养鸭场废弃垫料厌氧消化产沼气潜力的实验研究*



养鸭场废弃垫料厌氧消化产沼气潜力的实验研究*

刘健峰1，刘丽春2，张无敌1，尹芳1，王昌梅1，

赵兴玲1，柳静1，杨红1，刘士清1

(1.云南师范大学，云南 昆明 650092；2.丽江市农村能源管理站，云南 丽江 674100)

摘要：为了研究养鸭场废弃垫料厌氧消化产沼气潜力，采用全混合批量发酵模式，在中温30 ℃下，对其进行厌氧消化实验.实验设1个实验组和1个对照组，均设3个平行实验，发酵料液总固体含量为5%，接种物为30%，实验运行50 d.实验结果表明，净产气量为2 250 mL，养鸭场废弃垫料的TS产气率为242 mL/g，VS产气率为375 mL/g，原料产气率为150 mL/g.

关键词：养鸭场废弃垫料；中温发酵；厌氧消化；产气潜力

1引言

近年来，政府大力扶持养殖业，在提高农民经济收入和生活水平的同时，也导致了大量养殖场废弃物的产生，对当地居民的健康和养殖场的可持续发展带来了巨大压力[1-3].利用沼气工程对养殖场废弃物进行资源化、能源化、环保化、无害化处理，不仅能产生清洁能源——沼气，还可将发酵残留物施入农田系统，促进生态系统的物质循环和能量流动，实现农业的可持续发展[4].

废弃垫料是养鸭场的主要废弃物，主要成分为垫料和鸭粪.养鸭场垫料的选择范围很广泛，主要有锯末、秸秆、稻壳等农副产品.稻壳富含纤维素、木质素和二氧化硅，腐烂比较缓慢，难以被动植物直接吸收利用，广大的农村地区将其视为废弃物扔掉或者焚烧，不但污染环境而且造成资源和能源的浪费.合理有效利用稻壳不仅能降低污染、净化环境，还能创造经济效益、节约资源[5].此外鸭粪也是一种非常好的沼气发酵原料[6-14].鸭粪中有机物和氮、磷的含量比其他家畜高，但是鸭粪中的氮素以尿酸态为主，作物不能直接吸收，且施用新鲜禽粪常招来地下害虫，所以将其用沼气工程处理，不但可以实现能源效益、环境效益、经济效益，而且发酵过后的残留物是非常好的肥料.

本实验在厌氧消化理论和农村沼气发酵实践的基础上，在30℃条件下，对养鸭场废弃垫料进行厌氧消化实验的研究，为养鸭场废弃垫料的处理提供基础参数.

2材料与方法

2.1材料

2.1.1发酵原料

发酵原料取自青岛某养鸭场堆放半年的废弃垫料——含鸭粪的稻壳，经测定其TS为62.04%，VS为64.59%.

2.1.2接种物

接种物为本实验室以猪粪为原料长期驯化的活性污泥，经测定其TS为8.64%，VS为58.73%.

2.1.3实验装置

实验装置为自行设计的厌氧发酵装置[15].

2.2方法

2.2.1实验设计

实验自2014年12月1日开始至2015年1月19日结束，运行50 d.实验是在中温30 ℃条件下进行全混合批量式发酵，设1个实验组和1个对照组，均设3个平行实验，发酵料液总固体含量为5%，接种物为30%，每天晚上9∶30对实验的相关数据进行记录.

2.2.2原料预处理

将废弃垫料粉碎，使其中的稻壳与鸭粪混合均匀.

2.2.3料液配比

发酵料液的具体配方如下：

实验组：15 g原料，接种物120 g，加水至400 mL.

对照组：接种物120 g，加水至400 mL.

2.2.4测试项目及方法

⑴总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)采用常规分析法，测定原料接种物以及发酵前后料液的TS、VS.

TS：在(105±5)℃的电热恒温干燥箱(GM-101型)中烘干至恒重，利用TS计算公式[9]求出TS；

VS：在(550±20)℃箱形电阻炉(SX2-2.5-12型)中灼烧至恒重，利用VS计算公式[9]求出VS.

⑵pH值：采用PHS-2C型酸度计测定原料、接种物以及发酵前后料液的pH值.

⑶产气量：采用排水集气法测定，实验启动后，每天定时记录各组的产气量，以各组3个平行实验的平均产气量表征该组产气量.

⑷采用GC-6890A型气相色谱仪测定甲烷含量.

3结果与分析

3.1发酵料液发酵前后相关指标的测定

发酵料液发酵前后的TS、VS和pH变化结果见表1.

表1　发酵前后料液TS、VS、pH值

沼气发酵微生物最适宜的pH值为6.5～7.5[16].由表1可知，对照组的pH值在发酵前后均在正常范围之内，而实验组的pH值在发酵前偏高，而在发酵后pH值变为7.0，说明沼气发酵微生物菌群具有自我调节pH值的能力，无需人为调节发酵料液的pH值.

沼气发酵是厌氧微生物利用有机物产生沼气的过程.由表1可知，对照组的TS、VS降解率非常低，分别为6.9%和8.8%，因为对照组是本实验室长期驯化的接种物，已经基本发酵完全，所以有机物含量基本没有变化；实验组的TS、VS降解率相对要高很多，分别为26.1%和16.3%，说明养鸭场废弃垫料能够被厌氧微生物菌群有效利用.

3.2产气情况及分析

3.2.1日产气量

通过每天对发酵实验的产气量进行统计，得到了日产气规律图(如图1).在发酵前期产气量极少，随着实验的进行，产气量逐渐增多，说明厌氧微生物慢慢地适应了发酵环境，在第10天时，日产气量稍有下降，可能是由于产氢产乙酸菌代谢较产甲烷菌活跃，将第一阶段水解得到的小分子水溶性化合物分解，使得产生有机酸的速度比产甲烷菌分解有机酸产生沼气的速度快，导致有机酸的积累，造成整个反应体系的pH值下降，出现酸化现象，抑制了产甲烷菌体，导致产气量下降.经过两三天的酸化期后，产气量又开始上升，说明产甲烷菌群已经通过自我调节将pH值恢复到正常的发酵范围.在第18天时，产气量达到最大，说明厌氧微生物已经完全适应了发酵环境.随后，产气量逐渐减少，说明发酵罐内的有机质含量在逐渐减少，到第50天时，产气量几乎为零.

图1　产气量随发酵时间的变化曲线

3.2.2甲烷含量

发酵过程中所产沼气的甲烷含量结果见表2.

表2　甲烷含量

由表2可以看出，随着发酵时间的增加，甲烷含量呈先上升后下降的趋势.厌氧消化刚开始时，沼气中的甲烷含量为38%，随着产甲烷菌落不断的生长繁殖，发酵罐中的产甲烷菌群活性不断增强，沼气中的甲烷含量不断提高，发酵到第25天时，甲烷含量达到最大值62%，在第20-30天，甲烷含量基本保持在57%～62%范围内，说明已经进入了产甲烷的活性期.之后，甲烷含量逐步降低，到第45天时，甲烷含量降至46%，这是由于原料中的有机物含量不断减少，产甲烷菌群的活性也不断降低而造成的.

3.2.3累积产气量

实验组的累积产气量变化曲线见图2.反应初期产气较慢，第5天后产气量快速增长，第25天后产气速率逐渐降低，第45天后基本趋于稳定，达到最大累计产气量，表明发酵料液已被完全分解.综上可知，原料的TS产气量为242 mL/g，VS产气量为375 mL/g，原料产气率为150 mL/g，池容产气量为0.1 mL/(mL·d).

3.2.4产气速率

实验组的产气速率变化曲线见图3.从图3可以看出，发酵前期产气速率降低，随着发酵时间的延长，产气速率越来越大，最后趋于100%.在前30 d产气速率达到了80%，可以得出养鸭场废弃物厌氧消化产沼气主要集中在前30 d，因此在实际的沼气工程中水力滞留时间(HRT)可设计为30 d.

图2　累计产气量随发酵时间的变化曲线

图3　产气速率发酵时间的变化曲线

3.3各种沼气发酵原料产气潜力的比较

为了评价养鸭场废弃垫料的产沼气潜力，对发酵温度为30 ℃，以各类粪便和秸秆为发酵原料的TS产气情况进行比较，结果如表3所示.从表3可以看出，与纯粪便类发酵原料相比，养鸭场废弃垫料的TS产气量比猪粪、马粪、人粪、鸡粪、牛粪、鸭粪、兔粪、象粪、斑马粪、獭兔粪、黑熊粪的稍低，但是比狗粪、野猪粪、熊猫粪的要高.与秸秆类的相比，养鸭场废弃垫料的TS产气量比玉米、麦秸、干稻草的稍低，但是比白三叶、三角枫、紫叶李、法国梧桐的高.虽然堆放了半年，损失了一部分有机质，就本实验的数据来看，养鸭场废弃垫料仍是一种比较好的厌氧消化原料.利用沼气工程处理养鸭场废弃垫料是非常可行的，而且有利于实现养鸭场废弃垫料能源化、环保化、资源化的可持续利用.

表3　各种原料的产沼气潜力

4总结与结论

⑴实验表明，养鸭场废弃垫料是一种非常好的厌氧消化产沼气的原料，虽然被堆放了半年，但是产气效果仍然非常好，利用沼气工程处理养鸭场废弃垫料，有利于实现废弃物的能源化、资源化、环保化利用，符合可持续发展的战略思路，是一条高效能的途径.

⑵通过实验得出的养鸭场废弃垫料产沼气潜力为TS产气率242 mL/g，VS产气率375 mL/g，发酵到第30天时,产气累积量约为总产气量的80%，所以在沼气工程上可设计发酵罐的水力滞留时间(HRT)为30 d，为实际应用沼气工程处理养鸭场废弃垫料提供相关参数和依据.

⑶实验对堆放了半年的养鸭场废弃垫料的产沼气潜力做了研究，为以后进行合理化利用提供了基础理论依据，但对其进行沼气发酵的最佳工艺参数以及实现更有效的能源利用方式都有待进一步探究.

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Study on Biogas Production by Anaerobic Digestion with

the Waste of Duck Farm

LIU Jian-feng1, LIU Li-chun2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, WANG Chang-mei1,

ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1, Liu Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650092,China;

2.Rural Energy Management Station of Lijiang,Lijiang 650224,China)

Abstract:In order to study on Biogas Production by Anaerobic digestion with the waste of duck farm, the anaerobic batch fermentation experiments were performed at 30 ℃.The experiment set up an experimental group and a control group,each group sets up three parallel experiment repeatedly.The total solid content of the fermentation liquid was 5%,the inoculum density is 30%,the experiment runs 50 days normally.The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time was 2 250 mL.Furthermore,it was calculated that the biogas yield of the waste of duck farm was 242 mL/g·TS or 375 mL/g·VS,and the biogas yield of raw materials was 150 mL/g.

Keywords:The waste of duck farm; Mesophilic fermentation; Anaerobic digestion; Biogas production potential

中图分类号：S216.4

文献标志码：A

文章编号：1007-9793(2015)06-0018-05

通信作者：张无敌(1965-)，男，云南石屏人，研究员，博士生导师，主要从事生物质能开发及利用方面研究;尹芳(1967-)，女，云南石屏人，副教授，硕士生导师，主要从事生物质能开发及利用方面研究.

作者简介：刘健峰(1990-)，男，河北张家口人，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程方面研究.

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20135303110001)、国家自然科学基金(51366015)、云南省应用基础研究基金(2014FA030)和云南省科技创新提升计划(2013DH041)联合资助项目.

收稿日期：*2015-10-08