不同Ｃ／Ｎ對沼氣發(fā)酵均勻性影響的研究

高禮安　鄧功成　趙　洪　李　靜　馬　媛　李永波　黎嬌凌　俸才軍　張　林　楊世凱

摘要在相同的發(fā)酵濃度、相同體積及相同溫度的條件下，利用稻草和豬糞的不同比例來調(diào)節(jié)C/N，采用批量發(fā)酵方法，研究C/N對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣特性的影響。結(jié)果表明：在常溫條件，原料不同C/N都能迅速啟動；60d平均日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率以C/N為33/1最高，分別達762.00mL/2 500mL；0.148 6m³/kg·TS，且能維持較高的產(chǎn)氣均勻性。

關(guān)鍵詞C/N；沼氣；產(chǎn)氣量；產(chǎn)氣率；均勻性

中圖分類號S216.4文獻標識碼A文章編號 1007-5739（2009）04-0248-02

能源是當今世界面臨的五大問題之一?？稍偕履茉吹耐诰?，特別是生物質(zhì)能源的研究開發(fā)是當前世界的熱點問題。微生物在生長繁殖過程中，分解有機質(zhì)，把其中貯存的能量轉(zhuǎn)化為再生能源已被人們廣泛關(guān)注。利用微生物開發(fā)能源，對解決能源危機、增加肥料、改善環(huán)境、保護生態(tài)平衡、促進生態(tài)良性循環(huán)、推動農(nóng)村經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要意義。沼氣是利用糞便、農(nóng)作物秸稈等有機物在特定（厭氧）的條件下，經(jīng)過微生物生理代謝產(chǎn)生主要成分為CH4的可燃性氣體，屬生物質(zhì)能源。農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)酵方式為常溫半連續(xù)式發(fā)酵。在冬春季節(jié)，受溫度的影響，原料分解慢，沼氣的產(chǎn)氣率較低，影響沼氣的持續(xù)利用。提高農(nóng)村沼氣產(chǎn)量，除采取必要的工程措施和保溫措施之外，還需改善發(fā)酵環(huán)境等措施。提高發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率是提高沼氣產(chǎn)量的重要措施，而發(fā)酵原料的C/N是影響產(chǎn)氣率的主要因子之一。試驗就發(fā)酵物的不同C/N進行研究，探索不同C/N對沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣均勻性的影響，以期為解決農(nóng)村沼氣冬季產(chǎn)氣量低、產(chǎn)氣不均勻等問題提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料及接種物

發(fā)酵材料為新鮮豬糞和干稻草粉，新鮮豬糞取自都勻黔隆果菜基地開發(fā)有限公司優(yōu)質(zhì)豬養(yǎng)殖場，TS含量為29%～32%。干稻草粉取自都勻市楊柳街鎮(zhèn)。接種物（微生物發(fā)酵種子）為取自農(nóng)村多口沼氣池、經(jīng)實驗室以豬糞為原料富集培養(yǎng)的混合微生物菌群。送樣經(jīng)農(nóng)業(yè)部成都沼氣科學研究所厭氧微生物重點開放實驗室測定，各微生物菌群的數(shù)量為：發(fā)酵細菌3×108cfu/mL，纖維素分解菌5.5×104cfu/mL，硫酸鹽還原菌5×106cfu/mL，產(chǎn)甲烷菌1.9×107cfu/mL。

1.2試驗方法

采用批量發(fā)酵。用鮮豬糞和風干稻草配制不同比例的C/N，共設(shè)18/1、23/1、28/1、33/1、38/1、43/1共6個處理，3次重復(fù)，用5 000mL蒸餾水瓶做發(fā)酵容器，每瓶裝TS 313g、發(fā)酵種子250mL，加自來水攪拌充分混合定容2 500mL。置實驗室常溫下連續(xù)發(fā)酵60d，采用排水集氣法測定日產(chǎn)氣量，每10d用吸收法測定沼氣中CH4含量[1]，并用pHS-25A型數(shù)字酸度計測量發(fā)酵液pH值。

2結(jié)果與分析

2.1 C/N對沼氣發(fā)酵啟動的影響

沼氣池從進料開始到能夠正常而穩(wěn)定地產(chǎn)氣過程稱為沼氣發(fā)酵的啟動。由于8月氣溫較高，室溫在24～30℃，裝料的當天即開始產(chǎn)氣。裝料后第2天測定產(chǎn)氣量、CH4含量及pH值，結(jié)果表明（表1），在常溫條件，試驗設(shè)計的幾種C/N發(fā)酵物都能啟動，而且啟動迅速，產(chǎn)氣量以C/N為23/1的處理最高，為1 250.0mL/2 500mL發(fā)酵液；18/1次之，為1 086.7 mL/2 500mL發(fā)酵液；43/1再次之，為1 016.7mL/2 500mL發(fā)酵液。發(fā)酵啟動時CH4含量均在30%以上；發(fā)酵溫度在25℃左右，此階段沼氣池中水解酶類活性高，發(fā)酵纖維素等分解菌活躍，發(fā)酵體系產(chǎn)生的CO2量大，沼氣中CH4含量偏低，產(chǎn)酸量大，pH值低，反映了沼氣正常啟動的特征[2]。

2.2C/N對沼氣產(chǎn)量的影響

由表2可知，發(fā)酵30d后，以C/N為43/1處理的月總產(chǎn)氣量和日平均產(chǎn)氣量最高，分別為31 296.6mL/2 500mL發(fā)酵液和1 043.22mL/2 500mL發(fā)酵液；38/1次之，為25 452.3 mL/2 500mL發(fā)酵液和848.40mL/2 500mL發(fā)酵液；33/1再次之，為22 388.2mL/2 500mL發(fā)酵液和746.30mL/2 500mL發(fā)酵液；28/1第4；18/1處理的月總產(chǎn)氣量和日平均產(chǎn)氣量最低，分別為3 948.1mL/2 500mL發(fā)酵液和131.60mL/2 500mL發(fā)酵液。發(fā)酵60d后，以C/N為33/1處理的月總產(chǎn)氣量和日平均產(chǎn)氣量最高，分別24 109.9mL/2 500mL發(fā)酵液和777.70 mL/2 500mL發(fā)酵液；28/1次之，為21 240.0mL/2 500 mL發(fā)酵液和685.20mL/2 500mL發(fā)酵液；38/1再次之，為19 934.9 mL/2 500mL和643.06mL/2 500mL發(fā)酵液；43/1第4，為12 051.9mL/2 500mL發(fā)酵液和388.74mL/2 500mL發(fā)酵液；18/1最低，為2 180.8mL/2 500mL發(fā)酵液和70.30mL/2 500 mL發(fā)酵液。因此，C/N在28/1～43/1范圍，60d日均產(chǎn)氣量均達700mL/2 500mL發(fā)酵液以上，以33/1最高，達762.00 mL/2 500mL發(fā)酵液；在常溫（25℃左右）條件下，C/N在28/1～38/1原料產(chǎn)氣率高，產(chǎn)氣量相對也較高；原料產(chǎn)氣率以C/N為33/1最高，其值為0.148 6m³/kg·TS。

2.3 C/N對產(chǎn)氣均勻性的影響

由表3可知，沼氣發(fā)酵啟動后10d，C/N為43/1平均日產(chǎn)氣量最高，方差分析結(jié)果表明它與28/1、33/1、38/1沒有顯著差異，18/1平均產(chǎn)氣量最低，僅為189.65 mL/2 500mL發(fā)酵液，與43/1有極顯著差異。發(fā)酵11～20d，C/N為43/1平均產(chǎn)氣量最高，產(chǎn)氣量除了與18/1和23/1存在極顯著差異外，與其他處理沒有顯著差異。發(fā)酵21～30d，C/N為43/1平均日產(chǎn)氣量最高，達發(fā)酵產(chǎn)氣峰值，10d平均日產(chǎn)氣量為1 418.16mL/2 500mL發(fā)酵液，產(chǎn)氣量與其他處理存在極顯著差異。發(fā)酵31～40d，C/N為33/1平均日產(chǎn)氣量最高，達1 025.84mL/2 500mL發(fā)酵液，與處理43/1、23/1、18/1有極顯著差異。發(fā)酵41～50d，C/N為33/1平均日產(chǎn)氣量最高，達664.17mL/2 500mL發(fā)酵液，與處理43/1、23/1、18/1有極顯著差異。發(fā)酵51～60d，仍以33/1平均日產(chǎn)氣量最高，達678.44mL/2 500mL發(fā)酵液，與處理23/1存在顯著差異，與43/1、18/1有極顯著差異。試驗結(jié)果表明，在發(fā)酵的60d中，前30d C/N為43/1的處理產(chǎn)氣量最高，但是除了在發(fā)酵的21～30的10d中，日平均產(chǎn)氣量與33/1、28/1、38/1存在極顯著差異外，剩余20d平均日產(chǎn)氣量都沒有差異；發(fā)酵60d中的后30d，都是C/N為33/1平均日產(chǎn)氣量最高，且與43/1、18/1、23/1有極顯著的差異。因此，采用C/N為33/1、28/1、38/1能維持較均勻的產(chǎn)氣量。

3小結(jié)與討論

C/N對沼氣發(fā)酵啟動、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣均勻性有明顯影響。多數(shù)資料認為，常溫下C/N在30/1以下沼氣發(fā)酵才容易啟動，試驗發(fā)現(xiàn)C/N超過30/1達43/1時，發(fā)酵啟動仍然迅速，啟動后1～10d平均日產(chǎn)氣量可達559.00mL/2 500mL發(fā)酵液。從產(chǎn)氣量看，在發(fā)酵第1個月（9月）的上、中、下旬產(chǎn)氣量一直名列第1，分別為559.00 mL/2 500mL發(fā)酵液、1 152.50mL/2 500mL發(fā)酵液、1 418.16mL/2 500mL發(fā)酵液；在發(fā)酵第2個月（10月）的上、中、下旬產(chǎn)氣量以C/N為33/1的處理最高，分別為1 025.84mL/2500mL發(fā)酵液、6 64.17 mL/2 500mL發(fā)酵液、678.44mL/2 500mL發(fā)酵液；60d發(fā)酵日均產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率以C/N為33/1最高，分別為762.00 mL/2 500mL發(fā)酵液和0.148 6m³/kg·TS。從產(chǎn)氣均勻性看，C/N為28/1、33/1、38/1的產(chǎn)氣量除在21～30d發(fā)酵中與產(chǎn)氣量最高的處理存在極顯著差異外，它們都處在產(chǎn)氣量的前3位或與最高產(chǎn)氣量處理沒有顯著差異，日均產(chǎn)氣量均在700mL/2 500mL發(fā)酵液以上。試驗結(jié)果表明，在常溫下，適當提高沼氣發(fā)酵的C/N，不影響沼氣發(fā)酵的啟動，并有利于提高產(chǎn)氣量和維持較高水平的產(chǎn)氣均勻性，建議結(jié)合每年沼氣池大換料，利用農(nóng)作物秸稈粉碎或鍘成2～3cm，經(jīng)預(yù)處理后與糞便調(diào)節(jié)C/N為28/1～38/1，加入沼氣池以提高產(chǎn)氣量。

4參考文獻

[1] 趙洪，鄧功成，高禮安，等.農(nóng)村沼氣主要成分簡易快速測定方法［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008（20）：8766-8767.

[2] 趙洪，鄧功成，高禮安，等.pH值對農(nóng)村沼氣產(chǎn)量的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008（19）：8 216-8 217.