典型畜禽糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力試驗(yàn)與計(jì)算

徐文倩，董紅敏，尚 斌，陳永杏，陶秀萍

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610213）

0 引 言

當(dāng)今全球溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)氣候變暖已成為全球各國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的重要問題之一。畜禽糞便是溫室氣體的主要排放源之一，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的 CH4排放占人類活動(dòng)CH4排放總量的4%[1]。隨著中國畜牧業(yè)發(fā)展及其規(guī)模化程度提高，畜禽廢棄物的產(chǎn)生量逐漸增加且相對(duì)集中。研究發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵既能顯著減少CH4排放，又能提供清潔能源替代化石燃料，實(shí)現(xiàn)畜禽廢棄物的資源化利用，無疑是一種優(yōu)良的CH4減排方式[2-3]。科學(xué)認(rèn)識(shí)畜禽廢棄物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力，將為國家和各地科學(xué)制定沼氣工程發(fā)展相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)[4]，為國家畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關(guān)政策制定提供參考。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力，也稱生化甲烷潛力（Biochemical Methane Potential，BMP），是指在厭氧發(fā)酵條件下有機(jī)物可能產(chǎn)生的最大甲烷產(chǎn)量[5]，可用于評(píng)估單一物料及混合物料的產(chǎn)甲烷潛力、生物降解性能及厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性等[6]。糞便的Bo值（單位底物最大累積甲烷產(chǎn)量）是糞便管理溫室氣體排放和減排量核算中重要的特征參數(shù)[7]，常被用于畜禽糞便CH4排放因子的計(jì)算。但目前計(jì)算采用的Bo為IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值，不符合中國現(xiàn)階段的生產(chǎn)實(shí)際，并且缺省值適合用于區(qū)域清單研究，用于生豬養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞管理甲烷評(píng)價(jià)常存在較大不確定性。盡管實(shí)測(cè)可以得到較為準(zhǔn)確的Bo值，但 BMP測(cè)試試驗(yàn)條件相對(duì)復(fù)雜，測(cè)試周期長(zhǎng)，成本較高，可行性較低等特點(diǎn)，對(duì)于大部分養(yǎng)殖企業(yè)來說較難完成[8-9]，極大地影響了物料Bo值的獲取。近年來，國內(nèi)涉及BMP測(cè)試下單一物料最大產(chǎn)甲烷潛力研究多傾向于為沼氣工程篩選適合物料，劉雙等[10]通過 BMP測(cè)試，獲得了小麥、水稻等多種農(nóng)作物秸稈的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力，確定了其通過厭氧消化技術(shù)轉(zhuǎn)化為清潔能源的可行性；陸鳳成等[11]通過研究陳化玉米、葵花秸稈等在40 d發(fā)酵周期的產(chǎn)氣潛力，確定其應(yīng)用于沼氣工程的可行性。另有一些研究集中于探究典型畜禽糞便與其他可行性物料的聯(lián)合產(chǎn)氣潛力[12-15]，周冠男等[16]以醋糟為原料，通過與豬糞、雞糞進(jìn)行混合發(fā)酵，探究其最佳產(chǎn)氣組合的混合比例。對(duì)于典型畜禽糞便單一物料甲烷潛力研究較少，且部分研究時(shí)間久遠(yuǎn)。

本試驗(yàn)采用甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（Automatic Methane Potential Test System，AMPTS II）對(duì)蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種主要畜禽糞便進(jìn)行BMP測(cè)試，并用兩種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)糞便產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行擬合，以期獲得符合中國現(xiàn)階段畜牧生產(chǎn)實(shí)際的Bo值，為不同養(yǎng)殖場(chǎng)糞便管理甲烷評(píng)價(jià)提供參考。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)獲得的三種典型畜禽糞便的產(chǎn)甲烷潛力值計(jì)算其年甲烷產(chǎn)生潛力，為中國畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關(guān)政策制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種污泥

試驗(yàn)所用新鮮蛋雞糞取自北京市延慶縣德青源生態(tài)園，奶牛糞取自河北省張家口市張北縣察北牧場(chǎng)，豬糞取自北京市順義區(qū)某規(guī)模化豬場(chǎng)，送回實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)三種糞便基本特性進(jìn)行檢測(cè)，剩余材料保存在4℃恒溫冰箱中備用。接種污泥取自北京市順義區(qū)某規(guī)模化豬場(chǎng)常年正常運(yùn)行的中溫沼氣工程發(fā)酵罐，取回后，（37±0.5）℃下中溫培養(yǎng)，利用AMPTS II的產(chǎn)氣體積監(jiān)測(cè)單元觀察產(chǎn)氣情況，培養(yǎng)一周后至不再產(chǎn)氣以減小背景產(chǎn)甲烷量，將其用作試驗(yàn)接種物。三種糞便和接種污泥的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)糞便及接種污泥特性Table 1 Characteristics of livestock manure and inoculated sludge used in the experiment

1.2 試驗(yàn)裝置

全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（AMPTSII，Bioprocess Control AB，瑞典）由樣品消化單元、CO2固定單元和氣體體積測(cè)定單元3部分組成（圖1）。樣品消化單元包括15個(gè)500 mL玻璃發(fā)酵瓶，有效容積為400 mL，用恒溫水浴鍋對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行控制。CO2固定單元包括 15個(gè)100 mL小玻璃瓶，每個(gè)小瓶可裝入一定量堿性溶液，以吸收厭氧消化單元產(chǎn)生的 CO2、H2S等酸性氣體，僅使CH4通過該單元。氣體體積測(cè)定單元根據(jù)液體位移與浮力原理設(shè)計(jì)，用于記錄、顯示和分析結(jié)果。

本試驗(yàn)在CO2固定單元15個(gè)100 mL小玻璃瓶，每個(gè)小瓶裝入80 mL3 mol/L NaOH溶液，以吸收厭氧消化單元產(chǎn)生的CO2、H2S等酸性氣體，僅使CH4通過該單元。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行

如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的總固體濃度和接種比，分別在不同的發(fā)酵瓶中加入對(duì)應(yīng)含量的豬糞和接種污泥，用去離子水補(bǔ)充到400 mL，用離子水與接種污泥混合液作空白處理，即CK處理。每組設(shè)置三個(gè)重復(fù)。物料裝進(jìn)反應(yīng)瓶后將瓶口用橡膠塞封住，連接機(jī)械攪拌，并將試驗(yàn)各個(gè)單元用聚乙烯軟管連接。反應(yīng)溫度控制在(37±0.5) ℃。試驗(yàn)開始前，通氮?dú)? min以除去液面上方空氣，制造厭氧環(huán)境。每間隔1 h攪拌一次，每次攪拌時(shí)長(zhǎng)為5 min。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間62～64 d不等。

表2 試驗(yàn)工況表Table 2 Experimental conditions

1.4 樣品與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 檢測(cè)樣品和方法

總固體、揮發(fā)性固體用灼燒減重法測(cè)定[17]，測(cè)定溫度分別為105 ℃和550℃；pH值用數(shù)字pH計(jì)測(cè)定；化學(xué)需氧量（CODcr）采用HACHCOD 快速測(cè)定方法測(cè)定；生物需氧量（BOD5）利用 OxiTop IS6（WTW，Germany）測(cè)定；豬糞C、H、O、N含量用元素分析儀（PE-2400II）測(cè)定；氨氮按照HJ537-2009用蒸餾-中和滴定法測(cè)定[18]；甲烷總產(chǎn)量及日產(chǎn)量由 AMPTSII的氣體體積測(cè)定單元記錄。

1.4.2 采樣及數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)前和試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)酵液特性采樣進(jìn)行檢測(cè)。甲烷總產(chǎn)量及日產(chǎn)量由AMPTSII記錄。發(fā)酵瓶中甲烷總產(chǎn)量扣除 CK處理的甲烷產(chǎn)量即為三種畜禽糞便厭氧消化的實(shí)際甲烷產(chǎn)量。根據(jù)獲得的甲烷日產(chǎn)量扣除CK處理的甲烷產(chǎn)量獲得日凈甲烷產(chǎn)量，將日凈甲烷產(chǎn)量逐天累加再除以發(fā)酵瓶中添加相應(yīng)畜禽糞便的VS量即為三種畜禽糞便的單位累積甲烷產(chǎn)量。試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均取重復(fù)試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)據(jù)計(jì)算處理用Excel 2016進(jìn)行，圖表制作利用Origin2021。利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和修正的 Gompertz模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

一級(jí)的動(dòng)力學(xué)模型為

式中M(t)為t時(shí)刻的甲烷累積產(chǎn)量，mL/g；Mmax為最終產(chǎn)甲烷潛力，mL/g；t為試驗(yàn)時(shí)間，d；k為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

修正的Gompertz模型為

式中M(t)為t時(shí)刻的甲烷累積產(chǎn)量，mL/g；Mmax為最終產(chǎn)甲烷潛力，mL/g；Rmax為最大產(chǎn)甲烷速率，mL/(g·d)；λ為遲滯期，d；t為發(fā)酵時(shí)間，d；e為常數(shù)（2.718 3）。

1.5 甲烷產(chǎn)生潛力計(jì)算方法

1.5.1 數(shù)據(jù)來源

畜禽糞便管理現(xiàn)狀排放因子及測(cè)算所需相關(guān)數(shù)據(jù)來自《2006年 IPCC 國家溫室氣體清單指南》。畜禽年末存欄量、不同養(yǎng)殖規(guī)模所占比重?cái)?shù)據(jù)來自《中國畜牧獸醫(yī)年鑒2015》（中國畜牧獸醫(yī)年鑒編輯委員會(huì)）。Bo值來自本試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。

1.5.2 計(jì)算參數(shù)確定

畜禽生產(chǎn)周期。畜禽種類不同則生產(chǎn)周期也不相同。若生產(chǎn)周期大于一年，則飼養(yǎng)量為年末存欄量，生產(chǎn)周期為一年，即365 d。奶牛和母豬生產(chǎn)周期大于一年，按照一年計(jì)算，生豬生產(chǎn)周期為199 d。蛋禽飼養(yǎng)周期一般為一年，因此本文中蛋雞生產(chǎn)周期為365 d，將年末存欄量記為全年飼養(yǎng)量。

畜禽糞尿日排放系數(shù)。不同品種、不同區(qū)域及不同飼養(yǎng)方式下的畜禽糞便排泄系數(shù)會(huì)有差異，本文所用糞污排泄系數(shù)來自國務(wù)院第一次全國污染源普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室給出的《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》。所涉及到的畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)如表3。

表3 畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)Table 3 Pollution production coefficient of livestock and poultry breeding (kg·(頭·d)-1)

糞便特征參數(shù)。包括糞便中產(chǎn)生的揮發(fā)性固體（VS）的數(shù)量以及該糞便中可產(chǎn)生的最大甲烷數(shù)量（Bo）。糞便VS產(chǎn)量基于畜禽糞便的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。Bo隨著家畜品種和飼喂方法而變化，是建立在糞便中VS數(shù)量基礎(chǔ)上的理論甲烷產(chǎn)量，本文中畜禽糞便Bo基于BMP試驗(yàn)測(cè)試獲得。

1.5.3 糞便排放量及甲烷產(chǎn)生計(jì)算公式

糞便年產(chǎn)量是利用畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)乘以牲畜類別T的年飼養(yǎng)量來確定。具體計(jì)算公式如下：

式中M(T)為畜禽T糞便年產(chǎn)量，t；FP(T)為畜禽T產(chǎn)污系數(shù)，kg/(頭·d)；N(T)為畜禽T年飼養(yǎng)量，頭；t(T)為畜禽T糞便生產(chǎn)周期，d。

算出的畜禽T糞便年產(chǎn)量乘以畜禽類別T的VS排泄率及畜禽類別T的最大甲烷產(chǎn)率Bo。

式中EF(T)為畜禽T糞便年最大產(chǎn)甲烷潛力，kg；M(T)為畜禽T糞便年產(chǎn)量，t；VS(T)為畜禽T糞便的揮發(fā)性固體含量，%；Bo(T)為本文BMP試驗(yàn)中測(cè)量獲得的畜禽T糞便產(chǎn)甲烷潛力，mL/g；0.67為1 m3CH4換算為1 kg CH4的換算系數(shù)，kg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同糞便在厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣速率變化情況

不同畜禽糞便單位底物的每日甲烷產(chǎn)率的逐時(shí)變化如圖2所示。由圖看出，蛋雞糞、奶牛糞、豬糞甲烷產(chǎn)率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。各組試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)間較短，均在第1天獲得產(chǎn)氣速率峰值，分別為87.86、60.53和102.51 mL/(g·d)。這與本試驗(yàn)接種物取自運(yùn)行良好的沼氣工程，接種物中功能微生物豐富且活躍有關(guān)[19]。奶牛糞組在第5天出現(xiàn)了第二個(gè)產(chǎn)氣峰值為11.12 mL/(g·d)，這可能是因?yàn)榕＜S中含有比例相對(duì)較高的木質(zhì)素類物質(zhì)，木質(zhì)纖維素有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為較低的沼氣產(chǎn)量[20]。在反應(yīng)初期，易生物降解的物質(zhì)被降解，出現(xiàn)第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，隨后木質(zhì)素類物質(zhì)被部分降解，出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)氣小高峰。隨后，三種糞便日產(chǎn)氣量逐漸下降直至趨近于零。其原因是試驗(yàn)啟動(dòng)后畜禽糞便迅速降解，有機(jī)物含量隨著降解進(jìn)程逐漸減少，降解速度逐漸減慢，甲烷日產(chǎn)量逐漸減小至趨近于零。CM、DM、SM累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到總產(chǎn)甲烷量的90%時(shí)所用時(shí)間分別為8、25、13 d。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CM、DM、SM單位底物累積甲烷產(chǎn)量分別為326.01、172.28、375.29 mL/g。蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種畜禽糞便厭氧發(fā)酵TS去除率和VS去除率分別為50.7%、46.8%、64.8%和59.1%、56.4%、71.4%，由此可知，原料中存在的揮發(fā)性固體并非全部可以被微生物降解，有一部分實(shí)際是微生物難以降解的，因此，試驗(yàn)中所測(cè)得的Bo值低于畜禽糞便理論甲烷潛力。

2.2 Bo值確定

不同畜禽糞便 BMP試驗(yàn)發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)及其優(yōu)化結(jié)果如表4所示。CM、DM和SM三種物料的BMP1%（當(dāng)日產(chǎn)甲烷量為累積甲烷產(chǎn)量的1%時(shí)的累積甲烷產(chǎn)量）分別為316.85、162.11、351.63 mL/g，三種畜禽糞便的 BMP1%均占到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)得 BMP值的 90%以上，所以認(rèn)為BMP1%作為厭氧發(fā)酵中物料產(chǎn)甲烷潛力是有效的。同時(shí)，由表4可知，達(dá)到BMP1%時(shí)所消耗的時(shí)長(zhǎng)相比于依靠主觀判斷結(jié)束時(shí)間耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)節(jié)約了45.3%～76.6%，為BMP測(cè)試節(jié)省了更多的時(shí)間。用得到 BMP1%所耗時(shí)長(zhǎng)作為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間除相對(duì)縮短試驗(yàn)時(shí)間外，同時(shí)使得BMP測(cè)試結(jié)果有了量化標(biāo)準(zhǔn)，更能客觀比較相同物料在不同發(fā)酵時(shí)間下的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 畜禽糞便在日產(chǎn)氣量不大于1%時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的BMP及試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)比較Table 4 Comparison of experiment duration and biochemical methane potential between experiment reaching daily biogas ≤1%and reaching end

BMP測(cè)試用于在厭氧條件下測(cè)定有機(jī)物料的生物可降解性及產(chǎn)甲烷潛力，越來越多的被應(yīng)用于可進(jìn)行沼氣生產(chǎn)的物料篩選。試驗(yàn)中，發(fā)酵底物與富含多樣化微生物群落的接種污泥混合在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，反應(yīng)時(shí)間一般為 60 d[21-24]以上。因?yàn)槿狈y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致目前不同研究群體在BMP試驗(yàn)中對(duì)于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的確定大多依賴實(shí)驗(yàn)人員主觀判斷，對(duì)確定試驗(yàn)獲得的最大甲烷產(chǎn)量也有不同的操作方法。相同物料在不同BMP試驗(yàn)中獲得的Bo值也大不相同，導(dǎo)致試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)可用性大大降低。德國工程師協(xié)會(huì)2006年制定的有機(jī)物料發(fā)酵標(biāo)準(zhǔn)VDI4630中提到了將BMP1%作為BMP測(cè)試中獲得的甲烷潛力值，即時(shí)停止試驗(yàn)[25]，此時(shí)獲得的累積甲烷產(chǎn)量即為該試驗(yàn)物料的Bo值。

2.3 厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分析

利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和修正的Gompertz模型[26-27]分別對(duì)甲烷產(chǎn)出過程進(jìn)行曲線擬合，確定不同處理?xiàng)l件下甲烷產(chǎn)出過程的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，模擬發(fā)酵的動(dòng)態(tài)過程，判斷發(fā)酵的遲滯期以及定量分析發(fā)酵底物的產(chǎn)甲烷潛能。

一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是比較基礎(chǔ)常規(guī)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷甲烷曲線擬合方程，通過一級(jí)反應(yīng)速率微分方程進(jìn)行變化得來，可用在常規(guī)甲烷產(chǎn)氣曲線（曲線無長(zhǎng)遲緩期、無階梯型波動(dòng)、無下降）擬合中。該模型形式簡(jiǎn)單、易計(jì)算，但卻不適用于復(fù)雜曲線擬合。修正的Gompertz模型相比較而言更加復(fù)雜，可以用于對(duì)過程中有輕微波動(dòng)、下降以及有遲緩期的產(chǎn)氣曲線進(jìn)行擬合。

BMP試驗(yàn)測(cè)得的蛋雞糞、奶牛糞和豬糞三種畜禽糞便的Bo值分別為0.33、0.17和0.38 m3/kg，與對(duì)應(yīng)IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值0.24、0.13和0.29 m3/kg差別較大。這是因?yàn)镮PCC給出的是全球各個(gè)地區(qū)的Bo缺省值，反應(yīng)的是眾多養(yǎng)殖場(chǎng)的平均水平，針對(duì)每一個(gè)具體養(yǎng)殖場(chǎng)，其家畜品種、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)及日糧等均有不同，導(dǎo)致其糞便成分相差較大，而糞便的Bo值大小只取決于糞便自身特性，如糞便有機(jī)碳含量等。在實(shí)際的BMP試驗(yàn)中，試驗(yàn)獲得的單位底物累積甲烷產(chǎn)量被認(rèn)定為物料產(chǎn)甲烷潛力的近似值，而獲得精準(zhǔn)的物料產(chǎn)甲烷潛力通常需要很長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間，不適用于生產(chǎn)實(shí)際。實(shí)際生產(chǎn)中，物料甲烷潛力的獲得通常通過BMP試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型共同確定，在此過程中，還可以獲得產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如產(chǎn)氣速率、遲滯期、動(dòng)力學(xué)常數(shù)等，以此更直觀的了解厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程。

三種畜禽糞便單位底物累積甲烷實(shí)際產(chǎn)量曲線及其用經(jīng)典First-order模型和修正后Gompertz模型的擬合曲線如圖3所示，兩種模型的擬合參數(shù)見表5。總的來說，F(xiàn)irst-order模型和修正后的Gompertz模型的擬合精度均處于合理范圍內(nèi)，均能較好地?cái)M合三種畜禽糞便的產(chǎn)甲烷曲線，F(xiàn)irst-order模型和修正后的Gompertz模型的R2均大于0.9，且 BMP∞也均達(dá)到了試驗(yàn)最終獲得累積甲烷產(chǎn)量的 90%以上。相比而言，F(xiàn)irst-order模型相對(duì)擬合精度高，但兩者獲得的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異并不顯著。兩種模型均可用于沼氣工程物料篩選的 BMP試驗(yàn)?zāi)M。

表5 First-order和修正的Gompertz方程的擬合參數(shù)Table5 The model parameters of the first-order kinetic model and modified Gompertz model

2.4 畜禽糞便甲烷產(chǎn)生潛力計(jì)算

根據(jù)IPCC 2006年《國家溫室氣體清單指南》，影響甲烷排放的主要因素是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便產(chǎn)量和畜禽糞便無氧降解的比例。前者取決于畜禽的產(chǎn)污系數(shù)和畜禽數(shù)量，而后者取決于如何進(jìn)行養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便管理。當(dāng)糞便以液體形式存儲(chǔ)或管理時(shí)（例如，在化糞池、池塘、糞池或糞坑中），糞便無氧降解，產(chǎn)生大量的甲烷。儲(chǔ)存裝置的溫度和滯留時(shí)間極大地影響到畜禽糞便產(chǎn)生甲烷的量。當(dāng)糞便以固體形式處理（例如堆積或堆放）或者在牧場(chǎng)和草場(chǎng)堆放時(shí)，糞便趨于在更加耗氧的條件下進(jìn)行降解，產(chǎn)生的甲烷較少（IPCC，2006）。本文是對(duì)畜禽糞便最大甲烷產(chǎn)量進(jìn)行估算，因此并未對(duì)畜禽糞便管理方式進(jìn)行區(qū)分，均假設(shè)所有畜禽糞便進(jìn)行無氧降解，以此為沼氣工程對(duì)溫室氣體減排的貢獻(xiàn)提供科學(xué)的評(píng)估依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

目前，由于缺乏相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，畜禽糞便管理過程中的甲烷排放估算過程中所采用的Bo值依舊是IPCC給出的固定數(shù)據(jù)，隨著畜禽品種和飼喂方法而變化，近年來，隨著中國畜牧養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)和飼料成分的變化，Bo也發(fā)生了相應(yīng)的變化，IPCC給出的固定數(shù)據(jù)不再符合中國的生產(chǎn)實(shí)際。IPCC給出的亞洲地區(qū)牛糞和豬糞的Bo分別為0.24、0.13和0.29 m3CH4/kg，而本試驗(yàn)得到的最大單位VS甲烷產(chǎn)率分別為 0.33、0.17和0.38 m3CH4/kg。根據(jù)公式（4），結(jié)合IPCC給出的固定值及本試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際Bo值，計(jì)算出全國各省份三種主要畜禽糞便的甲烷減排潛力。具體計(jì)算結(jié)果見表6。如表6所示，各省份按照IPCC給出的Bo值和本試驗(yàn)測(cè)得的Bo值估算出的三種主要畜禽糞便年甲烷產(chǎn)生潛力差異顯著，其中，河北省的蛋雞糞年產(chǎn)甲烷潛力為全國最高，為96.71 萬 t，內(nèi)蒙古自治區(qū)奶牛糞年產(chǎn)甲烷潛力為全國最高，為48.83 萬 t，四川省豬糞年產(chǎn)甲烷潛力為全國最高，為147.14萬t。蛋雞糞年產(chǎn)甲烷潛力最小的是青海省，為 0.19 萬 t，海南省奶牛糞年產(chǎn)甲烷潛力為全國最小，為 0.02 萬 t，寧夏回族自治區(qū)豬糞年產(chǎn)甲烷潛力為全國最小，為2.17萬t。

表6 Bo值優(yōu)化前后畜禽糞便年產(chǎn)甲烷潛力Table 6 The annual biochemical methane potential before and after the optimization of B0 in China （萬t）

3 結(jié) 論

1）本試驗(yàn)得到的蛋雞糞、奶牛糞和豬糞的三種畜禽糞便的單位底物累積甲烷產(chǎn)量分別為 0.33、0.17和0.38 m3/kg，與對(duì)應(yīng)IPCC給出的亞洲地區(qū)缺省值0.24、0.13和0.29 m3/kg不一致。

2）基于 BMP試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間不確定，大多依賴實(shí)驗(yàn)人員主觀判斷的現(xiàn)狀，提出將BMP1%作為BMP試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，不僅相對(duì)縮短了試驗(yàn)時(shí)間，而且使得BMP測(cè)試結(jié)果有了量化標(biāo)準(zhǔn)，更能客觀比較相同物料在不同發(fā)酵時(shí)間下的試驗(yàn)結(jié)果。

3）利用First-order模型和修正后的Gompertz模型對(duì)三種畜禽糞便產(chǎn)甲烷曲線進(jìn)行擬合，R2均在0.9以上，兩種模型均能較好的模擬三種畜禽糞便的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，為不同地區(qū)不同養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便厭氧發(fā)酵甲烷潛力值的估算提供較為科學(xué)的方法。

綜上，試驗(yàn)結(jié)果可以為畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程運(yùn)行參數(shù)選擇、畜禽糞便甲烷排放系數(shù)的確定及科學(xué)評(píng)估糞便管理中厭氧發(fā)酵減排溫室氣體的貢獻(xiàn)提供較為科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，為我國畜牧業(yè)溫室氣體減排及相關(guān)政策制定提供參考。