厌氧干发酵处理畜禽粪便的影响因子

1、第 28卷 第 3期 2009年 6月 华 中 农 业 大 学 学 报Journal of Huazhong Agr icultural University Vol. 28 No. 3June 2009, 377380厌氧干发酵处理畜禽粪便的影响因子 *艾 平 张衍林 * 袁巧霞 何丽红 翟 红(华中农业大学工程技术学院 , 武汉 430070摘要通过正交试验 , 研究了厌氧干发酵处理畜禽粪 便过程中 , 发酵温度、 发酵 原料的 C/N 比值 和操作方法 (有无搅拌 3个因素的改变对发酵 前后物料的全氮绝对损失率和沼气总 产量的影 响 , 分析 了厌氧干 发酵处理 畜禽粪便过程中速效氮、

2、pH 和总固体含量的变化 , 得到了厌氧干发酵处理的优化工艺条件 :发酵温度 为 55e , C/N 为 12. 5, 有搅拌。关键词 厌氧干发酵 ; 畜禽 ; 粪便中图法分类号 S 141. 2; X 713 文献标识码 A文章编号 100022421(2009 0320377204收稿日期 :2007210209; 修回日期 :2009203218*湖北省科技攻关项目 (2005AA401C15 资助 *通讯作者 . E 2mail:zhangylmail.hzau. edu. cn艾 , . :, E 随着畜禽养殖规模不断扩大 , 产生了畜禽粪便排放对环境的污染问题 , 治理规模化养殖场

3、粪污问 题迫在眉睫 122; 另一方面 , 畜禽粪便的直接排放带 来了有机质的大量流失 , 畜禽粪便可经处理合成肥 料、 饲料 , 还可制取沼气 325。因此 , 畜禽粪便的无害 化处理 , 不仅是养殖企业持续健康发展的需要 , 同时 也可通过综合利用 , 产生经济效益。在处理畜禽粪 便各类处理方法中 , 厌氧干发酵以其处理有机负荷 高 , 运行高效 , 避免发酵产物中液体排放的二次污染 等特点日益受到人们的关注 628。畜禽粪便的厌氧干发酵 , 是直接采用新鲜畜禽 粪便作为发酵原料在发酵设备中进行厌氧发酵 , 无 需添加大量水 , 而发酵后产物的含水量变化不大 , 发 酵完毕之后只需进行简单

4、地脱水干燥即可 , 避免了 湿发酵方式中大量的胶体状发酵液的后处理。厌氧 条件下也可以有效避免好氧发酵中臭气直接排往空 气而产生二次污染的现象。笔者以有效处理畜禽粪 便与合成有机复合肥为目的 , 选择高温 (5055e 厌氧干发酵方式 , 对厌氧干发酵过程中工艺条件的 影响与优化控制进行了探讨。1 材料与方法1. 1 供试材料供试畜禽粪便采自华中农业大学试验养猪场的 鲜猪粪。1. 2 试验因素及指标厌氧发酵过程中 , 发酵条件的控制对发酵质量 影响很大。为保证厌氧发酵的顺利进行 , 首先需要 保证严格的厌氧环境 , 此外重要影响因素还有 :发酵 原料的来源和浓度 , 发酵温度高低及稳定 , 接

5、种物的 成分 , pH 值的调节 , 发酵原料的 C/N 比值 , 搅拌方 法及强度等 9。结合实际条件 , 本试验选取 3个因 素 :发酵温度 , 发酵原料的 C/N 比值 , 搅拌。试验指标 :Ñ. 原料的全氮绝对损失率 (经发酵 前后分别测量原料全氮后计算得到 ; Ò. 发酵过程 中的沼气总产量 ; Ó. 速效氮 ; Ô. pH 值 ; Õ. 总固 体含量。1. 3 试验装置及条件控制发酵装置为 20L 透明玻璃罐 , 上下 2个出口用 橡胶塞密封 , 上端橡胶塞设有出气口 , 下端橡胶塞设 有取样口。试验中 , 发酵罐置于电热干燥箱内

6、, 其环 境温度由电热干燥箱控制。 C/N 比值取 12. 5时 , 发酵原料为 5kg 鲜猪粪 ; C/N 比值为 16. 5时 , 发酵 原料用 3. 75kg 鲜猪粪 , 混入经 7d 堆沤后且均长 为 8mm 的稻草粉 1. 25kg, 加入澄清石 灰水调节 pH 值至 7. 2左右。搅拌通过振荡发酵罐来实现。 发酵原料浓度为鲜猪粪原始浓度 , 接种物为从南阳 酒精厂取回高温低浓度污泥经富集培养驯化得到 , 接种比例 30%。高 温厌 氧发 酵周 期一 般为 1015d 。 试验中每次取发酵周期为 15d 。华 中 农 业 大 学 学 报 第 28卷1. 4正交试验设计用 A 、 B

7、、 C 分别代表发酵温度、 C/N 、 搅拌 3个 因素 , 每个因素设 2个水平 , 选用正交表 L 8(27 进 行试验 10, 共 8组样品。1. 5测定项目与方法全氮采用半微量开氏法测定 ; 速效氮采用半微 量滴定法测定 ; 沼气总产量采用排水法测定 , 其中甲 烷含量用 ZS 22型沼 气成 分分 析仪 测定 ; pH 值 用 PH 2225型 pH 计测定 ; 总固体含量用灼烧法测定。2结果与分析2. 1全氮含量的绝对损失率从高温厌氧发酵第 6天开始取样测定全氮 , 之 后每 2d 测 1次。测定结果表明 , 在 15d 的发酵周 期中 , 全氮含量随时 间延长略有下降 , 但变化

8、 不明 显。 15d 后全氮含量绝对损失率均小于 5%(表 1 , 而好氧堆 肥处理的 全氮绝 对损失 率在 29%以上。 这是因为厌氧发酵在密闭容器中进行 , 使发酵产生 的氨气形成了有机酸的铵盐 , 从而防止了氨气的挥 发 , 减少了氮的损失。统计分析结果表明 , 对全氮含量损失率的主要 影响因素为 C/N 比值和温度 , 交互项中仅有温度与 搅拌的交互项影响较高 , 搅拌项的影响很小。因此 , 优水平为温度 55e 、 不加入稻草、 无搅拌。供试样 品 5满 足 优水 平 组合 , 其 全 氮损 失 率最 小 , 仅 为 1. 18%。表 1全氮绝对损失率Table 1The absol

9、ute lost rate of total nitr ogen样品号 Sample numb erA. 温度 /eT em peratureB . C/N 比值Ratio of carbonto nitrogenC. 是否搅拌Stirring or n ot全氮绝对损失率 /% T otal nitrogen absolu te lost rate15012. 5否 No 3. 10 25012. 5是 Yes 2. 52 35016. 4否 No 4. 37 45016. 4是 Yes 4. 33 55512. 5否 No 1. 18 65512. 5是 Yes 1. 95 75516.

10、4否 No 3. 16 85516. 4是 Yes 3. 94极差 Range 1. 021. 760. 23自由度 Degree of freedom 111均方和 Mean s qu are 2. 096. 180. 11F 29. 43*89. 10*1. 55优水平 Optimization levels A2B1C1主次因素 M ajor 2minor order B A C2. 2沼气产量的变化在 15d 的发酵周期中 , 从沼气日产量上可看出 酸化时间为 13d, 除供试样品 1、 3、 5酸化时间为 3d 外 , 其余均在 2d 后产气量开始回升。其间产气 量变化较大 , 在第

11、 3天产气量最低的供试样品 3与 产气 量 最高 的 样 品 2产 气 量 分 别 为 4. 28L 和 6. 60L, 差额达 35%, 这是由于发酵初期不 稳定所 致。 3d 后产气量趋于平缓 , 各样品差距逐步缩小 , 且均在第 7天和第 8天达到产气量的最高峰 , 日产 气量为 5. 786. 65L 。 15d 后产气量有继续延伸 趋势 , 但因试验周期设计为 15d, 故停止发酵。发酵 周期内产气量最高的为供试样品 6和样品 2, 产气 量分别为 90. 53L 和 90. 04L; 产气量最低为样品 3和样品 1, 产气量分别为 81. 57L 和 84. 340L 。 根据原料

12、含量算得理论总产气量 , 15d 试验周 期中总产气量约为理论总产气量的 30%。因为干 发酵主要目的是处理畜禽粪便 , 周期缩短可带来处 理量的增加 , 因此 30%的产气量也可接受。发酵后 第 5天 , 取沼 气样 品 分析 其 成分 , 甲 烷 含量 均 达 55%以上。这表明厌氧发酵处于正常产甲烷阶段 , 发酵进行稳定。统计分析表明 , 3个因素对沼气总产 量影响的 主次顺序依次为 :搅拌、 C/N 比值、 温度 , 交互作用 项对沼气产量影响也较小。各因素的优水平分布为 温度 55e 、 鲜猪粪不加入稻草、 搅拌。供试 6号样 品满足优水平组合 , 其沼气总产量最大 (90. 50L

13、 , 且甲烷含量最高、 产气优。一般认为 , 猪粪中加入稻 草后 , 能提高 C/N 比值 , 有利于发酵过程进行 , 但本 试 验 中 不 加 稻 草 产 气 更 高 , 可 能 因 稻 草 产 气 潜能低于猪粪 , 且稻草经过 1周堆沤后加入有所损378第 3期 艾 平 等 :厌氧干发酵处理畜禽粪便的影响因子表 2沼气总产量Table 2The total output of biogas样品号 Sample numb erA. 温度 /eT em peratureB . C/N 比值Ratio of carbonto nitrogenC. 是否搅拌Stirring or n ot沼气总产

14、量 /L Total output of biogas15012. 5否 No 84. 34 25012. 5是 Yes 90. 04 35016. 4否 No 81. 57 45016. 4是 Yes 85. 09 55512. 5否 No 86. 02 65512. 5是 Yes 90. 53 75516. 4否 No 85. 22 85516. 4是 Yes 86. 61极差 Range 0. 180. 310. 38自由度 Degree of freedom 111均方 Mean s qu are 0. 070. 190. 29F 4. 39*12. 62*18. 65*优水平 Opt

15、imization levels A2B1C2主次因素 M ajor 2minor order C B A失导致 , 也可能因本试验选取 C/N 值差别较小 , 在 试验条件下不能显示明显优势所致。2. 3速效氮的变化速效氮是生产有机肥最主要的有效营养成分 , 速效氮含量多少是肥料腐熟程 度和质量优劣 的标 志 , 所以可选择速效氮含量作为评定标准 , 以确定发 酵周期。每日取鲜样测定 , 第 1天各样品速效氮含 量相近 , 为 0. 56%0. 71%; 速效氮前 3d 变化不 大 , 速效氮含量处于低水平 , 各组差异不明显 ; 从第 4天开始 , 速效氮含量迅速增加 , 腐熟进程加快 ,

16、 各 组差异也开始加大 , 增长最快样品为 6号、 5号、 2号 样品 , 如样 品 6由期 初 0. 71%增至期 末 2. 66%, 8号、 3号、 4号样品增长较慢 , 最慢为样品 8, 从期初 0. 56%增至期末 1. 35%。其快速增长趋势 一直持 续到第 9天 ; 第 9天后速效氮含量趋于稳定 , 第 9天 至第 15天结束发酵 , 各组均呈稳定状态 , 变化较小 , 总体看来 , 速效氮含量较发酵前增加了 24倍。 2. 4pH 值的变化因原料发酵前调节 pH 值 7. 2左右 , 发酵开始 后下降较快 , 5d 后降到最低程度 6. 8左右后 , 有一 个微量的回升 , 约在

17、 2d 后 , 即第 7天 , 各样品 pH 值均接近中性 , 即 6. 906. 99, 随后保持相对稳定 , 整个 15d 发酵过程 , 未出现 pH 值低于 6. 4的 情 况 , 最低 pH 值为样品 2第 5天的 6. 84; 较 少出现 pH 值高于 7. 0, 仅在第 15天开始 , 5号、 6号、 8号 样品的 pH 值首次达到 7. 0以上 , 最高为 7. 07。整 个过程显示了本次 15d 周期干发酵能在正常的 pH 2. 5总固体含量的变化发 酵 前 各 样 品 总 固 体 含 量 为 17. 07% 18. 06%, 发 酵 后 各 样 品 总 固 体 含 量 均 降

18、 低 , 为 14. 08%14. 54%。其主要原因是由于物料发酵过 程中原料不断分解利用 , 促使有机物被微生物液化 或变成气体 , 导致发酵原料浓度降低 ; 另外接种物的 总固体含量比发酵原料稍低 , 也有一定的稀释作用。 虽然总固体含量降低 , 但物料含水量与 10%以下的 湿发酵相比 , 仍然处于较低水平 , 对后期制肥过程中 脱水处理有利。3讨 论通过高温厌氧发酵试 验 , 探讨了 温度、 C/N 比 值和搅拌 3个因素对于总氮绝对损失率和沼气总产 量的影响 , 并对其发酵过程中的速效氮、 pH 值和总 固体含量的变化进行了分析。1 最优工艺参数。由全氮损失最小得到最优工 艺条件

19、:发酵温度为 55e , C/N 为 12. 5, 不搅拌 ; 由 沼气总产量最 大得到 最优 工艺 条件 :发酵 温度 为 55e , C/N 为 12. 5, 有搅拌。两者差别在于有无搅 拌 , 再由极差与方差分析得到搅拌项对全氮损失影 响很小 , 而对沼气总产量影响大。考虑到搅拌对于 厌氧干发酵克服酸中毒的有效作用 , 因此最终的选 择工艺条件 :发酵温度为 55e , C/N 为 12. 5(即只 用猪粪不加稻草 , 有搅拌。本研究对 C/N 的选取 值 , 还有待在多种试验条件下进一步验证。2 发酵周期。本研究以处理畜禽粪便 , 合成有 ,379华 中 农 业 大 学 学 报 第 2

20、8卷成为稳定无害的发酵肥所需的时间。以速效氮为主 要因素 , 其在第 9天后趋于稳定 , 再综合考虑 pH 值 变化在第 8天后趋于稳定 , 沼气日产量在第 7天达 到最大值。因此确定发酵周期为 9d, 可以保证发酵 肥质量和提高畜禽粪便处理效率。本试验旨在探索高效、 卫生、 利用率高的畜禽粪 便处理方法 , 对高温厌氧干发酵的工艺参数的优化 研究还不全面。目前国内对于高温厌氧干发酵中工 艺条件的控制 , 如 pH 值、 温度等的研究还不完善 , 高温厌氧干发酵装置也未成型。相信随着对高温厌 氧干发酵技术研究的日益成熟 , 将使厌氧干发酵技 术在更多养殖场得到广泛应用。参 考 文 献1张士勇

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