雞糞玉米秸稈混合厭氧發酵產氣特性分析

湯 昀，李永平，龐震鵬，朱教寧

（1.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原030031；2.山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，規模化養殖業發展迅速[1]。2015 年我國雞糞排放總量高達3.93 億t[1]，2016 年山西省畜禽糞尿總排放量為3 410.97 萬t，其中雞糞占16.6%，約566.22 萬t[2]，成為亟待解決的農業廢棄物之一，而且雞糞中含有大量的致病菌[3]，采用厭氧發酵處理雞糞既能回收能源又能保護環境，受到普遍歡迎[4]。我國每年農作物秸稈的產生量約為7 億t[5]，除了用于飼料、還田和造紙外，還有約3.7 億t 秸稈未被利用[6]，利用率不足55%。厭氧發酵可以通過厭氧微生物對農作物秸稈進行分解代謝，是秸稈利用的主要途徑之一[7]。厭氧消化系統符合國家農業供給側結構性改革的政策，使農業廢棄物變廢為寶，促進農業的可持續發展[8]。

在厭氧發酵中，碳氮比是影響厭氧發酵效率的核心因素，碳氮比在（25～30）∶1 時，發酵效率最高。畜禽糞便C/N 低，發酵過程中易形成銨氮積累，影響發酵效率。而秸稈C/N 高，但是秸稈中木質素含量較高，親水基團較少，不溶于一般溶劑，不容易被微生物分解利用，使得厭氧發酵過程產氣速度變慢[9]。WEILAND[10]研究認為，秸稈與糞便原料混合后發酵可以增加秸稈的降解量，提高發酵能力。張翠麗等[11]對麥稈與糞便混合后的厭氧發酵進行了研究，結果表明，麥稈與牲畜糞便混合后與單一原料的產氣效率相比有了顯著提高。張娟[12]研究了35 ℃下豬糞、玉米秸稈與小麥秸稈的配比，結果表明，3 種不同原料的配比有著較高的總產氣量和甲烷產量。白潔瑞等[13]研究了不同溫度條件下糞稈配比對沼氣產量的影響，結果表明，35 ℃條件下，雞糞與玉米秸稈為2∶1 的處理產氣效果最佳。趙玲等[14]在對秸稈與畜禽糞便混合厭氧發酵產沼氣特性研究中發現，在35 ℃條件下，玉米秸稈與雞糞干物質質量比1∶2 為最佳組合，累積產氣量高出單一秸稈組合37.5%。現階段的相關研究存在配混比例較為寬泛，處理設置較少，未形成統一的配混標準，難以滿足指導生產的要求。

本試驗在厭氧發酵的理論基礎上，結合實際需求，選取玉米秸稈與雞糞按照揮發性固體質量一定比例混合作為發酵原料，通過對其發酵后的日產氣量、產氣總量等指標的研究，以期找到一種最合適的玉米秸稈與雞糞的混合比例，提高發酵效率和養殖場糞污處理速率，實現山西省養殖業、種植業的可持續發展。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究采用的發酵原料為玉米秸稈和新鮮雞糞。玉米秸稈取自山西省農業科學院東陽試驗示范基地，去除雜草并粉粹成顆粒，過0.25 mm 篩去除大顆粒后用于試驗；雞糞取自于山西省太谷縣鴻昊養殖場鮮雞糞；接種物取自山西省農業科學院東陽試驗示范基地沼氣池內中溫發酵30 d 以上的反應物，并于取樣當天完成特性分析和接種。發酵物料與接種物的特性如表1 所示，試驗過程中不添加其他任何添加劑。

表1 雞糞玉米秸稈混合厭氧發酵原料性質

1.2 試驗裝置

試驗采用山西省農業科學院現代農業研究中心沼氣技術實驗室自制1 L 小型厭氧發酵發生器，發生器由上、下2 個部分組成，下部為厭氧發酵區，上部為注水區。發酵物料通過進料口進入到下部的厭氧發酵區，發酵后產生的沼氣經導氣管進入到上部的注水區，使注水區的壓力逐漸增大，當壓力達到一定程度時水經橡膠軟管流入集水瓶內，通過稱質量測定產氣量；當測定沼氣組分及含量時，將止水夾打開，氣體進入到集氣袋。厭氧發生器如圖1 所示。

1.3 試驗方法

將玉米秸稈與雞糞按照不同揮發性固體質量（VS）比混合進行厭氧發酵試驗，試驗采用自制1 L厭氧發生器，物料濃度均為8%，接種量30%，物料總量650 g，調節pH 值至7.0，反應溫度控制在中溫（35±1）℃，厭氧發酵試驗周期42 d。各處理具體如表2 所示。

表2 處理設置

1.4 測定指標及方法

1.4.1 干物質量（TS）測定 將雞糞和玉米秸稈、接種物取樣置于恒溫鼓風干燥箱中，設置溫度為105 ℃，烘干水分，采用差重法計算干物質量，發酵前的物料和反應后的混合物都要進行測定。

1.4.2 揮發性固體量（VS）測定 將烘干后的樣品于600 ℃馬弗爐中進行高溫灼燒，去除有機成分，得到灰分，采用差重法計算揮發性有機物固體質量。

1.4.3 日產氣量和累積產氣量測定 日產氣量采用排水法測定，每天10：00 定時測定集水瓶中排出水的體積。累積產氣量為每日產氣量總和。

1.4.4 產氣性能指標測定 產氣性能指標包括干物質產氣量（TS 產氣量）、干物質產甲烷量（TS 產甲烷量）、揮發性固體產氣體量（VS 產氣量）及揮發性固體產甲烷量（VS 產甲烷量）等指標。

式中，M1為發酵期內總產氣量（mL）；M0為物料中干物質總量（g）；M2為發酵期內產甲烷總體積（mL）；M3為物料中有機質的總量（g）。

1.4.5 酸堿度（pH）測定 每2 d 從用于取樣的發生器中吸取少量樣液，采用PHS-3C 型酸度計測定pH 值，測定結束后再用注射器將樣液注射回發生器。

1.4.6 沼氣組分測定 使用鋁箔氣體采樣袋收集每日各處理產生的氣體，采用安捷倫7980B 氣相色譜儀對氣體成分進行測定。色譜條件：色譜柱HPINNOWAX，40～240 ℃，60 μm×530 μm×1 μm，載氣為氫氣，流量5 mL/min，壓力7.244 3 psi，平均線速度35.701 cm/s，滯留時間2.801 1 min；FID 檢測器：溫度300 ℃，空氣流量400 mL/min，氫氣燃氣流量30 mL/min，尾吹氣流量（N2）25 mL/min；TCD 檢測器：溫度250 ℃，參比流量40 mL/min，尾吹氣流量（H2）：2 mL/min。

1.5 數據處理

原始數據采用Microsoft Excel 2010 及SPSS 17.0 軟件進行標準化圖表編輯及分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵對日產氣量的影響

雞糞與玉米秸稈的不同配比下碳氮比不同，不同的碳氮比可以影響微生物的活性，進而影響沼氣產量。由圖2 可知，各處理日產氣量的整體趨勢大致相同，均為先升高，達到峰值之后逐漸回落趨于平緩。配比后的處理產氣高峰期都有所提前，其中，M4 處理達到產氣高峰的時間最早，為6 d；而CK 到達產氣高峰的時間最長，為12 d。由此可知，合理的原料配比可以縮短達到產氣高峰的時間。達到產氣高峰時，M4 處理的日產氣量最高，為802.54 mL，較單一原料處理CK 產氣量（553.73 mL）提高44.93%。因此，將玉米秸稈與雞糞進行合理配混后發酵，不僅可以提高日產氣量，還可使產氣高峰提前6 d 左右。

2.2 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵對累積產氣量的影響

厭氧發酵時，適宜的碳氮比在（25～30）∶1[14]，所以，合理的配比原料有利于產酸與產甲烷階段菌群的生長平衡，以促進沼氣發酵[15]。累積產氣量是指發酵系統在發酵周期內日產氣量總和。從圖3 可以看出，各處理的累積產氣量趨勢基本一致，均為先上升后趨于平緩。隨著發酵天數的增加，各處理的沼氣累積量均呈現穩定上升后趨于平穩的趨勢。累積產氣量最大的為M4 處理，為12 933.23 mL，比CK 提高了159.62%。由此可知，雞糞和玉米秸稈不同配比碳氮比不同，適宜的碳氮比可促進厭氧發酵，提高產氣效率。

2.3 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵對甲烷含量及甲烷總產量的影響

厭氧發酵系統中每日產出沼氣中的甲烷所占比例被稱之為甲烷含量，這一指標的高低決定產氣效果的好壞，甲烷含量越高，產氣效果越好[16]。由圖4 可知，甲烷含量隨著發酵天數的增加呈現先升高后趨于平緩的規律。適當增加玉米秸稈含量既可以縮短到達產甲烷高峰的時間，也可以提高沼氣中甲烷含量。M4 處理的甲烷含量在第9 d 達到峰值，含量為62.52%，較單一雞糞提前8 d，CK 處理在發酵的第17 天產甲烷含量達到峰值（55.86%），M4 處理最高甲烷含量比CK 提高11.92%。這可能與M4 處理的C/N 更適合產甲烷菌的代謝活性有關。

產甲烷總量是整個發酵期內厭氧發酵所產沼氣中甲烷氣體的總量，是衡量發酵物料產氣效果最直接的指標。從圖5 可以看出，各處理厭氧發酵產甲烷總量均不相同，其中，M4 處理的甲烷總產量較高，為7 757.06 mL，與CK 相比，提高191.33%。雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵處理中產甲烷總量整體上高于單一物料發酵，且隨著物料中玉米秸稈含量的增加，甲烷總產量呈先升高后降低趨勢，說明以雞糞、玉米秸稈作為混合物料進行厭氧發酵時，增大玉米秸稈添加比例對提升產甲烷總量具有促進作用，原因可能是C/N 在30 以下時，隨著秸稈量的增加，物料中碳素含量增加，微生物利用碳素可生產較多的揮發性有機酸作為產甲烷菌的利用底物，且當pH 維持在微生物相對適宜的范圍內時，發酵體系可產出較多的甲烷。

2.4 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵對發酵系統pH 值的影響

由圖6 可知，不同處理在厭氧發酵過程中pH值的變化規律基本一致，呈先下降后上升最后趨于平緩的趨勢。這種pH 的動態變化，主要是由在厭氧發酵的過程中，產甲烷相與產酸相的動態平衡決定。發酵初期，接種物充足，產酸菌活躍，產生大量有機酸，使得pH 值下降；隨后產甲烷菌利用產生的有機酸，生產甲烷，產氣量達到峰值，由于有機酸被利用，pH 值隨之上升，這與覃國棟等[17]的研究結果一致。本試驗結果表明，pH 值的波動范圍在1.0 之內，發酵系統中料液的pH 值波動小，發酵系統穩定，這與艾平等[18]的研究結果一致。由試驗結果還可以看出，投料的配比C/N 越高，料液的pH 值越低，這與李淑蘭等[19]的研究結果一致。

2.5 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵對產氣性能指標的影響

厭氧發酵系統產氣效果的優劣由該系統產氣性能指標的高低來衡量。發酵系統中物料的產氣效率主要由容積產氣量和容積產甲烷量2 個指標體現。單位質量干物質被利用產生沼氣量和甲烷含量由TS 產氣量和TS 產甲烷量來表示，而且這2 個指標的量與產氣性能之間呈現正相關關系。VS 產氣量和VS 產甲烷量是表示厭氧發酵系統中發酵物料產氣潛力的指標，該指標值越大，表示單位質量的該物料有機質成分產氣量與產甲烷量越多，即產氣潛力越大。由表3 可知，雞糞與玉米秸稈混合后各項產氣性能指標均高于CK 的產氣性能指標。其中，M4 處理的各項指標均顯著高于其他處理，該處理的容積產氣率和容積產甲烷率分別為0.350、0.210 L/（L·d），分別較CK 提高了1.59、1.92 倍。M4處理的TS 產氣量和TS 產甲烷量分別為0.336、0.201 L/g，分別較CK 提高了2.03、2.35 倍。VS 產氣量及VS 產甲烷量仍然是M4 處理最大，分別為0.474、0.284 L/g，分別較CK 提高了1.60、1.90 倍。由此可見，對雞糞和玉米秸稈配比后進行混合發酵既可以提升產氣速率，還可以增加發酵物料的產氣潛力，且適宜的配比可以大幅提高厭氧系統中物料的產氣性能。此結論與張彬等[20]的研究結果一致。

表3 不同配比雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵產氣性能指標比較

3 結論與討論

本試驗中的單一雞糞發酵產氣效果并不理想，可能是由于雞糞的碳氮比不合適，加入一定比例的玉米秸稈后，可以提高發酵體系中有機碳的含量，這樣可以保證發酵系統中微生物的長期營養需求[21]。而高濃度的玉米秸稈會導致發酵體系酸化，將雞糞以適當比例投入高濃度秸稈發酵體系中可以降低系統酸化的概率，使得發酵體系可以穩定產氣。由此可以得出，雞糞和玉米秸稈配混后進行厭氧發酵，較單一雞糞可顯著提升產氣量，混合厭氧發酵在產氣方面比單一物料更具優勢。周莎等[22]研究發現，雞糞與麥稈的混合比例在一定范圍內時，發酵體系表現出明顯的產氣優勢；超過這一范圍時，厭氧發酵系統產氣優勢消失。這與本試驗的研究結果一致。

揮發性固體量（VS）比值對雞糞與玉米秸稈混合厭氧發酵產氣性能方面具有顯著影響，綜合累積產氣量、產甲烷總量及容積產氣率、TS 產氣量等指標，雞糞∶玉米秸稈（VS 比）＝6∶4 時，具有較好的產氣性能和發酵潛力，累積產氣量、容積產氣率、TS 產氣量及VS 產氣量均高于其他處理，分別達12 933.23 mL、0.350 L/（L·d）、0.336 L/g 和0.474 L/g，與單一雞糞處理（CK）相比，分別提高了159.62%、159.26%、202.70%和160.44%。發酵過程甲烷含量穩定，平均甲烷含量達60.48%，與單一雞糞處理（CK）相比，提高了9.32%。由此可知，雞糞∶玉米秸稈（VS 比）＝6∶4 為最佳配比組合。