第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.7 260 2010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响 宋籽霖1,3，李轶冰2,3※，杨改河2,3，秦佳佳2,3，任广鑫2,3，冯永忠2,3 （1．西北农林科技大学林学院，杨凌 712100；2．西北农林科技大学农学院，杨凌 712100；
3．陕西省循环农业工程技术研究中心，杨凌 712100）
摘要：为探索温度、发酵料液总固体浓度和产气量之间的关系，确定最佳发酵温度以及进料量，通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置，以5℃为梯度在20～40℃温度范围内，设置以4%为梯度，质量分数为4%～20%的5个总固体浓度，以鸡粪和玉米秆2∶1（干物质量比）混合物为发酵原料，以常温厌氧发酵池的底物为接种物，进行批量厌氧消化试验，研究不同总固体浓度的发酵原料在不同温度下的厌氧发酵效果。结果显示，各总固体浓度发酵料液的产气速率均随着发酵温度的升高而加快；随总固体浓度增大，发酵料液产沼气的最适温度范围也随之扩大；各总固体浓度发酵料液的干物质产气率在5个温度的平均值依次为料液总固体质量分数8%＞20%＞16%＞12%＞4%；鸡粪和玉米秆2∶1混合原料厌氧发酵的理论最优总固体质量分数及发酵温度值分别为14.6%，32.8℃。可以看出，发酵料液浓度并不是越高越好，不同的温度有其最适的浓度或浓度范围。 关键词：温度，浓度，厌氧发酵，沼气产量
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.045
中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0260-06
宋籽霖，李轶冰，杨改河，等. 温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：260－265.
Song Zilin, Li Yibing,Yang Gaihe, et al. Effects of total solid concentration and temperature on biogas yields of mixture of chicken manure and corn straw[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 260－265. (in Chinese with English abstract)
0 引 言
中国是世界上农业废弃物产量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t，农作物秸秆7.0亿t[1]。与此同时，中国农村人口数量大，人均占有耕地、水和其他资源的数量少，而在农业生产过程中，一些可利用的生物质资源没有被及时、有效地利用，对环境和农民的生活造成了严重的危害[2]。利用畜禽粪便和农作物秸秆进行厌氧发酵生产沼气可以有效地解决这一问题：既可提供清洁能源，又实现了农业废弃物多层次转化利用，减轻其对环境的压力[3-4]。
厌氧发酵是一个复杂的生物化学反应过程，温度、原料、接种物、pH值等都是影响厌氧发酵效果的重
谢宇风要因素。庞云芝等[5]研究了温度对玉米秸秆厌氧消化产气量的影响，刘荣厚等[6-7]研究了在不同温度条件下猪粪的厌氧发酵过程，楚莉莉等[8]研究了不同温度条件下农作物秸秆
收稿日期：2009-06-23 修订日期：2009-11-18
基金项目：国家自然科学基金项目（30700482）；陕西省自然科学基金（2009JM3004）；陕西省“13115”重大科技专项（2009ZDKG-03）；西北农林科技大学09年基本科研业务费青年项目（QN2009006）
作者简介：宋籽霖（1983－），女，河南省新乡人，主要从事生物质能与循环农业技术研究。杨凌西北农林科技大学林学院，712100。
Email: zilinsong2005@ yahoo
※通信作者：李轶冰（1977－），女，河南鹤壁人，博士，主要从事生态农业与循环农业技术研究。杨凌西北农林科技大学农学院，712100。Email: liyibing@ nwsuaf.edu 的产气效率，杨立[9]等对不同秸秆厌氧发酵产沼气效果进行了比较研究，周富强等[10]研究了厌氧消化时间对猪场废水处理效果的影响，潘云霞等[11]研究了接种物浓度对厌氧发酵产气特性的影响。此外，Bouallagui.H等其他学者[12-14]对pH值与厌氧发酵的关系进行了系统研究，张记市等[15]研究了在适当的pH值和搅拌条件下，ccenter
反应温度、总固体含量、pH值、碳氮比、碳磷比以及接种物量对有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的影响，王忠江等[16]研究了温度和料液浓度对牛粪高浓度厌氧水解酸化的影响。但迄今为止，关于常规湿法厌氧发酵温度、料液总固体浓度对厌氧发酵产气特性影响的系统研究在国内外却罕见报道。
本试验在厌氧消化理论和农村沼气发酵实践的基础上，系统研究了不同发酵温度条件下，不同料液总固体浓度对厌氧发酵产气速率、产气量、干物质产气率的影响，并通过SAS软件进行多重比较分析和多元回归分析，建立回归方程，得出各影响因子的最优值。旨在为确定不同温度下的进料量，提高沼气产量提供一定依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料与接种物：风干玉米秸秆，取自陕西杨凌沼气示范村——崔西沟，切碎至3 cm左右；鸡粪，取自西北农林科技大学附近养鸡场；接种物，牛粪常温发酵的沼液。
第7期 宋籽霖等：温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响 261
1.2 试验装置
本试验所用试验装置为陕西省循环农业工程技术研究中心实验室自行设计的可控型恒温厌氧发酵装置，主要由发酵装置、集气装置及控温装置3部分组成，如图1，各装置间用玻璃管和橡胶管连接。为了便于实际操作和节约成本，选用5 L 塑料壶作为发酵罐，用6号橡胶塞密封，1 000 mL 三角瓶作为集气瓶，用8号橡胶塞密封，2.5 L 塑料壶收集排出的水，然后用量筒进行测量。将准备好的发酵装置放置于恒温水槽内，水浴加热，温控仪与继电器显示和控制发酵温度，温度波动范围为±1℃。
1.温控箱
2.温度传感器
3.加热丝
4.发酵罐
5.恒温水槽
6.集气瓶
7.量筒
图1 可控性恒温厌氧发酵装置
Fig.1 Schematic of controllable and constant temperature
anaerobic fermentation device
1.3 试验方法
1.3.1 预处理
玉米秸秆预处理：将秸秆粉碎后置于12 L 塑料桶内，
与体积分数30%左右沼液混匀后密闭发酵5 d ，以进行菌
种的驯化和秸秆纤维结构的降解。
鸡粪预处理：鲜鸡粪置于125 L 塑料桶内自然发酵 5 d ，隔天搅拌1次。
沼液预处理：沼液与鲜牛粪10︰1（体积分数）混匀，
自然发酵5 d 。
1.3.2 试验设计
本试验以鸡粪与玉米秸秆干物质量比2︰1混合作为
发酵原料，在5 L 塑料壶内装入2 000 g 搅拌均匀的发酵
原料（具体配比见表1），500 g 接种物。发酵温度为20、
25、30、35、40℃，每个温度下设定4%、8%、12%、16%、
20% 5个总固体浓度，每组试验做3次重复。
表1 发酵料液配置表
Table 1 Quantity of materials and water of fermenting liquid
总固体质量分数/% 鸡粪/g 玉米秆/g 水/g
4 92.79 125.30 1 781.90
8 272.97 368.61 1 358.41
12 453.15 611.92 934.92
16 633.33 855.23 511.44
20 813.51 1 098.54 87.95
1.4 测定项目和方法
1）总固体质量分数（total solid ，TS ）：采用烘干法。计算方法如下式所示
=
100%A
TS B
× 式中：A ——样品烘干后的质量，g ；B ——样品鲜质量，g 。
2）产气量（biogas yields ）：以排水集气法收集气体，待所产的气体能正常点燃呈淡蓝火焰后, 每天早上900∶定时用量筒测量水的体积。
3）干物质产气率（biogas yields rate of dry matter ）：为发酵原料的总产气量与干物质质量的比值（体积质量比）。
2 结果与分析
2.1 不同温度下发酵料液总固体质量分数对产气速率的影响
在发酵产气的过程中，5种总固体浓度发酵料液在5个温度梯度的产气速率如图2所示。
从图2可以看出，5种总固体浓度的混合发酵料液在各个温度下启动速度都较快，发酵第1天即可正常产气（气体点燃呈蓝火焰）。各浓度发酵料液产气速率
差异较大，但是变化曲线基本类似，除20℃产气速率曲
线波动较大外，其余均是在产气高峰后产气量震荡下降，随后通常会再出现一个小高峰，直至产气结束。 20%的发酵料液，在各温度下的发酵过程中都出现多个产气高峰，这与发酵料液总固体质量分数高，可被利 用的有机质多，刺激了微生物的生长，产气量下降的速度变慢有关[17]。从20℃到40℃，4%的发酵料液的产 气峰值分别为347、510、607、747、739 mL ，8%的发酵料液的产气峰值分别为767、1 178、1 587、1 927、
1 910 mL ，12%的产气峰值分别为947、1 747、
2 205、2 270、2 386 mL ，16%的发酵料液的产气峰值分别为 1 083、2 150、2 550、2 983、
3 182 mL ，20%的发酵料液产气峰值分别为1 260、2 040、2 527、3 007、2 667 mL ，可见随着温度上升，各浓度发酵料液的产气峰值也逐渐升高。 鸡粪玉米秆混合发酵的产气高峰一般出现在发酵的第5～11 天[18]，本试验中除20%的发酵料液产气高峰期持续较长外，其他各浓度发酵料液在25～40℃温度下的产气峰值都在发酵7 d 以后出现，产气高峰期集中在发酵
的前20 d ，而随着温度升高，产气高峰期也逐渐提前且
更为集中。但20℃下20%的发酵料液发酵前期产气速率
低，产气峰值出现较晚，这说明该浓度料液前期以产酸
为主，用精密pH 试纸测得结果与此吻合。后期产气速率
上升并出现产气高峰，主要是因为此时的产甲烷菌经过
不断繁殖已逐渐适应了微酸的环境，并开始活跃起来[19]。
由以上分析可以看出，各个浓度发酵料液的产气速率均
随温度升高而加快。
262 农业工程学报 2010年
图2 不同温度下不同总固体浓度料液的产气速率
Fig.2 Biogas production rates of different total solid concentration at different temperatures
2.2 不同温度下发酵料液总固体质量分数对累积产气量的影响
如图3所示，同一温度下，累积产气量基本随总固体质量分数的升高而上升；在5个温度下，发酵料液总固体质量分数20%的累积产气量均最大。考察产气量增加幅度与总固体质量分数的关系时发现，在25～35℃随总固体质量分数的升高，累积产气量显著增长（p＜0.05）。在20℃，8%～16%发酵料液累积产气量差异不显著。在40℃，16%与20%发酵料液累积产气量无显著差异。以上分析表明，25～35℃料液发酵累积产气量受总固体质量分数影响显著且呈正相关；20℃累积产气量受发酵料液总固体质量分数影响不大，呈现波动状，没有明显变化倾向；40℃下累积产气量随总固体质量分数增加而上升，在16%时达到稳定。因此在不同温度下，有其最适的发酵料液总固体浓度或浓度范围。由以上分析可知，20℃下总固体质量分数为8%时最为适宜；25～35℃下，可根据原料本身特点适当增大总固体质量分数，以获得更好的产气效果；40℃最佳发酵浓度为16%。
温度是影响沼气产量的重要因素。同一总固体质量分数发酵料液的累积产气量因温度不同而异，不同总固体质量分数料液累积产气量随温度变化的趋势也不同。经多重比较分析，4%发酵料液累积产气量随温度升高而上升，在40℃时达到最大值；8%发酵料液的累积产气量也随温度升高而上升，最大值
出现在35℃；12%～20%发酵料液的累积产气量随温度上升而增加，在30℃达到最大值，而后累积产气量下降；12%、16%发酵料液累积产气量在30～35℃时无显著差异，20%发酵料液累积产气量在25～35℃下均无显著差异，但均显著高于该总固体质量分数在其他温度下的累积产气量。以上分析表明随总固体质量分数增大，料液发酵产气的最适温度范围
第7期宋籽霖等：温度及总固体浓度对粪秆混合发酵产气特性的影响 263
也随之扩大。
注∶同一温度不同字母表示差异显著（P＜0.05），a＞b＞c＞d＞e。下同
图3 不同浓度在不同温度下的累积产气量
Fig.3 Cumulative biogas yields of different total solid
concentration at different temperatures
2.3 不同温度下发酵料液总固体浓度对干物质产气率的影响
灭火器标签由图4可见，在20℃、35℃、40℃，8%的发酵料液干物质产气率最大，25℃、30℃下，20%的发酵料液干物质产气率最大，各浓度发酵料液在5个温度下的干物质产气率的平均值依次为总固体质量分数8%＞20%＞16%＞12%＞4%，经多重比较分析，差异达到显著（p＜0.05）。常规发酵常用的总固体质量分数为8%～10%[20-22]，本试验8%料液平均干物质产气率最大的结论也证明了该浓度范围可充分发挥发酵原料的产气潜力。20%发酵料液已属于干式厌氧发酵的浓度范围[23]，可以有效提高池容产气率和池容效率，但在本试验中却低于8%发酵料液的干物质产气率，主要因为高浓度发酵料液需要的接种物量较大，在本试验中接种物量为发酵料液总量的20%（质量分数），接种物量不足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。在实际操作中常需要二次接种或循环接种[24]，以提高产气量。作为影响发酵效果的重要因素，温度同样对发酵效率有着
显著影响。不同总固体质量分数料液发酵效率随发酵温度的升高而变化，其变化规律与累积产气量随温度变化规律基本一致。
图4 不同浓度在不同温度下的干物质产气率
Fig.4 Biogas production rates of dry matter of different total solid concentration at different temperatures 2.4 干物质产气率与发酵温度和发酵料液总固体浓度之间的关系
干物质产气率反映了单位发酵原料的产气量，对研究发酵过程中总固体浓度和温度的最优值更有意义。因此用SAS软件对试验结果进行多元回归分析，利用RSREG（response surface regression）过程进行多项式回归，得出干物质产气率Y与发酵温度X1和发酵料液总固体质量分数X2的函数表达式（1），干物质产气率多项式回归方程模型中的一次项、二次项和交叉项均达到显著水平（p＜0.05），从逐步回归的方差分析结果看，回归模型达到显著水平。
破窗锤
2
12112
2
2
18.7611.330.290.17
0.43231.56
Y X X X X X
X
=+−+−
−
（1）式中：离回归标准误=2.4 mL/g，复相关系数R2=0.8780。
通过RSREG过程寻最优响应曲面的稳定点，从而得出以鸡粪和玉米秆干物质量2︰1混合发酵原料的最优发酵温度为32.8℃，最优发酵料液总固体质量分数为14.6%，期望获得的最大干物质产气率为158.7 mL/g。
为了检验回归方程所得结果的可靠性，采用上述优化参数条件进行厌氧发酵产沼气的试验。考虑到实际操作便利，将发酵工艺参数修正为：发酵温度33℃，发酵料液总固体质量分数15%，在此条件下做3 个平行试验，实际测得沼气产量的平均值为61 125 mL，干物质产气率为163 mL/g与理论预测值相比，其相对误差约为2.7%。因此，基于回归方程所得的鸡粪和玉米秆混合原料厌氧发酵工艺参数准确可靠，具有实用价值。
3 结 论
1）经SAS软件对各影响因素进行多项式回归，得出以鸡粪、玉米秆（2︰1）混合物为原料进行发酵，在发酵温度为32.8℃，发酵料液浓度为14.6%时，可获得最大干物质产气率，经过试验验证该结果合理可靠。
2）总固体浓度越大，料液发酵产沼气的最适温度范围也越宽；各浓度发酵料液干物质产气率在5个温度的平均值依次为总固体质量分数8%＞20%＞16%＞12%＞4%。
研究选用的原料为鸡粪和玉米秆干质量比2︰1的混合发酵原料，作为总固体浓度对厌氧发酵效果影响的研究对象有一定的局限性，原料本身的特点也会对结论有一定影响，仍需进一步试验证明。
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