不同接種量對稻稈厭氧發(fā)酵特性的影響

李文哲，徐名漢，羅立娜

（東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

我國農作物秸稈每年大量剩余，多被遺棄田間或直接焚燒，造成不同程度資源浪費和環(huán)境污染[1-3]，發(fā)展秸稈沼氣是秸稈資源化的重要途徑之一[4]，以秸稈為原料進行沼氣發(fā)酵首要問題是氮源補充。國內通常做法是將秸稈與牲畜糞便混合，將碳氮比調整到合適的范圍進行沼氣發(fā)酵，這種方法可以從原料轉化方面提高發(fā)酵效率，改善原料結構，并對秸稈提供充足氮源和水分[5]。添加接種物對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性有一定影響，調節(jié)接種物與原料的質量有助于提高產(chǎn)氣潛力，改善發(fā)酵效率。孫國朝等指出，加大接種量，是防止前期酸化、縮短干發(fā)酵啟動時間的關鍵措施[6]。弄清不同接種量對厭氧發(fā)酵的影響，進而實現(xiàn)厭氧發(fā)酵條件的科學控制，對促進厭氧發(fā)酵工程實踐具有重要意義[5]。由于農作物秸稈富含有機質（80%～90%），充分利用秸稈制取沼氣已成為國內外沼氣發(fā)展的重要方向[7]，本試驗選取常見的農業(yè)廢棄物稻秸為主要原料，研究稻稈、接種物在不同質量比的條件下混合產(chǎn)沼氣的特性，探索不同接種量對稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，為進一步研究厭氧發(fā)酵奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用稻稈取自哈爾濱市周邊農場，粉碎至3～5 cm，加入水充分混合后待用；接種物為實驗室沼氣中試系統(tǒng)厭氧發(fā)酵后剩余的沼液。原料理化性質見表1。

1.2 試驗裝置

試驗裝置為自制的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，由發(fā)酵罐、集氣瓶和溫控裝置三部分組成，如圖1所示。發(fā)酵罐的有效容積為100 mL，用橡膠塞密封，通過玻璃管和乳膠管連接，采用排水法收集氣體，再用量筒收集排水并計算產(chǎn)氣量；通過水浴加熱，控制發(fā)酵溫度。

1.3 試驗方法

取預處理后的稻稈40 g，分別加入不同質量的沼液，充分混合后將原料置于100 mL的發(fā)酵瓶中，進行批次發(fā)酵，發(fā)酵時間為80 d，每天記錄產(chǎn)氣量，比較各組累積產(chǎn)氣能力，溫度控制在（35±1）℃范圍內，各組試驗原料處理方案見表2。

1.4 測定項目與方法

結果見表3。試驗結束后，綜合數(shù)據(jù)進行指標分析，計算出TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率[9]。

表1 厭氧發(fā)酵原料主要理化性質Table1 Physicochemical property of anaerobic fermentation raw materials

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Test device schemes

表2 厭氧發(fā)酵原料處理方案Table2 Management alternative of anaerobic fermentation raw materials

表3 測定項目和方法Table3 Determination of project and methods

2 結果與分析

2.1 接種量對日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響

本試驗的產(chǎn)氣量在前30 d變化較大，30 d后產(chǎn)氣量基本穩(wěn)定，所以只列出30 d產(chǎn)氣情況，日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間變化如圖2所示。B組和C組日產(chǎn)氣量的變化趨勢相同，都是快速達到產(chǎn)氣高峰，過后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，但達到產(chǎn)氣高峰的天數(shù)和數(shù)值有所不同。B組的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第4天，產(chǎn)氣量259 mL，隨后下降，C組產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第3天，產(chǎn)氣量310 mL，隨后迅速下降，速率明顯要快于B組，表明厭氧發(fā)酵過程中加大接種量有利于加快產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)，但接種量過多會影響整體產(chǎn)氣效果。而A組試驗開始就受到抑制，無法正常啟動，在發(fā)酵的第7天便停止產(chǎn)氣，分析其主要原因是：接種量偏低，產(chǎn)甲烷細菌接種數(shù)量偏少，對發(fā)酵產(chǎn)生有機酸等中間產(chǎn)物的利用率偏低，使有機酸等在料液中大量積累，料液酸化，會抑制產(chǎn)甲烷細菌群的生長[10]。A組在產(chǎn)氣停止4 d后，酸化現(xiàn)象緩解，產(chǎn)甲烷反應活躍，恢復產(chǎn)氣。研究表明，足量的接種物保證沼氣發(fā)酵高效運行，一定范圍內產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣量隨接種量增大而增大[11]。

圖2 不同接種量試驗組日產(chǎn)氣量的變化Fig.2 Daily biogas production yields of different inoculum concentration during anaerobic digestion

接種物濃度會影響厭氧微生物在發(fā)酵過程中分解有機物產(chǎn)生沼氣數(shù)量，因而發(fā)酵過程中的總產(chǎn)氣量不同[12]。由圖3可知，累積產(chǎn)氣量大小順序為 C組（2 831 mL）＞B組（2 544 mL）＞A組（1 469 mL）。孫朝國等認為厭氧發(fā)酵主要分為快速產(chǎn)氣和主要產(chǎn)氣兩個階段[6]。A、B、C三組發(fā)酵前15 d的累積產(chǎn)氣量占各組總產(chǎn)氣量的25.43%、60.45%、66.94%，則B組、C組前15 d為快速產(chǎn)氣階段，A組則由于前期產(chǎn)氣受到抑制，累積產(chǎn)氣量較低；A、B、C三組發(fā)酵30 d的累計產(chǎn)氣量占各組總產(chǎn)氣量的79.49%、82.01%、84.85%，則前30 d為主要產(chǎn)氣階段；因此在35℃恒溫環(huán)境中，物料經(jīng)過30 d厭氧發(fā)酵，稻稈中能產(chǎn)生沼氣大部分物質已分解消化，說明足量接種物能有效提高產(chǎn)氣速率，增加產(chǎn)氣量。但接種量從80 g增大到120 g，總產(chǎn)氣量有所下降，因此接種量還需結合其他指標來綜合考慮[6]。

由圖3可知，前12 d C組的累積產(chǎn)氣量高于B組，其主要是因為C組初始階段發(fā)酵系統(tǒng)接種量較多，有利于降解稻稈微生物生長，使其在相同時間內可利用更多原料進行產(chǎn)氣，但在隨后發(fā)酵過程中，沒有營養(yǎng)物質補充，使后期的產(chǎn)氣量有所下降。

圖3 不同接種量試驗組累積產(chǎn)氣量的變化Fig.3 Cumulative biogas production yields of different inoculum concentration during anaerobic digestion

2.2 接種量對原料產(chǎn)氣效果的影響

微生物的數(shù)目和活性在一定程度上會影響單位原料的產(chǎn)氣效果[13]。不同接種量試驗組的TS、VS產(chǎn)氣率見表4。A組TS和VS產(chǎn)氣率分別為132.29、157.73 mL·g-1；B組TS和VS產(chǎn)氣率分別為256.27、305.54 mL·g-1；C組TS和VS產(chǎn)氣率分別為222.56、265.37 mL·g-1，其中B組的TS、VS產(chǎn)氣量分別比A組、C組高93.71%和15.14%。

2.3 接種量對CH4含量的影響

稻稈發(fā)酵產(chǎn)生沼氣中甲烷含量高低是衡量沼氣質量重要指標，有資料表明，正常運行的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣中甲烷的體積組成一般在60%～70%[14]。不同接種量對稻稈產(chǎn)甲烷百分含量的影響見圖4。

表4 不同接種量試驗組的TS、VS產(chǎn)氣量Table4 Biogas yields of TS,VS at different inoculum concentration

圖4 不同接種量試驗組的甲烷百分含量Fig.4 Methane concentrations of different inoculum concentration during anaerobic digestion

由圖4可知，B、C兩組甲烷的百分含量在前幾天都迅速升高，并保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，平均甲烷含量在60%以上，最高可達76%，維持30 d，隨發(fā)酵天數(shù)增加，產(chǎn)甲烷菌和營養(yǎng)物質消耗，甲烷含量有所下降；A組則由于發(fā)酵初期未正常啟動，產(chǎn)甲烷含量較低，但在恢復產(chǎn)氣后和B、C兩組的甲烷含量差異并不顯著。由以上數(shù)據(jù)可以推測甲烷含量直接反映著厭氧發(fā)酵過程中整體的運行情況，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量決定甲烷生產(chǎn)量。

2.4 接種量對稻稈厭氧發(fā)酵前后重量變化的影響

稻稈的失重率體現(xiàn)著在發(fā)酵過程中稻稈本身的降解程度，添加接種物的質量不同，稻稈的發(fā)酵程度不同，稻稈失重率有變化[15]。由表5可知，各組失重率存在著差異，其中B組失重率最高，分別比A組和B組高20.95%和10.02%。

2.5 接種量對稻稈厭氧發(fā)酵前后木質纖維素含量變化的影響

發(fā)酵原料稻稈中含有大量的纖維素、半纖維素、木質素，而這些物質的結構較復雜，不易被微生物降解，這些物質降解程度對于沼氣發(fā)酵的效果有較大影響[16]。

由表6可知，厭氧發(fā)酵后各組稻秸的纖維素、半纖維素和木質素的含量均有不同程度下降，降解率與產(chǎn)氣量成正相關，其中半纖維素含量變化較為明顯，降解率分別為B組（48.86%）＞C組（44.46%）＞A組（39.46%）。

2.6 厭氧發(fā)酵前后稻秸表面形貌的變化

從稻稈表面形態(tài)觀察來看，厭氧發(fā)酵后的三組秸稈軟化程度區(qū)別不大，并不能直接反映稻稈的降解效果。采用S-3400N型掃描電子顯微鏡對稻稈厭氧發(fā)酵前后的微觀結構進行觀察，500倍電鏡掃描結果對比見圖5。

表5 不同接種量試驗組稻秸的失重率Table5 Weightlessness rate of different inoculum concentration

表6 稻秸厭氧發(fā)酵前后的主要木質纖維含量變化Table6 Changes of the components of rice straw after different pretreatments

圖5 厭氧發(fā)酵前后稻稈500倍電鏡掃描結果對比Fig.5 500 times scanning electron microscope comparison diagram of rice straw before and after anaerobic fermentation

從原稻稈的表面形貌可見，原稻稈的表面較粗糙，孔隙少，結構致密，各試驗組稻秸厭氧發(fā)酵后稻秸表面都出現(xiàn)鋸齒蝕痕，由于纖維素被微生物消化所致，其中B組秸稈纖維結構破壞最為嚴重。

3 討論

接種物的數(shù)量和質量對于厭氧消化中產(chǎn)甲烷階段的運行效果和穩(wěn)定性很重要。如果接種量偏少產(chǎn)甲烷菌數(shù)量相對較少，容易造成VFA積累，出現(xiàn)“酸中毒”，產(chǎn)甲烷的速度降低，從而使沼氣發(fā)酵失敗。若接種量較大，可以實現(xiàn)快速啟動，在保證高處理效率的條件下，反應器的容積必然增大[17]。一般認為接種物添加量為發(fā)酵料液的10%～15%，即可實現(xiàn)正常啟動，其運行較穩(wěn)定[18]。對于稻稈接種量的多少不僅關系接種物的數(shù)量和質量，還影響發(fā)酵物料（C/N）比。因此本試驗研究稻稈發(fā)酵的最佳接種量，觀察接種量對厭氧消化的影響。結果表明，接種量與稻稈的比例在一定的范圍內能夠提高產(chǎn)氣量，而按照此比例混合發(fā)酵原料C/N比也正好在厭氧發(fā)酵最佳C/N比的范圍內，說明接種物起到調節(jié)C/N比的作用。

4 結論

a.添加接種物是稻稈沼氣發(fā)酵高效運行的保證，較多的微生物有利于發(fā)酵原料分解，提高接種量可以顯著提高產(chǎn)氣速率。

b.在一定范圍內產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣量隨接種量增大而增大，但過多接種量會影響稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果，造成沼液浪費。

c.以稻稈為底物，以厭氧發(fā)酵后剩余的沼液為接種物，接種量為80 g時，稻稈的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果最佳，稻稈的TS產(chǎn)氣率為256.27 mL·g-1，VS產(chǎn)氣率為305.54 mL·g-1。

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