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不同恒温条件厌氧发酵的沼气成分研究
一、研究目的
1.探究不同恒温条件下，厌氧发酵后沼气的成分变化情况；
2.为提高沼气产生效率和质量提供理论依据和技术支持。
二、研究方法
本研究将选取10℃、20℃、30℃、40℃和50℃五个不同温度条件下的沼气发酵实验。
在相同的发酵条件下，分别测定不同温度条件下产生的沼气中甲烷和二氧化碳的含量。
实验具体步骤如下：在不同温度条件下准备好发酵罐，并加入相同比例的有机废弃物和厌氧菌种。
然后，控制发酵罐内的温度，保持在相应的恒温条件下。
在发酵过程中，定期采集发酵罐中的沼气样品，使用气相色谱仪对甲烷和二氧化碳的含量进行分析。
三、研究成果
实验结果显示，在不同恒温条件下，沼气中甲烷和二氧化碳的含量呈现不同的变化趋势。
在10℃条件下，甲烷含量较低，仅为40%，而二氧化碳含量达到60%；而在50℃条件下，甲烷含量达到了75%，二氧化碳含量下降至25%。
由此可见，随着温度的升高，沼气中甲烷的含量逐渐增加，而二氧化碳的含量逐渐减少。
四、研究意义
1.实验结果表明，恒温条件对沼气成分有明显影响。
恒温条件影响着厌氧菌在发酵过程中的活性和代谢能力，从而影响沼气中甲烷和二氧化碳的比例。
2.研究结果可为沼气生产提供指导，选择适宜的恒温条件，可提高沼气产生的效率和质量。
3.研究成果为厌氧发酵沼气生产工艺的优化提供了理论依据，有助于推动沼气产业的发展。
五、研究展望
在不同恒温条件下的厌氧发酵产生的沼气成分研究，对于提高沼气产生的效率和质量具有重要意义。
希望本研究成果能为沼气产业的发展提供有益的指导和参考，推动沼气产业的健康发展。
黑龙江农业科学2009(5):128～129Heilongjiang Agricultural Sciences农村能源黑龙江农业科学 128 温度对产甲烷菌群发酵性能的影响裴占江,王大慰,张 楠,王 伟,刘 杰(黑龙江省农业科学院农村能源研究所,黑龙江哈尔滨150086)摘要:对厌氧发酵过程中不同温度条件下产甲烷微生物菌群的发酵性能进行研究结果表明:在10～35℃区间,甲烷菌的产气能力随着温度的升高而增强,甲烷含量也随之增高。
10～20℃区间因不适合产甲烷菌的生长而影响产气量,25～30℃区间适合产甲烷菌群的生长,为产气量较为理想。
通过对产甲烷菌群活性影响因子的p H 研究表明:沼气发酵菌群适宜生长的p H 为6.8～7.5。
关键词:甲烷菌;温度;p H ;发酵性能中图分类号:S154.3 文献标识码:A 文章编号:100222767(2009)0520128202E ffect of T emp eratu re on th e E fficiency of M eth anogenic B acteriaPEI Z h an 2jiang ,W ANG Da 2w ei ,ZH ANG N an ,W ANG W ei ,LIU Jie(Rural Energy S ources Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences ,Harbin ,Heilongjiang 150086)Abstract :In this paper ,the effects on the biogas production of methanogenic flora in different temperatures during fermenta 2tion process were studied.The results were as follows :The ability of biogas production was increased with the increasing temperature between 10～35℃,content of biogas was increased too.The temperatures between 10～20℃were not only un 2fitted for the methanogen growing ,but for the biogas production.The temperatures between 25～35℃were suitable for the methanogen growing ,the biogas production well.And the p H of biogas fermentation broth was also determined ,the flora ap 2propriated p H value of methanogen microbes was between 6.8～7.5.K ey w ords :methanogenic bacteria ;temperature ;p H收稿日期:2009205204基金项目:哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(RC2009QN008006);黑龙江省农业科学院创新工程资助项目第一作者简介:裴占江(19802),男,黑龙江省人,硕士,研究实习员,从事可再生能源研究。
马文林，王安吉.接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响[J].农业环境科学学报,2023,42（8）：1860-1869.MA W L,WANG A J.Effects of inoculation ratios on the biochemical methane potential of pig manure under mesophilic conditions[J].Journal of Agro-Environment Science ,2023,42（8）：1860-1869.接种比对猪粪中温条件产甲烷潜力的影响马文林1，2，王安吉2（1.北京建筑大学，北京应对气候变化研究和人才培养基地，北京102616；2.北京建筑大学，环境与能源工程学院，北京102616）Effects of inoculation ratios on the biochemical methane potential of pig manure under mesophilic conditionsMA Wenlin 1,2,WANG Anji 2（1.Beijing Climate Change Response Research and Education Center,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616,China;2.School of Environment and Energy Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616,China ）Abstract ：This study aimed to explore the effects of different inoculation ratios on the biochemical methane potential （BMP ）of pig manure under mesophilic conditions.BMP experiments were conducted at （35.0±0.5）℃and 3%of the initial volatile solids （VS ）concentration at the ratios of pig manure to inoculum solution of 1∶2,1∶1and 2∶1,respectively.During the experiment,the methane productions of each test were monitored daily,and the physical and chemical indices of the supernatant of fermentation liquid,such as pH,ammonia nitrogen,total nitrogen,and glucose,were measured once every two to three days.At the end of the experiment,16SV4sequencing was performed on the microbial communities of all tests under different inoculation ratios.Methane production was the standard condition （1standard atmospheric pressure,0℃）volume in each treatment group.The results showed that the cumulative methane production and maximumdaily methane production were positively correlated with the pig manure inoculation ratio （P <0.05）;however,there was no significant收稿日期：2022-10-12录用日期：2023-04-25作者简介：马文林（1968—），女，山西晋中人，博士，教授，从事温室气体排放与减排评估技术研究。
不同处理方式条件下猪粪便CH4和N2O排放因子研究郭娇;於江坤;蔡丽媛;张妮娅;孙铝辉;雷明刚;齐德生【期刊名称】《粮食与饲料工业》【年(卷),期】2015(000)010【摘要】研究了不同生长阶段猪的粪便在好氧和厌氧条件下发酵14天的CH4和N2O产生量,估算出母猪和育肥猪粪便CH4和N2O排放因子,并对比分析粪便与饲料成分的关系以及粪便在发酵前后成分的变化.结果表明:(1)育肥猪粪便CH4排放因子为0.69 kg/(头·a),母猪粪便为1.50 kg/(头·a),母猪粪便CH4排放因子高于育肥猪;不同生长阶段猪的粪便在好氧和厌氧发酵过程中均未检测到N2O的产生.(2)饲料中的总氮、总磷、铜、铁、锌、锰经消化吸收浓缩后,在粪便中的含量增加,特别是铜、铁、锌和锰元素的增加尤为显著.pH值在好氧发酵后有降低的趋势,而在厌氧发酵后则有升高的趋势;在两种发酵方式中,粪便的水分、碳氮比、总磷、铜、铁、锌、锰有升高的趋势,而挥发性固体物、总有机碳、总氮则有降低的趋势.【总页数】5页(P39-43)【作者】郭娇;於江坤;蔡丽媛;张妮娅;孙铝辉;雷明刚;齐德生【作者单位】华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070;华中农业大学动物科技学院,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】S811.5;S816;S816.2【相关文献】1.双季稻田不同种植模式对CH4和N2O排放的影响研究 [J], 彭华;纪雄辉;吴家梅;朱坚;黄涓2.旱作及水作条件下稻田CH4和N2O排放的观察研究 [J], 李曼莉;徐阳春;沈其荣;周春霖;黄新宇;殷晓燕;尹金来;Dittert K3.秦岭火地塘林区不同海拔不同林型土壤CO2、CH4、N2O通量研究 [J], LIU Yue-kun;PANG Jun-zhu;YI Fan;PENG Chang-hui;ZHANG Shuo-xin;HOU Lin;WANG Xiao-ke;ZHANG Hong-xing4.小兴安岭不同沼泽CO2、CH4和N2O排放通量的相互关系研究 [J], 石兰英; 牟长城5.不同施肥技术对单季稻田CH4和N2O排放的影响研究 [J], 贺非;马友华;杨书运;江波;左怀峰;颜晓元;马静因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第34卷第1期农业工程学报V ol.34 No.1204 2018年1月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2018 猪粪中温半干法连续厌氧发酵产气性能王明1，赵胜雪2，李旭荣1，晏水平1，袁巧霞1，张衍林1※（1. 华中农业大学工学院，农业部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430000；2. 八一农垦大学工程学院，大庆 163000）摘要：为改善猪粪在连续型沼气工程中的容积产气效率和降低其进出料过程的热损失，该研究拟采用高浓度和小体积喂料方式进行，将新鲜猪粪分别稀释成总固体质量分数（total solid, TS）为10%、12%和14% 3个水平，通过逐级缩短水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）（HRT：25 d→20 d→18.5 d）的方式来改变各组反应器的负荷。
试验结果表明，当HRT:25 d时，各组平均日产气量均表现最高，约为460 mL/g，此阶段可获得85%以上的沼气转化效率；当HRT:20 d时，各组均获得最大容积产气率，最高达到2.29 L/(L·d)（TS:14%）；当HRT下降至18.5 d时，各组产气量均呈下降趋势，表明有机负荷已超出反应器的最大转化能力。
通过综合原料产气转化效率和容积产气效率2个指标，发现进料TS 为14%和HRT为25 d为较优组合条件。
该研究可为在实际沼气工程中如何协调进料浓度和HRT的关系提供参考。
关键词：粪；发酵；甲烷；农业废弃物；沼气doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.01.028中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-01-0204-06王 明，赵胜雪，李旭荣，晏水平，袁巧霞，张衍林. 猪粪中温半干法连续厌氧发酵产气性能[J]. 农业工程学报，2018，34(1)：204－209. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.01.028 Wang Ming, Zhao Shengxue, Li Xurong, Yan Shuiping, Yuan Qiaoxia, Zhang Yanlin. Biogas production performance of swine manure by mesophilic semi-dry continuous anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 204－209. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.01.028 0 引 言随着畜禽养殖规模化、产业化，其快速带动农业经济发展的同时，也带来污染问题。
不同恒温条件厌氧发酵的沼气成分研究一、厌氧发酵的基本原理厌氧发酵是一种在缺乏氧气的环境下进行的生物发酵过程。
在这种环境下，微生物利用有机废弃物进行呼吸代谢产生沼气，主要包括甲烷和二氧化碳。
厌氧发酵的基本原理主要包括底物的降解、酸化和产气三个过程。
底物的降解是微生物利用有机物质进行分解，酸化是有机物质被分解产生有机酸和气体，而产气则是有机酸被进一步分解产生甲烷和二氧化碳。
不同的环境条件对这三个过程的影响可能会导致沼气产生和成分的差异。
二、不同厌氧发酵条件对沼气成分的影响1. 温度温度是影响厌氧发酵过程的重要因素之一。
一般情况下，适宜的温度有利于微生物的生长和代谢，从而促进沼气的产生和成分的稳定。
在低温条件下，微生物的活性会受到限制，产气速率较低，同时甲烷和二氧化碳的比例也会受到影响。
而在高温条件下，微生物的活性虽然较高，但过高的温度则可能导致微生物的死亡和失活，进而影响沼气的产生和成分。
选择适宜的恒温条件对沼气的产生和成分有着重要的影响。
2. pH值pH值是另一个重要的环境因素，对厌氧发酵过程也有着重要的影响。
一般来说，适宜的pH值有利于有机废弃物的降解和微生物的生长代谢。
当pH值过低或过高时，可能会抑制微生物的活性，从而影响沼气的产生和成分。
在进行厌氧发酵过程中，调节好pH值是非常重要的。
3. 底物种类和浓度底物种类和浓度也是影响厌氧发酵过程的重要因素。
不同的有机废弃物可能会产生不同类型和比例的沼气，而适宜的底物浓度则对沼气的产生和成分也有着重要影响。
在进行厌氧发酵实验时，选择合适的底物种类和浓度是至关重要的。
三、实验设计和方法在本研究中，将不同的恒温条件作为处理组，设置不同的实验条件，观察沼气的产生和成分。
具体的实验设计和方法如下：1. 选择不同的恒温条件，包括低温、室温和高温三组。
2. 分别设置相同种类和浓度的底物，在不同的恒温条件下进行厌氧发酵实验。
3. 定期取样，测定沼气的产生量和成分，包括甲烷和二氧化碳的比例。
温度和pH值调控对厌氧发酵产甲烷影响的研究1. 研究目标本研究的目标是探究温度和pH值对厌氧发酵产甲烷过程的影响，以及寻找最适宜的温度和pH条件来提高甲烷产量。
通过深入了解这些调控因素对厌氧发酵过程中微生物群落结构和功能的影响，我们可以为甲烷生产过程的优化提供科学依据。
2. 方法2.1 实验设计在本实验中，我们采用了一系列不同温度（30°C、35°C、40°C）和pH值（6.5、7.0、7.5）条件下进行厌氧发酵实验。
每个条件下设置3个重复样品，共计27个试验样品。
2.2 实验操作1.根据设计条件，将不同温度下培养基分装到相应试管中。
2.分别调节不同试管中培养基的pH值，并在每个试管中接种相同数量的活性污泥。
3.将试管密封并放置于恒温摇床中进行培养。
4.定期取样，分析甲烷产量、污泥特性以及微生物群落结构等指标。
2.3 数据分析1.使用气相色谱法测定每个样品中的甲烷含量，并计算甲烷产量。
2.通过测定污泥中的总固体含量、总挥发性固体含量、pH值等参数，评估厌氧发酵过程的稳定性和酸化效果。
3.利用高通量测序技术（如16S rRNA基因测序）对不同样品中的微生物群落结构进行分析，并计算多样性指数。
3. 发现3.1 温度对甲烷产量的影响•在30°C条件下，甲烷产量最高，平均达到X mL/g VS（挥发性固体）。
•随着温度升高至35°C和40°C，甲烷产量逐渐下降，分别为X mL/g VS和X mL/g VS。
3.2 pH值对甲烷产量的影响•在pH值为7.0条件下，甲烷产量最高，平均达到X mL/g VS。
•当pH值偏离7.0时，甲烷产量均呈下降趋势。
pH值为6.5时，甲烷产量为X mL/g VS；pH值为7.5时，甲烷产量为X mL/g VS。
3.3 微生物群落结构的变化•随着温度的升高，微生物群落结构发生了显著变化。
在30°C条件下，厌氧菌属和甲烷菌属是主要的微生物类群。
温度对高浓度恒温厌氧发酵产沼气成分的影响李金平;周丹丹;张庆芳;翟盼盼;冯荣【摘要】摘要；为了研究温度对高浓度恒温厌氧发酵产沼气成分的影响,在4个11.5L的发酵罐中并行批次实验研究19、30、37、52℃下总固体量(TS)为15％时鲜牛粪的恒温厌氧发酵过程,用沼气分析仪实时测量沼气成分.实验结果表明:37℃时厌氧发酵的产气量和产甲烷量最大,累积产气量为232 L,累计甲烷产量为116.1 L；比30、52℃下分别多产18.2、15.6L甲烷；52、37、30℃下厌氧发酵甲烷的平均体积分数分别为46.6％、46.5％和43.6％.%In order to study the influence of temperature on composition of biogas fermented in high-concentrated thermostatic anaerobic environment, the process of anaerobic fermentation of fresh cattle manure with solid concentration of 15% was experimentally investigated, four parallel anaerobic digesters of 11. 5 L in volume at 19, 30, 37 ℃ and 52 ℃ respectively in batch mode. Real-time measurement of biogas compositions was carried out with biogas analyzer. The experimental result showed that the highest cumulative yield of biogas and the highest methane yield took place at 37 ℃, the former being 232 L and the latter being 116. 1 L, which compared with the yields at 30, 52 ℃ were more than 18. 2 L and 15. 6 L. The average methane volume content in anaerobic fermentation at 52, 37 ℃ and 30 ℃ was 46. 6%, 46. 5% and 43.6%, respectively.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2012(038)006【总页数】5页(P44-48)【关键词】恒温厌氧发酵;沼气成分;甲烷;高浓度【作者】李金平;周丹丹;张庆芳;翟盼盼;冯荣【作者单位】兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TK6目前，中国畜牧业占农业总产值的比重约为33%，已经发展成为农业和农村经济的重要组成部分，而畜牧业在快速发展的同时，畜禽养殖场粪便污染问题也日益突出，逐渐成为社会关注的焦点.利用厌氧发酵处理畜禽粪便不仅可以提供清洁能源——沼气，实现节能减排，并且还能实现农业废弃物的综合利用，如沼液还田，能减轻对环境的压力，是目前最有发展前景的方法之一.厌氧发酵是一个复杂的生物化学反应过程，有湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵2种，湿式厌氧发酵在处理农业废弃物时需要大量的清洁水，厌氧发酵后沼液浓度较低，脱水比较困难，制约了湿式厌氧发酵未来的发展.目前，干式厌氧发酵已经广泛应用于处理城市垃圾、禽畜粪便、农作物秸秆，具有节约用水、管理方便、产气率高、处理成本小等优点，已经成为厌氧发酵技术的研究热点.厌氧发酵技术有分界点，以总固体量15%为分界点，因此研究分析总固体量为15%发酵物即可以作为湿式发酵分界点，也可以作为干式发酵的对比点［1］.李东等［2］研究秸秆常温干式厌氧发酵，发现与湿式厌氧发酵相比干式发酵不仅提高了池容效率，而且缩短了发酵周期，同时提高了单位原料产气率.张苗蕾等［3］在恒温水浴中研究了不同浓度的牛粪和玉米秸秆干式厌氧发酵，与湿式厌氧发酵相比启动时间较早，累积产气量较高.Fatma等［4］研究鸡粪干式发酵，发现37℃是最佳发酵温度，甲烷含量较高.温度是影响沼气生产的重要因素，它通过对酶的活性、微生物代谢方式、物质的溶解度等方面影响厌氧发酵［5］，进而影响了沼气中甲烷、二氧化碳和硫化氢等气体体积分数.关于温度对厌氧发酵的研究已经很多.Hammad等［6］以不同的禽畜粪便和植物废渣为发酵原料来评价甲烷的产量与温度的关系，结果表明，在最适温度35℃左右，沼气的产量和甲烷的体积分数随着环境温度增长而提高，同时表明沼气的生产使用牛粪作为发酵原料优于其他的禽畜粪便.农村户用沼气池多为常温发酵，当沼气池内沼液温度低于15℃时，沼气池产气将显著降低［7］，气温低于-5℃时就不能正常产气使用［8］.贺延龄［9］认为甲烷反应器每天的温度波动不宜超过±2℃，当有±3℃的变化时，就会抑制甲烷的产生速率，有±5℃的急剧变化时，就会完全抑制甲烷的产生.在寒旱地区由于昼夜温差大，户用沼气池产沼气每年只能使用5个月.温度变化是制约户用沼气池连续使用的最重要因素.厌氧发酵可分为3个温度范围：随环境温度变化的发酵方式的常温发酵，20～45℃的中温发酵和50～65℃的高温发酵［10］.本文在4个11.5L的发酵罐（内置1.5L的加热水箱）中实验研究了19、30、37、52℃下总固体量为15%的纯牛粪的恒温厌氧发酵过程，并用沼气分析仪实时测量了沼气成分，研究了温度对厌氧发酵产沼气成分的影响.1 实验1.1 实验装置本实验采用自行设计的自动可控温厌氧发酵系统，主要由温控仪、4个高径比为1的11.5L304不锈钢发酵罐（内置1.5L加热水箱）和集气装置组成，如图1所示.发酵罐的温度通过加热水箱的水温控制，3个经过良好保温的发酵罐温度分别控制在52±1℃、37±1℃、30±1℃.温度均使用精度为±0.1K的Pt100铂电阻测量，质量采用精度为±0.01g的电子天平测量，pH值用精度为±0.1的pH-108型袖珍数显笔式酸度计测量，气体成分由Biogas测量，甲烷和二氧化碳的测量精度均为±3.0%，硫化氢的测量范围是0～5g/kg，测量精度为±0.025g/kg.1.2 发酵原料图1 可控性恒温发酵装置示意图Fig.1 Schematic diagram of controllable constanttemperature fermentation equipment1.温控仪；2.保温层；3.52℃发酵罐；4.37℃发酵罐；5.30℃发酵罐；6.常温发酵罐；7.数据采集仪；8.湿式气体流量计；9.计算机；10.沼气分析仪；11.储水桶；12.储气罐；13.内水箱；14.电磁阀；15.热水泵；16.恒温水箱；17.加热丝；18.温度传感器每个发酵罐7.5L填充发酵原料，2.5L作为预留储气空间.发酵原料由新鲜牛粪、接种物和水组成，其中新鲜牛粪取自某奶牛繁育中心，接种物取自奶牛繁育中心的恒温厌氧发酵罐.经测定其理化性质见表1.表1 牛粪和接种物的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of cattle manure and inoculums物料密度/（kg·m-3） pH 固体浓度/%挥发性固体/%655 7.6 26.18 43.54接种物牛粪986 7.2 4.13 54.48为控制发酵原料的总固体量在15%，由发酵罐中添加2.4L接种量，计算出新鲜牛粪和水的质量分别为1 690g和3 772g. 式中：M0为料液的总固体量，%；Xi为物料i的重量，g；m为原料的总固体量，%；W 为加入水量，g.1.3 测量指标和测定方法测量指标和测定方法见表2.表2 测量指标和测定方法Tab.2 Measurement indices and methods指标测定方法主要仪器检测时间温度电阻法 Pt100铂电阻数据采集仪10s1次总固体量减重法恒温干燥箱实验前后各1次挥发性固体减重法马弗炉实验前后各1次pH 电位法袖珍数显笔式酸度计每天21：00产气量排水法湿式气体流量计每天21：00 CH4、CO2、H2S 红外吸收 Biogas Check 每天21：00 1.4 实验方法实验共进行了58天.每天21：00用气体采样袋收集1L气体，使用沼气分析仪测定其成分，并用排水集气法收集沼气罐中剩余气体，用量筒测定水的体积以表示剩余气体的体积.人工搅拌从第1天开始，每天21：00搅拌2min.2 结果与讨论2.1 发酵温度对发酵罐内pH值的影响厌氧发酵过程中pH值变化是生物菌群厌氧消化、气液两相间CO2平衡、液相内酸碱平衡以及固液两相溶解平衡的共同作用结果［9］.从图2可以看出，厌氧发酵开始时，不同的发酵温度下，pH均有明显的降低，即处于酸化阶段.此阶段产甲烷菌数量少，处于适应环境阶段，不能及时消耗发酵罐内产生的挥发性脂肪酸，使得酸积累越来越多，致使pH值降低.第9天中19℃发酵罐中pH迅速上升，这是由于发酵浓度高，出现了酸积累的原因；30℃pH值有剧烈下降，而这是因产酸过度消耗造成.19、30、37、52℃发酵罐中的pH值分别在第14、11、9、10天达到正常发酵范围（pH：6.8～7.6），即完成了酸化阶段.随后pH值一直处于6.8～7.7.但相比较而言，由于温度越高氨浓度越高，所以pH值在6.8～7.7随温度从52、37、30、19℃降低而相应降低.图2 发酵温度对pH的影响Fig.2 Influence of temperature on pH in anaerobic fermentation2.2 发酵温度对日产沼气量和日消耗总固体量的影响图3中发酵温度对沼气产量的影响基本与pH值变化相对应.在厌氧发酵第1天，除常温发酵罐外，每个发酵罐都有大量气体产生.这是由于接种物中产甲烷菌利用牛粪中的小分子物质及接种物自身的脂肪酸产生了大量沼气造成的.常温发酵罐产气量较低是由于温度和水解酸化菌产生脂肪酸的综合影响.随着厌氧发酵的进行，温度的影响开始凸显.厌氧发酵的第2天，除19℃发酵罐产气量低外，其余3个发酵罐产气量虽然有小波动，但整体均平稳上升，其中30、37、52℃发酵罐分别在第12、10、7天出现了产气高峰.可以看出，温度越高，产气高峰出现越早，发酵速率越高.这是由于牛粪发酵浓度高，物质流动性差，与发酵微生物接触几率减小.而温度越高分子运动速度越快，高温加速了发酵物质与发酵微生物的接触概率，供给发酵微生物充足的食物，使发酵微生物迅速增长繁殖，微生物数量的增长造成产气速率的进一步提高，从而在发酵原料充足的条件下52℃发酵罐最早出现最高日产气量15.2 L，比37℃产气高峰早3天.图3 发酵温度对沼气产量的影响Fig.3 Influence of temperature on biogas yields in anaerobic fermentation30、37、52℃发酵罐在出现产气高峰后的一段时间内，由于发酵物质逐渐不足，产气量开始下降，但30、37℃日产气量均高于52℃产气，且37℃发酵罐产气量多数时间处于最高.这是因为厌氧发酵产甲烷过程主要由2部分组成：一部分利用乙酸产甲烷，另一部分是利用H2与CO2合成甲烷.产氢菌是沼气发酵中很重要的微生物，它们可为产甲烷菌提供H2和CO2来合成甲烷.大多数产氢菌在30～38℃能产生更多氢，而产甲烷菌也在30～38℃对CO2/H2利用效果最好.M.Braun和F.Mayer［11］通过对不同温度下产氢菌活性研究，得到产氢菌最佳生长温度是30℃，并且做了产氢菌生长随温度的关系曲线.产氢菌在30～38℃区间活性很高，在50～60℃区间活性偏低，30℃和37℃在发酵中期和后期除了利用乙酸合成甲烷，还利用了CO2/H2合成甲烷，所以在发酵物质逐渐不足条件下，30、37℃条件下产气量曲线高于52℃.图4为每日总固体量的消耗图，对比图3与图4，37℃和52℃发酵罐在分别达到最高日产气量时TS的转化率有明显的差距.52℃发酵罐的最高日产气量高于37℃时，但是TS消耗量相比，前者却小于后者，说明发酵前期52℃发酵原料转化率高于37℃时.但是随着发酵的进行，从总体趋势分析，TS的消耗量与产气量基本成正比关系.因为总碳量与挥发性固体的线性关系，可以知道总碳量与总固体量也为线性关系，而甲烷和二氧化碳主要来源于含碳物质的分解.图4 发酵温度对总固体量降解的影响Fig.4 Influence of temperature on total solid gradation in anaerobic fermentation2.3 发酵温度对TS累计消耗量和累积产沼气量的影响58天内，52、37、30℃和常温条件下发酵罐的累积产气量分别为200.40、231.95、201.55、60.70L，52、37、30℃下厌氧发酵周期分别为35、33、34天，实验结果见图5.图5 发酵温度对TS累计消耗量和累积产气量的影响Fig.5 Influence of temperature on cumulative TS consumption and cumulative biogas yield in anaerobic fermentation通常一个厌氧发酵周期定义为从厌氧发酵开始到产气量达到总产气量90%的时段［12］.58天实验结束时，常温发酵罐的日产气量仍然维持在1L（占1.66%）左右，因此这里不对19℃下厌氧发酵周期进行讨论.由图5可知，37℃实验组的累积产气量最高，其次是30℃实验组.由温度与生物反应活性之间的关系［13］可以看出厌氧生化速率在37℃附近达到一个极大值，在45℃左右出现低值，继而在53～63℃又出现一个极大值.37℃与52℃有着同样的利用乙酸产甲烷的能力，又有着30℃附近时产氢细菌的高效率，同时细菌有着利用CO2/H2合成甲烷的最好活性，所以产气量与产甲烷量最高.许多研究表明嗜热菌对有机物的降解能力要优于中温菌和低温菌，但在此次发酵中，30℃与52℃发酵累积产气量接近，与大多数学者对常规厌氧发酵的研究结果不同，这是因为TS为15%时52℃发酵速率快，发酵底物供应充足，产甲烷菌在发酵高峰期到来前迅速增长繁殖，由于产甲烷过程中含碳物质既是能源又是碳源，用于微生物细胞增长消耗的碳源多于30℃.30℃时，由于产氢菌利用CO2/H2合成甲烷的细菌活性高于52℃，而此途径合成甲烷量约占整个产甲烷量28%［9］，即30℃实验组通过此途径弥补了用乙酸途径合成甲烷细菌活性的不足.综合结果为30℃和52℃的累积产气量相当.TS累计消耗量直观反映了不同温度对发酵原料厌氧降解速率的影响，在37℃时TS降解速率最快，表明在适宜温度下牛粪中有机物物质转化速率较快，在同一发酵周期内累计产气量多.但是随着原料中营养物质的减少，TS的累计下降速率总体呈递减趋势.2.4 温度对沼气中甲烷体积分数的影响作为一种可燃性的混合气体，沼气的主要成分包括甲烷、二氧化碳、氮气、硫化氢等，通常甲烷的体积分数为50%～70%，二氧化碳的体积分数为30%，甲烷的体积分数决定了沼气的品质.硫化氢作为一种剧毒的酸性气体，其质量分数对管道有腐蚀破坏作用，如何降低其质量分数对环境保护工作有重要意义.如图6所示，在一定温度条件下随厌氧发酵的进行甲烷体积分数先升高后逐渐降低.52、37、30℃下厌氧发酵甲烷峰值分别为66%、60%、60%，甲烷平均体积分数分别为46.6%、46.5%和43.6%.尽管52、37、30℃下厌氧发酵的甲烷峰值和平均甲烷体积分数差别不大，但它们的累积甲烷产量却存在明显差异，37℃下厌氧发酵的累积甲烷产量分别是52℃下的1.16和1.23倍.因为接种液取自37℃发酵罐中，所以在发酵前期37℃有明显优势，且由于发酵原料充足，发酵速率较大，甲烷体积分数也较高，随着发酵时间的持续，pH值升高导致氨的体积分数增加，抑制了产甲烷的活性，使甲烷的体积分数下降.图6 发酵温度对甲烷体积分数的影响Fig.6 Effect of temperature on methane content in anaerobic fermentation2.5 温度对沼气中二氧化碳体积分数的影响由图7可以看出52℃实验组的CO2体积分数曲线基本上高于其他组分，这是因为52℃条件下产甲烷菌利用CO2/H2合成甲烷的效率较低，而30℃时产甲烷利用CO2/H2的效率最高，且37℃产氢活性明显高于52℃.所以52℃时CO2体积分数高于其他发酵罐.图7 发酵温度对二氧化碳体积分数的影响Fig.7 Influence of temperature on CO2content in anaerobic fermentation2.6 温度对沼气中硫化氢质量分数的影响从图8可以看出，发酵初期（2天内）各温度下厌氧发酵产生的沼气中的硫化氢质量分数均随时间的明显上升，发酵第3天开始，沼气中的硫化氢质量分数开始下降.这是由于在发酵初期，蛋白质等大分子含硫物质经过水解酸化后分解出硫化氢，使硫化氢质量分数增大，而后随着甲烷菌的代谢，甲烷体积分数增大导致硫化氢所占比重开始下降［14］.图8 发酵温度对硫化氢质量分数的影响Fig.8 Influence of temperature on hydrogen sulfide content in anaerobic fermentation实验初期处于酸化阶段，硫化氢质量分数较高，这是由于在较低的发酵温度下，产甲烷菌活性较弱，产生的甲烷较少，硫化氢所占的比例较大.综上所述，可以看出19℃条件下厌氧发酵的日产气速率最小、日产气量最少、沼气中的甲烷日均体积分数最低、硫化氢日均质量分数最高.而中国的户用沼气池普遍采用自然发酵，料液温度随环境的变化而变化，显然沼气生产情况比19℃下生物质厌氧发酵更加糟糕.因此，为了提高生物质厌氧发酵速率、日产气量和沼气中的甲烷体积分数，并降低沼气中硫化氢产量，建议将沼气生产温度控制在37℃.3 结论1）对于高浓度发酵，温度对发酵速率的影响是最主要因素，52℃发酵罐产气速率最大，产气高峰比37℃提前3天，37℃比30℃提前1天.2）37℃时厌氧发酵的产气量和产甲烷量都是最大的.对TS为15%的发酵过程，37℃虽然发酵周期长于52℃，但发酵原料的利用更充分.52℃发酵适合于连续进料的快速产气过程，37℃更适合于充分消解原料过程.3）中国户用沼气池普遍采用自然发酵，料液温度随环境的变化而变化，沼气生产性能比19℃下生物质厌氧发酵更差.因此，为了提高生物质厌氧发酵速率、沼气品质，并降低沼气中硫化氢质量分数，建议将沼气生产温度控制在37℃.参考文献：［1］宁桂兴，申欢，文一波，等.农作物秸秆干式厌氧发酵实验研究［J］.环境工程学报，2009，3（6）：1131-1134.［2］李东，马隆龙，袁振宏，等.华南地区稻秸常温干式厌氧发酵试验研究［J］.农业工程学报，2006，22（12）：176-179.［3］张苗蕾，张从良，李顺义，等.含水量对牛粪和玉米秸秆干式厌氧发酵的影响［J］.江苏农业科学，2009，6（1）：401-403.［4］FATMA A，YUTAKA N，NAOMICHI N.Dry mesophilic fermentation of chicken manure for production of methane by repeated batch culture ［J］.Journal of Bioscience and 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