生物質原料配比及外源物添加對牛糞產(chǎn)沼氣效果的影響

陳亞宇，黃鳳球，孫繼民，孫玉桃，王樹斌

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙410128；3. 長沙縣黃興鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務中心，湖南 長沙 410133）

沼氣發(fā)酵體系在我國復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中有廣泛的應用，是物質循環(huán)和能量轉化樞紐[1]。以有機廢棄物為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，發(fā)酵后的殘渣致病微生物和害蟲大量減少，可作為安全的飼料和肥料，為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及其他農(nóng)副產(chǎn)業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益[1-3]，是農(nóng)業(yè)生物質資源的有效利用方法?！胺N植-養(yǎng)殖-廢棄物資源化-再循環(huán)或再利用”的循環(huán)豐產(chǎn)體系，是“十二五”國家科技支撐計劃循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程領域課題“中南稻區(qū)復合生物循環(huán)技術集成與示范”的核心內(nèi)容。課題組在長沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村建立了循環(huán)農(nóng)業(yè)核心示范區(qū)（核心試驗區(qū)面積20 hm2、核心示范區(qū)面積73.3 hm2），區(qū)內(nèi)種植系統(tǒng)、養(yǎng)殖系統(tǒng)、廢棄物無害化處理系統(tǒng)和環(huán)境保育系統(tǒng)已形成良性循環(huán)，生物質資源沼氣化是其中內(nèi)容之一。試驗以高效利用循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)生物質資源為目的，以牛糞、稻草和谷殼為發(fā)酵原料，研究不同生物質原料配比的產(chǎn)氣效果和外源物添加的產(chǎn)氣效果，旨在掌握不同生物質原料配比和外源物質作用下的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量，為牛糞高效產(chǎn)沼氣尋求科學的方法。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料

發(fā)酵原料為新鮮牛糞、干稻草和干谷殼，取自長沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村循環(huán)農(nóng)業(yè)核心示范區(qū)。其基本理化性狀見表1，檢測方法按照《土壤農(nóng)化分析（第三版）》中的相關方法進行[4]。

表1 發(fā)酵原料的基本理化性狀

1.2 接種物

接種物為正常產(chǎn)氣厭氧發(fā)酵沼氣池中的沼液，取自示范區(qū)農(nóng)戶沼氣發(fā)酵池。

1.3 試驗裝置及器材

試驗采用筆者所在實驗室自行設置的厭氧沼氣發(fā)酵裝置（圖1），由發(fā)酵裝置、排水裝置和集氣裝置3個部分組成，采用排水集氣法收集發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣。每套裝置由發(fā)酵瓶（2 500 mL 的帶塞廣口玻璃瓶）、集氣瓶（裝氫氧化鈉的2 500 mL 帶塞廣口玻璃瓶）和貯水瓶組成（試驗裝置見圖1）。產(chǎn)氣時將閥打開，使整個裝置保持暢通；待排水瓶中的水接近瓶底時，關閉閥門，取下活塞注入自來水，然后塞緊活塞打開閥門，使裝置繼續(xù)產(chǎn)氣。

圖1 沼氣厭氧發(fā)酵試驗裝置

1.4 試驗方法

處理1，100%牛糞：牛糞700 g，水1 069 mL，沼液200 mL；處理2，70%牛糞+30%稻草：牛糞490 g，稻草46.6 g，水1 232 mL，沼液200 mL；處理3，70%牛糞+30%谷殼：牛糞490 g，谷殼45.5 g，水1 234 mL，沼液200 mL；處理4，100%牛糞+A（氯化鈉3‰+牛肉膏1‰+蛋白胨1.5‰）：牛糞700 g，水1 069mL，沼液200 mL，蛋白胨，牛肉膏；處理5，100%牛糞+B（氯化鈉3‰+0.2 g/L 硫酸亞鐵）：牛糞700 g，水1 069 mL，沼液200 mL，硫酸亞鐵；處理6，100%牛糞+C（氯化鈉3‰+0.2 g/L 硫酸鉀）：牛糞700 g，水1 069 mL，沼液200 mL，硫酸鉀。

所有處理以干物質重量相等為準（各處理干物質重量為131.04 g），生物質有機料均以烘干重計算；以生物質干重∶水=1∶12.5 的比例一次性投料，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH 值為7 左右；接種量以8%的比例加入。每個處理重復3 次。裝料容積為80%。

1.5 測定項目

（1）試驗前，測定各種生物質的水分含量、全氮、全磷、全鉀、總碳等養(yǎng)分含量。（2）產(chǎn)氣量的測定：以排水集氣法收集氣體，每天09:00 定時用量筒測量水的體積。（3）干物質產(chǎn)氣率為發(fā)酵原料的總產(chǎn)氣量與干物質重量的比值（mL/g）。

2 結果與分析

2.1 不同處理厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量

試驗從2013年7月8日開始，常溫下發(fā)酵，平均溫度為33～37℃，在集氣瓶中加入2.0 g 氫氧化鈉，吸收沼氣發(fā)酵最初產(chǎn)生的二氧化碳[5]，靜置2 d 開始計數(shù)，至8月22日日產(chǎn)氣量小于50 mL/d 結束試驗，歷時44 d。試驗期間，每天上午9∶00 準時記錄產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣量以排出的水的體積計算。結果表明（圖2），各處理厭氧發(fā)酵的最高累積產(chǎn)氣量與平均累積產(chǎn)氣量變化趨勢一致，處理4 的累積產(chǎn)氣量平均值最高，達17 648 mL，其次是處理2，處理3 的產(chǎn)氣量最低；最高累積產(chǎn)氣量也以處理4 最高，達18 255 mL，處理3 最低。

圖2 各處理厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量的比較

由圖2 可以看出，各處理厭氧發(fā)酵的最高累積產(chǎn)氣量與平均累積產(chǎn)氣量有一些差別，原因可能在于不同平行間微生物的種類和數(shù)量并不盡相同，同時也與反應原料的混合程度及粉碎程度有關[6-7]。從各處理最高累積產(chǎn)氣量來看，處理4 的累積產(chǎn)氣量比其他處理高出16.92%～65.77%，說明外源物質的加入有利于增強微生物的活性，促進有機物分解，從而釋放出大量甲烷，處理5 和處理6 添加了外源物但是產(chǎn)氣量并不很高，說明在外源物的選擇上應以能為微生物補充碳、氮等營養(yǎng)的物質為主，這與前人的研究結果一致[8]。

2.2 不同處理沼氣產(chǎn)生的動態(tài)分析

由圖3 可以看出，處理4 的日產(chǎn)氣量一直維持在較高的水平，在第4 天達到產(chǎn)氣峰值后便出現(xiàn)短暫的回落，從第6 天開始逐漸增加并在第11 天出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣峰值，之后急劇下降至第14 天，隨后逐漸回落至產(chǎn)氣基本結束。處理4 由于加入了氯化鈉（為微生物提供無機鹽）、蛋白胨（提供氮源和維生素）和牛肉膏（提供碳源、磷酸鹽和維生素），為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的營養(yǎng)物質，同時調(diào)節(jié)了C/N 比，使系統(tǒng)處于一個適合微生物發(fā)酵的環(huán)境，因此產(chǎn)氣量相對較大[8]。

處理2 和處理3 的日產(chǎn)氣量在第1 天達到產(chǎn)氣峰值后出現(xiàn)明顯的回落，至第5 天左右又開始逐漸增加并在第8 天出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰，該趨勢一直維持到第13天，之后產(chǎn)氣量迅速下降，最后逐漸回落至第44 天產(chǎn)氣基本結束。處理2 為水稻秸稈和牛糞的混合物發(fā)酵，這個處理之所以會出現(xiàn)2個產(chǎn)氣高峰，原因在于發(fā)酵初期，被分解的主要為接種物中的有機物，它們被菌群迅速利用而不斷減少，這時秸稈中的纖維素基本沒有被降解，故產(chǎn)氣量略有下降[9]。隨著反應的進行，系統(tǒng)的酸堿環(huán)境有了變化，秸稈中的纖維素和其他難以被降解的物質不斷被降解，有利于產(chǎn)甲烷菌的利用，因此產(chǎn)氣量增加，出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰[10]。水稻秸稈和牛糞的混合物能夠提供更豐富的菌群，使秸稈和牛糞的利用程度更高，產(chǎn)氣效果更好。處理3 水稻谷殼與牛糞組合的產(chǎn)氣量最少，原因首先在于料液中牛糞量只有70%，有效營養(yǎng)物質供應不夠，不利于微生物的大量繁殖；其次在于谷殼中的纖維素難以降解，故產(chǎn)氣量也相對較少[10]。

圖3 不同處理沼氣產(chǎn)生的動態(tài)變化

從圖3 中可以看出，處理1 和處理5 的日產(chǎn)氣量接近，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第10 天左右，最低值均出現(xiàn)在第13天，日產(chǎn)氣量波動不大，前14 天稍有波動，14 天后產(chǎn)氣量維持在400 mL/d 之內(nèi)，慢慢回落。處理6 的日產(chǎn)氣動態(tài)變化波動不大，只在第13 天有一個明顯的峰值，第14天后產(chǎn)氣量略有增加，然后又逐漸回落。處理1、處理5和處理6 的產(chǎn)氣動態(tài)變化差不多，但是處理6 的產(chǎn)氣量要大，可能原因在于處理6 添加了硫酸鉀，而K+能提高代謝中對應酶的活性，從而提高沼氣的產(chǎn)量[8]。處理1 和處理5 的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣動態(tài)變化基本一致，說明添加硫酸亞鐵沒有很明顯地增加沼氣產(chǎn)氣量，研究表明在發(fā)酵系統(tǒng)中加入適量的微量元素有利于提高沼氣產(chǎn)量[8,10]，本試驗并沒有得出相應的結論，可能在于甲烷產(chǎn)氣菌對微量元素的利用形態(tài)有要求，也有可能是在夏季高溫環(huán)境下，甲烷產(chǎn)氣菌的活性已經(jīng)得到了較好的發(fā)揮。

由圖3 可以看出，在第A 天（約第14 天）之前各個處理的產(chǎn)氣動態(tài)各不相同，起伏變化也比較明顯，第14天之后都趨于穩(wěn)定，并逐漸回落，趨勢比較一致。說明大多數(shù)微生物有一定的生命周期，即使在外部營養(yǎng)豐富的情況下也會因為自身的原因降低活性[9-10]。圖中標注44的箭頭表示的是第39 天至第44 天的累積產(chǎn)量，產(chǎn)氣量小于50 mL/d，故不納入分析中。

2.3 不同處理最佳產(chǎn)氣量的出現(xiàn)時間和產(chǎn)氣率

據(jù)有關調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[11]，一個5～6 口之家一日三餐做飯大概需要1 m3沼氣，加上照明及其他用途，每天大約消耗2 m3沼氣。一般地，一個8 m3大小的沼氣池為了滿足每天產(chǎn)2 m3沼氣的要求，按照本試驗處理的原料配比來計算，則要求試驗處理日產(chǎn)氣量至少625 mL。因此以625 mL/d 的產(chǎn)氣量作為最佳產(chǎn)氣量，計算出試驗的最佳產(chǎn)氣量出現(xiàn)時期及持續(xù)時間。

各處理最佳產(chǎn)氣量出現(xiàn)及維持的時間不一樣。日產(chǎn)氣量超過1 000 mL 的只有處理4，處理2 和處理4 出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰的時間較早，且維持時間較長，分別維持5 和11 d；處理1、處理3 和處理5 高峰產(chǎn)氣時間不明顯；而處理6 的產(chǎn)氣高峰則出現(xiàn)在第11 天之后，僅維持1 d（表2）。

表2 最佳產(chǎn)氣量維持時間及日均產(chǎn)氣量和干物質產(chǎn)氣率

統(tǒng)計結果表明，處理4 的日均產(chǎn)氣量和干物質產(chǎn)氣率最高，分別達414.89 mL/d 和139.31 mL/g。

3 小結與討論

研究表明，在發(fā)酵原料料液比一致、溫度相同的情況下適當?shù)丶尤胪庠次镔|，可以顯著提高沼氣產(chǎn)氣量，其中以補充微生物厭氧發(fā)酵所需的營養(yǎng)物質蛋白胨和牛肉膏的處理效果最好，累積產(chǎn)氣量比其他處理高出16.92%～65.77%，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時間較早且維持的時間較長。在減少牛糞用量30%，添加水稻秸稈，固液比1∶12.5 的情況下，混合發(fā)酵原料的利用率明顯比單一發(fā)酵物的利用率高。相比單一的牛糞處理，混合生物質能夠提供更豐富的菌群，各菌種協(xié)同作用，使發(fā)酵原料的降解程度更大，這與前人的研究結果一致[7,9]。綜合以上結果，建議在牛糞作為沼氣發(fā)酵原料的區(qū)域，推薦采用固液比例1∶12.5，100%牛糞適當添加蛋白胨、牛肉膏等營養(yǎng)物質或者70%牛糞+30%水稻秸稈發(fā)酵，不僅產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時間較早，產(chǎn)氣量較大，而且方法可操作性強，既能增加沼氣池的產(chǎn)氣量，也能提高原料的利用率，一舉多得。

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