验组处于产气低谷，混合厌氧消化试验组却呈现明显的峰.此后各实验组均下降并逐渐稳定，但由于配比2∶1中鸡粪的含量大，该配比的平均产气量要高.在反应后期，各组的日产气量逐渐下降直至停止产气.

上述试验结果表明，鸡粪与芦苇秸秆混合厌氧消化可提高产气速率.混合厌氧消化试验组与两种原料单独发酵的试验组相比，产气峰值出现的时间提前了2～9 d，且能够均衡日产气量，减少单一原料日产气量的大幅度波动，这是因为鸡粪丰富的氮源和芦苇秸秆较高的碳量正好平衡了发酵原料的碳氮比，为微生物生存提供了良好的条件.这一结果与李东等[13]稻草与鸡粪配比对混合厌氧消化产气率的影响实验结论一致.

2.2 甲烷含量的对比分析

各实验组甲烷含量随时间变化曲线如图2所示.

图2 沼气中甲烷含量的变化曲线

厌氧消化启动初期，各试验组的甲烷含量均较低.随着反应的进行，除鸡粪与芦苇秸秆配比为2∶1的试验组外，其他各试验组甲烷含量增长较慢.而配比为2∶1的试验组在第5天甲烷含量就高于50%，第10天时，甲烷含量达到最大值，而后呈现增长平稳的趋势.其他各试验组的甲烷含量直到第10天才达到50%以上，然后甲烷含量先趋于平稳后降低，在厌氧消化反应后期又缓慢提高.各试验组间日产沼气的甲烷含量差异较小，各试验组(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)甲烷含量平均值分别为51.95%、52.65%、53.94%、55.49%和52.37%.

2.3 累积产气量和反应速率的对比分析

根据日产气量数据，得到各试验组(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)累积产气量分别为2 273、3 438、3 709、3 815 mL和2 685 mL.鸡粪与芦苇秸秆单独厌氧消化试验组的累积产气量明显低于混合试验组.其中配比为2∶1的试验组累积产气量值最高，为3 815 mL；配比为1∶1的试验组次之，且与配比2∶1试验组的累积产气量数值接近；配比为1∶2试验组的累积产气量最低，为3 438 mL.由此可知，在该实验条件下，鸡粪与芦苇秸秆的配比为2∶1时，产气效果最佳.

根据日产气量数据计算，可以得到5个实验组每隔2 d的累积产气量占总产气量的百分比随时间的变化，结果见图3.各个实验组产气速率的变化曲线趋势相似，原料厌氧消化的水力滞留时间为日累积产气量占总产气量的百分比达到80%的时间，各试验组(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)水力滞留时间分别为22、19、20、19 d和26 d，鸡粪与芦苇秸秆混合厌氧消化能缩短水力滞留时间，较单独厌氧消化试验组提前了2～7 d，相应地缩短了产气周期.

图3 产气速率图

2.4 各组实验产气潜力对比分析

通过累积产气量、TS和VS含量计算得到各样品的产气潜力及甲烷含量如表3所示.从表3可以看出，鸡粪与芦苇秸秆配比为2∶1的实验组产气潜力最佳.

表3 不同配比原料的产气潜力及甲烷含量

3 结 语

探究了鸡粪与芦苇秸秆混合厌氧消化的产气特性，得到的结论如下：

(1)选用鸡粪与芦苇秸秆配比为1∶2、1∶1、2∶1，试验结果表明，配比为2∶1的试验组较配比为1∶1和1∶2实验组产气高峰出现时间较长，但其累积产气量和产气潜力却高出其余两个试验组，更有利于工程运用.

(2)鸡粪与芦苇秸秆混合厌氧消化有利于减少单一原料发酵日产气量的大幅度波动，并且混合厌氧消化可以有效利用粪便本身含有的微生物，加快秸秆有机质的水解，从而提高产气效率.鸡粪与芦苇秸秆混合厌氧消化的实际干物质产气率均高于通过单一物料发酵产气率.

(3)将鸡粪与芦苇秸秆按不同配比混合发酵不仅可以缩短水力滞留时间，并且可以提升原料的产气潜力，鸡粪与芦苇秸秆配比为2∶1时水力滞留时间最短，为19 d.