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Wie man landwirtschaftliche Abfälle effizient zur Herstellung von Biogas fermentieren kann, ist eine große Herausforderung für die Landwirtschaft von heute. Wissenschaftliche Forschungsinstitute und Hochschulen im In- und Ausland haben in diesem Bereich umfangreiche Forschungen betrieben. Liu Dejiangs Forschungen zeigen, dass im Vergleich zur Gärung von Biogas aus einem einzigen Fermentierungsmaterial die Mischung von Tierexkrementen oder die Kombination von Tierexkrementen mit Stroh dazu beitragen kann, die Biogasproduktion erheblich zu steigern. Wenn der Anteil an Rinderexkrementen im Fermentierungsmaterial erhöht wird, steigt auch der CH4-Gehalt im Gas deutlich an. Dabei neigen Schweineexkremente während des anaeroben Fermentierungsprozesses dazu, sauer zu werden – was wiederum zu einer Verringerung oder sogar zum Stillstand der Gasproduktion führt. Schafsexkremente und Rinderexkremente hingegen neigen nicht dazu, sauer zu werden, wodurch die Gasproduktion im Grunde genommen nicht beeinträchtigt wird. Lis Forschungen zeigen, dass bei hohen Temperaturen und Konzentrationen der Lösung sowie bei einer längeren Verweildauer des Wassers der Propangehalt im Gärungsmedium ebenfalls ansteigt. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf die anschließende Methanbildung. Das optimale C:N-Verhältnis für die Herstellung von Biogas aus Mikroorganismen beträgt 25:1. Einzelne Fermentationssubstrate erfüllen diese Anforderungen nicht, weshalb die Erforschung verschiedener Mischungsverhältnisse von Substraten bei der Fermentation von großer Bedeutung ist. Diese experimentelle Studie untersucht bei derselben Temperatur den Einfluss der Fermentation mit Schweinekot und Schafskot als einzigen Rohstoffen sowie der Fermentation in verschiedenen Mischverhältnissen auf die Biogasproduktion sowie den CH4-Gehalt. Ziel ist es, eine theoretische Grundlage für die Steigerung der Biogasproduktion und -qualität zu schaffen. 1 Materialien und Methoden 1.1 Materialien Die Versuchsmaterialien stammen aus frischem Rindermist und Schafsmist von der Zuchtanlage am Hügel hinter der Shenyang Agricultural University ； Der Testimpfstoff wurde aus dem Schlamm am Boden von Biogasanlagen entnommen, die von Landwirten im Bezirk Dongling in Shenyang für ihren eigenen Gebrauch genutzt werden. Der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt der Fermentierungsrohstoffe ist in Tabelle 1 aufgeführt. 1.2 Methoden 1.2.1 Fermentierungsversuche: Es wurde ein selbst entworfenes Gerät für die anaerobe Fermentation unter konstanter Temperatur verwendet. Dieses Gerät setzt sich aus einem Fermentierungsbehälter, einem Behälter zur Sammlung von Gasen sowie einem Behälter zur Sammlung von Flüssigkeit zusammen. Es werden 1500-mL-Glasflaschen aus Acryl als Gärungsbehälter und Sammelbehälter verwendet. In den Gärungsbehältern sowie in den Sammelbehältern werden Löcher gebohrt, die als Probenentnahmeloch und Ablaufloch dienen. Die Probenentnahmeloch werden mit Dichtklammern verschlossen. Zwischen dem Gärbehälter und dem Gas sammelnden Behälter wird eine Silikonschlauch mit den Abmessungen 10 mm × 8 mm verwendet. Für die Sammelflasche wird ein Messbecher mit einem Fassungsvermögen von 100 mL verwendet; das Ablassen des Wassers erfolgt nach unten. Alle Verbindungsstellen sind dicht abgedichtet. Die Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt. In diesem Versuch wurde eine Fermentkonzentration mit einer Inokulationsmenge von 20 % und einem Gesamtgehalt an Feststoffen von 8 % verwendet. Die Rezepturen für die Gärflüssigkeiten werden in die folgenden 4 Gruppen eingeteilt: Gruppe I: Reine Schweinemistgärung ； Gruppe II: Reine Schafsdung-Fermentation ； Gruppe III: Schweinekot: Schafskot (Verhältnis der Trockenstoffe) = 1:1, gemischt und fermentiert ； Gruppe IV: Schweinekot: Schafskot (Verhältnis der Trockenstoffe) = 1:2, vergoren. Für jede Rezeptur werden 2 parallele Versuche durchgeführt. Die vier Versuchsgruppen I, II, III und IV wurden jeweils in 1500-mL-Fermentationsflaschen gegeben und dort 9 Tage lang bei offener Oberfläche vorbehandelt. Anschließend wurden die Flaschen verschlossen, mit Leitungen für den Gasaustausch sowie Sammelbehältern verbunden. Die Fermentationseinrichtungen wurden anschließend in einen Kulturraum mit konstanter Temperatur gebracht, wo die anaerobe Fermentation bei einer Temperatur von (28±1) °C über 30 Tage hinweg stattfand. 1.2.2 Analyse- und Messverfahren: Die tägliche Gasproduktion sowie die gesamte Gasmenge werden mithilfe der Methode des nach unten fließenden Wassers gemessen. Der pH-Wert der Fermentationsflüssigkeit wird mit einem intelligenten pH-Messer vom Typ PHS225 ermittelt. Der CH4-Gehalt im Gas wird mit einem Biogasanalysegerät vom Typ ZS22 bestimmt. 2 Ergebnisse und Analyse 2.1 Dynamische Veränderungen des pH-Werts der verschiedenen Fermentationsgruppen während der Vorbereitung Die nach dem Rezept zubereiteten Fermentationsmischungen wurden gut vermischt und anschließend für 9 Tage bei Raumtemperatur (20°C) in 1500-mL-Fermentierflaschen unter aeroben Bedingungen fermentiert. Während des Vergärungsprozesses wird der pH-Wert des Systems täglich gemessen. Die Veränderungen des pH-Werts der Gärflüssigkeit sind in Abbildung 2 dargestellt. Wie aus Abbildung 2 zu erkennen ist, blieb der pH-Wert der Gruppe I während des gesamten Vorbehandlungsprozesses auf einem niedrigen Niveau – es herrschte also eine saure Umgebung. Der pH-Wert der Gruppe II blieb bis zum Ende der Vorbehandlung im alkalischen Bereich ； In der Versuchsgruppe mit gemischten Rohstoffen: Bei Gruppe III lag der pH-Wert zu Beginn der Vergärung bei 7,50. Am 3. Tag sank der pH-Wert auf 6,95 – das Material war also sauer. Anschließend stieg der pH-Wert wieder an und blieb im alkalischen Bereich. Zum Zeitpunkt des Abschlusses der Vorbereitungsphase lag der pH-Wert in Gruppe III erneut bei 7,50 ； In der gesamten Vorbehandlungsphase zeigte Gruppe IV eine ähnliche Entwicklung des pH-Werts wie Gruppe III: Beide Gruppen durchliefen einen Prozess, bei dem der pH-Wert zunächst sank, anschließend wieder stieg und schließlich konstant blieb. Im Vergleich zu Gruppe III waren die Schwankungen des pH-Werts in Gruppe IV jedoch geringer, und der pH-Wert blieb während der gesamten Vorbehandlungsphase im basischen Bereich. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg 2.2 Dynamische Veränderungen des pH-Werts der verschiedenen Fermentationsgruppen während des anaeroben Fermentierungsprozesses Im Rahmen der Experimente zur anaeroben Fermentation wurde der pH-Wert der Fermentatlösung alle 3 Tage gemessen. Die Veränderungen des pH-Werts der Gärflüssigkeit während des Biogas-Gärprozesses sind in Abbildung 3 dargestellt. Wie aus Abbildung 3 hervorgeht, sank der pH-Wert in Gruppe I am 9. Tag der Gärung auf 6,20. Durch das gezielte Hinzufügen von Basen wurde der pH-Wert auf 7,00 erhöht. Im weiteren Verlauf der Gärung blieb der pH-Wert stets über 6,50. Am Ende der Gärung lag der pH-Wert bei 7,10 ； Der pH-Wert der Gruppe II blieb während des gesamten Fermentationsprozesses auf einem hohen Niveau. Am 15. Tag der Fermentation sank er auf 6,70, und am Ende der Fermentation lag der pH-Wert bei 7,20. In der Gruppe mit gemischten Rohstoffen: Bei Gruppe III sank der pH-Wert zu Beginn der Gärung schnell ab; am 12. Tag lag er bei 6,45. Anschließend stieg der pH-Wert wieder an und blieb über 6,50. Am Ende der Gärung lag der pH-Wert in Gruppe III bei 7,30 ； Bei Gruppe IV war die Schwankung des pH-Werts am geringsten. Am 6. Tag der Gärung sank der pH-Wert auf 6,90, danach stieg er wieder an. Am 15. Tag lag der pH-Wert bei 7,31. Zum Ende der Gärung betrug der pH-Wert 7,20. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg 2.3 Veränderungen in der Gasproduktion bei unterschiedlichen Zusammensetzungen der Fermentierungsrohstoffe Die Veränderungen in der täglichen Gasproduktion bei verschiedenen Zusammensetzungen der Fermentierungsrohstoffe sind in Abbildung 4 dargestellt. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, beginnt die Gasproduktion in Gruppe I am schnellsten. Schon nach 1 Tag der anaeroben Fermentation entsteht eine geringe Menge an Gas. Die tägliche Gasproduktion erreicht am 4. Tag einen Wert von 100 mL. Danach nimmt sie rapide ab. Am 8. Tag der Fermentation stoppt die Gasproduktion in Gruppe I vollständig. Nachdem man durch das Hinzufügen von Alkali den pH-Wert des Systems reguliert hat, setzt die Gasproduktion wieder ein. Am 11. Tag wird ein Höchstwert von 246 mL pro Tag erreicht ； Die Gasproduktion in Gruppe II setzte langsamer ein als in Gruppe I. Die Gärung begann am 9. Tag mit der Gasproduktion, und am 16. Tag wurde ein Höchstwert von 325 mL pro Tag erreicht. Danach nahm die Gasproduktion allmählich ab, blieb jedoch stets höher als in Gruppe I. In der Gruppe mit gemischten Rohstoffen begann Gruppe III am 6. Tag mit der Gasproduktion. Die tägliche Gasmenge erreichte am 10. Tag ihren Höchstwert von 375 mL/d. Danach nahm sie allmählich ab – am 24. Tag lag sie bei 175 mL/d. Am 30. Tag der Fermentation betrug die tägliche Gasmenge in Gruppe III nur noch 47 mL/d ； Gruppe IV begann am 4. Tag der Fermentation Gase zu erzeugen. Anschließend stieg die tägliche Gasproduktion im Laufe der Fermentation an, bis sie am 9. Tag der Fermentation ihren Höchstwert von 350 mL/pro Tag erreichte. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg Die Veränderungen des CH4-Gehalts in den Gärungsflüssigkeiten bei unterschiedlichen Zusammensetzungen der Gärungsmaterialien sind in Abbildung 5 dargestellt. In Gruppe I blieb der CH4-Gehalt stets niedrig; am 11. Tag der Fermentation erreichte er 60 %. Danach sank er schnell, und nach dem 25. Tag der Fermentation war im erzeugten Gas kein CH4 mehr enthalten. In Gruppe II betrug der CH4-Gehalt am 9. Tag der Fermentation, als die Gasproduktion begann, 21 %. Am 15. Tag der Fermentation erreichte er seinen Höchstwert von 79 %, danach sank er allmählich. Am Ende der Fermentation lag der CH4-Gehalt bei 30 %. In Gruppe III erreichte der CH4-Gehalt bereits am 5. Tag der Fermentation, nachdem die Gasproduktion einsetzte, 35 %. Anschließend stieg dieser Wert weiter an und erreichte am 9. Tag der Fermentation seinen Höchstwert von 82 %. Dieser hohe Wert blieb bis zum 14. Tag der Fermentation bestehen, danach begann der Wert allmählich abzunehmen. Am Ende der Fermentation lag der CH4-Gehalt immer noch bei 30 % ； Gruppe IV erreichte am 8. Tag der Fermentation einen Höchstwert von 70 % an CH4-Gehalt, danach begann dieser Wert allmählich abzunehmen. Am Ende der Fermentation betrug das CH4-Gehalt nur noch 10 %. In der Gruppe der fermentierten Mischrohstoffe wies Gruppe III im Vergleich zu Gruppe IV ein höheres Maximum an CH4-Gehalt sowie eine längere Dauer auf. Die gesamte Gasproduktion sowie die Gasproduktionsrate bei verschiedenen Mischungen der Gärungsrohstoffe sind in Tabelle 2 aufgeführt. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass nach einem anaeroben Fermentationsversuch bei konstanter Temperatur von 28 °C über 30 Tage die Reihenfolge der verschiedenen Fermentationsrohstoffe hinsichtlich der akkumulierten Gasproduktion von hoch nach niedrig lautet: Gruppe III > Gruppe IV > Gruppe II > Gruppe I. Die gesamte Gasproduktion in Gruppe I war am niedrigsten (2749 mL), was nur der Hälfte der Wertes aus Gruppe III entspricht (Gesamtgasproduktion: 6258 mL). Die gesamte Gasproduktion aus gemischten Rohstoffen ist höher als bei einzelnen Rohstoffen, und die Gesamtgasproduktion der Gruppe III ist höher als die der Gruppe IV. Allein was die gesamte Gasproduktion angeht, ist Gruppe III deutlich besser als Gruppe IV – mit einem Unterschied von 922 mL. Die Gasproduktionsrate der Trockenmasse beträgt in absteigender Reihenfolge: Gruppe III > Gruppe IV > Gruppe II > Gruppe I. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg 3 Diskussionen Bevor die anaerobe Gärung stattfindet, wird die Mischung aus Gärungsmaterialien und Keimen über einen Zeitraum von 9 Tagen aerob vorbehandelt. Dadurch wird die Zersetzung der komplexen organischen Stoffe in den Gärungsmaterialien gefördert – wodurch Säure entsteht. Schweinekot führt am schnellsten zur Säurebildung, Schafskot hingegen am langsamsten. Der pH-Wert der Fermentationslösungen aus den 4 verschiedenen Rohstoffgruppen zeigte zunächst einen Abfall und anschließend einen Anstieg. Der Grund dafür ist, dass die säurebildenden Bakterien die komplexen organischen Stoffe in den Rohstoffen zersetzen und dabei flüchtige Fettsäuren sowie organische Säuren erzeugen – dadurch sinkt der pH-Wert. Später werden diese Säuren durch die Gase bildenden Bakterien weiter abgebaut, wodurch der pH-Wert wieder ansteigt und sich schließlich stabilisiert. Schweinekot acidifiziert sich leicht während des anaeroben Fermentationsprozesses, was zu einer Verringerung oder sogar zum Stillstand der Gasproduktion führt. Um die Gasproduktion aufrechtzuerhalten, muss der pH-Wert des Systems künstlich reguliert werden ； In der Gruppe mit Schafsdung und gemischten Rohstoffen kommt es hingegen nicht zu einer Verästzung. Da Schweinekot einen hohen Anteil an groben Fetten und Eiweißen enthält, werden diese Stoffe in der Anfangsphase der anaeroben Fermentation von Mikroorganismen abgebaut und zu Säuren umgewandelt. Dadurch sinkt der pH-Wert des Systems schnell, was wiederum die Aktivität der Methanbildenden Bakterien hemmt. Bei der Gruppe mit fermentiertem Schafsdung setzt die Gasproduktion relativ spät ein. Dies liegt daran, dass die Mikroorganismen Zellulose und Hemicellulose nur langsam abbauen können, wodurch die Methanbakterien nicht ausreichend Stoffwechselsubstrate erhalten. In der Gruppe mit gemischten Rohstoffen führt die Säuerung durch Schweinekot dazu, dass die Säuren die chemische Struktur der holzigen Fasern zerstören. Dadurch wird die Hydrolyse der Holzcellulose gefördert, wodurch deren biologische Abbaubarkeit erhöht wird. Zudem wird die Zersetzung der hochzellulösen Rohstoffe beschleunigt, was wiederum zu einer höheren Gasproduktion sowie einem höheren CH4-Gehalt führt – und somit zu besseren Fermentationsergebnissen. Diese Studie zeigt, dass bei gleichen Konzentrationen an Trockenstoffen und Temperaturen die gesamte Gasproduktion sowie die Gasproduktionsrate pro Einheit Trockenstoffe in folgender Reihenfolge von hoch zu niedrig liegen: Gruppe III > Gruppe IV > Gruppe II > Gruppe I. Die optimale Mischung aus Schweinekot und Schafskot (Verhältnis der Trockenstoffe) beträgt 1:1. (Li Muzi, Sun Junde, Fakultät für Landwirtschaft und Umwelt, Shenyang Agricultural University)