固体物浓度温度对农业废弃物厌氧发酵影响研究

邢向欣 张蕾蕾 张重

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

中国作为一个农业大国，农业废弃物产出量每年大约40亿t，其中农作物秸秆产生量约占25%，畜禽粪便产生量约占65%，其它林业废弃物、乡镇生活垃圾及农作物加工废弃物等约占10%[1,2]。从资源经济学上讲，农业废弃物是一种特殊形态的农业资源[3]，高效合理利用这部分资源，对减少污染、改善生态环境、提高能源利用率等具有重要影响。本文对牛粪、鸡粪、玉米秸秆、稻草等4种常见的农业废弃物不同固体物浓度、不同温度条件下的厌氧发酵情况进行了研究，以期为沼气工程提供理论依据，促进农业废弃物的高效利用。

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

试验地点：吉林省农业机械研究院农业废弃物资源化利用试验室。

试验原料：牛粪、稻草。牛粪来源于富家屯养殖户，稻草来源于吉林农大农场。

试验装置：自行设计的沼气发酵装置，主要由恒温水浴锅、发酵瓶、集气瓶、集水瓶等组成。

1.2 试验处理

试验1：温度为35℃，加料重600g，接种物(牛粪25℃密闭驯化10d，固体物浓度为14.91%)30%，粪草比为2∶1，试验周期30d。固体物浓度(TS)分别为8%、12%、14%条件下设2个处理，分别为牛粪处理、牛粪加稻草处理。每个处理设2个重复。

试验2：温度为25℃、30℃、35℃、40℃，加料重600g，接种物(牛粪25℃密闭驯化10d，固体物浓度为14.91%)30%，固体物浓度8%，粪草比为2∶1。试验周期为30d。试验设2个处理，分别为牛粪处理、牛粪加稻草处理。每个处理设2个重复。

1.3 观测项目及测定方法

测定每日产气量，采用水压式集气法，用量筒测量。

2 结果与分析

2.1 不同固体物浓度对沼气发酵的影响

图1为不同固体物浓度牛粪处理沼气的日产气量。从图1可以看出，不同固体物浓度的牛粪处理产气规律大体相似，第6天出现产气高峰，从第7天开始下降，从第8天开始至试验周期结束产气量大体平稳，只有小幅波动。平均日产气量从高到低为牛粪(TS=14%)处理>牛粪(TS=12%)处理>牛粪(TS=8%)处理。

图1 不同固体物浓度牛粪处理的日产气量

图2为不同固体物浓度牛粪加稻草处理沼气日产气量。从图2可以看出，牛粪加稻草处理在不同的固体物浓度条件下日产气规律大体相似，前10d有较大波动，正式产气后持续下降，从第11天开始处在平稳产气期，直到试验结束。不同固体物浓度牛粪加稻草处理发酵的平均日产气量从高到低顺序为牛粪加稻草(TS=14%)>牛粪加稻草(TS=12%)>牛粪加稻草(TS=8%)。

图2 不同固体物浓度牛粪加稻草处理的日产气量

从图3可以看出，不同固体物浓度的牛粪发酵总产气量从高到低顺序为牛粪(TS=14%)>牛粪(TS=12%)>牛粪(TS=8%)，牛粪(TS=14%)处理产气量最高，达4462.33mL，牛粪(TS=8%)处理最低，只有2192.50mL。不同固体物浓度的牛粪加稻草处理发酵的总产气量从高到低顺序为牛粪加稻草(TS=14%)>牛粪加稻草(TS=12%)>牛粪加稻草(TS=8%)。与单纯牛粪处理的产气规律一致，固体物浓度越大产气越多。但不同固体物浓度的牛粪加稻草处理产气量比牛粪处理的高。

图3 不同固体物浓度牛粪处理和牛粪加稻草处理的总产气量

2.2 不同温度对沼气发酵的影响

图4为不同温度牛粪处理的日产气量。从图4可以看出，不同温度条件下牛粪处理的日产气量没有明显的规律，牛粪25℃、30℃处理发动较慢，第4天开始有气体产出，产气量波动较小。牛粪40℃处理从发动开始平均日产气量持续下降，到第6天开始进入较平稳阶段至试验结束。牛粪35℃处理第1天日产气量较高，接着呈下降趋势，第6天日产气量开始上升，第8天有个产气小高峰，接着呈平稳下降趋势，但整个产气周期日产气量都相对较高。

图4 不同温度牛粪处理的日产气量

图5为不同温度牛粪加稻草处理的日产气量。从图5可以看出，各处理之间日产气量没有明显相似规律，牛粪加稻草25℃、30℃处理启动较慢，第5天开始产气，整个试验周期产气平稳，波动不大。牛粪加稻草40℃处理日产气量波动较大，发动开始产气量较高，前10d呈现持续下降态势，从第11天开始进入平稳期，只有小幅波动。牛粪加稻草35℃处理第1天日产气量较高，接着呈下降趋势，第4天日产气量开始上升，第9天有个产气小高峰，接着产气相对较平稳，整体呈下降趋势，但整个产气周期多数天数日产气量都相对较高。

图5 不同温度牛粪加稻草处理的日产气量

从图6可以看出，不同温度牛粪处理总产气量从高到低顺序为牛粪35℃处理>牛粪40℃处理>牛粪30℃处理>牛粪25℃处理，其中牛粪35℃处理总产气量明显高于牛粪40℃处理、牛粪30℃处理和牛粪25℃处理。说明牛粪在25～40℃间，不是温度越高产气量越高，而是存在一个适宜的温度35℃。不同温度牛粪加稻草处理总产气量从高到低顺序为牛粪加稻草35℃处理>牛粪加稻草40℃处理>牛粪加稻草30℃处理>牛粪加稻草25℃处理，其中牛粪加稻草35℃处理总产气量明显高于牛粪加稻草40℃处理、牛粪加稻草30℃处理和牛粪加稻草25℃处理。说明牛粪加稻草在25～40℃，不是温度越高产气量越高，而是存在一个适宜的温度35℃。

图6 不同温度牛粪处理和牛粪加稻草处理的总产气量

3 讨论与结论

在沼气发酵过程中，原料固体物浓度(TS)不仅影响厌氧微生物的生长、繁殖及其活性，而且适当的固体物浓度，更能提高厌氧发酵的产气效率。对于牛粪发酵而言，固体物浓度在8%～14%之间，固体物浓度越高产气量越高。加入稻草的处理，产气规律和纯牛粪处理相似，随着固体物浓度增加产气量上升，说明稻草增加了牛粪的透气性。因此，在牛粪的厌氧发酵中可以适当提高发酵固体物浓度，加入适量的秸秆增加透气性。

温度是影响产气量的重要因素之一，沼气微生物只有在一定的温度条件下才能生长繁殖，进行正常的代谢活动。合理的发酵温度可以使微生物代谢加快，分解原料的速度也相应提高，产气量和产气率都相应增高。综上分析，2个处理产气总量规律相似，存在一个适宜的温度35℃。但在25℃时，加入稻草的牛粪处理总产气量低于纯牛粪处理，说明不是在任何情况下加入稻草都能增加牛粪发酵的沼气产量。