鸡粪厌氧发酵工艺控制条件的研究

裴海林

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130051)

引言

氨抑制是畜禽粪便厌氧发酵运行的一个主要限制性因素[1]。由于鸡粪的碳氮比(C/N)较低，氮含量较高，厌氧发酵过程易造成氨氮积累，对厌氧微生物的代谢产生抑制，厌氧发酵会受到限制[2]。因此，为了防止厌氧发酵受到氨抑制影响，鸡粪沼气发酵的进料浓度不宜过高，并且要有菌种驯化过程。本文通过对发酵物料不同干物质浓度、不同搅拌条件下进行鸡粪厌氧发酵产气测试，确定相对合理的厌氧发酵工艺控制条件。

1 不同干物质浓度对鸡粪厌氧发酵产气量的影响

1.1 实验装置

实验装置为实验组自行设计的恒温水浴厌氧发酵装置(图1)。

图1 恒温水浴厌氧发酵装置

1.2 实验材料

实验所用鸡粪取自长春周边某养鸡场，实验用接种物为发酵3个月以上的沼气池新排出的沼渣。

1.3 实验方法

取鲜鸡粪加入接种物和水，调至不同干物质浓度，在保证接种物加入量、发酵温度、pH值等发酵条件不变的情况下，分别在4种干物质浓度下进行厌氧发酵28d，对日产气量进行测定，做好28d连续产气记录，通过对实验数据的比较分析，确定本工艺沼气发酵的物料干物质浓度。

1.4 实验步骤

1.4.1 备料

取适量鲜鸡粪(干物质含量23.6%)分别加入相当于鸡粪总质量30%的接种物(接种物加入前需事先置于35℃恒温水浴锅中2d，恢复活性)，然后加水调至料液干物质浓度分别为8%、12%、15%和18%，pH值调整为6.8～7.2。

1.4.2 装料

分别取调配好的4种干物质浓度物料装入4个发酵瓶，再做1组平行实验，计算时取2组数据平均值。

1.4.3 封瓶设置温度

密封发酵瓶，连接好集气瓶、集水瓶，并设置发酵温度为35℃，然后进行厌氧发酵28d，做好产气记录。

1.5 产气量的测定

实验中，日产气量采用排水法测量，反应期内每天10∶00用量筒测量集水瓶中水的体积来统计产气量，即日产气量。

1.6 实验数据

根据所得的实验数据绘制了不同干物质浓度下产气情况表(表1)。

表1 不同干物质浓度(TS)下鸡粪厌氧发酵产气情况表

1.7 分析与结论

从表1可以看出，鸡粪在不同干物质浓度下厌氧发酵其产气量差别较大，4组实验比较看出干物质浓度由8%～15%其累计产气量依次增加，其中干物质浓度为15%时产气量最高，容积产气率也最高，为0.631mL/(mL·d)，说明随着干物质浓度的升高能够被产甲烷菌利用的物料越多，有助于提高产气率。干物质浓度18%时产气量最低，是由于发酵物料浓度高，本身鸡粪的氮含量就高，会导致氨氮积累，对厌氧发酵产生抑制，从而影响产气。因此，本实验鸡粪厌氧发酵干物质浓度不宜过高，以15%左右为宜。在工程上鸡粪沼气发酵启动为了防止氨抑制，需要有适应高氨氮浓度的甲烷菌进行厌氧消化协同作用，因此应以鸡粪、猪粪等为发酵原料先进行厌氧发酵启动沼气工程，发酵产气平稳后有足够的厌氧菌再批量加入鸡粪进行厌氧发酵；或者直接以鲜鸡粪为发酵原料，并加入大量长期驯化的接种物来启动沼气发酵，再逐渐提高发酵物料浓度，可有效防止氨抑制对产气的影响。

2 搅拌对鸡粪厌氧发酵产气量的影响

2.1 实验目的

根据不同搅拌条件下鸡粪厌氧发酵产气情况进行对比试验分析，确定搅拌对鸡粪厌氧发酵产气的作用。

2.2 实验装置

实验装置为滁州市蓝宇环保设备制造有限公司制造的10L厌氧消化反应器(图2)，能根据实验需要设定温度，自动控制并维持厌氧消化反应器恒温运行，并能根据实验的设定，自动定时打开和关闭搅拌，且可手动调节搅拌方向和搅拌速度。性能指标：标准工作电源220V/50Hz；温度为室温25～60℃；控温波动范围为±0.5℃；)搅拌功率 90W；搅拌转速8r/min。

图2 10L厌氧消化反应器

2.3 实验材料

实验所用鲜鸡粪取自长春周边某养鸡场，实验用接种物为发酵3个月以上的沼气池新排出的沼渣。

2.4 实验方法

实验设定9组不同的搅拌条件。将9个10L的厌氧发酵反应器进行编号，分别记为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，装入相同成分及体积的料液，设定相同的发酵温度，然后对搅拌时间和搅拌次数进行设定。

A1：每次搅拌时间5min，每天搅拌2次。

B1: 每次搅拌时间10min，每天搅拌2次。

A2: 每次搅拌时间5min，每天搅拌4次。

B2：每次搅拌时间10min，每天搅拌4次。

A3：每次搅拌时间5min，每天搅拌6次。

B3: 每次搅拌时间10min，每天搅拌6次。

C1：每次搅拌时间15min，每天搅拌2次。

C2: 每次搅拌时间15min，每天搅拌4次。

C3：每次搅拌时间15min，每天搅拌6次。

厌氧条件下连续发酵28d，通过对实验数据的比较分析，确定本工艺沼气发酵的每次搅拌时间和搅拌次数。

2.5 实验步骤

2.5.1 备料

备足鲜鸡粪，干物质含量为23.6%。

2.5.2 调配

取适量鸡粪加入相当于鸡粪总质量30%的接种物(接种物加入前事先置于35℃恒温水浴锅中2d，恢复活性)，干物质浓度调为15%，pH值调整为6.8～7.2。

2.5.3 装料

将调配好的物料分别装入9个10L厌氧反应器内。

2.5.4 密封

通过胶管连接好集气箱和排水箱，集气箱贮满水，并封闭好系统各密封处，形成厌氧环境。

2.5.5 设定温度及搅拌进入厌氧发酵状态

发酵温度均设置35℃，开启定时搅拌，每天搅拌次数及每次搅拌时间按实验方法中规定进行设置，设置完成后进入厌氧产气阶段。

2.5.6 排气记录数据

每天定时排气、补水，并记录日产气量。

2.6 产气量的测定

实验中,日产气量采用排水法测量，反应期内每天10∶00用量筒测量集水箱中水的体积来统计产气量，即日产气量。

2.7 试验数据

表2 不同搅拌参数条件下鸡粪厌氧发酵产气情况表

根据所得的实验数据绘制了不同搅拌参数条件下产气情况表(表2)。

2.8 分析与结论

从表2可以看到，B2组，即每天搅拌4次，每次搅拌10min对应的厌氧反应器累计产气量最高，其28d平均容积产气率达到0.762L/(L·d)。同时，从所有实验搅拌组可以看出，每天搅拌4次的搅拌组其对应平均容积产气率也相对较高，说明对于同等时长搅拌组，每天搅拌次数少，不能保证全天各个时间段发酵细菌与发酵原料充分接触，没能达到较好产气效果，因此每天搅拌2次的反应器其产气量都较少；每天搅拌6次比搅拌4次产气量要低，说明搅拌次数过多，则不利于厌氧发酵维持一个相对稳定的平衡状态，影响产甲烷菌的生长繁殖，反而使沼气发酵效率降低，另外过多搅拌还会增加动力消耗。通过实验对比分析认为，鸡粪沼气发酵按每天搅拌4次，每次搅拌10min更利于厌氧发酵产气。