度对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响_图文

1、懈删洲鼬嘲丽峪（跚旧，衙帅咖温度对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响刘荣厚郝元元梅晓岩武丽娟（上海交通大学农业与生物学院生物质能工程研究中心，上海）摘要：以猪粪为原料，中温厌氧发酵沼气发酵瓶的底物作为接种物，在自制的小型厌氧发酵装置上，研究了猪粪厌氧发酵温度条件对沼气产气特性的影响。结果表明，对于中温（），高温（），室温条件下各实验组，在发酵初、中期时中温试验组显现出了明显的优势，日产气量和累积产气量都高于高温和室温试验组。而高温和室温试验组中微生物的活性因受到环境温度改变的影响，甲烷化反应受到明显抑制。当发酵进行到后期时，高温试验组日产气量高于室温和中温发酵试验组。对于沼气主要成分甲烷含量而言，

2、中温、高温和室温三个试验组在发酵天时甲烷含量分别为：、和。关键词：猪粪，沼气，厌氧发酵，（，）：（）（）哪珊，瑚舱一第一作者简介：刘荣厚男，年月生，博士（后），现任上海交通大学农业与生物学院资源与环境系教授、环境工程博士点博士生导师。通讯地址：上海市闵行区东川路号上海交通大学农业与生物学院生物质能工程研究中心邮编电话：（办）；：饥中国农村生物质能源国际研讨会暨东盟与中日韩生物质能源论坛论文集。，：，引言改革开放以来，随着菜篮子工程的全面开展，我国禽畜养殖规模和产值都有了很大的增长，肉类、奶类和禽蛋年产量递增率均在以上。年，肉类产量达到了万吨，禽蛋产量达到了万吨，奶产量达到了万吨。截至年，上海市

3、全市郊县（区）规模化猪、禽、奶牛饲养场年畜禽粪便的排放量高达多万吨，远远超过了农田承受的上限。据估算，全年进人水环境的粪尿量为万吨，占总量的。畜牧养殖业在为人类提供丰富的肉、蛋、奶的同时，也带来了严重的环境污染问题。因此，如何处理畜禽粪便是亟待解决的问题。沼气发酵为处理畜禽粪便提供了一条可行的途径。本研究以猪粪为原料，中温厌氧发酵沼气发酵瓶的底物作为接种物，在自制的小型厌氧发酵装置上，研究了猪粪厌氧发酵温度条件对沼气产气特性的影响，以期为沼气的发展提供参考。材料与方法（）材料猪粪。本研究发酵物料为鲜猪粪，取自上海交通大学农业与生物学院农场，放在玻璃器皿内，然后加水搅拌，直到成黏稠的糊状为止。接

4、种物。接种物是沼气发酵启动时所使用的含有大量沼气发酵微生物的各种厌氧活性污泥，本研究最初使用的接种物取自上海市崇明县前卫村沼气工程正常产气的沼液。经中温厌氧发酵后保存在沼气发酵瓶的底物作为接种物。（）设备与仪器试验装置。试验装置为上海交通大学农业与生物学院生物质能实验室自行制作的小型厌氧发酵装置，主要由发酵瓶部分与集气装置部分。为了能观察发酵原料体积和物料状态的变化，选取透明的玻璃三角瓶作为发酵瓶。发酵瓶用适当大小的橡胶塞密封，橡胶塞上设有输气口和取样口。集气装置采用排水集气法，集气瓶采用的三角瓶。然后将准备好的发酵瓶放置于摇床内。试验地点为上海交通大学农业与生物学院生物质能实验室。仪器。恒温

5、干燥箱（型，上海精宏实验设备有限公司）；马弗炉（系列箱式电阻炉，上海阳光实验仪器有限公司）；分析天平（，德国塞多利斯公司，上海天平仪器厂）；电子天平（，上海恒平科学仪器有限公司）；计（孓型，上海精密科学仪器有限公司）；恒温水浴振荡器（一水浴恒温振荡器，江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂）；气相色谱仪（日本岛津气相色谱仪）。（）试验方法测定方法。沼气成分的测定：采用日本岛津盼气相色谱仪；条件如下：检测器：；载气：氩气；流量：毫升分钟；填充柱：米长柱；柱温：；温度：；进样口温度：；电流：毫安；进样：采用手动进样，进样量为微升。产气量的测定：产气量是衡量厌氧消化系统与工艺优劣的重要参数。本试验采用排水集

6、气法收集气体，每天定时用量筒测量集水瓶中排出的水量，并做以记录。的测定：用孓型计测定发酵原料预处理过程、发酵过程中的变化。试验设计。试验选择批式发酵工艺，以新鲜猪粪为沼气发酵原料。原料取回后用水浸泡，预处理帕岱帆怕阳曰日篱曰协（怕，隐）厅叭鹞旨哪天。预处理过程中，每天搅拌两次，每次时间为分钟，同时测定其。天后，按下面所述将比较试验分为三组进行：、中温（）条件下试验组；、高温（）条件下试验组；、室温条件下试验组。每组试验做两个重复，试验条件均为：发酵料液的总固体（）质量的。发酵料液浓度按公式（）计算。朋。一莉式中：料液浓度（）；物料重量（）；总固体含量（）；含量为，接种量为总发酵料液（）一所需加

7、人的水量（）将配好的发酵料液分别置于毫升发酵瓶内（发酵瓶内的有效容积为毫升），发酵瓶与集气装置用乳胶管连接后，置于恒温水浴中，发酵周期为天。结果与分析（）发酵原料预处理过程中的变化情况根据的沼气发酵的实际情况，新鲜原料用于沼气发酵，其产甲烷量较微，而原料经过预处理后再进行沼气发酵，可提高甲烷产量。所以本试验在原料进行沼气发酵前，先将原料用水浸泡，以加速原料中有机物质的分解。原料预处理过程中的变化曲线如图所示。由图可以直观地看出，在预处理的天中，新鲜原料经过浸泡后，其有所下降，这是由于原料在预处理过程中，部分高分子化合物降解为低分子化合物，在产氢产酸菌的作用下，产生了一些挥发时间（天）性脂肪酸所

8、致引。有资料显示，沼气发酵图原料预处理过程中的变化曲线的最适是以为宜。由图础堍叫饴啪卿嫩涮可知，原料经过预处理后，其处于适宜发酵范围内，是可以作为厌氧发酵原料进行发酵试验的。（）不同发酵温度条件下厌氧发酵液的变化不同发酵温度条件下厌氧发酵过程中变化曲线见图。由图可以看到，中温试验组厌氧发酵过程中的在发酵的初、中期处于上升阶段，由第一天的逐渐上升到第九天的，后期稳定在左右。而对于高温和室温厌氧发酵试验组，其在第三天都出现了一个小的低谷，分别为和，之后又呈逐渐上升趋势，发酵周期结束时分别为和。这可能是因为在不同温度条件下进行的厌氧发酵对比试验中，所选用的接种物是中温厌氧发酵后的沼气池底物，所以发酵

9、瓶中微生物菌群以适宜中温发酵的微生物群落为主。而一般认为不同温度的厌氧发酵是由不同温度类型的微生物所进行的，当环境温度改变时，微生物活性降低，此时产酸菌就占据了相对优势，生长中国农村生物质能源国际研讨会暨东盟与中日韩生物质能源论坛论文集较旺，所以这两组试验发酵过程初、中期的都较中温条件下的低。在发酵后期，由于氨化作用的进行，产生缓冲剂氨，使又逐渐呈上升趋势。随着产氨细菌物的大量活动，蛋白质分解和脱氨作用的强烈进行，为甲烷细菌提供了丰富的氮素营养和适宜的，上升到。（）不同发酵温度对发酵过程中产气量的影响不同沼气发酵温度条件下，各试验组的日产气量、累积产气量分别见图、图。由图及图可知，中温发酵试验

10、组在反应初期时，产气量出现明显的上升趋势，在第六天达到高峰值，其主要产气期集中在第三天到第十天，之后产气量逐渐开始下降；而室温和高温条件一中温一高温一室温图不同温度条件下厌氧发酵过程中变化曲线图谵珊切“下的厌氧发酵在初期时也呈上升趋势，但是趋势较平缓，且产气量远不如中温发酵条件，在微弱的上升期之后，两组试验的日产气量曲线图都出现了一个明显的低谷。这与等对比中温和高温厌氧发酵试验中的结果较为一致，以中温时的影响最为显著。用中温厌氧污泥启动的中温厌氧发酵产气启动较快，而高温厌氧发酵则出现了一个停滞期后才开始产气。结合图所示的不同温度条件下厌氧发酵过程中变化曲线图可知，此时高温和室温两组试验组的也较

11、低。当发酵反应进行到第天，高温和室温试验组的产气量又呈上升状态。高温试验组日产气量高于室温和中温发酵试验组。但因本次对比试验是以天为发酵周期，至此时将发酵强行中止。所以至发酵周期结束时，中温试验组的累计产气量较高温试验组要高。扩皿一中温一高温一室温图不同温度下厌氧发酵日产气量曲线图“（）不同发酵温度下厌氧发酵过程中气体成分的变化厌氧发酵过程中产生的沼气是一种混合气体，其成分不仅取决于发酵原料的种类及其相对含量，也删咖唧阳日鹞嘲删屿（陋，）日鹰印唰（）墨棚旷轰时间，天一中温一高温一室温图不同温度条件下厌氧发酵累积产气量曲线图咖随发酵条件及阶段的不同而变化。当厌氧发酵过程处于正常稳定发酵阶段时，沼

12、气的主要成分是甲烷和二氧化碳，此外，还有少量的一氧化碳、硫化氢、氧和氮等气体。本试验结果中主要对比了甲烷和二氧化碳的含量变化。图为不同温度条件下甲烷含量高峰值时的气相色谱谱图。（）中温发酵第天（）高温发酵第天室温发酵第天图不同温度条件下甲烷含量高峰值时的气相色谱谱图遍锄锄 中国农村生物质能源国际研讨会暨东盟与中日韩生物质能源论坛论文集 图和图分别是不同温度条件下厌氧发酵过程中甲烷（）含量和二氧化碳（）含量的变 化。由图可以看出，在整个发酵过程中三组试验的甲烷含量都是呈上升趋势的。不同的是，在发酵初 期（天）中温试验组甲烷的含量较高温和室温试验组的要高些，分别为：、和。 这也说明中温发酵瓶中的产

13、甲烷菌的活性较另两组的要高，在试验进行到第天时，其甲烷含量已达到 其过程中的较高值；而对于接种了中温发酵微生物的高温和室温发酵试验组来讲，由于环境的 温度改变，产甲烷菌的活性受到了抑制，所以在发酵的初、中期时，这两个试验组的甲烷含量都较中温 试验组的要低，第天时高温和室温试验组甲烷含量分别为和。在试验后期，由于这两 组试验中产甲烷菌经过一段时间的驯化适应了所处的环境，开始正常的新陈代谢。结合图可知，此时 的中温发酵组已接近尾期，气体品质有所下降，所以这个时候高温和室温发酵中的甲烷含量略高于中温 发酵组，三个试验组在发酵天时甲烷含量为：中温组、高温组、室温组。比较 整个试验过程中，高温条件下的甲

14、烷含量较室温条件下增长的要快，说明在高温条件下有机质的分解速 率较室温要快，其产气质量也较高。 由图可以看到，在试验过程的第天，中温试验组的二氧化碳含量已低于，处于正常稳定 的沼气发酵阶段；高温和室温试验组的二氧化碳含量在整个过程中也是呈下降趋势的，但其二氧化碳含 量只是在试验的后期才达到以下。 时间，天 一中温一高温一室温 图不同温度条件下厌氧发酵过程中甲烷（）含量的变化 昏 咖切 遂 棚 缸 誉 薯 耳 时间天 一中温一高温一室温 图不同温度条件下厌氧发酵过程中二氧化碳（）含量的变化 朗 咖 删 帆删咄鼬例日篱旨刚越 （哺， ）咖既。随咖 结论 通过对不同温度条件下厌氧发酵过程中各指标的测

15、试，得出以下结论： （）由于本试验选用的接种物为中温发酵沼气池的底物，所以在发酵初、中期时中温试验组显现出 了明显的优势，日产气量和累积产气量都高于高温和室温试验组。而高温和室温试验组中微生物的活性 因受到环境温度改变的影响，甲烷化反应受到明显抑制。当发酵进行到后期时，高温试验组日产气量上 升，其日产气量高于室温和中温发酵试验组。 （）对于沼气主要成分甲烷含量而言，由于中温发酵条件适宜所加入的接种物中的细菌，所以在反 应初、中期时，中温发酵的产气品质一直较好，第天时其甲烷含量达到，此时高温和室温试 验组甲烷含量分别为和；在发酵进行到后期时，中温试验组产气量呈下降趋势，其气体 品质略有下降。而高

16、温和室温两组试验中产甲烷菌经过一段时间的驯化适应了所处的环境，开始正常的 新陈代谢。中温、高温和室温三个试验组在发酵天时甲烷含量分别为：、和。 致谢：本研究由上海市科委资助“多种农业有机废弃物沼气发酵集中供气技术的研究与示范” （），在此表示感谢。 参考文献 边炳鑫，赵由才农业固体废物的处理与综合利用，北京：化学工业出版社， 陈振楼，许世远，徐启新等长江三角洲地表水环境污染规律及调控对策，长江流域资源与环境， （）： 徐曾符沼气工艺学，北京：农业出版社， 周岭有机废弃物厌氧发酵特性的研究：硕士学位论文，哈尔滨：东北农业大学， 周孟津沼气生产利用技术，北京：中国农业大学出版社， 晷 矿 、衍 塘

17、一 、 口 ，： 温度对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响 作者： 作者单位： 刘荣厚， 郝元元， 梅晓岩， 武丽娟 上海交通大学农业与生物学院生物质能工程研究中心，上海 200240 相似文献(10条 1.期刊论文 王寿权.严群.阮文权.WANG Shou-quan.YAN Qun.RUAN Wen-quan 蓝藻猪粪共发酵产沼气及动力学研究 -食品与生物技术学报2008,27(5 对蓝藻与猪粪分批混合发酵进行了研究.结果表明,猪粪与蓝藻总固体(TS质量比例在37时产气效果最好,发酵最佳初始pH为8.0.在整个反应中,产 沼气潜力分别为175 mL/g、546 mL/g、560 mL/g,发酵出

18、料中总氮含量为2.2 g/L,总磷含量为0.14 g/L,未检出藻毒素,可以作为肥料使用.对发酵的生化 产沼气潜力(BMP的研究结果表明,最终甲烷产量 B 0 为302.5 mL/g,反应速率常数 k 为0.144 d -1 ,整个产甲烷的过程与Cheynoweth方程的相关系数 R 2 为0.976 7,能够用Cheynoweth方程较好反映蓝藻与猪粪混合产甲烷的规律. 2.期刊论文 陈苇.卢婉芳.段彬伍.Wassmann R.Lantin R S.CHEN Wei.LU Wan-Fang.DUAN Bin-Wu.Wassmann R. Lantin R S 猪粪与沼气渣对双季稻田甲烷排放的

19、影响 -生态学报2001,21(2 随着环境温度的升高，稻田甲烷排放通量增加。早稻期间甲烷排放通量随着水稻生育期的增加而逐步加快，而晚稻甲烷排放主要集中在水稻生长的 前中期，而且排放量很高。一天中甲烷排放具有很强的周期性，在6：008:00时，甲烷排放通量进入谷底，14：00时甲烷排放通量达到峰值。稻田甲烷 排放通量与土壤5cm处的温度及土壤水溶解甲烷含量具有较高的相关性。猪粪和沼气渣的施用分别提高稻田甲烷排放量22.14%和4.40%。在早稻期间，施 用猪粪和沼气渣分别提高土壤水溶解甲烷含量40.3%和11.9%，而晚稻期间仅分别提高23.9%和5.04%。 3.期刊论文 刘荣厚.郝元元.武

20、丽娟.LIU Rong-hou.HAO Yuan-yuan.WU Li-juan 温度条件对猪粪厌氧发酵沼气产气 特性的影响 -可再生能源2006(5 以猪粪为发酵原料、以中温厌氧发酵瓶的底物为接种物,在自制的小型厌氧发酵装置上,研究了温度条件对猪粪厌氧发酵产气特性的影响.结果表明 ,在发酵初、中期,中温(37试验组显现了明显的优势,日产气量和累积产气量都高于高温(52和室温试验组.高温和室温试验组的微生物活性因受到 环境温度改变的影响,甲烷化反应受到明显抑制.当发酵进行到后期时,高温试验组日产气量高于室温和中温试验组.中温、高温和室温3个试验组在发酵15 d时,沼气中甲烷含量分别为59.8%

21、,70%,62.3%. 4.会议论文 张无敌.宋洪川.韦小岿.马岚.柏金存.谢建 猪粪沼气发酵过程中水解酶活性变化与沼气产量的关系研 究 2000 研究结果表明,在猪粪的沼气发酵过程中,各种水解酶酶活性大小与沼气产量的大小是相关的,各种酶酶活最大时,其产量正好处于高峰.基于以上结果 ,添加适当配比的水解酶是否有利于提高猪粪发酵的沼气产量,进行了进一步的实验研究.采用批量发酵工艺,实验发酵周期40天,酶活添加剂为本室研制的 SM001和SM002,用量为每400ml添加100mg.结果显示,SM001能提高产气量26左右,SM002能提高14左右. 5.期刊论文 程洋.陈泽智.龚慧娟.孟德胜 搅

22、拌对猪粪半干法发酵产沼气的影响 -安徽农业科学2009,37(34 目的研究搅拌对猪粪厌氧发酵产沼气的影响.方法采用35 半干法批量发酵方式,在产气缓慢期和衰退期设置搅拌速率为200 r/min的搅拌试验 .结果45 d 的厌氧发酵COD去除率达到91.96 %,产气率为0.148 ml/kg,产气旺盛期日产气量波动较大.产气缓慢期搅拌5 min产气速率增加1.04 ml/(min·kg,同时使温度升高,pH值下降;与搅拌5、15 min相比,产气衰退期搅拌10 min最有利于发酵.结论持续5 min间隔50 min为1周期的搅拌方法 即可使该试验产气及时排出. 6.期刊论文 刘战广

23、.朱洪光.王彪.张亚雷.Liu Zhanguang.Zhu Hongguang.Wang Biao.Zhang Yalei 粪草比对干式 厌氧发酵产沼气效果的影响 -农业工程学报2009,25(4 弄清粪草比对干式厌氧发酵产气效果的影响,对改进干式厌氧工程具有重要意义.该文按A、B、C、D设计了4组试验:A组为单独猪粪,B组为单独稻草 ,C组为猪粪与稻草质量比2:1,D组为猪粪与稻草质量比1:2.试验进行了62 d,反应温度设定为(35±1,各组反应的TS(总固体浓度均为30%.结果显示,产 气曲线出现拐点的时问A组在第48 d,B组在第40 d,C组在第26d,D组在第25 d.C

24、、D两组总产气量分别为15715 mL和13186mL.而根据A、B两组单独原料产气 量推算,C、D两组的产气潜力分别为15168 mL和13838 mL.实际测量值与计算值没有显著差别.调节粪草比可以从原料转化速率方面促进发酵效率,并不能 提高原料的产气潜力.因此,粪草比改善的优势可能是改良原料结构和调节原料营养,而不是改善发酵原料的转化潜力. 7.期刊论文 魏世清.覃文能.李金怀.李勇江.WEI Shi-qing.QIN Wen-neng.LI Jin-huai.LI Yong-jiang 水葫芦与 猪粪混合厌氧发酵产沼气研究 -广西林业科学2008,37(2 将水葫芦与猪粪混合,以稳定产

25、气的沼液为接种物,设置水葫芦与猪粪比例为1:0、1:1、2:1和对照四个处理对厌氧发酵产气的影响.结果表明:处理 2:1既保证了沼气产量与质量,又有较高的水葫芦比例,该处理的总产气量、日均产气量、TS产气率、VS产气率、池容产气率分别为33 150 mL、460.42 mL、128.69mL/g、151.57 mL/g、0.12 mL/(mL·d.温度变化对沼气产气量的影响显著,稳定、较高的温度有利于水葫芦厌氧发酵产气. 8.学位论文 王寿权 蓝藻与猪粪混合厌氧发酵产沼气研究 2009 为了实现太湖打捞的蓝藻资源化和无害化处置，本文在中温(35条件下对蓝藻与猪粪厌氧发酵产沼气进行了研

26、究。通过在实验室规模的分批发酵 和示范工程大规模(1000 m3沼气工程分批补料发酵的研究，得到了蓝藻与猪粪厌氧发酵的最佳条件、主要参数在发酵过程中的变化趋势和在实际工程运 行的效果。本文研究以蓝藻减量化、无害化以及资源化为目的，为太湖蓝藻的治理提供了一条有效的途径。得到以下结论: (1对接种比例、 pH以及浓度进行单因素实验和响应面实验。结果表明，蓝藻与猪粪厌氧发酵产沼气的最佳条件为:接种比例2:1、pH 7.9、发酵液浓度2.9； (2在接种比例(ISRs分别为3.0，2.0，1.0，0.5和0.25的情况下，甲烷产量分别为206，202，97，48，21 mL CH4/g VSaddcd。ISRs在2.0以下时 ，ISRs对蓝藻发酵产甲烷影响较大，产甲烷量随接种量增加而增加；而3.0时，甲烷产量与2.0相比变化不大。而在各种ISRs情况下，整个产气过程遵守 Cheynoweth方程B=B0(1-e-kt，相关系数R2>0.97。对蓝藻的生物降解率(BD进行研究表明，随着ISRs的降低，蓝藻的BD(值分别为 46.5，68.5，44.8，29.2和14.2；对发酵液中的pH、多糖、蛋白质、VS、氨氮和VFAs研究表明，多糖集中在发酵的前期降解，蛋白质则在后期降解较明 显，蛋白质降解也导致了氨氮含量在发酵后期有较大的提高；发酵结束后，VFAs几乎全部消耗，VS