鸡粪玉米秸秆混合厌氧发酵产气特性分析

汤 昀，李永平，庞震鹏，朱教宁

（1.山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原030031；2.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，规模化养殖业发展迅速[1]。2015 年我国鸡粪排放总量高达3.93 亿t[1]，2016 年山西省畜禽粪尿总排放量为3 410.97 万t，其中鸡粪占16.6%，约566.22 万t[2]，成为亟待解决的农业废弃物之一，而且鸡粪中含有大量的致病菌[3]，采用厌氧发酵处理鸡粪既能回收能源又能保护环境，受到普遍欢迎[4]。我国每年农作物秸秆的产生量约为7 亿t[5]，除了用于饲料、还田和造纸外，还有约3.7 亿t 秸秆未被利用[6]，利用率不足55%。厌氧发酵可以通过厌氧微生物对农作物秸秆进行分解代谢，是秸秆利用的主要途径之一[7]。厌氧消化系统符合国家农业供给侧结构性改革的政策，使农业废弃物变废为宝，促进农业的可持续发展[8]。

在厌氧发酵中，碳氮比是影响厌氧发酵效率的核心因素，碳氮比在（25～30）∶1 时，发酵效率最高。畜禽粪便C/N 低，发酵过程中易形成铵氮积累，影响发酵效率。而秸秆C/N 高，但是秸秆中木质素含量较高，亲水基团较少，不溶于一般溶剂，不容易被微生物分解利用，使得厌氧发酵过程产气速度变慢[9]。WEILAND[10]研究认为，秸秆与粪便原料混合后发酵可以增加秸秆的降解量，提高发酵能力。张翠丽等[11]对麦秆与粪便混合后的厌氧发酵进行了研究，结果表明，麦秆与牲畜粪便混合后与单一原料的产气效率相比有了显著提高。张娟[12]研究了35 ℃下猪粪、玉米秸秆与小麦秸秆的配比，结果表明，3 种不同原料的配比有着较高的总产气量和甲烷产量。白洁瑞等[13]研究了不同温度条件下粪秆配比对沼气产量的影响，结果表明，35 ℃条件下，鸡粪与玉米秸秆为2∶1 的处理产气效果最佳。赵玲等[14]在对秸秆与畜禽粪便混合厌氧发酵产沼气特性研究中发现，在35 ℃条件下，玉米秸秆与鸡粪干物质质量比1∶2 为最佳组合，累积产气量高出单一秸秆组合37.5%。现阶段的相关研究存在配混比例较为宽泛，处理设置较少，未形成统一的配混标准，难以满足指导生产的要求。

本试验在厌氧发酵的理论基础上，结合实际需求，选取玉米秸秆与鸡粪按照挥发性固体质量一定比例混合作为发酵原料，通过对其发酵后的日产气量、产气总量等指标的研究，以期找到一种最合适的玉米秸秆与鸡粪的混合比例，提高发酵效率和养殖场粪污处理速率，实现山西省养殖业、种植业的可持续发展。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究采用的发酵原料为玉米秸秆和新鲜鸡粪。玉米秸秆取自山西省农业科学院东阳试验示范基地，去除杂草并粉粹成颗粒，过0.25 mm 筛去除大颗粒后用于试验；鸡粪取自于山西省太谷县鸿昊养殖场鲜鸡粪；接种物取自山西省农业科学院东阳试验示范基地沼气池内中温发酵30 d 以上的反应物，并于取样当天完成特性分析和接种。发酵物料与接种物的特性如表1 所示，试验过程中不添加其他任何添加剂。

表1 鸡粪玉米秸秆混合厌氧发酵原料性质

1.2 试验装置

试验采用山西省农业科学院现代农业研究中心沼气技术实验室自制1 L 小型厌氧发酵发生器，发生器由上、下2 个部分组成，下部为厌氧发酵区，上部为注水区。发酵物料通过进料口进入到下部的厌氧发酵区，发酵后产生的沼气经导气管进入到上部的注水区，使注水区的压力逐渐增大，当压力达到一定程度时水经橡胶软管流入集水瓶内，通过称质量测定产气量；当测定沼气组分及含量时，将止水夹打开，气体进入到集气袋。厌氧发生器如图1 所示。

1.3 试验方法

将玉米秸秆与鸡粪按照不同挥发性固体质量（VS）比混合进行厌氧发酵试验，试验采用自制1 L厌氧发生器，物料浓度均为8%，接种量30%，物料总量650 g，调节pH 值至7.0，反应温度控制在中温（35±1）℃，厌氧发酵试验周期42 d。各处理具体如表2 所示。

表2 处理设置

1.4 测定指标及方法

1.4.1 干物质量（TS）测定 将鸡粪和玉米秸秆、接种物取样置于恒温鼓风干燥箱中，设置温度为105 ℃，烘干水分，采用差重法计算干物质量，发酵前的物料和反应后的混合物都要进行测定。

1.4.2 挥发性固体量（VS）测定 将烘干后的样品于600 ℃马弗炉中进行高温灼烧，去除有机成分，得到灰分，采用差重法计算挥发性有机物固体质量。

1.4.3 日产气量和累积产气量测定 日产气量采用排水法测定，每天10：00 定时测定集水瓶中排出水的体积。累积产气量为每日产气量总和。

1.4.4 产气性能指标测定 产气性能指标包括干物质产气量（TS 产气量）、干物质产甲烷量（TS 产甲烷量）、挥发性固体产气体量（VS 产气量）及挥发性固体产甲烷量（VS 产甲烷量）等指标。

式中，M1为发酵期内总产气量（mL）；M0为物料中干物质总量（g）；M2为发酵期内产甲烷总体积（mL）；M3为物料中有机质的总量（g）。

1.4.5 酸碱度（pH）测定 每2 d 从用于取样的发生器中吸取少量样液，采用PHS-3C 型酸度计测定pH 值，测定结束后再用注射器将样液注射回发生器。

1.4.6 沼气组分测定 使用铝箔气体采样袋收集每日各处理产生的气体，采用安捷伦7980B 气相色谱仪对气体成分进行测定。色谱条件：色谱柱HPINNOWAX，40～240 ℃，60 μm×530 μm×1 μm，载气为氢气，流量5 mL/min，压力7.244 3 psi，平均线速度35.701 cm/s，滞留时间2.801 1 min；FID 检测器：温度300 ℃，空气流量400 mL/min，氢气燃气流量30 mL/min，尾吹气流量（N2）25 mL/min；TCD 检测器：温度250 ℃，参比流量40 mL/min，尾吹气流量（H2）：2 mL/min。

1.5 数据处理

原始数据采用Microsoft Excel 2010 及SPSS 17.0 软件进行标准化图表编辑及分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵对日产气量的影响

鸡粪与玉米秸秆的不同配比下碳氮比不同，不同的碳氮比可以影响微生物的活性，进而影响沼气产量。由图2 可知，各处理日产气量的整体趋势大致相同，均为先升高，达到峰值之后逐渐回落趋于平缓。配比后的处理产气高峰期都有所提前，其中，M4 处理达到产气高峰的时间最早，为6 d；而CK 到达产气高峰的时间最长，为12 d。由此可知，合理的原料配比可以缩短达到产气高峰的时间。达到产气高峰时，M4 处理的日产气量最高，为802.54 mL，较单一原料处理CK 产气量（553.73 mL）提高44.93%。因此，将玉米秸秆与鸡粪进行合理配混后发酵，不仅可以提高日产气量，还可使产气高峰提前6 d 左右。

2.2 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵对累积产气量的影响

厌氧发酵时，适宜的碳氮比在（25～30）∶1[14]，所以，合理的配比原料有利于产酸与产甲烷阶段菌群的生长平衡，以促进沼气发酵[15]。累积产气量是指发酵系统在发酵周期内日产气量总和。从图3 可以看出，各处理的累积产气量趋势基本一致，均为先上升后趋于平缓。随着发酵天数的增加，各处理的沼气累积量均呈现稳定上升后趋于平稳的趋势。累积产气量最大的为M4 处理，为12 933.23 mL，比CK 提高了159.62%。由此可知，鸡粪和玉米秸秆不同配比碳氮比不同，适宜的碳氮比可促进厌氧发酵，提高产气效率。

2.3 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵对甲烷含量及甲烷总产量的影响

厌氧发酵系统中每日产出沼气中的甲烷所占比例被称之为甲烷含量，这一指标的高低决定产气效果的好坏，甲烷含量越高，产气效果越好[16]。由图4 可知，甲烷含量随着发酵天数的增加呈现先升高后趋于平缓的规律。适当增加玉米秸秆含量既可以缩短到达产甲烷高峰的时间，也可以提高沼气中甲烷含量。M4 处理的甲烷含量在第9 d 达到峰值，含量为62.52%，较单一鸡粪提前8 d，CK 处理在发酵的第17 天产甲烷含量达到峰值（55.86%），M4 处理最高甲烷含量比CK 提高11.92%。这可能与M4 处理的C/N 更适合产甲烷菌的代谢活性有关。

产甲烷总量是整个发酵期内厌氧发酵所产沼气中甲烷气体的总量，是衡量发酵物料产气效果最直接的指标。从图5 可以看出，各处理厌氧发酵产甲烷总量均不相同，其中，M4 处理的甲烷总产量较高，为7 757.06 mL，与CK 相比，提高191.33%。鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵处理中产甲烷总量整体上高于单一物料发酵，且随着物料中玉米秸秆含量的增加，甲烷总产量呈先升高后降低趋势，说明以鸡粪、玉米秸秆作为混合物料进行厌氧发酵时，增大玉米秸秆添加比例对提升产甲烷总量具有促进作用，原因可能是C/N 在30 以下时，随着秸秆量的增加，物料中碳素含量增加，微生物利用碳素可生产较多的挥发性有机酸作为产甲烷菌的利用底物，且当pH 维持在微生物相对适宜的范围内时，发酵体系可产出较多的甲烷。

2.4 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵对发酵系统pH 值的影响

由图6 可知，不同处理在厌氧发酵过程中pH值的变化规律基本一致，呈先下降后上升最后趋于平缓的趋势。这种pH 的动态变化，主要是由在厌氧发酵的过程中，产甲烷相与产酸相的动态平衡决定。发酵初期，接种物充足，产酸菌活跃，产生大量有机酸，使得pH 值下降；随后产甲烷菌利用产生的有机酸，生产甲烷，产气量达到峰值，由于有机酸被利用，pH 值随之上升，这与覃国栋等[17]的研究结果一致。本试验结果表明，pH 值的波动范围在1.0 之内，发酵系统中料液的pH 值波动小，发酵系统稳定，这与艾平等[18]的研究结果一致。由试验结果还可以看出，投料的配比C/N 越高，料液的pH 值越低，这与李淑兰等[19]的研究结果一致。

2.5 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵对产气性能指标的影响

厌氧发酵系统产气效果的优劣由该系统产气性能指标的高低来衡量。发酵系统中物料的产气效率主要由容积产气量和容积产甲烷量2 个指标体现。单位质量干物质被利用产生沼气量和甲烷含量由TS 产气量和TS 产甲烷量来表示，而且这2 个指标的量与产气性能之间呈现正相关关系。VS 产气量和VS 产甲烷量是表示厌氧发酵系统中发酵物料产气潜力的指标，该指标值越大，表示单位质量的该物料有机质成分产气量与产甲烷量越多，即产气潜力越大。由表3 可知，鸡粪与玉米秸秆混合后各项产气性能指标均高于CK 的产气性能指标。其中，M4 处理的各项指标均显著高于其他处理，该处理的容积产气率和容积产甲烷率分别为0.350、0.210 L/（L·d），分别较CK 提高了1.59、1.92 倍。M4处理的TS 产气量和TS 产甲烷量分别为0.336、0.201 L/g，分别较CK 提高了2.03、2.35 倍。VS 产气量及VS 产甲烷量仍然是M4 处理最大，分别为0.474、0.284 L/g，分别较CK 提高了1.60、1.90 倍。由此可见，对鸡粪和玉米秸秆配比后进行混合发酵既可以提升产气速率，还可以增加发酵物料的产气潜力，且适宜的配比可以大幅提高厌氧系统中物料的产气性能。此结论与张彬等[20]的研究结果一致。

表3 不同配比鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产气性能指标比较

3 结论与讨论

本试验中的单一鸡粪发酵产气效果并不理想，可能是由于鸡粪的碳氮比不合适，加入一定比例的玉米秸秆后，可以提高发酵体系中有机碳的含量，这样可以保证发酵系统中微生物的长期营养需求[21]。而高浓度的玉米秸秆会导致发酵体系酸化，将鸡粪以适当比例投入高浓度秸秆发酵体系中可以降低系统酸化的概率，使得发酵体系可以稳定产气。由此可以得出，鸡粪和玉米秸秆配混后进行厌氧发酵，较单一鸡粪可显著提升产气量，混合厌氧发酵在产气方面比单一物料更具优势。周莎等[22]研究发现，鸡粪与麦秆的混合比例在一定范围内时，发酵体系表现出明显的产气优势；超过这一范围时，厌氧发酵系统产气优势消失。这与本试验的研究结果一致。

挥发性固体量（VS）比值对鸡粪与玉米秸秆混合厌氧发酵产气性能方面具有显著影响，综合累积产气量、产甲烷总量及容积产气率、TS 产气量等指标，鸡粪∶玉米秸秆（VS 比）＝6∶4 时，具有较好的产气性能和发酵潜力，累积产气量、容积产气率、TS 产气量及VS 产气量均高于其他处理，分别达12 933.23 mL、0.350 L/（L·d）、0.336 L/g 和0.474 L/g，与单一鸡粪处理（CK）相比，分别提高了159.62%、159.26%、202.70%和160.44%。发酵过程甲烷含量稳定，平均甲烷含量达60.48%，与单一鸡粪处理（CK）相比，提高了9.32%。由此可知，鸡粪∶玉米秸秆（VS 比）＝6∶4 为最佳配比组合。