4种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特性研究

中国生态农业学报 2010 年 5 月 第 18 卷 第 3 期 Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2010, 18(3): 632636 珠江三角洲集约化农田循环高效生产技术集成专题 * 国家科技支撑计划项目(2007BAD89B14)资助 * 通讯作者: 俤廖新(1968), 男, 博士, 教授, 主要从事家畜生态学研究。E-mail: 史金才(1982), 男, 硕士, 主要从事家畜生态学研究。E-mail: 收稿日期: 2010-01-12 接受日期: 2010-03-18 DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00632 4 种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特性研究* 史金才 廖新俤* 吴银宝 (华南农业大学动物科学学院 广州 510642) 摘 要 本文采用玻璃厌氧发酵罐研究了猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪在室温下发酵 20 d 过程中产甲烷气量及其 受物料特性影响的规律, 为动物废弃物的资源化利用提供指导。研究表明, 在同等条件下猪粪、牛粪、鸡粪和 鸭粪经过 20 d 的厌氧发酵后, 总产气量从大到小排序为牛粪鸭粪猪粪鸡粪, 分别为 2 649 mL、2 515 mL、 1 964 mL、1 278 mL; 与总产气量排序相似, 上述粪便厌氧发酵总固体物质降解产气率分别为 47.60 mLg1、 45.23 mLg1、37.27 mLg1和 33.49 mLg1。猪粪在厌氧发酵过程中易发生酸化, 第 10 d 发酵液 pH 降到 5.62, 从而导致产气量下降; 鸡粪在厌氧发酵过程中铵态氮含量过高, 发酵液铵态氮含量在前 5 d 就快速增长, 第 15 d 达到最大值 3 604 mgL1, 从而抑制产气。可见, 源于物料自身的 pH 和铵态氮含量变化是影响畜禽 粪便发酵液厌氧产气的重要因素。 关键词 畜禽粪便 厌氧发酵 甲烷 pH 铵态氮 中图分类号: X713 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)03-0632-05 Methane generation during anaerobic fermentation of four livestock slurries SHI Jin-Cai, LIAO Xin-Di, WU Yin-Bao (College of Animal Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract In order to promote livestock slurry recycling, the characteristics of methane generation from pig manure, cow dung, chicken dung and duck dropping during anaerobic fermentation were analyzed by using glass anaerobic fermentation equipment. On specific dates, the methane volume, pH and ammonia nitrogen content of fermentation liquid were measured within 20 days. The results show that after 20 days fermentation, total generated methane from cow dung, duck dropping, pig manure, chicken dung is respectively 2 649 mL, 2 515 mL, 1 964 mL and 1 278 mL. The volume of methane generated from per unit total solids is respec- tively 47.60 mLg1, 45.23 mLg1, 37.27 mLg1and 33.49 mLg1. Pig manure prone to acidification during anaerobic fer- mentation, pH of fermentation liquid decreases to 5.62 at the first 10 days, thereby reducing methane generation. For the chicken manure under anaerobic condition, methane generation weakens with increasing ammonia nitrogen. It is therefore concluded that both pH and ammonia nitrogen soured by fermentation of raw materials are the key factors influencing methane generation of livestock slurries. Key words Livestock slurry, Anaerobic fermentation, Methane, pH, Ammonia nitrogen (Received Jan. 12, 2010; accepted March 18, 2010) 随着畜牧业的发展, 资源化利用畜禽粪便污水 对改善生态环境、实现资源循环利用具有重大的现 实意义和战略意义。畜禽粪便污水经过沼气发酵, 不仅能解决环境卫生问题, 而且能回收能源1。 近年 来国内外十分重视生物质能开发与研究, 国内对不 同发酵底物的产气潜力研究也逐渐增多, 如蔬菜废 物2和农作物秸秆3的产气潜力研究。 曾波等4报道, 每头(只)泌乳奶牛、猪、家禽年粪尿排泄物甲烷产量 分别为 21.0 kg、3.3 kg 和 0.26 kg。传统鸭的养殖方 式以水养为主, 所以未见鸭粪厌氧产气的相关报 道。影响厌氧消化的因素包括沼气细菌、发酵原料、 温度、pH、发酵浓度和毒性物质56。以往研究侧重 第3期 史金才等: 4 种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷特性研究 633 单一因素对厌氧发酵的影响, 不同畜禽粪便有机质 和氮含量差异对沼气发酵进程影响的研究较少 见78。 本研究拟通过比较 4 种不同畜禽粪便的厌氧 发酵试验, 探讨粪便中有机质和氮含量对厌氧发酵 过程的影响以及鸭粪厌氧产气的特性, 为不同畜禽 粪便资源化利用提供依据。 1 材料与方法 1.1 畜禽粪便及其来源 试验用猪粪采自广东省增城市中新镇广三保增 城种猪场, 牛粪和鸡粪分别采自华南农业大学奶牛 场和鸡场, 鸭粪采自广东省佛山市三水区联科畜禽 良种繁育场(鸭场), 粪样成分见表 1。样品采回后风 干去杂粉碎过 40 目筛后用于试验。 1.2 厌氧发酵装置 厌氧发酵装置由发酵罐、吸收瓶和集液瓶组成 (图 1)。发酵罐为有效容积为 1 000 mL 的特殊 3 口 玻璃烧瓶, 3 个出口均用橡胶塞封口, 顶部出口为输 气口, 两侧出口用于取发酵液样; 吸收瓶为 500 mL 广口瓶; 集液瓶为 250 mL 的试剂瓶, 排水取气法。 不同容器间橡胶管连接。 表 1 试验用畜禽粪便样品成分 Tab. 1 Compositions of livestock slurries used in the experiment 畜禽粪便 Livestock slurry 全氮 Total nitrogen (gkg1) 全磷 Total phosphorus (gkg1) 全钾 Total potassium (gkg1) 挥发性固体 Volatile solid (%) 有效氮 Available nitrogen (gkg1) 有机质 Organic matter (gkg1) 猪粪 Pig manure 25.560.08 19.390.41 11.690.02 721 0.980.01 61010 牛粪 Cow dung 17.750.44 5.470.24 8.560.28 801 0.130.01 75010 鸡粪 Chicken dung 35.401.30 17.100.06 17.220.38 691 0.660.01 51020 鸭粪 Duck dropping 8.460.21 10.600.04 14.290.04 211 1.300.05 14010 图 1 试验用厌氧发酵装置示意图 Fig. 1 Sketch map of anaerobic fermentation equipment used in the experiment 1.3 试验设计 试验设 4 个处理组和 1 个对照组, 每组 3 个重 复。处理组分别为猪粪发酵液组、牛粪发酵液组、 鸡粪发酵液组和鸭粪发酵液组; 对照组用蒸馏水取 代发酵液。 各组接种液和发酵原料添加量: 处理组为 100 mL 接种液、100 g 原料, 加水至 1 000 mL; 对照组 为 100 mL 接种液, 加水至 1 000 mL。 试验用发酵接 种液取自广东某大型集约化养猪场污水处理站厌氧 池出水, 采集后及运输途中密闭保存, 当天添加至 厌氧反应器中。 发酵启动与运行: 每天上午 8:00 和晚上 20:00 对发酵液进行 2 次人工搅动, 以混匀接种液, 使排 气均匀。试验在室温条件下持续 20 d。 1.4 测定方法 1.4.1 产气量测定 排水法测定甲烷的产气量, 吸 收瓶中装入 0.5 mol L1的 NaOH, 经 NaOH 吸收后 出来的气体, 甲烷浓度为 99.8%910, 甲烷气体将等 体积的 NaOH 溶液置换出吸收瓶外, 根据流出吸收 瓶的 NaOH 溶液体积可得到产生的甲烷气体体积。 试验启动后, 每天 8:00、16:00 和 24:00 分 3 次记录 所收集的气体量, 三者之和为当日所产气体总量, 即日产气量(mLd1), 用于评价试验过程中每日产 气量变化。再根据日产气量计算累积产气量(mL), 累积产气量为各日产气量之和, 用于评价试验过程 中产气量变化趋势。 1.4.2 发酵液测定 试验开始后, 每天用玻璃电极 法(PHS-25)测定发酵液 pH; 同时根据发酵进程每隔 5 d 从发酵罐中取 10 mL 发酵液, 用纳氏试剂分光光 度法11测定发酵液的铵态氮含量。 1.4.3 沼渣测定 试验结束后, 将发酵罐内全部内 容物过滤、晾干, 风干后粉碎过 40 目筛, 待测。总固 体物(TS)用烘干法12测定, TS 降解率为试验前后 TS 的差值占试验前 TS 量的百分比; TS 降解产气率为试 验总产气量除以试验前后 TS 的差值, 单位 mLg1。 2 结果与分析 2.1 4 种粪便发酵过程中产气量比较 不同畜禽粪便日产气量见图 2a。图 2a 可见, 鸡 634 中国生态农业学报 2010 第 18 卷 粪在试验开始后的第 1 d 即开始产气, 启动时间最 短, 并且当天就达到日产气量最大值 504 mL, 之后 迅速降低, 并趋于平稳。猪粪、牛粪和鸭粪在发酵 启动后的第 2 d 开始产气, 然后产气量快速升高, 并 分别在第 4 d、8 d、8 d 达到日产气量最高值, 分别 为 276 mL、250 mL、281 mL; 之后, 缓慢降低。对 照组在第 3 d 开始产气, 但始终产气量小。 图 2b 可见, 对照组在发酵过程中日累积产气曲 线一直呈缓慢增长趋势。处理组中, 猪粪、牛粪和 鸭粪的日累积产气量曲线在第 310 d 间都呈陡增趋 势; 鸡粪日累积产气量在前 10 d 的增长较其他 3 个 处理缓慢, 之后累积产气量曲线基本趋于水平直线, 说明产气基本停止。牛粪在 20 d 发酵过程中产气量 增长率一直趋于平稳, 第 20 d 累计产气量均值达到 所有处理中的最高; 猪粪和鸭粪经过第 210 d 的快 速增长后曲线趋于平稳。猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪 经过 20 d 的厌氧反应后, 总产气量从大到小顺序为: 牛粪鸭粪猪粪鸡粪, 分别为 2 649123.5 mL、 2 515125.0 mL、1 964118.1 mL、1 278263.8 mL, 对照组为 41153.9 mL。 图 2 不同畜禽粪便发酵过程日产气量(a)和累积产气量(b)的变化 Fig. 2 Dynamics of daily methane volume (a) and accumulated methane volume (b) during the anaerobic fermentation of various livestock slurries 2.2 4 种粪便发酵过程中发酵液 pH 的变化 图 3 可见, 牛粪、 鸭粪组在发酵的第 16 d 发酵 液 pH 均呈快速下降趋势, 且均在第 6 d 降到最低点, 分别为 6.80 和 6.17, 其后均缓慢回升, 最后趋于平 稳, 在第 1220 d 期间 pH 维持在 6.80 左右。 猪粪组 发酵液 pH 在发酵的前 10 d 下降较快, 第 10 d pH 达 5.62, 其后趋于平稳, 并在第 1520 d 间有缓慢回升 趋势, 试验结束时猪粪组发酵液 pH 为 5.71。 鸡粪组 发酵液 pH 在发酵的第 12 d 迅速降低, 第 3 d 回升, 之后缓慢减低, 并在第 820 d pH 维持在 6.45 左右。 图 3 不同畜禽粪便发酵过程中发酵液 pH 的变化过程 Fig. 3 Dynamics of pH of anaerobic fermentation liquid during fermentation of various livestock slurries 分析各组发酵液 pH 变化过程可以发现, 猪粪 组发酵液 pH 一直较低, 一般认为 pH 低于 6.4 对产 气会产生不利影响13, 因此, 这可能是造成猪粪组 产气量较低的主要原因之一。 2.3 4 种粪便发酵过程中发酵液铵态氮含量的变化 表 2 表明, 在发酵的前 5 d, 除鸡粪组外, 其他 各处理组发酵液铵态氮含量均呈下降趋势, 猪粪、 牛粪、鸭粪和对照组发酵液铵态氮含量均在第 5 d 达到最低; 之后缓慢升高, 此时各处理组发酵液的 pH也随之有所上升(图3), 试验结束时这4组发酵液 的铵态氮含量分别为 663 mgL1、209 mgL1、 245 mgL1和 51 mgL1。而鸡粪发酵液的铵态氮 含量在前 5 d 就增长快速, 随后增长缓慢至第 15 d 达到最大值, 为 3 604 mgL1, 然后缓慢下降, 在试 验结束时其发酵液铵态氮含量高达 3 441 mgL1。 除牛粪和鸭粪发酵液的铵态氮含量间无显著差异 (P0.05), 发酵过程中其余各组间均有显著差异 (P0.05), 与牛粪和鸭粪均有显著差异(P牛粪猪粪 鸡粪, 除鸭粪和牛粪的顺序相反外, 其余的与总产 气量顺序一致。 不同畜禽粪便的固体物质降解产气率从大到小 是牛粪鸭粪猪粪鸡粪, 与总产气量顺序吻合, 组间差异不显著(P0.05)。 说明各畜禽粪便发酵液物 料降解量与产气量有较强的一致性。 表 2 发酵过程中不同畜禽粪便厌氧发酵液中铵态氮含量的变化 Tab. 2 Changes of ammonia-N contents of anaerobic fermentation liquids during fermentation of various livestock slurries mgL1 发酵时间 Fermentation time (d) 猪粪 Pig manure 牛粪 Cow dung 鸡粪 Chicken dung 鸭粪 Duck dropping 对照 Control 0 85167b 39723c 2 701177a 35037c 533d 5 55488b 1968c 3 426415a 16716c 462d 10 62463b 21210c 3 532358a 21217c 532d 15 649 76b 2099c 3 60437a 23219c 633d 20 66373b 2098c 3 441328a 24510c 512d 同行字母不相同表示处理间差异显著(P0.05). The same below. 表 3 不同畜禽粪便厌氧发酵后 TS 降解率和 TS 降解产气率 Tab. 3 TS degradation rate and methane generation related to TS degradation after anaerobic fermentation of various livestock slurries 项目 Item 猪粪 Pig manure 牛粪 Cow dung 鸡粪 Chicken dung 鸭粪 Duck dropping TS 降解率 TS degradation rate (%) 52.874.13ab56.754.98a 38.073.11b 57.526.26a TS 降解产气率 Methane generation through TS degradation (mLg1) 37.412.49a 47.605.47a 33.495.81a 45.237.02a 3 讨论与结论 厌氧发酵物料的养分组成及其分解产物的特性 在很大程度上影响发酵效率, 甚至控制着发酵过程 的成败, 这可以通过发酵过程产气量和固体物质降 解程度来反映。 发酵液 pH 低于 6.4 对产气会产生不 利影响13, 发酵液铵态氮含量超过 1 700 mgL1可 抑制产气1314。从本研究结果来看, 4 种畜禽粪便厌 氧发酵中, 猪粪发酵液的 pH 低于 6.4, 鸡粪厌氧发 酵液铵态氮含量自始至终都超过 2 000 mgL1, 这 种环境降低了物料的发酵效率, 导致猪粪和鸡粪组 相对低的产气量和固体物质降解率。 牛粪组在第 16 d发酵液pH快速下降, 第6 d降到最低点(6.8), 其后 缓缓回升, 在第 1220 d 维持在 7.0 左右。此结果与 李杰等15报道的牛粪厌氧消化 pH 最低出现在第 3 d(6.7)、第 7 d 达到 7.0 以上相似。牛粪纤维素含量 较高, 水解酸化速度较慢, 发酵液浓度适中, 停留 时间不过长, 可实现稳定快速产气16。 一般认为, 厌氧处理中碳、氮、磷比例应不大 于 1002.50.513。与其他 3 种粪便比较, 猪粪中 磷的比例明显偏高, 这主要与猪饲料磷利用率低有 关, 这是今后研究猪粪厌气发酵抑制因素值得关注 的内容。单纯用畜粪进行沼气发酵, 由于碳氮比例 不合适, 即使能够发酵, 其发酵过程中产气率也不 高, 若能够对碳氮比进行调整, 可以使产气量有显 著提高17, 陈广银等18的研究也证实了这一点。 本试验所用 4 种畜禽粪便中, 鸡粪、猪粪的氮、 磷含量明显高于牛粪19, 猪粪中提取出的无机磷和 总磷含量均显著高于鸭粪20, 盐分含量也是鸡粪 猪粪牛粪21。本试验结果表明, 与其他 3 种粪便比 较, 鸭粪全氮含量最低, 全磷含量明显低于猪粪和 鸡粪, 高于牛粪, 从满足厌氧发酵过程碳、氮、磷比 例需求和 pH、铵态氮环境条件的控制来看, 鸭粪厌 氧发酵具有一定优势。由于针对鸭粪组成特性以及 鸭粪厌氧消化规律的研究报道较少, 在控制厌氧发 酵过程同等条件下, 其产气潜力与其他 3 种粪便的 比较, 有待进一步研究和评价。 以上分析可见, 猪粪在厌氧发酵过程中易发生 酸化, 从而导致产气量下降; 鸡粪在厌氧发酵过程 中因铵态氮含量太高而抑制产气。牛粪和鸭粪虽然 前期产气慢, 但持续时间长, 产气稳定, 不易发生 酸化, 更利于产气。 源于物料自身的 pH 和铵态氮含 量变化是影响不同畜禽粪便发酵液厌氧过程产气的 重要因素, 鸭粪氮、磷含量较低, 厌氧发酵具有优 势。由于源于物料自身固有的特性, 加上铵态氮含 636 中国生态农业学报 2010 第 18 卷 量高在发酵过程难以控制, 因此, 在上述 4 种粪便 中, 鸡粪进行厌氧发酵的适宜性最差。 参考文献 1 Maraseni T N, Maroulis J. 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