添加活性炭的猪粪厌氧干发酵研究

郑 盼, 尹 芳, 张无敌, 赵兴玲, 吴 凯, 王昌梅, 柳 静, 杨 红

(云南师范大学， 云南 昆明 650500)

随着近几十年来我国民众生活水平的提升和膳食结构的改善，人们对肉类的需求也是逐年上升[1]。据统计，2015年，全国生猪出栏量达到70825万头，猪肉产量达5487万吨[2]。而我国受居民消费习惯影响，肉类消费以猪肉消费为主体，2000年～2014 年猪肉消费占肉类消费保持在 65%左右[3]。猪粪日排放系数为2.20～4.25 kg·d-1[4-5]，由于猪的养殖量比例大[6]，因此，其粪便排放总量大，产量达到 40 亿吨，其数量在几种畜禽粪便中居于首位[7]。因此，猪粪的合理利用与处置对于改善环境质量、促进生猪乃至整个畜禽养殖业健康发展具有重要意义[8]。而对猪粪进行厌氧发酵处理，不仅能解决畜禽粪便的污染问题，而且还能生产沼气可供使用[9]，沼液沼渣可还田替代化肥，因此厌氧发酵工艺被广泛应用与畜禽粪便的处理上。

我国目前广泛应用的是湿式发酵，而随着社会的不断进步和环境问题的日益严重，湿式发酵的一些问题也是逐步的被发现，比如：湿式发酵后残留物的二次污染问题；沼液沼渣还田的污染问题；水资源的浪费等问题。与湿式发酵相比，干式发酵反应体系中总固体(TS)含量达到20%～30%[10]，具有沼渣沼液浓度高，数量少，容易利用等优点，近年在国外受到了广泛关注[11-12]。但同时厌氧干发酵在启动运行时也有一些难题，比如：易酸化、启动慢、产气不稳定等缺点。从国外厌氧消化的发展历史来看，干式发酵逐步取代湿式发酵是必然的趋势。而国内目前对厌氧干发酵的研究还是较少的，对提高厌氧干发酵的产气效率的研究更是少见。笔者以干式发酵为主要研究对象，探究添加活性炭对提高猪粪干发酵产气效率的效果和研究活性炭的添加量对提高猪粪干发酵的产气效果的影响，为工程上畜禽粪便的厌氧干发酵处理提供更好的方法。

1 材料与方法

1.1 实验材料

厌氧干发酵的猪粪取自昆明市附近的生猪养殖场；接种物为实验室驯化的猪粪接种物；活性炭(西陇化工股份有限公司)。材料的基本性质见表1。

表1 原料及接种物的基本性质 (%)

1.2 实验装置

厌氧干发酵的装置是常规的500 mL的批量式发酵装置。

1.3 实验方法

为了提高厌氧干发酵的产气效率和探究活性炭的添加量对猪粪干发酵的影响，设计4个实验组和4个对照组，每组设4个平行，在发酵浓度为20%左右，中温(37℃±0.5℃)水浴下进行为期35 d的厌氧发酵。4个实验组分别添加0 g活性炭，发酵干物质1%的活性炭，发酵干物质5%的活性炭和发酵干物质10%的活性炭，具体的实验设计如表2所示。

表2 实验设计

1.4 分析项目及方法

(1)总固体(TS)含量：烘干法(将样品在 105℃±2℃下烘至恒重，计算样品除水分后干物质的质量分数)[13]。

(2)挥发性固体(VS)含量：烘干法(将 TS 测定后恒重的总固体在 550℃±20℃下烧至恒重，计算挥发性物质的质量分数)[13]。

(3)产气量：采用排水集气法测定[14]，由于试验开始前几天产气量比较大，所以启动后的第1个星期每隔半天记录产气量，而后每天记录一次即可。

(4)甲烷含量：用气相色谱仪(福立GC9700Ⅱ型)测定。

(5)pH值：用精密试纸测量(6.4～8.0)。

2 结果与分析

2.1 日产气量的对比分析

由图1可知，未添加活性炭(活性炭+发酵干物质的0%)的猪粪干发酵日产气量变化可以分为3个阶段。第1阶段为第1～21天，在第1天产气337 mL后，从第2～21天的产气量保持相对平缓，平均日产气量为90 mL；第2阶段为第22～44天，日产气量较第1阶段略有上升，平均日产气量上升为223 mL；第3阶段则是第45天至产气结束，从第45天后开始进入一个产气高峰期，在第61天日产气量达到最大值为610 mL,随后产气开始下滑直至结束。

添加0.8 g活性炭(活性炭+发酵干物质的1%)的猪粪干发酵实验，日产气量的变化与未添加活性炭组基本相似，同样在第1～21天产气比较平缓，平均日产气量为170 mL，第22～44天期间日产气量有所上升，平均日产气量达到305 mL，第45天后开始进入产气高峰期，在第62天达到日产气量最大值为545 mL，此后产气逐步下降至结束。

添加4.0 g活性炭(活性炭+发酵干物质的5%)的猪粪干发酵实验，在第1～24天为第1个产气高峰期，在第17天到达日产气量的峰值为700 mL,随后产气逐步下滑至第24天，在第25天后产气又开始逐步上升至第42天达到日产气量的第2个峰值为673 mL，而后产气逐渐下降至产气结束。

添加8.0 g活性炭(活性炭+发酵干物质的10%)的猪粪干发酵实验，在第1～18天为产气高峰期，日产气量在第10天达到峰值为833 mL，随后日产气量逐步下滑，在第19～42天产气比较平稳，期间平均日产气量为405 mL，此后日产气量逐渐下滑至产气结束。

图1 日产气量变化曲线

2.2 甲烷含量的对比分析

由图2可知，未添加活性炭的试验组在产气的第2天，甲烷含量为29.3%，随后甲烷含量逐渐上升，并且一直保持在50%左右，平均甲烷含量为51.24%；添加发酵干物质量的1%的活性炭试验组，在开始产气第2天的甲烷含量为33.9%，而后甲烷含量上升至50%以上，并且始终保持在50%左右，平均甲烷含量为52.08%；添加发酵干物质量的5%的活性炭试验组，开始产气第2天的甲烷含量就达到46.7%，随后甲烷含量一直保持在50%以上直至第53天，第53天后甲烷含量开始下降，平均甲烷含量为51.87%；添加发酵干物质量的10%的活性炭试验组，开始产气第2天的甲烷含量达到45%，在第2～42天所产沼气的甲烷含量一直保持在55%左右，随后甲烷含量开始下降，所产沼气的甲烷含量是51.55%。所有实验组所产沼气的甲烷含量均在50%以上，沼气品质较好。

图2 甲烷含量变化曲线

2.3 累积总产气量的对比分析

由图3可知，添加干物质量5%的活性炭实验组沼气总产量最高为24454 mL，其次为添加干物质量10%的活性炭实验组，沼气总产量为22835 mL，而未添加活性炭实验组和添加干物质量1%的活性炭实验组所产沼气总量相差无几，分别为21742 mL和21760 mL。

图3 累积沼气产量曲线

各个实验组累计沼气产量占总产气量的百分比如表3所示。

表3 累计产气量占总产气量百分比 (%)

由表3可知，未添加活性炭实验组在第44～72天内累计产气量增长最快，此期间为其实验组的产气高峰；添加干物质量1%的活性炭实验组在第44～64天内沼气累计产量增长最快，故第44～64天为此实验组的产气高峰期；添加干物质量5%的活性炭实验组在第12～44天累计沼气产量增长最快，为其产气高峰期；添加干物质量10%的活性炭实验组在第4～40天累计沼气产量增长速度最快，故此时间段为其实验组的产气高峰期。对比4组实验的产气高峰期可得，添加活性炭实验组的产气高峰期要早于未添加活性炭的实验组，而活性炭添加量越多，产气的高峰期越早。

若将累计产气量达到总产气量80%的时间设为其实验的HRT可得，未添加活性炭实验的HRT为66 d左右；添加干物质量1%的活性炭实验的HRT为58 d左右；添加干物质量5%的活性炭实验的HRT为42 d左右；添加干物质量10%的活性炭实验的HRT为35 d左右。添加活性炭有利于缩短猪粪干发酵的HRT，并且随着活性炭添加量的增加，其猪粪干发酵的HRT也会越来越短。

2.4 产气效率比较

各个实验组的各项参数如表4所示。

表4 各组实验的参数比较

添加8 g活性炭(发酵干物质的10%)的试验组，添加4g活性炭(发酵干物质的5%)的试验组，添加0.8 g活性炭(发酵干物质的1%)的试验组和不添加活性炭的试验组的TS产气量分别为411 mL·g-1，440 mL·g-1，392 mL·g-1和391 mL·g-1。从表4中各项参数比对，添加干物质量5%的活性炭实验组和添加干物质10%的活性炭实验组的各项参数均要优于未添加活性炭实验组，而添加干物质量1%的活性炭实验组与未添加活性炭组的各项参数相差不大；且添加干物质量5%的活性炭实验组各项参数最佳，发酵产气效率最高。故当活性炭添加量达到一定量时，是有利于提高猪粪厌氧干发酵产气效果，且并不是活性炭的添加量越多越好。

3 结论

(1)当活性炭添加量达到一定量时，是有利于提高猪粪厌氧干发酵产气效果。添加量过小时，影响并不明显，但并不是活性炭的添加量越多越好，活性炭的添加量为发酵体系干物质量的5%时产气效果最佳。

(2)添加发酵体系干物质量0%，1%，5%和10%的活性炭实验组HRT分别为66 d，58 d，42 d和35 d，添加活性炭实验组的HRT均要比未添加活性炭实验组的HRT低，添加活性炭可以使猪粪干发酵的产气高峰期提前，从而缩短猪粪干发酵的HRT；活性炭的添加量越多，产气高峰期就越早，HRT就越短。

[1] 崔 敏.高压水对猪肉凝胶品质的影响研究[D].安徽：合肥工业大学，2007.

[2] 中国畜牧业协会猪业分会.2015中国猪业发展报告[J].四川畜牧兽医，2016(7)：311.

[4] 张 震，司友斌，谷勋刚，等.巢湖流域规模化养殖场畜禽粪便污染负荷研究—以居巢区为例[J].安徽农业科学，2009，37(15)：7159-7161.

[5] 张 田，卜美东，耿 维.中国畜禽粪便污染现状及产沼气潜力[J].生态学杂志，2012，31(5)：1241-1249

[6] 王方浩，马文奇，窦争霞，等.中国畜禽粪便产生量估算及环境效应[J].中国环境科学，2006，26(5)：614-617.

[7] 阎波杰，赵春江，潘瑜春，等.大兴区农用地畜禽粪便氮负荷估算及污染风险评价[J].环境科学，2010，31(2)：437-443.

[8] 万大娟，苏文幸，许振成，等.水稻田对猪粪的最大消纳能力研究[J].环境科学研究，2013，26(10)：1118-1125.

[9] 黎运红.畜禽粪便资源化利用潜力研究[D].湖北：华中农业大学，2015.

[10] 汪国刚，郑良灿，刘庆玉.沼气干式厌氧发酵技术研究[J].环境保护与循环经济，2014(12)：48-52.

[11] De Baere L.Anaerobic digestion of solid waste：state-of- the-art[J].Water science and technology，2000，41(3) ：283-290.

[12] Kuroshima M，Misaki T，Ishibashi T.Dry anaerobictreatment of livestock waste together with municipal solidwaste[G]// In: Proceedings of 9th World Congress，Ant-werpen，Belgium (Velse AFM，Verstratete WH ed.) ，2001，1：375-380.

[13] 张无敌，宋洪川，尹 芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[14] 刘荣厚，郝元元，武丽娟.温度条件对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响[J].可再生能源，2006(5) ：32-35.