不同温度猪粪厌氧发酵甲烷产量和产能实验_魏荣荣

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,aa罗介均,a梁 凌,a朱宗强,b徐 珊, 韦文渊a a(桂林理工大学a . 资源与环境工程系; b . 广西环境工程与保护评价重点实验室, 广西桂林 541004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15e , 20, 35和55e , 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35e 中温条件、3

2、1d 为发酵周期, 对规模较大幅度地的养殖场较为适宜。20e 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20e 的广大华南地区, 农户利用20e 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。关键词:厌氧发酵; 甲烷; 温度; 能源; 猪粪中图分类号:S216. 4 文献标识码:A文章编号:1003-188X (2010 04-0170-050 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

3、中在城市附近1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。向城市周边排放大量的畜禽粪2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; 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

4、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。图1 恒温厌氧发酵装置F i g . 1 Constan t te m perat u re anaerob i c d i gesti on devi ce1. 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,

5、 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 。驯化温度分#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, 主要由发收稿日期:2009-07-01基金项目:广西高校人才小高地建设/环境工程0创新团队资助计划(桂教人200771; 广西重点实验室研究基金项目(桂科能0801Z005作者简介:魏荣荣(1983-, 男, 福建松溪人, 硕士研究生, (E -m ailw ill enw ei

6、163. co m 。通讯作者:成官文(1962-, 男, 湖北荆州人, 教授, 博士, (E -m ailchengg wg lite . edu. cn 。别设置为室温(平均15e , 20, 35和55e , 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55e 条件下发酵。表1 反应器原料投配Tab. 1 M ateri al of anaerob ic d i gestion

7、发酵装置原料种类猪粪1#沼液清水总计猪粪2#沼液清水总计猪粪3#沼液清水总计猪粪4#沼液清水总计实投质量/kg7. 42. 315. 825. 57. 46. 911. 225. 57. 43. 115. 025. 57. 410. 57. 625. 5折合/kg1. 480. 2001. 681. 480. 2001. 681. 480. 2001. 681. 480. 2001. 68干固体占备注/%5. 80. 806. 65. 80. 806. 65. 80. 806. 65. 80. 806. 6猪粪TS 19. 9%沼液TS 1. 9%猪粪TS 19. 9%沼液TS 6. 5%猪粪

8、TS 19. 9%沼液TS 2. 9%猪粪TS 19. 9%沼液TS 8. 6%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。干质量总质量比例图2 日产气量变化Fi g . 2 B iogas dail y yi eld at d ifferent te m peratures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; 35e 中温组在第3d 就进入产气高峰期; 55e 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,

9、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15e 和20e 组产气量虽然也呈上升趋势, 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。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105110e 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(C lapyron equati o n 将各温度组产

10、气体积换算为98kPa 、常温25e 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. 5m <3mm; 柱温为60e ; 汽化温度为80e ; 检测器温度为100e ; 载气为氢气; 手动进样, 进样量为100uL 。每图3 累计产气量变化F i g . 3 Cumu lati ve b i ogas yiel d at d ifferent t e m perat u res由图3可以看出:在相同质量发酵原料条件

11、下, 55e 高温组累计产气量最高, 达到693. 4L; 35e 中温组次之, 达到641. 7L ; 20e 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。35e 组在反应15d 后沼气产量迅速减少;55e 组持续到27d 后也开始大幅下降; 20e 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

12、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82. 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,

13、 说明温度高时微生物能够促进二氧化碳甲烷化。4 温度在55e 时, 杂质气体含量明显大于其他#, 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Tab. 2 Gas chro m atograph test res u lts of b i ogas co m ponen t 时间/d913182227313641甲烷含量1#42. 7210541. 5789042. 4855544. 0310041. 626154

14、4. 4441042. 8166545. 49920#2#3%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94#50. 4180558. 5301055. 4407050. 0819556. 4399558. 0868551. 7574548. 1157544. 3928046. 5986048. 7429054. 0094559. 4678062. 8741560. 9644060. 5197047. 8659555. 0179559. 5204555. 3230553. 85790

15、54. 5245553. 6855553. 57950的累计甲烷产量、二氧化碳产量、杂质气体产量1 随着温度的升高, 甲烷产率有小幅提升; 沼气及其产率, 如表3所示。由表3可以看出: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, 20e , 35e 和55e 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9011%。可见, 温度高, 发酵周期短。中温35e 发酵31d 达到发酵41d 甲烷产量的96%, 消化效率高, 说明以31d 为

16、发酵周期较适宜。3 在提升相同温度的条件下(1535e 梯度提高20e , 3555e 梯度提高20e , 发酵31d 和发酵41d 后, 3555e 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1535e 梯度的196. 6%, 256. 1%和118. 2%, 161. 2%; 而杂质气体两个周期内3555e 梯度增产率分别为14313%和157. 1%, 大大超过了15e 35e 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,

17、 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甲烷的生产。10时间/d913182227313641时间/d913182227313641二氧化碳含量1#37. 0783549. 3591545. 8223049. 7105053. 1915052. 7151056. 0274050. 58780#2#34#37. 7102031. 3895032. 6750535. 1197534. 1338031. 7785037. 5216037. 4084050. 4135548. 0970045. 000

18、7541. 5841538. 4248535. 5092037. 4590037. 9455047. 5502035. 9230537. 5092539. 8439041. 3247540. 8096041. 7497040. 60570杂质气体含量1#20. 200659. 0619511. 692106. 258555. 164402. 840801. 559003. 91300#2#34#11. 8717010. 0803511. 8842514. 798309. 4263010. 1347010. 7210014. 475905. 193705. 304356. 256304. 406

19、402. 112301. 616701. 576701. 534904. 583859. 059052. 970254. 833004. 817304. 665904. 564705. 81480, 在一定程度上抑制了厌氧微生物的代谢生长, 影响沼气和表3 沼气各组分累计产量和产率Tab. 3 Cumu lati ve yi eld and con t en t of b i ogas co m ponen t周期/d各组分产量组别甲烷产量/L1#312#3#4#1#412#3#4#89. 3199. 2318. 0333. 0126. 8242. 3331. 2369. 7二氧化碳产量/L9

20、5. 2183. 2268. 8217. 6142. 3208. 8278. 8242. 2杂质气体产量/L23. 720. 030. 774. 825. 020. 531. 781. 5沼气产量/L208. 2402. 4617. 5625. 3294. 1471. 6641. 7693. 4各组分产率甲烷产率/%42. 949. 551. 553. 243. 151. 451. 653. 3二氧化碳产率/%45. 745. 543. 534. 848. 444. 343. 434. 9杂质气体产率/%11. 45. 05. 012. 08. 54. 34. 911. 82. 3 不同温度条

21、件猪粪厌氧发酵的产能变化除了室温组自然发酵外, 20e 组、35e 组和55e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。k J净产能3509. 496288. 276336. 24764. 58表4 猪粪厌氧发酵耗能和产能T ab . 4 En ergy cons um pti on and producti on du ri ng anaerob i c d i gesti on of s w i ne m anu re组别1#2#3#4#原料升温能量0507. 282029. 104058. 21装置升温能量0634. 412537. 635075

22、. 25散热损失0398. 611594. 433188. 86总输入能量01540. 296161. 1612322. 32甲烷产能3509. 497828. 5612497. 4013086. 90甲烷产能用纯甲烷燃烧值3. 93107J /m 3与甲烷产量换算。从表4可以看出:1 4组55e 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20e 常温发酵和3组35e 中温发

23、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, 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,

24、 通#11#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。, 但是系统不稳定, 维护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, 兼顾消化效率和产能效益, 以35e 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20e 的广大华南地区和较小规模的养殖

25、场利用20e 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。参考文献: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(11 :2179-2183.3 Bus we ll A M, H atfield W D. Labo ra t o ry st

26、ud ies of sl udgedi g estion . M ill er T L. A naerob i c Fer m entati onsC /Urba -na :State o f Illi no i s D epart m ent of R eg istra ti on and Educa -tion , 1936. 4 A hring B K,Ibrah i m A A, M ladenovska Z. Effect of te m-t o 65eon perfor m ance and m -i 2001,35:2446-pera t ure i ncrease from 5

27、5e7co-phase anaerpb ic d i gesti on compared w ith si ng l e -stag e m esoph ilic and ther moph ilic di g estion of sewage sl udge J.W ater R esearch , 2004, 38:1653-1662. Santha H,Sung S . V a l uab le by -products recovery fromcattle w astes usi ng te m pe rature-phased anaerobic d i gesti on proc

28、essC/H anze M. W EF s B i o so li ds Spec i a lty Con fer -ence V erona :Lago O rta P ress , 2001.8 单丽伟, 冯贵颖, 范三红. 产甲烷菌研究进展J.微生物学杂志, 2003, 23(6:42-46.9 C H ENG Guan w en , ZHU Zongqiang , HU L eni ng , et a. l R e -seach about b i ogas f e r m entation of var i ous co mm on C /The Proceed i ng s of

29、t he China A ssociati on fo r Science and T echno l ogy . Beiji ng :Science Press , 2009.10 K J Chae , Am Jang, S K Y i m , e t a. l T he e ffects of d i ges -ti on temperature and te m perature shock on t he biogas y i e l ds fro m the m esophilic anaerob ic d i gesti on o f s w i ne m anure J.B io

30、resource T echno logy, 2008.11 史金才, 廖新俤, 吴银宝. 猪粪厌氧发酵产气的优化条件研究J.家畜生态学报, 2008, 29(4:79-83.crobial populati on dyna m i cs of an anaerob ic reac tor treati ng ca ttl e manure J .W a ter R esearch , 2452.5 K ettunen R H, R i nala J A. T he effect of low te m pera t ure(5-20e and adapta ti on on t he m e

31、thanog en i c acti v ity of bio -m ass J.A ppl M i crob i o l B i o techno , l 1997, 576.6 Y oung-Chae Song. M esophilic and ther mophilic te m pera t ure48:570-Experi m e nt on t he M et hane Production Capacity and Energy Out put of D ifferent Te mperatures duri ng Anaerobic D igestion of Swine M

32、anureW ei Rongrong , Cheng Guan w en , Luo Jiejun , L iang L i n g ,Zhu Zongqiang , Xu Shan , W e iW enyuanbaaaaaa(Guili n Un i v ersity of Techno logy , a . Depart m ent o fResources and Env iron m enta lEng ineeri n g ; b . The Guangx iKey La -boratory of Env iron m ental Eng ineeri n g , Protecti

33、on and Assess m ent , Gu ilin 541004, Ch i n aAbst ract :Th is study w as carried out by experi m enting w ith the self-m anufact u red d i g estion dev icesw hich w ere fed w ith s w ine m anure asm aterial w ith a do m estica ted i n ocu l u m added as yeast . The experi m ent w as on the cond iti

34、 o n o f 6. 6%m ass fracti o n o f to tal solid , the d i g esti o n te m peratures w ere set at roo m te m perature , 20, 35, and 55e , and t h e b i o gas y i e l d of the four te m peraturesw ere recorded in 41days . Through t h e testing o fm ethane content , the cumu lative m ethane y i e l d and net ener gy output co m putation, this paper researched i n to the opti m um te m perature during anaerob ic d i g estion of sw i n e m anure . The resu lts ind ica ted tha t the low te m pera