雞糞厭氧發酵工藝控制條件的研究

裴海林

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130051)

引言

氨抑制是畜禽糞便厭氧發酵運行的一個主要限制性因素[1]。由于雞糞的碳氮比(C/N)較低，氮含量較高，厭氧發酵過程易造成氨氮積累，對厭氧微生物的代謝產生抑制，厭氧發酵會受到限制[2]。因此，為了防止厭氧發酵受到氨抑制影響，雞糞沼氣發酵的進料濃度不宜過高，并且要有菌種馴化過程。本文通過對發酵物料不同干物質濃度、不同攪拌條件下進行雞糞厭氧發酵產氣測試，確定相對合理的厭氧發酵工藝控制條件。

1 不同干物質濃度對雞糞厭氧發酵產氣量的影響

1.1 實驗裝置

實驗裝置為實驗組自行設計的恒溫水浴厭氧發酵裝置(圖1)。

圖1 恒溫水浴厭氧發酵裝置

1.2 實驗材料

實驗所用雞糞取自長春周邊某養雞場，實驗用接種物為發酵3個月以上的沼氣池新排出的沼渣。

1.3 實驗方法

取鮮雞糞加入接種物和水，調至不同干物質濃度，在保證接種物加入量、發酵溫度、pH值等發酵條件不變的情況下，分別在4種干物質濃度下進行厭氧發酵28d，對日產氣量進行測定，做好28d連續產氣記錄，通過對實驗數據的比較分析，確定本工藝沼氣發酵的物料干物質濃度。

1.4 實驗步驟

1.4.1 備料

取適量鮮雞糞(干物質含量23.6%)分別加入相當于雞糞總質量30%的接種物(接種物加入前需事先置于35℃恒溫水浴鍋中2d，恢復活性)，然后加水調至料液干物質濃度分別為8%、12%、15%和18%，pH值調整為6.8～7.2。

1.4.2 裝料

分別取調配好的4種干物質濃度物料裝入4個發酵瓶，再做1組平行實驗，計算時取2組數據平均值。

1.4.3 封瓶設置溫度

密封發酵瓶，連接好集氣瓶、集水瓶，并設置發酵溫度為35℃，然后進行厭氧發酵28d，做好產氣記錄。

1.5 產氣量的測定

實驗中，日產氣量采用排水法測量，反應期內每天10∶00用量筒測量集水瓶中水的體積來統計產氣量，即日產氣量。

1.6 實驗數據

根據所得的實驗數據繪制了不同干物質濃度下產氣情況表(表1)。

表1 不同干物質濃度(TS)下雞糞厭氧發酵產氣情況表

1.7 分析與結論

從表1可以看出，雞糞在不同干物質濃度下厭氧發酵其產氣量差別較大，4組實驗比較看出干物質濃度由8%～15%其累計產氣量依次增加，其中干物質濃度為15%時產氣量最高，容積產氣率也最高，為0.631mL/(mL·d)，說明隨著干物質濃度的升高能夠被產甲烷菌利用的物料越多，有助于提高產氣率。干物質濃度18%時產氣量最低，是由于發酵物料濃度高，本身雞糞的氮含量就高，會導致氨氮積累，對厭氧發酵產生抑制，從而影響產氣。因此，本實驗雞糞厭氧發酵干物質濃度不宜過高，以15%左右為宜。在工程上雞糞沼氣發酵啟動為了防止氨抑制，需要有適應高氨氮濃度的甲烷菌進行厭氧消化協同作用，因此應以雞糞、豬糞等為發酵原料先進行厭氧發酵啟動沼氣工程，發酵產氣平穩后有足夠的厭氧菌再批量加入雞糞進行厭氧發酵；或者直接以鮮雞糞為發酵原料，并加入大量長期馴化的接種物來啟動沼氣發酵，再逐漸提高發酵物料濃度，可有效防止氨抑制對產氣的影響。

2 攪拌對雞糞厭氧發酵產氣量的影響

2.1 實驗目的

根據不同攪拌條件下雞糞厭氧發酵產氣情況進行對比試驗分析，確定攪拌對雞糞厭氧發酵產氣的作用。

2.2 實驗裝置

實驗裝置為滁州市藍宇環保設備制造有限公司制造的10L厭氧消化反應器(圖2)，能根據實驗需要設定溫度，自動控制并維持厭氧消化反應器恒溫運行，并能根據實驗的設定，自動定時打開和關閉攪拌，且可手動調節攪拌方向和攪拌速度。性能指標：標準工作電源220V/50Hz；溫度為室溫25～60℃；控溫波動范圍為±0.5℃；)攪拌功率 90W；攪拌轉速8r/min。

圖2 10L厭氧消化反應器

2.3 實驗材料

實驗所用鮮雞糞取自長春周邊某養雞場，實驗用接種物為發酵3個月以上的沼氣池新排出的沼渣。

2.4 實驗方法

實驗設定9組不同的攪拌條件。將9個10L的厭氧發酵反應器進行編號，分別記為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，裝入相同成分及體積的料液，設定相同的發酵溫度，然后對攪拌時間和攪拌次數進行設定。

A1：每次攪拌時間5min，每天攪拌2次。

B1: 每次攪拌時間10min，每天攪拌2次。

A2: 每次攪拌時間5min，每天攪拌4次。

B2：每次攪拌時間10min，每天攪拌4次。

A3：每次攪拌時間5min，每天攪拌6次。

B3: 每次攪拌時間10min，每天攪拌6次。

C1：每次攪拌時間15min，每天攪拌2次。

C2: 每次攪拌時間15min，每天攪拌4次。

C3：每次攪拌時間15min，每天攪拌6次。

厭氧條件下連續發酵28d，通過對實驗數據的比較分析，確定本工藝沼氣發酵的每次攪拌時間和攪拌次數。

2.5 實驗步驟

2.5.1 備料

備足鮮雞糞，干物質含量為23.6%。

2.5.2 調配

取適量雞糞加入相當于雞糞總質量30%的接種物(接種物加入前事先置于35℃恒溫水浴鍋中2d，恢復活性)，干物質濃度調為15%，pH值調整為6.8～7.2。

2.5.3 裝料

將調配好的物料分別裝入9個10L厭氧反應器內。

2.5.4 密封

通過膠管連接好集氣箱和排水箱，集氣箱貯滿水，并封閉好系統各密封處，形成厭氧環境。

2.5.5 設定溫度及攪拌進入厭氧發酵狀態

發酵溫度均設置35℃，開啟定時攪拌，每天攪拌次數及每次攪拌時間按實驗方法中規定進行設置，設置完成后進入厭氧產氣階段。

2.5.6 排氣記錄數據

每天定時排氣、補水，并記錄日產氣量。

2.6 產氣量的測定

實驗中,日產氣量采用排水法測量，反應期內每天10∶00用量筒測量集水箱中水的體積來統計產氣量，即日產氣量。

2.7 試驗數據

表2 不同攪拌參數條件下雞糞厭氧發酵產氣情況表

根據所得的實驗數據繪制了不同攪拌參數條件下產氣情況表(表2)。

2.8 分析與結論

從表2可以看到，B2組，即每天攪拌4次，每次攪拌10min對應的厭氧反應器累計產氣量最高，其28d平均容積產氣率達到0.762L/(L·d)。同時，從所有實驗攪拌組可以看出，每天攪拌4次的攪拌組其對應平均容積產氣率也相對較高，說明對于同等時長攪拌組，每天攪拌次數少，不能保證全天各個時間段發酵細菌與發酵原料充分接觸，沒能達到較好產氣效果，因此每天攪拌2次的反應器其產氣量都較少；每天攪拌6次比攪拌4次產氣量要低，說明攪拌次數過多，則不利于厭氧發酵維持一個相對穩定的平衡狀態，影響產甲烷菌的生長繁殖，反而使沼氣發酵效率降低，另外過多攪拌還會增加動力消耗。通過實驗對比分析認為，雞糞沼氣發酵按每天攪拌4次，每次攪拌10min更利于厭氧發酵產氣。