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李 靖， 邢向欣， 裴海林， 袁存亮， 孙 京， 赵国明
(吉林省农业机械研究院， 吉林 长春 130022)
我国是农牧业发展大国，畜禽养殖产业的快速兴起导致每年畜禽粪污的排放量十分巨大。据统计[1]，我国每年所产生的畜禽粪污可达4.4×109t，畜禽粪便的无害化处理已成为畜禽养殖业面临的紧迫问题[2]。目前，我国畜禽舍多采用干清粪工艺对畜禽粪便进行收集，因此，如何迅速高效地解决畜禽粪便的合理利用问题已成为我国学者的主要研究方向[3-4]。畜禽粪便的沼气发酵处理工艺可分为湿式与干式两种，湿式沼气发酵技术的TS通常控制在6%～10%左右，畜禽粪便在进入沼气发酵罐体时还需额外添加水或沼液等来稀释发酵原料浓度，从而造成资源的浪费与后续沼液处理的工作量[5-7]；
而干式沼气发酵技术的TS通常在25%以上[8-9]，在沼气发酵过程中为维持较高的沼气发酵浓度需要在发酵原料中加入添加剂保持物料通气性，因此对设备要求较高，搅拌也成为难题。近几年我国基于环保与节能基础上，畜禽舍现多为干清粪，其物料TS浓度在10%～25%之间，水分含量少[10]，而直接将其用于半干式沼气发酵的工艺鲜有报道。本文则以干清牛粪为发酵原料，对干清牛粪半干式沼气发酵的工艺条件进行优化研究，确定一种适合干清牛粪的沼气发酵工艺，为后续干清粪便的资源化无害化处理提供有力的解决途径。
1.1 试验材料
本次试验所用发酵原料为干清牛粪，取自吉林省长春市富家屯养殖户，将收集的干清牛粪于通风处适当密封保存；
接种物为实验室经过充分沼气发酵后不再产气的活性污泥(发酵底物为牛粪)，其总固体(TS)为16.19%±0.12%。发酵原料与接种物主要理化性质如表1所示。
表1 发酵原料与接种物理化性质
1.2 试验装置与仪器
沼气发酵装置采用全自动甲烷潜力测试系统(RTK-BMP)，发酵瓶容积为1000 mL，沼气通过3 mol·L-1NaOH溶液脱硫后进入流量自动记录装置，由自动集气装置、脱硫装置、恒温水浴锅等部件组成，装置将甲烷产气量自动换算成标准状态并记录，试验装置如图1所示。
在实验开始前，对该设备进行检查，确保使用过程中的密封性，保证试验所需的严格厌氧环境。在沼气发酵瓶中加入干清牛粪与接种物，分别将恒温水浴锅设定为25℃与35℃后将沼气发酵瓶置于恒温水浴锅中，在进行沼气发酵反应时产生的气体通过集气管路脱硫后在设备中进行计数。沼气发酵瓶底部设有出料口，可在试验过程中进行料液的取样。
每天9:00登陆系统记录日产气量与累积产气量，每3 d采样1次，用于检测料液的pH值，通过对产气效率、日产气量、甲烷浓度等指标的分析，确定干清牛粪半干式沼气发酵适宜的沼气发酵工艺条件。
1.3 试验设计
首先，将沼气发酵温度设置为常温(25℃±2℃)和中温(35℃±2℃)，发酵物料的TS含量为实际干清牛粪的TS含量(16.19±0.5)，接种物选用在实验室自行设计的发酵罐中进行充分沼气发酵后的发酵底物，接种物比例分别为20%、30%、40%，共6组试验，每组设置3次重复试验，结果取平均值，试验设计见表2所示。
其次，将上述试验中优化后的沼气发酵温度与接种物比例作为本次试验的沼气发酵条件，干清牛粪处理量为200 g。在考虑机械搅拌操作参数的条件下，影响沼气发酵产气效果的因素主要有搅拌强度、搅拌周期与搅拌时长，由于搅拌时间为发酵原料与搅拌器之间的固有参数，因此，本次试验将固定搅拌时长为2 min，搅拌强度分别取5 r·min-1、10 r·min-1，搅拌周期分别取3 h、4 h、5 h，具体试验设计见表3所示，共10个试验组，每组设置3次重复试验，结果取平均值。
表3 搅拌参数试验设计
本论文所设计的试验均采用一次性进料，发酵方式为批式发酵，搅拌方式均为机械搅拌。每3 d在沼气发酵瓶底部出料口位置进行采样用于检测pH值，产气量通过全自动甲烷潜力测定仪进行记录，沼气中的甲烷含量通过便携式甲烷含量检测仪进行测定，每3 d测定1次。
2.1 发酵温度与接种物比例对干清牛粪半干式沼气发酵的影响
2.1.1 pH值
图2为发酵温度与接种比例试验组的pH值变化情况，从图中可以看出，各实验组的pH值在前期变化较大，随着沼气发酵进程的进行，各试验组的pH值均趋于稳定。在沼气发酵反应进行至第6天时，B1、B2、B3试验组的pH值均达到最低值，分别为6.4、6.5和6.2，并在第9天之后恢复至7以上，之后逐渐稳定直至反应结束，而A1、A2和A3试验组由于发酵温度过低，pH值在记录期间基本稳定在6.2～7之间。
2.1.2 产气情况分析
图3为各组试验在不同温度与不同接种物比例下的日产气量变化情况，由图3可以看出，整个试验组中25℃的A组试验的产气情况与低于B组试验的产气情况。并且试验组B2的日产量情况最佳，产气高峰可达356.1 mL，并且达到产气高峰的时间也可提前至第6天，在沼气发酵进行至第20天之后，日产气量低于50 mL，基本停止产气；
而25℃的A1试验组，由于接种比例较小，发酵温度较低导致pH值下降，系统基本处于较酸水平，从而破坏沼气发酵的产气进程，并且总体来看35℃试验组与25℃试验组相比产气情况较好。B2与B3试验组相比，产气进程基本相同但从累积产气量来看，B2试验组的4901.9 mL要优于B3试验组的4523.6 mL。
2.1.3 甲烷含量分析
图4为各试验组甲烷含量的变化情况，随着沼气发酵反应的进行，各试验组的CH4含量均出现明显的上升趋势，但A组甲烷含量变化趋势明显低于B组甲烷含量变化，这是由于A组试验下的沼气发酵温度较低，导致整个沼气发酵反应进行缓慢，此外，各组试验均可在第12天后相继进入甲烷含量高峰，其中B2试验组的沼气发酵反应进行至第18天时，甲烷含量可达70.2%,并在整个厌氧反应进行过程中维持稳定水平。
2.2 搅拌参数对干清牛粪半干式沼气发酵的影响
2.2.1 pH值
如图5所示为不同搅拌参数对沼气发酵pH值变化的影响，各试验组均可维持相对稳定的pH值变化范围，都呈现先酸后碱的变化趋势，其中T2试验组由于搅拌周期过短，搅拌强度过高导致整体迅速进入酸化阶段，在第6天时pH值达到6.2，这是因为搅拌能够加快沼气发酵水解酸化反应的进行，从而导致沼气发酵环境呈现酸化趋势，但后续进入产甲烷阶段时pH值也有所提升，因此要选取适宜的沼气发酵搅拌参数。而T4试验组在合适的搅拌周期与搅拌强度下，由于接种比例适宜，在第6天时pH值达到6.9，能在短时间内迅速进入沼气发酵产甲烷阶段，进而将沼气发酵反应周期提前，从而提高沼气发酵反应速率。
2.2.2 产气情况分析
图6为不同搅拌参数下的对厌氧产气情况的影响，图中可以看出，增加搅拌试验组整体比CK对照无搅拌试验组的产气情况有所提高，并且当搅拌周期为4 h，搅拌强度为10 r·min-1时，厌氧反应产气情况可达到最佳，产气高峰为396.1 mL，并且由于加入合适的搅拌，达到产气高峰的时间也由原来的第9天提前至第5天，加快了沼气发酵整体的反应进程。此外，当搅拌周期间隔较大，搅拌强度较低时，沼气发酵产气情况较CK无搅拌试验组的产气变化相差不多，而过小的搅拌周期则会加快沼气发酵的水解酸化进程，而长期维持较小的搅拌周期会进一步影响产甲烷环境，从而抑制产气情况。
2.2.3 甲烷含量分析
不同的搅拌参数对沼气发酵的甲烷含量变化也会产生很大的影响，图7为不同搅拌参数下对甲烷含量的影响，总体来看，加设搅拌的沼气发酵试验组甲烷含量进入高峰时间,较CK无搅拌试验组甲烷含量进入高峰时间均提前3～4 d，并且通过增加合适的搅拌参数，也可在提高甲烷含量的同时维持甲烷含量的稳定，甲烷含量在第6天时均超过50%，且T4试验组的甲烷含量在第15天后能够维持在68%以上。
3.1 对与前人研究相同或相似的结果予以证实的阐释
(1)温度是影响沼气发酵的最重要的参数之一，郑盼[11]在猪粪干式厌氧消化试验研究中，对不同温度下猪粪的干法厌氧消化试验中得出，30℃～38℃中温发酵对猪粪的干式沼气发酵有明显的促进作用，并且在30℃～38℃之间，随着温度越高能到达到日产气量高峰的时间越快。此外，在李晶宇[12]等与李政伟[13]等温度对牛粪两相沼气发酵特性的影响试验中，分别设置30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃和60℃共7个温度的沼气发酵试验，其中发现在35℃时的中温沼气发酵更利于牛粪的沼气发酵。本文研究则是针对干清牛粪半干式沼气发酵试验在常温25℃及中温35℃条件下进行，最终发现当发酵温度为35℃时，厌氧产气情况较好，适合作为干清牛粪半干式沼气发酵的发酵温度。
(2)接种物比例的确定也会影响沼气发酵的整体运行情况，李道义[14]等在对牛粪批式干式沼气发酵接种比例优化实验中得出，选取接种比例为3∶10是较为合适的，与本次试验的结果一致，适合进行干清牛粪的沼气发酵。
(3)搅拌方式的选取也直接影响干清牛粪半干式沼气发酵试验的进行，Huang Y[15]等对沼气发酵机械搅拌装置的研究中发现，机械搅拌能够增加物料的流动性与生物质颗粒的相互作用，并且提高有机物的去除与沼气产量。赵东方[16]等在研究厌氧消化搅拌技术时，对比气体搅拌与机械搅拌时得出，机械搅拌效果要优于气体搅拌效果，并且随着搅拌频率的增加，搅拌效果也随之增加。王欣[17]等人在研究不同搅拌方式对沼气发酵产气率影响的试验中分别对比气体搅拌、液体搅拌和机械搅拌对沼气发酵的影响，得出机械搅拌对物料的混合为最优。本文研究则是选取机械搅拌方式，通过控制搅拌转速与时长对比不同机械搅拌条件下产气情况，与无搅拌的试验组相比，间歇式低转速的机械搅拌更适宜处理干清粪便。
3.2 本研究需要说明的问题
本次研究以干清牛粪为例，通过对干清牛粪半干式沼气发酵工艺的研究，确定了适合干清牛粪的半干式沼气发酵工艺，但畜禽干清粪便不仅仅为干清牛粪，后续应继续针对干清鸡粪、干清猪粪的多种类畜禽粪便进行研究。
本次试验利用干清牛粪进行半干式沼气发酵，通过对发酵温度、接种物比例与搅拌方式的工艺优化试验中发现，当发酵温度为35℃、接种物比例为30%、搅拌方式为低转速的间歇式机械搅拌(搅拌周期4 h，搅拌强度10 r·min-1)时，干清牛粪的半干式沼气发酵产气情况较好，并且测得牛粪降解率可达66.57%，降解效果较好。
综上所述，干清牛粪半干式沼气发酵能够高效地对干清牛粪进行无害化及资源化处理，且能维持较好的产气效率，并且在后续过程中无大量沼液产生，而沼气发酵所产生的发酵沼渣等底物还可作为后续沼气发酵的接种物进行循环利用，提高畜禽干清粪便的资源化利用效率，并为畜禽干清粪便的处理提供了有效的工艺路线。可实现畜禽粪污的高效低成本处理，经济、社会、环境效益显著，具有很好的推广应用前景。
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