厌氧发酵论文：牛粪厌氧发酵效果思考

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本文作者：吴丽丽、刘天舒、黄希国、李道义、卜明、马娇 单位：中国农业机械化科学研究院

温度对厌氧消化过程的影响不仅限制产气的速率，而且影响厌氧消化程度［3］。在其他反应条件相同的条件下(反应条件见表1所示)，比较不同温度对牛粪高浓度厌氧发酵产气效果的影响。根据厌氧发酵优势微生物菌群不同，此次选择微生物的最适温度区，分别选定高温区(55℃)和中温区(35℃)，发酵时间为28d。试验结果如图2和图3所示。从图2和图3可以看出:二者总产气量相差不大，高温累计产气量相对中温发酵略高;高温高浓度厌氧发酵产气速度较快，第2d就到达产气高峰，且高峰日产气量较中温高峰日产气量2倍还多;第7d产气量相对较低，产气速度变慢，而此时累计产气量已经到达总产气量的84．9%;发酵第10d累计产气基本到达了总产气量的90%以上;第15d累积产气量基本都达到了总产气量的95．3%;建议高温牛粪高浓度厌氧发酵停留时间设计为15d之内，在以下试验中高温发酵时间设计为15d。中温35℃发酵产气速度虽然相对较慢，但产气速度平稳，第18d累积产气量已经达到总产气量的90%以上。通过以上分析可知，高温高浓度厌氧发酵速度较快，这可能是因为高温条件下优势菌种为高温菌种，其分解原料的能力较强，分解率高，产气速率快，但气量不稳定，且能耗高。工程中，温度的选择应从可利用余热、发酵物料灭菌要求以及能耗方面考虑。

在其他反应条件相同的条件下(反应条件见表3所示)，比较不同干物质含量(TS)对牛粪高浓度厌氧发酵产气效果的影响，试验结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出:中温35℃发酵条件下，TS为20%和TS为12%均实现正常启动，二者干物质日产气速度基本相当;发酵结束后，TS20%累计干物质产气率为160mL/g•TS，TS12%累计干物质产气率为153mL/g•TS。高温发酵干物质含量对牛粪高浓度厌氧发酵产气效果的影响如图6和图7所示。从图6和图7可以看出:高温55℃发酵条件下，TS为20%和TS为7%均实现正常启动，均在第2d达到产气高峰。TS为7%时，厌氧发酵启动时速度较快，这可能是因为TS7%时物料较TS20%水分含量多，物料流动性好，传质与传热均匀，启动效果好;反应进行到第6d后，TS20%累计干物质产气率较TS7%稍高;发酵结束后，TS20%累计干物质产气率为198．21mL/g•TS，TS7%累计干物质产气率为184．22mL/g•TS。现行湿法厌氧发酵技术干物质含量一般在10%以下，传质与传热效果好，启动快，但一般需添加大量的新鲜水，不仅浪费清洁水源，而且存在沼液消纳问题，反应器体积一般较大，效率低。高浓度厌氧发酵干物质产气率与低浓度厌氧发酵干物质产气率基本相当，建议通过搅拌等方式使微生物与发酵原料充分接触，强化发酵过程传质与传热，扩大活性层［4］，使得所产沼气容易分离而逸出，从而提高产气率。高浓度厌氧发酵可以有效提高反应器效率，节水且节能，反应器占地面积小。

试验以150g新鲜牛粪为原料，高温55℃条件下，发酵时间28d比较不同接种率对牛粪高浓度厌氧发酵产气的效果，结果如图8和图9所示。优质足量的接种物是沼气发酵顺利启动的重要保证，从日产气量可以看出，厌氧发酵均实现顺利启动，没有出现酸败。从变化曲线可以看出:高温厌氧发酵第3d，均达到了产气高峰，而且随着接种率的加大，高温厌氧发酵启动越迅速，平均日产气量越高，产气速度越快，总产气量越大，有效发酵时间越短;接种率为100%时，第6d累计产气量为4527mL，占总产气量的80%以上;第7d以后产气量相对较小，第10d累计产气量已经达到总产气量的90%以上，但是发酵所需反应器容积大，反应器处理效率低;接种率为20%和10%时，产气速度相对较慢，产气高峰值也相对较低，分别在第8d和第9d才达到累计产气量的80%。

孙国朝［5］等指出，加大接种率是防止干发酵前期偏酸和缩短干发酵启动时间的关键措施，但是干发酵接种率达到一定时，分解率就达到了一定极限。接种量不足会引起有机酸容易聚集，发酵受阻，可能是导致20%发酵料液干物质产气率下降的原因［6］。考虑到反应器及物料的处理效率及发酵顺利启动，建议工程应用中接种率在30%左右为宜。对所产气体进行抽样分析，5组试验中甲烷含量均在55%以上。

通过研究牛粪高浓度批次厌氧发酵试验，探讨温度、干物质TS含量和接种率对牛粪高浓度厌氧发酵效果的影响，并对其发酵过程中的日产气量、累计产气量、干物质日产气量和干物质累计产气量的变化进行了分析。

1)高温高浓度厌氧发酵产气速度较快，发酵周期短，但能耗高;中温高浓度厌氧发酵产气速度慢，产气平稳，发酵周期长;工程设计中应考虑有灭菌要求和能量平衡。

2)牛粪高浓度畜禽粪便厌氧发酵反应器容积产气率高，节水与节能，建议通过搅拌等方式强化发酵过程的传质和传热，提高沼气产率。

3)综合考虑厌氧顺利启动和反应器处理效率，建议接种剂量在30%左右为宜。

本研究以新鲜牛粪为原料，考察干物质含量TS对厌氧发酵效果影响有一定的局限性，原料自身特性和接种物料特性也会对结论有一定的影响。本研究为高浓度农畜废弃厌氧发酵工程应用提供了理论基础。