猪粪干式沼气发酵中试研究

徐 则， 邓良伟， 王 伸， 王智勇

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

猪粪干式沼气发酵中试研究

徐 则， 邓良伟， 王 伸， 王智勇

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

生猪规模化养殖的发展在局部地区产生了大量猪粪，干式沼气发酵作为一种处理猪粪的技术手段，具备不需要稀释、沼液量少、容易等优势。笔者在已有小试的基础上，进行了为期12个月的猪粪连续干发酵中试。每日产气量，每月沼气成分、进出料的TS，VS，pH值，氨氮等指标的监测结果表明，该中试能正常产气，基本能顺利进出料，大多数月份甲烷含量稳定在53%以上，平均容积产气率为0.162 m3·m-3d-1，平均原料产气率为0.112 m3·kg-1TS，pH值稳定在7.8～8.5之间，游离氨浓度在400 mg·L-1以下基本不存在氨抑制问题，具备工程上推广应用的潜力。但是，由于没有升温保温，该中试的产气效率低，且产气不稳定。

猪粪； 干式沼气发酵； 中试研究； 容积产气率； 氨抑制

生猪养殖业规模化、集约化的发展导致畜禽粪便的大量产生，并引发了一系列的环境问题[1]。2010年的统计数据显示，全国畜禽粪便的年排放量达到了22.35亿吨[2]，其中猪粪的年排放量占比较大，达到21%[3]。厌氧消化作为一种处理猪粪的有效措施，在消除污染的同时，还能获得沼气这种清洁能源，可以缓解能源的短缺，因而获得了越来越多的关注[4]。

厌氧消化又称沼气发酵，根据原料固体含量(TS)的不同，沼气发酵可以分为湿发酵(TS<10%)、半干发酵(TS介于10%～20%)、干发酵(TS>20)[5-6]。在沼气发酵的工程应用方面，相比于湿发酵，半干发酵、干发酵具有耗水量小，沼渣沼液量少，营养物浓度高，运输成本低，发酵设备利用率高等多重优点，在消纳粪污土地有限和水资源缺乏的地区，其优势更为突出[7-9]。然而，因为进料TS含量高，整个干发酵体系容易出现进出料困难，中间产物扩散困难引起各种抑制，连续运行不稳定问题[10-11]。

以往的干发酵研究主要局限在小试[12]，主要研究原料种类、发酵温度、工艺类型等对产气性能的影响。原料种类主要有餐厨垃圾[13]、城市固体废弃物[14]、秸秆[15]、畜禽粪便[16]等。所采用的温度既有常温(10℃～25℃)，也有中温(35℃～37℃)和高温(50℃～60℃)[17]。相比于中温和高温，常温发酵因为不需额外加热而能源消耗更少，且操作简单[18]。但普遍认为，常温发酵的产气效率低，产气少。 工艺类型主要有批式干发酵、两相厌氧干发酵、连续厌氧干发酵。考虑到干发酵原料的特殊性，小试研究多采取批式干发酵或两相厌氧干发酵[19-20]，采取连续干发酵的比较少。刘刚金[21]等、朱圣权[22]得出，小试基本都能正常启动并产气，在控制好进料负荷、接种比例后，也不会发生严重的阻碍干发酵继续进行的酸抑制和氨抑制。但因为小试发酵装置小，处理的猪粪量少，没有关注进料出料问题，小试得出的结论还不能完全满足工程应用需要。

笔者在课题前期小试[23]的基础上，开展了猪粪连续干式沼气发酵中试试验。通过考察中试试验的运行情况，评估猪粪干式沼气发酵在工程上大规模推广应用的可行性，获得相关工艺参数，为工程推广应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验用的干发酵装置的主体部分为自制的钢制卧式反应器，长3.5 m，宽1.5 m，高1.8 m，总容积9.45 m3，有效容积5.25 m3(见图1)。反应器采用前端进料后端出料的方式进出料。进料口有螺旋推进器，将猪粪螺旋式推入反应器。出料口与主发酵间设置一下插式挡板，用于防止沼气随出料逸出，发酵残余物超过溢流口后自动溢出。同时，在发酵间一侧设置2个卧式桨叶搅拌器，用于发酵物料的混合以及往出料口推进。发酵装置连接1个钢制湿式储气柜，有效容积2 m3，用于收集、储存发酵产生的沼气。在储气柜与用户之间设膜式燃气表，用于记录沼气产量。

1.2 猪粪和接种污泥

试验用猪粪取自乐山市区周边小型养猪场，该猪场为繁殖-育肥猪场，存栏猪约2000头。试验稳定时，猪粪通过小型卡车直接从猪场运至中试现场，加入干发酵反应器内，设计每周进料约350 kg，实际进料由于假期、猪场粪便量等原因与设计进料量有所不同。接种污泥取自当地户用沼气池的底层厌氧污泥。

图1 猪粪干式沼气发酵装置示意图

1.3 试验方法

猪粪干式沼气发酵中试现场位于四川省乐山市。试验采用半连续进料的方式每周固定时间进料一次，在常温条件下进行。在启动初期，向反应器内投加反应器总容积1/3的厌氧污泥，然后逐渐加入鲜猪粪至出料口的高度后，开始收集沼气。在稳定产气后，每天记录沼气产量，每月测试沼气成分1次。每月取新鲜猪粪以及出料口的发酵残余物，用于理化指标的测试。

1.4 分析方法

沼气产量采用膜式燃气表(SC300，重庆市山城燃气设备有限公司)测试，沼气成分采用便携式沼气成分分析仪(BIOGAS 5000，Geotechnical Instruments(UK) Ltd)测定，试验温度由查阅气象资料获得。实验室测试新鲜猪粪、发酵残余物的理化指标包括TS，VS，pH值，氨氮。其中，TS和VS采用重量法测定：将样品先在(105℃±2℃)的恒温干燥箱(ZXRD-A5110，上海智城分析仪器制造有限公司)内干燥至恒重，称重获得TS； 然后置于箱式高温炉(KSL-1100X，合肥科晶材料技术有限公司)中经(550℃±20℃)焚烧，冷制恒重，经换算得到VS。pH值通过pH计(PHS-3C，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定。氨氮采用凯氏定氮仪(KDN-103F，上海纤检仪器有限公司)测定。

2 结果与讨论

2.1 猪粪处理量

正常产气后持续12个月的猪粪进料量及进料猪粪的相关指标如表1所示。从中看出，猪粪的进料量随月份的波动大，一般在900～1200 kg的范围内变动， 5月，11月进料量较高； 12月～次年3月的进料量明显下降，因为这几个月历经元旦、春节、元宵等传统节日，管理人员未能按要求进料，导致进料量严重偏少。同时存在每月的进料次数不同的客观现象，使得进料量出现了波动。进料猪粪的TS值一般为23%～30%，VS/ TS为71%～83%，均与陈广银[24]等的结果相当，只是TS在4月和5月里出现了较低值。经调查知道，这由当月猪所食用的饲料变化导致进料TS明显变小所致。根据进料量、猪粪TS含量计算可得装置的容积负荷，从表1可见，容积负荷在0.29～2.44 kgTS·m-3d-1内波动，波动趋势与进料量的波动趋势一致。

表1 每月进料猪粪的相关指标

2.2 产气性能

图2是月累积沼气产量、月平均温度随月份的变化。由图2可知，月累积产气量随月份的变化相当明显。而这一变化趋势与平均温度随月份的变化趋势大致相同。具体表现为：温度越高，月累计产气量越大。最大月累积产气量为2015年6月的51.54 m3，是最小值(5.84 m3，2016年2月)的将近9倍。在四川乐山，6月平均气温为26℃； 2月平均气温为11.5℃。不管是湿式沼气发酵还是干式沼气发酵，温度作为沼气发酵过程的重要影响因素[25]，主要是通过影响微生物的增值以及酶的活性来发挥作用[26]。根据Deng et al[27]温度对猪场废水厌氧消化的定量影响关系式，当发酵温度从11.5℃增大到26℃时，容积产气率应增大约13.6倍，计算的增大倍数与干发酵实际增大倍数的不同可能是因为发酵原料TS含量、进料负荷的差异。

图2 产气量、温度随月份的变化

表2是所产沼气的成分中CH4含量(%), CO2含量(%)随月份的变化。从整体趋势看，11月～次年5月沼气中CH4含量都在53%以上。尽管2月的CH4和CO2含量出现异常，仍然可以看出2月和3月沼气中甲烷含量低。CH4和CO2是厌氧消化产沼气的主要气体成分, 同时两种气体的含量值也反映了厌氧消化整体的产气性能。当CH4和CO2的含量都处于较低值时，可以认为测试过程中混入了空气。2016年2月可能是这种情况。在接下来的2016年3月，进料量从200 kg增加至934 kg，结果CH4含量仍低于53%的正常值，而CO2含量却升高至60.6%的异常高值，有可能是温度低、短时间内增加负荷，产酸菌大量繁殖而快速产酸，但产甲烷菌的繁殖速度却较慢而来不及消耗产生的酸[28]，最终整个干发酵体系出现了酸化。

表2 沼气成分随月份的变化 (%)

由于猪粪处理量、发酵装置等的不同，单纯的产气量不能客观地衡量干发酵的产气性能。容积产气率、原料产气率正好弥补了这一不足。图3为干发酵中试容积产气率、原料产气率随月份的变化。可见，在有效监测的12个月里，前6月的容积产气率均在0.18 m3·m-3d-1之上，最大值是2015年6月的0.317 m3·m-3d-1； 而在后6月里，容积产气率普遍偏小，最小值甚至只有0.036 m3·m-3d-1(2016年2月)。从中看出，不同的容积产气率是不同月份存在的明显的温度差导致的。相比于刘刚金[21]等在室温25℃下猪粪干发酵小试里的0.83 m3·m-3d-1，本次猪粪干发酵中试的容积产气率明显偏小。再将每月的猪粪进料量考虑进来，即可得到每月的原料产气率。此次中试的原料产气率最大为0.17 m3·kg-1TS(2016年1月)，最小为0.058 m3·kg-1TS(2016年3月)。这样的原料产气率也明显低于陈闯[29]在TS=25%，T=25℃±2℃下的0.432 m3·kg-1TS。

从衡量猪粪干发酵中试的产气性能的各种指标，以及各指标随月份的变化趋势看出，此次中试产气效率低，同时产气不稳定，主要是因为没有升温保温。

图3 容积产气率、原料产气率随月份的变化

2.3 进出料的TS，VS及TS，VS的去除

图4是每月进出料TS浓度及TS的去除率随月份的变化趋势。由图可知，出料TS浓度随进料TS浓度而变化，而中试的TS去除率在6%～30%的范围内波动(其中2016年5月的TS去除率为-3.2%，这由当月进料TS低，以及出料TS浓度的延时采样导致)。可见，猪粪干发酵中试的TS去除率低于Chen[23]的46.5%。试验温度的不同可能是主要原因。此次中试的平均温度为19.1℃，低于Chen选取的20℃(对应于TS去除率为46.5%的温度)。而温度对沼气发酵的影响重大，因而导致TS的降解率更高。由较低的TS转化率看出，该猪粪干发酵的处理效率不高。

图4 进出料TS及TS的去除率随月份的变化

固体废弃物对环境的污染常用有机物含量表示，而所有有机物均为挥发性物质，因而挥发性固体(VS)可用于表征猪粪中有机物含量。图5为进出料VS及VS的去除率随月份的变化趋势。从图中看出，VS去除率在5%～20%的范围内波动。可见，VS去除率偏小，偏小的VS去除率主要分布在1月和5月。去除的VS主要用去产生沼气。因此，VS去除率也是间接反映沼气产率的指标。综合来看，2106年1月的较低的VS去除率主要反映在干发酵温度偏低，而2016年5月的低VS去除率主要反映在当月的猪粪进料量为历史最高值，厌氧微生物不能及时处理超负荷的有机物。

图5 进出料VS及VS的去除率随月份地变化

出料难是猪粪连续干式沼气发酵工艺的制约因素之一[29]，直接决定该工艺能否在工程上顺利推广应用[30]。出料难的主要原因是干发酵物料流动性差，而物料TS浓度是影响流动性的主要因素之一[31]。该猪粪干发酵装置是依靠进料口处螺旋推进器和重力作用进料，因此不存在进料难的问题。出料靠重力作用溢流，没有机械辅助设备。在长达一年的中试过程中，出料口没有出现出料难的问题。而Chen指出[23]，当出料TS高于21.07%后，反应器不能顺利出料。此次中试中，出料TS的最高浓度达到22.4%，但是仍然能顺利出料。主要原因可能是，中试装置的出料口尺寸(长500 mm，宽500 mm)显著大于Chen等的出料口孔径(20 mm)。

2.4 pH值和氨氮的变化

厌氧消化过程中物料的pH值是酸碱平衡，CO2溶解-析出平衡、其它物质的溶解平衡等共同作用的结果，常用于表征厌氧消化过程的稳定性[32]。图6反映了出料pH值随月份的变化趋势。可以看出，出料pH值在7.7～8.5的范围内变动，表明整个猪粪干发酵中试体系的pH值比较稳定。同时，pH值与上述平衡的关系具体表现在，pH值随着有机酸浓度的增加或氨的浓度的减少而降低，有机酸和氨在体系中也会相互制约[33]。

图6也包含了出料氨氮浓度随月份的变化趋势。可见，出料氨氮的浓度也是比较稳定(在1800～2600 mg·L-1的范围内波动)。氨抑制是制约干式沼气发酵过程及稳定性的又一关键因素[34]。游离氨被认为是氨抑制的主要原因[35-36]。具体表现在疏水性的氨分子可以以被动扩散的方式通过细胞膜，进而导致质子失衡或钾缺乏[37]。由于接种条件、原料、试验条件、试验环境等的不同[23]，不同的研究人员得出的氨抑制的游离氨的浓度存在明显的差异。抑制浓度可以从最小的50 mg·L-1[38]，到接种经过长时间驯化后的污泥发生氨抑制的1100 mg·L-1[39]。此次中试不同月份的游离氨浓度由式1计算[39]，并作图于图7。

(1)

式中： [NH3]为发酵液中游离氨的浓度，mg·L-1； [TNH3]为发酵液中总氨氮浓度，mg·L-1； pH值为反应体系中测得的pH值；T(K)为反应体系温度，试验T(K)=(273.15℃+T)。

图7 游离氨随月份的变化

图7表明，在12个月的统计时间里，只有7，8，9这3个月的游离氨浓度稍大(在200 mg·L-1以上)，但仍远小于1100 mg·L-1。同时，由该计算公式的结构可知，在温度和总氨氮浓度相同的条件下，pH值变化0.1将导致游离氨浓度变化25%。图2显示，这3月的pH值普遍高于其它月份的pH值。同时，这3月的累积沼气产气量均高于月均产气量(26.0 m3·m-1)。可以认为，该猪粪干式沼气发酵中试系统并没有发生氨抑制。

3 结论

针对猪粪连续干式沼气发酵工程应用是否可行的问题，采用自行设计的钢制卧式反应器，在常温下进行了连续干式沼气发酵中试试验，通过试验运行结果分析，可以得出以下结论。

(1)猪粪连续干式沼气发酵在中试条件下能够正常产气，且产气量随温度变化的影响大，产气不稳定，大多数月份甲烷含量在稳定在53%以上。

(2) 猪粪连续干式沼气发酵中试出料浓度在22.4%以下，不存在进出料难的问题。

(3) 猪粪连续干式沼气发酵pH值稳定在7.8～8.5之间，游离氨浓度在400 mg·L-1以下,没有发生酸和氨抑制。

(4) 在常温下干式沼气发酵中试试验的容积产气率只有0.162 m3·m-3d-1，产气效率低。为了提高产气效率，在以后中试或工程应用中，最好能加热保温，维持较高并稳定的发酵温度。

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A Pilot Experiment of Dry Fermentation of Swine Waste for Biogas Production /

XU Ze, DENG Liang-wei, WANG Shen, WANG Zhi-yong /

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China)

The development of pig breeding produces a large number of swine manure, dry fermentation of swine manure for biogas production have advantages of non-dilution, less slurry, and easy of field utilization. Based on previous lab-scale trial, a pilot-scale experiment of continuous dry fermentation of swine manure was carried out for up to 12 months. Parameters of daily biogas production, biogas constituent, TS, VS, pH, ammonia nitrogen were monitored. The result showed that the pilot-scale dry fermentation could operate normally producing biogas, feeding and discharging were basically smooth, methane content stabilized at around 54%, the average volumetric biogas production rate was 0.162 m3·m-3d-1, the average biogas yield based on TS was 0.112 m3·kg-1, pH were between 7.8 ～ 8.5, the concentration of free ammonia was below 400 mg·L-1, there was no inhibition of ammonia basically, and so having the potential of the popularization and engineering application. But this pilot-scale system had the low and unstable biogas production efficiency because there’s no insulation for the system.

swine manure; dry fermentation; pilot-scale experiment; volumetric biogas production rate; ammonia inhibition

2016-08-31

项目来源： 国家自然科学基金(31572450)； 国家生猪技术产业体系(CARS-36-10B)

徐 则(1991-)，男，湖北天门市人，硕士，主要从事农业固体废弃物研究工作，E-mail:xuzepl@163.com

邓良伟，E-mail:dengliangwei@caas.cn

S216.4; X73

A

1000-1166(2016)06-0003-06