物料浓度(TS)对猪粪厌氧消化的影响*

彭景权 杨 梅 李裕荣 刘永霞

(1.贵州省环境科学研究设计院， 贵阳 550081； 2.贵州省农业科技信息研究所， 贵阳 550006)

物料浓度(TS)对猪粪厌氧消化的影响*

彭景权1杨 梅1李裕荣2刘永霞1

(1.贵州省环境科学研究设计院， 贵阳 550081； 2.贵州省农业科技信息研究所， 贵阳 550006)

在实验室室温条件下，采用20 L自制厌氧发酵装置，设置物料浓度(TS)分别为1%、2%、3%、4%和6%的猪粪水进行厌氧消化试验，观测其对猪粪厌氧消化的影响。结果表明：猪粪发酵液的TS与初始COD、TN、TP和NH3-N的初始浓度成正比，至试验结束，猪粪COD和TN含量低于初始浓度，NH3-N和TP含量高于初始浓度。在试验范围内猪粪的总产气量随TS升高而增加；但总产气率与TS并不成正比。从产气开始时间、稳定度以及产气率综合考虑，TS 6%的猪粪发酵较好；从资源化利用来看，TS低于3%不利于持续性产气，且启动时间较长。此外，温度对猪粪厌氧发酵产气有较大影响，环境温度变幅超过±5℃时，整个厌氧消化过程停止产气。

猪粪；厌氧消化；物料浓度TS；产气量

厌氧消化处理技术是指在无游离氧的条件下，以厌氧微生物以及兼氧微生物为主降解复杂的有机污染物，产生以甲烷为主的可燃烧和可回收利用的消化气的一种无害化的处理方法[1]。现如今此技术正广泛应用于畜禽废弃物的处理中，因为它不仅能够降低畜粪废弃物对环境产生的污染，还能够产生能源物质——沼气，为农业牧业提供养料，是畜禽废弃物无害化、资源化最有效的处理方法[2-4]。

物料浓度(TS)是影响厌氧发酵的重要因素之一。国内外研究表明：TS越高，产气速率越快；但TS太高就会引起挥发酸、NH3-N等中间产物积累，甲烷菌的发酵环境发生改变，抑制了甲烷菌的生长，从而影响厌氧消化的产气效率[5-11]。

据国家统计局发布，2014年全国生猪出栏73 510万头，同比增长2.7%[12]，怎样科学高效地处理猪场粪水，防止环境污染，目前已成为社会高度关注并亟需解决的问题。本试验是在实验室室温条件下，选取新鲜的猪粪，研究不同猪粪TS对厌氧消化效率的影响，以期为大中型养殖规模沼气工程生产的控制参数的选择提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

采用20 L具塞广口玻璃瓶作为发酵瓶，并在橡胶塞上钻出取样口与输气孔，与排水集气瓶(选用具塞广口玻璃瓶)相连，钻出进气口与导水孔，导水的玻璃导管要通至玻璃瓶底部，其后与集水瓶相连，其均用玻璃导管与硅胶管连接，并用凡士林密封如图1。

图1 厌氧发酵装置

1.2 试验材料

本试验采用新鲜猪粪便为材料，粪便采集地为贵州某大学养猪场的新鲜粪便。试验用粪便的理化指标见表1。

表1 粪便理化指标

注：粪便理化指标pH值、TN、NH3-N、TP及COD值的测定均是将新鲜样品用去离子水按固液比1:10在200 r/min转速下振荡1 h，静置30 min，过滤经离心机以5 000 r/min离心30 min，取上清液用定量滤纸过滤，后按废水国标方法分析测定。

1.3 试验设计

以新鲜猪粪为材料，去除杂物后将猪粪进料设置物料浓度(TS)分别为1%、2%、3%、4%、6%；每个处理设置3个平行，装入20 L(有效容积为18 L)的发酵瓶中，在常温下进行厌氧发酵培养90 d。根据测定指标的反应变化，除产气量记录90 d，其余指标记录60 d结束。

主要分布于渠道沿线表层，南薄北厚，层厚0.1～5.0m，干强度低，韧性低。局部存在小砾石夹层。根据土工试验，该层渗透系数3.0×10-4cm/s，内聚力c=11kPa，内摩擦角φ=28°。

1.4 测定指标

产气量利用排水集气法每天下午16:00定时测量。各指标每5天取样检测，为使混合均匀，进行人工摇晃后静置半小时后取样。每天下午16:00记录发酵装置所处的环境温度。TS采用烘干法测定；pH值采用雷磁pHS-3C精密pH计(GB 6920—86)测定；COD值采用重铬酸钾消解法(GB 11914—89)测定；TN值采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—89)测定；NH3-N采用纳氏试剂分光光度法(GB 7479—87)测定；TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)测定；每天固定时间摇晃发酵瓶100下，以使发酵液混合均匀，有利于排气。

2 试验结果和分析

2.1 厌氧消化过程中pH值的变化情况

由图2可以看出：不同TS条件下猪粪厌氧消化过程中pH值的总体大致规律均是先降低后逐渐升高，变化范围在5.52～7.23之间，这同厌氧发酵过程(水解-酸化-产沼气)[13-14]的变化规律相一致。猪粪初始pH值均在7.53～8.21之间，偏碱性。TS 6%的发酵料液pH值在第20 d降至最低(由8.21降至6.27)，此后开始不断上升，最后稳定在7.20左右；1%、2%、3%与4%试验组的初始pH值相差不大，整个反应期间的变化规律也一致，均在第20 d降至最低值，之后开始上升，至试验结束稳定在6.5～7.3范围内。

图2 厌氧消化过程中pH值的变化情况

产酸菌对pH值适应范围较宽，多数产酸细菌可在5.0～8.5的pH值范围内生长，一些产酸菌在pH值小于5.0仍可以生长[15]。相比较而言，甲烷菌的pH值最佳适应范围较窄(6.5～7.8左右)，在5以下厌氧消化则完全受到抑制[16]。所以应严格控制厌氧过程中发酵液中的pH值的变化范围。整个试验组均满足产气所要求的酸碱环境。

2.2 猪粪厌氧消化过程中COD值的变化情况

如图3，进料TS越高，起始COD值越大。厌氧消化开始后，5组试验均先呈下降趋势，5 d后均缓慢上升，在试验20 d达到高峰值，其中6%TS实验组最高达到13 361 mg/L。之后各组COD值开始呈下降趋势，在50 d降至最低值。5组实验在反应结束后，COD削减率按TS由低到高排列依次为39.3%、19.2%、21.8%、13.1%、51.4%。

图3 厌氧消化过程中COD值的变化情况

COD去除率反映了厌氧消化系统中有机物的去除情况，只要能够被强氧化剂氧化的物质都可以COD表现出来，所以测得的COD包括有机物的同时也包括无机物，且有机物又包括易被生物降解的有机物与难被生物降解的有机物。通常所说的厌氧发酵主要就是分解和转化易被生物降解的有机物[17]。厌氧发酵是多种微生物协同代谢的过程，各种厌氧菌群的共同作用有助于有机物质的降解和转化，其中包含碳水化合物、蛋白质与脂肪等多种复杂有机质的分解代谢。在各厌氧菌群的代谢过程中，产生的大量甲酸、乙酸和原子氢等中间产物，使VFA的浓度增高。这在一定程度上会影响COD去除率，使COD去除率在反应过程中不总是随着反应的进行逐渐降低。有报道认为蛋白质水解酸化后COD并不降低反而增加[18]，并且在常温下，产酸菌(其中包括丁酸梭菌和其它梭菌、乳酸杆菌和革兰氏阳性小杆菌等)的代谢速度比甲烷菌的代谢速度快得多[17]，有可能在发酵周期结束时，仍剩余一部分有机酸未被转化而影响COD去除率，所以在发酵开始时必须慎重选择料液浓度，使挥发性脂肪酸的生成和消耗能够保持平衡，不致发生酸积累[19]。

2.3 厌氧消化过程中TN含量的变化情况

图4 厌氧消化过程中TN含量的变化情况

2.4 厌氧消化过程中NH3-N含量的变化情况

由图5可以看出，不同TS条件下猪粪NH3-N在厌氧消化过程中的变化规律大体一致。起始NH3-N含量随TS由高到低依次递增，在发酵开始5 d内，NH3-N急剧上升，达到第一个峰值，之后短暂下降后再呈缓慢稳定上升状态。整个反应过程，6%TS试验组变化幅度最大，由初始NH3-N值为265.10 mg/L上升至667.37 mg/L，至试验结束，NH3-N含量基本均高于初始浓度。

图5 猪粪厌氧消化过程中NH3-N含量的变化情况

2.5 厌氧消化过程中TP含量的变化情况

由图6可以看出，不同TS条件下，TP含量总体随着反应的进行呈先急剧上升后下降，之后再上升，最后趋于稳定的变化趋势。起始TP值随TS由高到低依次递增，且TP含量变化幅度也受TS的影响较大，TS越大，变化幅度越大。其中TS为6%的反应组由初始TP值为198.794 mg/L上升至525.13 mg/L，TS为1%的反应组由初始TP值为70.61 mg/L上升至97.94 mg/L，其余三组居中，至试验结束，终止TP含量均高于初始浓度。

图6 猪粪厌氧消化过程中TP含量的变化情况

2.6 不同物料浓度厌氧消化对产气性能的影响

试验结果见图7和表2，从产气时间来看，除1%组在第6 d开始产气，其余4组均在第3 d开始产气；从总产气量来看，在试验浓度范围内产气量随TS升高而增加；但从TS总产气率来说，并不是TS越高，总产气率越高，1%组虽然总产气量不高，但总产气率为16.34%，2%组总产气率最低为11.65%，3%组与4%组总产气率相当，6%总产气率最高，达到22.43%。

图7 厌氧消化对产气性能的影响

由图7可以看出，产气量受温度波动影响较大，在试验前期，温度一直不稳定，20天后温度从25℃降至18℃，产气一度中止，至42 d时温度才开始缓慢上升，产气开始恢复，但到52 d时温度忽然从20℃上升至28℃，产气同样受到严重影响。反应后期温度始终保持在25±1℃，产气开始恢复正常。

表2 不同猪粪发酵浓度厌氧消化总产气量与TS产气率

3 结果与讨论

(1) 猪粪发酵液的物料浓度(TS)影响初始COD、TN、TP、NH3-N的初始浓度，TS与初始COD、TN、NH3-N与TP含量成正比；至试验结束，猪粪COD和TN含量低于初始浓度，NH3-N和TP含量高于初始浓度。

(2) 在试验范围内，猪粪的总产气量随发酵TS升高而增加；但TS总产气率与TS并不成正比。从产气开始时间、稳定度以及总固体产气率综合考虑，认为试验范围内，TS为6%的猪粪发酵较好；从资源化利用来看，TS低于3%不利于持续性产气，且启动时间较长。

(3) 温度对猪粪厌氧发酵产气有较大影响，环境温度变幅超过±5℃时，整个厌氧消化过程停止产气。因此在实际运用中，要注意控制环境温度变幅过大问题。由于我省农村家用沼气池多建于地下，受地温影响很大，根据贵州省多年平均气温统计，通常最冷月(1月)平均气温多在3～6℃，使池内温度随之降低，必须采取保温和增温措施，才能保证沼气微生物的正常活动，以利于正常产气。

(4) 在产气试验中，TS 6%猪粪发酵90 d产气停止，总产气量为24.227 L，发酵罐有效容积18 L，相当于1 000 kg干粪产气22.42 m3。李裕荣等[20]用1 000 kg猪粪加水6 m3放入8 m3户用高效曲流布料发酵池进行发酵分解直持续平稳产气长达150 d；史金才等[21]用1 000 mL玻璃发酵罐发酵100 g猪粪干粪，得出20 d内猪粪的产沼量为1 964 mL，相当于1 000 kg干粪产气19.6 m3。本试验结果与他们的结论相差较大，一是可能由于粪便的质量差异，李裕荣等使用的粪便是晒干的新鲜粪便，史金才等使用的是经过预发酵过的，而本试验的粪便为新鲜的粪便；另一方面的原因，可能是由于发酵容器大小、发酵环境的温度、以及物料浓度(TS)等影响因素的不同，从而导致结果的差异。

[1] 杨梅,安裕敏,刘永霞.贵州畜禽养殖废水处理技术分析[J].环保科技,2011,17(4):29-32.

[2] 高增月,杨仁全,程存仁，等.规模化养猪场粪污综合处理的试验研究[J].农业工程学报,2006,22(2):198-200.

[3] 张洪雷.畜禽养殖业沼气发电前景广阔[J].农业工程学报,2006,22(增1): 58- 60.

[4] 马林,王方浩,马文奇,等.中国东北地区中长期畜禽粪尿资源与污染潜势估算[J].农业工程学报,2006,22(8):170-174.

[5] 王悦超.高固体浓度猪粪的厌氧消化特性研究[D].上海:复旦大学.2011.

[6] 潘云锋,李文哲.物料浓度对畜粪厌氧消化的影响[J].农机化研究,2008,30(1):195-195.

[7] Bujoczek G,0leszkiewicz J, sparling R, et a1.High solid anaerobic digestion of chicken manure [J].Journal of Agricultural Engineering Research,2000,76(1):51-60.

[8] 郝元元.猪粪厌氧消化工艺条件对产气特性及沼液营养成分的影响[D].沈阳:沈阳农业大学,2006.

[9] 冯晓伟.高浓度有机质厌氧消化降解研究[D].成都:西华大学,2008.

[10] 陈欣,涂德浴,隋倩雯,等.固体浓度对猪粪厌氧消化甲烷产出特性的影响[J].中国农业气象,2014,35(2):149-155.

[11] 翟宁宁,孙树贵,张彤,等. 猪粪和牛粪固液分离物厌氧发酵产气效果研究[J].农机化研究,2014,4:202-207.

[12] 国家统计局.2014年国民经济和社会发展统计公报[R].北京,2015.

[13] 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,2003.

[14] 于蕾,江皓,钱名宇,等. 沼气工程厌氧发酵过程的监测与控制[J].中国沼气,2014,32(6)：59-64.

[15] 曾光明,乔玮,袁兴中,等.完全混合厌氧消化处理城市垃圾的特性研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2003,30(5):51-54.

[16] Parkin G. Fundamentals of anaerobic digestion of waste water sludges[J]. ASCE-Journal of Environmental Engineering, 1986, 12(5):867-920.

[17] 郑元景.有机肥料厌氧发酵技术[M].北京:化学工业出版社,1988.

[18] 李军,杨秀山.微生物与水处理工程[M].北京:化学工业出版社,2002.

[19] 王绍文.固体废弃物资源化技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2003.

[20] 李裕荣,刘永霞,赵泽英,等.蓄禽粪便厌氧发酵的产气特点及其发酵物养分的变化动态[J].西南农业学报,2012,25(6):2305-2310.

[21] 史金才,廖新俤,吴银宝.4种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特性研究[J].中国生态农业学报,2010,18(3):632-636.

Influence of Material Concentration(TS) On Anaerobic Digestion of Swine Manure

Peng Jingquan1，Yang Mei1， Li Yurong2，Liu Yongxia1

(1.Guizhou Institute of Environmental Science and Designing，Guiyang，Guizhou 550081; 2.Guizhou Agricultural Science and Technology Information Institute, Guiyang，Guizhou 550006, China)

Lab-scale experiment was conducted by using anaerobic fermentation devices for 20 liters under room temperature to investigate the influence of swine manure material concentrations (TS) with 1%, 2%, 3%, 2%, and 6% on anaerobic digestion. The results show that TS and initial COD, TN, TP and NH3-N in fermented liquid of swine manure are proportional to initial concentration. Until end of test, COD and TN contents are lower than initial concentration while NH3-N and TP contents are higher than that of initial. Total biogas production increases with the increase of TS, but total biogas production rate is disproportionate to TS. Comprehensively taking factors such as biogas starting time, stability, and biogas production rate into consideration, TS of 6% ferments completely. While from the view of resource utilization, TS less than 3% can't produce biogas continuously and take longer to start. In addition, temperature has great influence on anaerobic fermentation for biogas production. The anaerobic digestion process will be terminated if temperature variation amplitude exceeds +/-5℃.

Swine manure, Anaerobic digestion, Material concentration, Biogas production

* 贵州省社会发展攻关项目“畜禽养殖废弃物综合利用研究及应用”(黔科合SZ字(2009)3005); 贵州省农业科学院专项“沼肥在有机农业中的应用研究与示范”[黔农科院专项(2009)025]；贵州省科技厅创新能力建设项目“农作物系统模拟研究”[黔科合农G字(2009)4010]；贵州省科技厅农业攻关项目“用于水肥一体化的液体肥研制与示范研究”黔科合NY[2013]3076号

2015-07-06； 2015-07-12修回

彭景权，男，1982年出生，工程师，硕士，研究方向：环境咨询。E-mail: jingquanp@126.com

刘永霞，高级工程师，研究方向：环境保护。E-mail:. yongxialiu@163.com

X172

A