固體物濃度溫度對農業廢棄物厭氧發酵影響研究

邢向欣 張蕾蕾 張重

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022)

中國作為一個農業大國，農業廢棄物產出量每年大約40億t，其中農作物秸稈產生量約占25%，畜禽糞便產生量約占65%，其它林業廢棄物、鄉鎮生活垃圾及農作物加工廢棄物等約占10%[1,2]。從資源經濟學上講，農業廢棄物是一種特殊形態的農業資源[3]，高效合理利用這部分資源，對減少污染、改善生態環境、提高能源利用率等具有重要影響。本文對牛糞、雞糞、玉米秸稈、稻草等4種常見的農業廢棄物不同固體物濃度、不同溫度條件下的厭氧發酵情況進行了研究，以期為沼氣工程提供理論依據，促進農業廢棄物的高效利用。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗地點：吉林省農業機械研究院農業廢棄物資源化利用試驗室。

試驗原料：牛糞、稻草。牛糞來源于富家屯養殖戶，稻草來源于吉林農大農場。

試驗裝置：自行設計的沼氣發酵裝置，主要由恒溫水浴鍋、發酵瓶、集氣瓶、集水瓶等組成。

1.2 試驗處理

試驗1：溫度為35℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，糞草比為2∶1，試驗周期30d。固體物濃度(TS)分別為8%、12%、14%條件下設2個處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個處理設2個重復。

試驗2：溫度為25℃、30℃、35℃、40℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，固體物濃度8%，糞草比為2∶1。試驗周期為30d。試驗設2個處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個處理設2個重復。

1.3 觀測項目及測定方法

測定每日產氣量，采用水壓式集氣法，用量筒測量。

2 結果與分析

2.1 不同固體物濃度對沼氣發酵的影響

圖1為不同固體物濃度牛糞處理沼氣的日產氣量。從圖1可以看出，不同固體物濃度的牛糞處理產氣規律大體相似，第6天出現產氣高峰，從第7天開始下降，從第8天開始至試驗周期結束產氣量大體平穩，只有小幅波動。平均日產氣量從高到低為牛糞(TS=14%)處理>牛糞(TS=12%)處理>牛糞(TS=8%)處理。

圖1 不同固體物濃度牛糞處理的日產氣量

圖2為不同固體物濃度牛糞加稻草處理沼氣日產氣量。從圖2可以看出，牛糞加稻草處理在不同的固體物濃度條件下日產氣規律大體相似，前10d有較大波動，正式產氣后持續下降，從第11天開始處在平穩產氣期，直到試驗結束。不同固體物濃度牛糞加稻草處理發酵的平均日產氣量從高到低順序為牛糞加稻草(TS=14%)>牛糞加稻草(TS=12%)>牛糞加稻草(TS=8%)。

圖2 不同固體物濃度牛糞加稻草處理的日產氣量

從圖3可以看出，不同固體物濃度的牛糞發酵總產氣量從高到低順序為牛糞(TS=14%)>牛糞(TS=12%)>牛糞(TS=8%)，牛糞(TS=14%)處理產氣量最高，達4462.33mL，牛糞(TS=8%)處理最低，只有2192.50mL。不同固體物濃度的牛糞加稻草處理發酵的總產氣量從高到低順序為牛糞加稻草(TS=14%)>牛糞加稻草(TS=12%)>牛糞加稻草(TS=8%)。與單純牛糞處理的產氣規律一致，固體物濃度越大產氣越多。但不同固體物濃度的牛糞加稻草處理產氣量比牛糞處理的高。

圖3 不同固體物濃度牛糞處理和牛糞加稻草處理的總產氣量

2.2 不同溫度對沼氣發酵的影響

圖4為不同溫度牛糞處理的日產氣量。從圖4可以看出，不同溫度條件下牛糞處理的日產氣量沒有明顯的規律，牛糞25℃、30℃處理發動較慢，第4天開始有氣體產出，產氣量波動較小。牛糞40℃處理從發動開始平均日產氣量持續下降，到第6天開始進入較平穩階段至試驗結束。牛糞35℃處理第1天日產氣量較高，接著呈下降趨勢，第6天日產氣量開始上升，第8天有個產氣小高峰，接著呈平穩下降趨勢，但整個產氣周期日產氣量都相對較高。

圖4 不同溫度牛糞處理的日產氣量

圖5為不同溫度牛糞加稻草處理的日產氣量。從圖5可以看出，各處理之間日產氣量沒有明顯相似規律，牛糞加稻草25℃、30℃處理啟動較慢，第5天開始產氣，整個試驗周期產氣平穩，波動不大。牛糞加稻草40℃處理日產氣量波動較大，發動開始產氣量較高，前10d呈現持續下降態勢，從第11天開始進入平穩期，只有小幅波動。牛糞加稻草35℃處理第1天日產氣量較高，接著呈下降趨勢，第4天日產氣量開始上升，第9天有個產氣小高峰，接著產氣相對較平穩，整體呈下降趨勢，但整個產氣周期多數天數日產氣量都相對較高。

圖5 不同溫度牛糞加稻草處理的日產氣量

從圖6可以看出，不同溫度牛糞處理總產氣量從高到低順序為牛糞35℃處理>牛糞40℃處理>牛糞30℃處理>牛糞25℃處理，其中牛糞35℃處理總產氣量明顯高于牛糞40℃處理、牛糞30℃處理和牛糞25℃處理。說明牛糞在25～40℃間，不是溫度越高產氣量越高，而是存在一個適宜的溫度35℃。不同溫度牛糞加稻草處理總產氣量從高到低順序為牛糞加稻草35℃處理>牛糞加稻草40℃處理>牛糞加稻草30℃處理>牛糞加稻草25℃處理，其中牛糞加稻草35℃處理總產氣量明顯高于牛糞加稻草40℃處理、牛糞加稻草30℃處理和牛糞加稻草25℃處理。說明牛糞加稻草在25～40℃，不是溫度越高產氣量越高，而是存在一個適宜的溫度35℃。

圖6 不同溫度牛糞處理和牛糞加稻草處理的總產氣量

3 討論與結論

在沼氣發酵過程中，原料固體物濃度(TS)不僅影響厭氧微生物的生長、繁殖及其活性，而且適當的固體物濃度，更能提高厭氧發酵的產氣效率。對于牛糞發酵而言，固體物濃度在8%～14%之間，固體物濃度越高產氣量越高。加入稻草的處理，產氣規律和純牛糞處理相似，隨著固體物濃度增加產氣量上升，說明稻草增加了牛糞的透氣性。因此，在牛糞的厭氧發酵中可以適當提高發酵固體物濃度，加入適量的秸稈增加透氣性。

溫度是影響產氣量的重要因素之一，沼氣微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動。合理的發酵溫度可以使微生物代謝加快，分解原料的速度也相應提高，產氣量和產氣率都相應增高。綜上分析，2個處理產氣總量規律相似，存在一個適宜的溫度35℃。但在25℃時，加入稻草的牛糞處理總產氣量低于純牛糞處理，說明不是在任何情況下加入稻草都能增加牛糞發酵的沼氣產量。