消毒剂对沼气发酵影响的实验研究

张京景，苏有勇，李 昊，陈 飞，吕朋翔

(昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650224)

沼气是微生物在厌氧环境下将农作物秸秆或禽畜粪便等可降解的生物质经过厌氧消化生成的可燃气体。此发酵过程是在无氧的条件下，由兼性厌氧菌和专性厌氧菌联合降解有机物[1]，最终生成甲烷和二氧化碳等，不污染空气，不危害农作物和人体健康[2，3]。沼气是具有很高热值的清洁燃料，在标准大气压状态下，甲烷燃烧的热值达到了38 038 kJ·m-3[4]。沼气发酵原料主要包括以秸秆类物质为代表的农业废弃物、禽畜粪便和污水处理厂的厌氧活性污泥以及生活垃圾等[5，6]。沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的社会价值，实现了能源、环境与经济三方面的综合效益[7]。

养殖场畜禽粪便混杂，有机质浓度高，含有大量的有机物、氮、磷、悬浮物及致病的有害病菌、有害气体，如果得不到及时处理或处理不彻底，将对周围环境和人类造成严重危害[8]。实现粪便的沼气发酵能回收农村有机废弃物的能源，是节能高效的清洁生产项目，对于改善农村环境卫生和面貌有积极作用，可有效解决能源与环境的可持续发展问题。而采用发酵技术处理养殖场粪污时，由于养殖场使用多种消毒剂，造成沼气发酵过程中大量厌氧菌的活性受到抑制，产气量下降，甚至导致沼气池最终不能使用，粪污得不到有效的处理。因此，研究消毒剂对沼气发酵的影响，实现沼气池的正常使用，是实现养殖场的粪污处理和能源利用的关键。作者选择养殖场常用的消毒剂，考察其对沼气发酵过程的影响，为养殖场粪污的沼气发酵处理提供一定的理论参考。

1 实验

1.1 材料

1.1.1 沼气发酵原料

取自昆明市盘龙区屠宰场的鲜猪粪(不含消毒剂)，经测定总固体(TS)含量为24.71%，挥发性固体(VS)含量为73.78%，pH值为6.3。

1.1.2 接种物

取自本实验室猪粪正常沼气发酵后的活性污泥，经测定TS为9.86%，VS为61.28%，pH值为7.5。

1.1.3 消毒剂

氧化钙，优氯净(三氯异氰尿酸为主要有效成分，有效氯含量55%～65%)，甲醛溶液。

1.2 方法

1.2.1 实验装置

采用自制的实验型沼气发酵装置，发酵瓶总容积为1000 mL，如图1所示。

图1 沼气发酵实验装置

1.2.2 发酵料液配制

实验组(A组，B组，C组)：以干物质含量为5%计算加入量，即加入鲜猪粪70 mL+接种物240 mL，产气正常后按表1加入三种消毒剂，补加沼液至800 mL。

对照组(D组)：鲜猪粪70 mL+接种物240 mL，补加沼液至800 mL。

空白组(E组)：接种物240 mL，补加沼液至800 mL。

采用自制排水集气法装置测定产气量。

1.2.3 实验设计

分别考察氧化钙、优氯净和甲醛三种消毒剂在添加量(以总发酵料液质量计)为0.05%时对沼气发酵产气量的影响，测定加入消毒剂前后沼液的pH值、挥发性总脂肪酸含量以及纤维素水解酶、脂肪水解酶、淀粉水解酶的活性变化，每种消毒剂实验组设3个重复，取平均值。具体的实验设计见表1。

表1 实验设计

1.2.4 分析测试

(1)TS、VS：采用沼气烘干法[9]。TS：105℃的烘箱中烘至恒重。VS：550℃的马弗炉中灼烧至恒重。

(2)pH值：采用精密pH试纸(测试范围5.5～9.0)测定原料、接种物以及发酵前后料液的pH值。

(3)发酵环境温度：每天记录发酵室室温，时间定为10：00和23：00，即时记录。以其平均温度作为发酵的环境温度。

(4)产气量：采用排水集气法收集沼气。从启动后每日固定时刻记录各套装置产气外压水体积量，以压出水的体积量(mL)表示产气体积量(mL)。

(5)挥发性总脂肪酸含量：参照文献[9]中的蒸馏法测定。

(6)纤维素水解酶：参照文献[10]进行测定。

(7)脂肪水解酶：参照国标GB/T 5523-85进行测定。

(8)淀粉水解酶：参照国标GB/T 5521-89进行测定。

2 结果与讨论

2.1 消毒剂对沼气发酵产气量的影响

3种消毒剂在添加量为0.05%时对沼气发酵产气量的影响见图2。

图2 3种消毒剂对沼气发酵产气量的影响

从图2可以看出，实验启动前期产气量较多且趋于稳定，在第10 d时加入消毒剂发现：加入甲醛溶液的C组产气几乎完全被抑制，整个发酵过程已不产气；加入氧化钙的A组和优氯净的B组也有一定的抑制作用，但抑制程度较小。

实验结束后，各组的总产气量见表2。

表2 总产气量数据记录对照表

从表2可以看出，加入氧化钙、优氯净和甲醛后总产气量分别比对照组降低了13.56%、4.00%和56.68%，说明消毒剂对沼气发酵存在抑制作用。

2.2 消毒剂对挥发性总脂肪酸含量及各种酶活性的影响

在添加消毒剂前后分别对各组沼气发酵液取样，检测相应指标，见表3。

表3 3种消毒剂对沼气发酵影响指标的测定

从表3可以看出，加入氧化钙的A组pH值略有上升，加入优氯净的B组和甲醛溶液的C组pH值略有下降；加入消毒剂后，挥发性总脂肪酸出现积累现象，相应的脂肪酶活性升高；而CMC酶和淀粉酶活性均降低。这进一步说明了消毒剂对沼气发酵有抑制作用，同时也解释了加入消毒剂后产气量下降的原因。从3种消毒剂来看，甲醛的抑制作用最强。

3 结论

(1)消毒剂对沼气发酵的产气量均有影响，氧化钙、优氯净、甲醛分别使产气量下降13.56%、4.00%和56.68%。

(2)消毒剂使沼气发酵体系的挥发性总脂肪酸含量和脂肪酶活性升高，使CMC酶和淀粉酶活性降低，说明消毒剂对沼气发酵存在抑制作用。

本实验结果可为养殖场粪污沼气发酵处理提供一定的理论参考，以保证沼气发酵的正常进行。

[1]公维佳，李文哲，刘建禹.厌氧消化中的产甲烷菌研究进展[J].东北农业大学学报，2006，37(6)：838-841.

[2]周孟津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：3-9.

[3]赵由才，宋立杰.固体废弃物污染控制原理与资源化技术[M].北京：化学工业出版社，2002：2-21.

[4]Harasimowicz M，Orluk P G，Zakrzewska-Trznadel A G.Application of polyimide membranes for biogas purification and enrichment[J].Journal of Hazardous Materials，2007，144(3)：698-702.

[5]Isci A，Demirer G N.Biogas production potential from cotton wastes[J].Renewable Energy，2007，32(5)：750-757.

[6]Alberto V，Gisela V，Nelson A，et al.Evaluation of marine algae as a source of biogas in a two-stage anaerobic reactor system[J].Biomass and Bioenergy，2008，32(4)：338-344.

[7]郝元元，刘荣厚.大中型沼气工程工艺流程发酵原料及其产物测试分析[J].安徽农业科学，2006，34(14)：3429-3431.

[8]季明，吴长征.集约化养殖对环境的危害与预防措施[J].环境科学与技术，1999，22(2)：32-34.

[9]中国科学院成都生物所.沼气发酵常规分析[M].北京：科学技术出版社，1984：26-84.

[10]傅力，丁友.纤维素酶测定方法的研究[J].新彊农业大学学报，2000，23(2)：45-48.