不同温度猪粪厌氧发酵甲烷产量和产能实验

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1、不同温度猪粪厌氧发酵甲烷产量和产能实验魏荣荣;成官文;罗介均;梁凌;朱宗强;徐珊;韦文渊【摘 要】实验分 4 组进行,以猪粪为原料,加入驯化过的接种物,控制总固体浓度为6.6%,发酵温度设置为室温(平均15C),20,35和55C,记录41d产气量通过甲烷含 量的测定和甲烷累计产量、产能的计算,探究猪粪厌氧发酵的最适温度条件.结果表 明,低温不利于甲烷的生产,温度升高能较大幅度地提高甲烷的产量.为了兼顾消化时 间和产能效益，以35C中温条件、31d为发酵周期，对规模较大幅度地的养殖场较为 适宜.20C常温发酵也能得到较高的产能，但发酵周期较长，适合规模小、粪便产量较 少的养殖场对于年均气温接近

2、20C的广大华南地区，农户利用20C常温发酵也能 得到较好的产能效益.要进一步提高厌氧发酵产能,必须改进发酵装置,加强保温隔热 措施,提高输入能量的利用效率,降低发酵散热损耗.期刊名称】农机化研究年(卷),期】2010(032)004【总页数】5页(P170-174) 【关键词】 厌氧发酵;甲烷;温度;能源;猪粪【作 者】 魏荣荣;成官文;罗介均;梁凌;朱宗强;徐珊;韦文渊【作者单位】 桂林理工大学资源与环境工程系,广西,桂林,541004;桂林理工大学资源与环境工程系,广西,桂林,541004;桂林理工大学资源与环境工程系,广西,桂林,541004;桂林理工大学资源与环境工程系,广西,桂林,

3、541004;桂林理工大学广西环境工程与保护评价重点实验室,广西,桂林,541004;桂林理工大学广西环境工程与保护评价重点实验室,广西,桂林,541004;桂林理工大学资源与环境工程系,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】S216.40 引言随着农村经济的发展和农业结构的调整，畜禽养殖已由过去的农户分散养殖过渡为 集中养殖，并大多集中在城市附近1。向城市周边排放大量的畜禽粪便及污水， 使畜禽粪便污染成为突出的环境问题，严重威胁城乡环境质量2；另一方面，畜 禽粪便又是优质的厌氧发酵原料，有效地利用畜禽粪便发酵生产沼气，变废为宝， 实现畜禽粪便的能源化转换，减少化石燃料的消耗。因

4、此，实施畜禽粪便厌氧发酵 对于发展再生能源和保护环境有重大意义。厌氧发酵受到众多因素影响，尤其是受温度影响3-5较大。发酵温度升高，能加 速沼气生产，但维持温度恒定的能耗也大大提升。如何兼顾畜禽粪便消化效率和产 能的关系成为重要的课题。为此，以猪粪为原料展开相关研究，探究畜禽粪便厌氧 发酵的适宜温度条件，以期为养殖企业沼气发酵提供科学指导。1 实验装置及其研究方法1.1 实验装置实验装置为自制的恒温厌氧发酵装置，主要由发酵罐、集气罐和温控系统组成，如图1所示。发酵罐为容积50L的倒置密封塑料桶，底部设置由阀门开关控制的集气管道和沼液取样管道。集气管道通至集气罐，用于沼气产气计量。整个发酵装置

5、放置于木质保温箱内，由温控系统调控，使箱内温度保持恒定。图 1 恒温厌氧发酵装置 Fig.1 Constant temperature anaerobic digestiondevice1.2 实验材料 实验采用鲜猪粪作为发酵原料，以常温发酵沼气池的沼液为接种物，猪粪和沼液均 来源于桂林市七星区花园村养殖场。1.3 实验方法1.3.1 接种物驯化 为了使接种物满足实验要求，以猪粪为驯化底物，通过调整温度对接种物进行不同 温度适应性驯化培养。培养装置编号为1#，2#，3#和4#共4组，各组反应物料 和接种物用量相同，总固体浓度为6.6%，接种物含量为39.2%，原料总质量为25.5kg。驯化温度

6、分别设置为室温(平均15C),20,35和55C,驯化时间为 40d。1.3.2 发酵物料投配 实验采用驯化期相同的4组发酵装置，以猪粪为发酵物料，分别加入相等干物质 量的经驯化过的4组接种物，使各组物料具有相同质量和总固体浓度，原料投配 如表1所示，并在接种物驯化培养相对应的室温,20,35和55C条件下发酵。表1反应器原料投配Tab.1 Material of anaerobic digestion发酵装置原料种类 实投质量/kg折合干质量/kg干固体占总质量比例/%备注1#猪粪7.41.485.8沼液2.30.200.8 清水 15.800 总计 25.51.686.6 猪粪 TS 19

7、.9%沼液 TS 8.6%2#猪粪7.41.485.8 沼液 6.90.200.8 清水 11.200 总计 25.51.686.6 猪粪 TS 19.9%沼液 TS 2.9%3#猪粪 7.41.485.8 沼液 3.10.200.8 清水 15.000 总计 25.51.686.6 猪粪 TS 19.9%沼液 TS 6.5%4#猪粪 7.41.485.8 沼液 10.50.200.8 清水 7.600 总计 25.51.686.6 猪粪 TS 19.9%沼液 TS 1.9%1.3.3 测试项目和方法实验测试的项目：原料与接种物总固体含量(TS)、沼气日产量和甲烷含量。1）TS使用105 11

8、0C烘干重量法测定。2）沼气日产量使用水压式集气法测定。沼气日产量使用医用6L肺活量测定仪 （FLJ-A，常州好德医疗器械厂生产）测定，早中晚各测定1次并记录时间，用24h 累计产气量作为日产气量，再由克拉伯龙方程（Clapyron equation）将各温度组产 气体积换算为98kPa、常温25C条件下的体积，比较沼气产量变化。3）甲烷含量使用色谱法分析。甲烷含量分析使用SP-6890型气相色谱仪（山东鲁 南瑞虹化工仪器有限公司生产）测定。测定条件：色谱柱为不锈钢填充柱，填充碳 分子筛（TDX-01）;柱长为1.5my3mm;柱温为60C;汽化温度为80C;检测 器温度为100C ；载气为氢

9、气；手动进样，进样量为100uL。每4d检测1次，记 录各组甲烷含量。2 结果与分析2.1 不同温度条件猪粪厌氧发酵沼气产量变化 不同温度厌氧发酵沼气产量如图2所示。图 2 日产气量变化 Fig.2 Biogas daily yield at different temperatures由图2可以看出，沼气产量主要集中在反应前期。在反应前20d，温度高产气量 也高，且增长迅速；35C中温组在第3d就进入产气高峰期；55C高温组因投料 温度变化大，产甲烷菌还没有适应高温环境，导致产气时间和产气高峰滞后，显示 温度急骤变化给产甲烷微生物活性带来显著影响6；室温组（平均15C）和20C组 产气量虽然

10、也呈上升趋势，但是增长较为平缓，产气量也明显低于中温和高温组。 各组41d累计产气量如图3所示。图 3 累计产气量变化 Fig.3 Cumulative biogas yield at different temperatures 由图3可以看出：在相同质量发酵原料条件下,55C高温组累计产气量最高，达 到693.4L ；35C中温组次之，达到641.7L ；20C组和室温组分别为471.6L和 294.1L。累计产气量随温度的升高明显升高，说明温度升高能促进发酵微生物生 长，增加微生物活性，从而加速物料复杂有机质的分解7，并产生大量沼气。随 着发酵的进行，不同温度组产气开始不同程度的衰减35

11、C组在反应15d后沼气 产量迅速减少；55C组持续到27d后也开始大幅下降；20C组到36d后才开始降 低；室温组则没有太大变化。可见， 温度对物料消耗时间有影响，温度高，物料 消耗快，发酵周期短。对于大中型已建沼气装置的畜禽养殖场，可以通过适当提高 进料温度和反应温度缩短禽畜粪便的消化周期，提高处理效率。2.2 不同温度条件猪粪厌氧发酵甲烷产量变化 产甲烷菌为极端严格厌氧微生物8，生长繁殖需要严格的厌氧环境。为了减少装 料，启动期混入空气的影响，沼气色谱检测从第9d开始，发酵至41d，共检测8 次，色谱检测出甲烷、二氧化碳和杂质气3种气体，具体结果如表2所示。表2沼气各组分气象色谱检测含量T

12、ab.2 Gas chromatograph test results of biogas component %时间/d 甲烷含量 1#2#3#4#942.7210544.3928047.8659550.418051341.5789046.5986055.01795 58.530101842.4855548.7429059.5204555.440702244.0310054.0094555.323 0550.081952741.6261559.4678053.8579056.439953144.4441062.8741554.5 245558.086853642.8166560.964405

13、3.6855551.757454145.4992060.519705 3.5795048.11575时间/d二氧化碳含量1#2#3#4#937.0783550.4135547.5502037.710201349.3591548.0970035.92305 31.389501845.8223045.0007537.5092532.675052249.7105041.5841539.843 096031.778503656.0274037.4590041.7497037.521604150.5878037.945504 0.6057037.40840时间/d杂质气体含量1#2#3#4#920.20

14、0655.193704.5838511.87170139.061955.304359.0590510.08 0351811.692106.25630 2.9702511.88425226.258554.406404.8330014.79830275.164402.112304.81 7309.42630312.840801.616704.6659010.13470361.559001.576704.5647010 .72100413.913001.534905.8148014.475902.2.1 沼气各组分气象色谱分析从表2 可以看出：1) 低温发酵的1#反应器，沼气中甲烷含量低，说明低温不

15、利于甲烷生产。2) 在发酵前期，温度越高，有机物分解越快，碳源充足，甲烷含量越高；后期因 高温组碳源不足，甲烷含量开始下降，而较低温发酵碳源释放慢。随着反应的进行， 碳源大量释放，产甲烷菌大量繁殖，甲烷含量也开始提升，说明碳源充分与否对产 甲烷有明显影响。3) 二氧化碳含量与甲烷含量相反，温度越高，其含量越低，说明温度高时微生物 能够促进二氧化碳甲烷化。4) 温度在55C时，杂质气体含量明显大于其他温度组。2.2.2 沼气各组分累计产量和产率分析根据表2 沼气各组分含量和图 2 对应的沼气日产量，结合产气趋势计算，得出以31d或41d为发酵周期9的累计甲烷产量、二氧化碳产量、杂质气体产量及其产

16、 率，如表 3 所示。由表 3 可以看出：1) 随着温度的升高，甲烷产率有小幅提升；沼气产量越高，甲烷产量也越高。因 此，温度对甲烷产量有较大影响。2) 发酵进行31d后，室温组,20C,35C和55C组的甲烷产量分别为89.3 ,199.2 , 318.0 和 333.0L，占发酵 41d 各组甲烷产量的 70.4% , 82.2% , 96.0% 和90.1%。可见，温度高，发酵周期短。中温35C发酵31d达到发酵41d甲烷 产量的96%，消化效率高，说明以31d为发酵周期较适宜。3）在提升相同温度的条件下（1535工梯度提高20工，3555工梯度提高20。0, 发酵31d和发酵41d后，

17、3555工梯度的沼气增产率和甲烷增产率分别为 1.3%,4.7%和 8.1%,11.6%，都明显低于 1535C梯度的 196.6%,256.1%和 118.2%,161.2%;而杂质气体两个周期内3555C梯度增产率分别为143.3%和 157.1%，大大超过了 15C35C梯度的29.7%和26.8%。可见，虽然输入相同 能量，温度高的反应组甲烷产量增长明显受到抑制。这主要是因为温度不同，厌氧 微生物菌群代谢产物各异，高温代谢产生杂质气体较多，一方面阻碍了发酵反应的 正向进行;另一方面高温分解原料蛋白质成分产生的氨气等副产物的积累对厌氧菌 有一定的毒害作用10，在一定程度上抑制了厌氧微生物

18、的代谢生长，影响沼气和 甲烷的生产。表3沼气各组分累计产量和产率Tab.3 Cumulative yield and content of biogas component周期/d组别各组分产量甲烷产量/L二氧化碳产量/L杂质气体 产量/L沼气产量/L各组分产率甲烷产率/%二氧化碳产率/%杂质气体产率/%1# 89.395.223.7208.242.945.711.4312#199.2 183.2 20.0 402.449.545.55.03#318.0 268.8 30.7 617.551.543.55.04#333.0 217.6 74.8 625.353.234.812.01# 126.

19、8142.325.0294.143.148.48.5412#242.3208.820.5471.651.444.34.33#331. 2278.831.7641.751.643.44.94#369.7242.281.5693.453.334.911.82.3 不同温度条件猪粪厌氧发酵的产能变化除了室温组自然发酵外,20C组、35C组和55C组需从外界输入能量维持发酵温 度恒定。以31d为发酵周期，能量估算结果如表4所示。表4猪粪厌氧发酵耗能和产能Tab.4 Energy consumption and production during anaerobic digestion of swine

20、 manure kJ组别原料升温能量装置升温能 量散热损失总输入能量甲烷产能净产能1#00003509.493509.492#507.28634.41398.611540.297828.566288.273#20 29.102537.631594.436161.1612497.406336.244#4058.215075.253188.8612 322.3213086.90764.58甲烷产能用纯甲烷燃烧值3.93x107J/m3与甲烷产量换算。从表4可以看出：1) 4#组55工高温发酵的净产能最低，维持高温发酵消耗了相当于发酵产能的 94.2%。虽然高温能有效杀灭寄生虫和大肠杆菌11，但是系

21、统不稳定，维护要求 高，经济效益差。2) 1#组室温发酵没有外加能量和热量损失，但低温发酵启动慢，发酵周期长，产 能低，易受温度波动变化的影响，不适合规模应用。3) 2#组20工常温发酵和3#组35工中温发酵产能较为接近，产能较高。虽然周期 比中温发酵长，但可以满足较小规模畜禽养殖场畜禽粪便的处理和产能要求。对于 年气温相近的华南地区普通农户来说，用常温发酵也能得到较好的产能效益。对于 粪便量大和处理周期要求短的大中型畜禽养殖场要既兼顾粪便处理效率，又能保证 较高的产能利用，以3#组中温发酵比较适宜。4) 外加能量主要用于发酵原料升温、发酵装置升温还有补偿热量散发损耗保持温 度恒定所需的能量，

22、发酵周期越长，散热损失的能量就越多。以 31d 为发酵周期， 外加能量中只有32.9%的能量用于发酵原料升温，用于装置升温和散热损失的能 量占了69.1% ，能量的利用率较低，发酵产能提升潜力大。因此，通过改进发酵 装置和加强保温隔热措施，来提高输入能量的利用效率、降低散热损失，从而进一 步提高禽畜粪便厌氧发酵的产能。3 结论1) 低温不利于甲烷的生产，温度升高能较大提升甲烷的产量。2) 温度对物料消耗时间有影响。温度高，物料消耗快，发酵周期短；但温度越高 产杂质气体也越多，在一定程度上能抑制厌氧微生物的代谢生长，影响沼气和甲烷 的生产，同时热能损耗越大，发酵产能经济性也降低。因此，兼顾消化效

23、率和产能 效益，以35工中温条件、31d为发酵周期进行猪粪厌氧发酵，对规模较大的养殖 场较为适宜；而年均气温接近20工的广大华南地区和较小规模的养殖场利用20工 中温发酵也能得到较好的产能效益。3) 恒温发酵产能与维持发酵装置恒温耗能密切相关，通过改进发酵装置和加强保 温隔热措施，来降低热量损耗，可以进一步提高禽畜粪便厌氧发酵的产能效益。【相关文献】1 张翠丽，李轶冰，卜东升，等牲畜粪便与麦秆混合厌氧发酵的产气量、发酵时间及最优温度J. 应用生态学报，2008，19(8)：1817-1822.2 陈同斌，郑玉琪，高定，等.猪粪好氧堆制不同阶段氧气含量变化特征J.应用生态学报，2004 , 15

24、(11)：2179-2183.3 Buswell A M, Hatfield W D. Laboratory studies of sludge digestion. Miller T L.Anaerobic FermentationsC/Urbana:State of Illinois Department of Registration and Education, 1936.4 Ahri ng B K, Ibrahim A A, Mlade no vska 乙 Effect of temperature in crease from 55C to 65C on performa nee

25、and microbial populati on dyn amics of an an aerobic reactor treati ng cattle manureJ. Water Research, 2001, 35: 2446-2452.5 Kettunen R H, Rinala J A. The effect of low temperature(5-20C)and adaptation on the methanogenic activity of biomassJ. Appl Microbiol Biotechnol, 1997, 48: 570-576.6 Young-Cha

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