水稻秸稈-豬糞混合發(fā)酵研究

黃強　龔貴金　黃藝瑤　黃振俠

摘要? [目的]對水稻秸稈與豬糞進行混合發(fā)酵研究。[方法]在不對秸稈進行預處理的情況下，在35? ℃恒溫下進行發(fā)酵，研究稻稈-豬糞VS比、底物-接種物VS 配比（S/I）和VS 濃度對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。[結(jié)果]當?shù)径?豬糞VS 配比為1∶4、底物-接種物VS 配比（S/I）為2∶1、VS 濃度為6%，產(chǎn)沼氣量及甲烷產(chǎn)量均達到最大，產(chǎn)氣效率高，其累積產(chǎn)氣量為548.90? mL/g。[結(jié)論]在水稻秸稈不進行預處理的情況下，水稻秸稈-豬糞進行中溫發(fā)酵工藝最佳發(fā)酵條件為VS比1∶4、S/I2∶1、VS 濃度6%。

關(guān)鍵詞? 水稻秸稈;混合發(fā)酵;豬糞

中圖分類號? S216.4??? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0202-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.061

Study on Mixed Fermentation of Rice Straw and Pig Manure

HUANG Qiang，GONG Gui-jin，HUANG Yi-yao et al? （Jiangxi Zhenghe Ecological Agriculture Co.， Ltd，Xinyu，Jiangxi 338000）

Abstract? [Objective]To study the mixed fermentation of rice straw and pig manure. [Method]The effects of VS ratio of rice straw to pig manure， VS ratio of substrate to inoculum （S/I） and VS concentration on the gas production of mixed anaerobic fermentation at constant temperature of 35 ℃ without pre-treatment on rice straw were studied. [Result]When VS ratio of rice straw to pig manure was 1∶4， VS ratio of substrate to inoculant （S/I） was 2∶1 and VS concentration was 6%，the biogas production and methane production reached the maximum， and the gas production efficiency was higher. Its cumulative gas production was 548.90 mL/g. [Conclusion]Without pre-treatment on rice straw， the optimum fermentation conditions for medium temperature fermentation of rice straw and pig manure were as follows：? VS ratio of 1∶4， S/I of 2∶1 and VS concentration of 6%.

Key words? Rice straw;Mixed fermentation;Pig manure

基金項目? 江西省重大研發(fā)專項（20182ABC28006）。

作者簡介? 黃強（1985—），男，江西南昌人，環(huán)保工程師，從事厭氧發(fā)酵工程研究。

收稿日期? 2019-06-18

隨著對環(huán)境改善和能源替代需求的不斷增加，厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣對有機廢物的處理越來越有吸引力，并在我國迅速發(fā)展起來[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生8 億t秸稈和38 億t畜禽糞便。由于我國實行環(huán)境友好型發(fā)展政策，大多數(shù)沼氣站采用單一的原料，特別是動物糞便來進行單一發(fā)酵。在厭氧發(fā)酵過程中，畜禽糞便中含有大量的氨氮，當達到一定數(shù)量會導致氨的抑制[2]。水稻秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[3]，其結(jié)構(gòu)復雜，交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能高效降解[4-6]。秸稈與豬糞進行混合發(fā)酵被認為是一種更有效的方法，不僅降低了單一原料發(fā)酵的碳氮比不平衡問題，而且提高了系統(tǒng)的緩沖能力，有利于發(fā)酵反應的高效進行[7-8]。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料? 稻稈和豬糞采自江西正合生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司羅坊沼氣站，收集的稻稈經(jīng)清水洗凈、自然風干后，用粉碎機粉碎成1～3 cm長的小段，置于烘箱55 ℃下烘干;豬糞采自羅坊沼氣站勻漿池;接種物采自沼氣站1#厭氧發(fā)酵罐的底泥。其各自理化性質(zhì)如表1所示。

1.2? 檢測方法? 揮發(fā)性固體（VS）含量的測定采用烘干法;日產(chǎn)沼氣量的測定采用排水集氣法;甲烷含量使用甲烷綜合檢測儀進行測定。

1.3? 試驗裝置? 厭氧發(fā)酵的試驗裝置由3個部分組成：①用1 000 mL 的玻璃瓶作為發(fā)酵反應器（置于電子恒溫水浴鍋中）;②用1 L 的廣口瓶作為集氣裝置，其中加入水，并用橡膠塞將瓶口密封;③用1 L 的燒杯作為集水裝置，以測量產(chǎn)氣量。3個部分用橡皮管與各個部分的玻璃管連接，形成集氣裝置，使水浴鍋溫度在恒溫35 ℃下進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中每隔幾天輕輕搖動發(fā)酵裝置，防止沉淀和發(fā)酵秸稈的上浮。采用排水集氣的方法收集發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同S/I（底物比接種物）處理對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比1∶1 進行添加，S/I 分別設定為1∶2.5、1∶2、1∶1、2∶1 和2.5∶1，并根據(jù)原料和接種物的含水率調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度至5%，然后置于中溫條件下進行厭氧發(fā)酵。

由圖1可知，當S/I 為1∶2.5時在第10天達到峰值（38.5 mL/g）;當S/I 為1∶2時在第9天達到峰值（41.35 mL/g）;當S/I 為1∶1時，在第6天達到峰值（33.69 mL/g）;當S/I 為2∶1時在第4天達到峰值（48.50 mL/g）;當S/I 為2.5∶1時在第3天達到峰值（40.00 mL/g），不同S/I 比的日產(chǎn)沼氣量均在產(chǎn)氣高峰后逐漸降低。當?shù)孜锉冉臃N物為2∶1時，厭氧微生物能夠較快適應厭氧系統(tǒng)環(huán)境，微生物代謝活躍并大量繁殖，酶活力上升，有機酸的形成速度與甲烷的形成速度相平衡，從而在較快的時間內(nèi)達到產(chǎn)氣高峰期[9]。

由圖2可知，S/I 為2∶1 處理的累積產(chǎn)氣量明顯高于其他處理，VS降解率為46.73%，且其他4 組配比下累積產(chǎn)氣量的變化趨勢相似。S/I為2∶1處理的產(chǎn)氣高峰期在前30 d，此后緩慢增加;其他處理的產(chǎn)氣高峰期在前20 d左右，此后緩慢增加，說明當物料濃度固定時，若接種物濃度增大，微生物的生長繁殖速度將減緩。隨著時間的累積，厭氧系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的量也隨之增加，產(chǎn)甲烷菌相互競爭造成相互抑制，從而導致產(chǎn)氣量下降。

2.2? VS 濃度對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比為1∶1、S/I 為2∶1，分別添加稻稈、豬糞和接種物，并根據(jù)原料和接種物的含水率來調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度，將VS 濃度分別設置為2%、4%、5%、6%、8%，然后置于中溫條件下進行連續(xù)厭氧發(fā)酵。

由圖3可知，VS 濃度越低，越容易達到產(chǎn)氣高峰期，隨著VS濃度的提高，體系內(nèi)的發(fā)酵反應逐漸放緩，VS 濃度6%處理的日產(chǎn)沼氣量在第4天達到最高值（73.00 mL/g），并在第23 和25天再次達到峰值，分別為57.4和54.5 mL/g，這是由于豬糞更容易發(fā)酵，在前期以豬糞發(fā)酵為主，后期稻桿的快速分解為微生物發(fā)酵提供了新的發(fā)酵底物。

由圖4可知，6%VS處理的累積產(chǎn)氣量明顯高于其他濃度處理，VS降解率為45.38%。在整個周期呈現(xiàn)先勻速增加后變緩慢的趨勢，產(chǎn)氣狀態(tài)較為穩(wěn)定;產(chǎn)甲烷高峰在前25 d 內(nèi)，且甲烷產(chǎn)量明顯高于其他濃度處理，說明此濃度下的料液環(huán)境適宜微生物的繁殖與代謝，底物利用率高，甲烷產(chǎn)量高。2%VS處理的累積產(chǎn)氣量一直處于較低狀態(tài)，VS降解率為35.40%;4%VS處理的累積產(chǎn)氣量在前9 d快速增加，VS降解率為43.50%;5%VS處理的累積產(chǎn)氣量在前15 d 處于產(chǎn)氣高峰期，VS降解率為44.25%;8%VS處理的累積產(chǎn)氣量從第10天開始逐漸增加，VS降解率為36.52%。這說明較低或較高的VS 濃度不利于發(fā)酵原料中有機物的降解。這是由于較低或較高的VS 濃度影響厭氧體系中的物質(zhì)傳遞，不利于微生物的分解代謝。因此，選擇合適的VS 濃度有利于提高微生物利用有機物的能力，增加產(chǎn)氣量。

2.3? 稻稈-豬糞VS 比對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞VS 比分別設置為1∶6、1∶4、1∶2、1∶1、1∶0 和0∶1，接種物S/I 為2∶1，依次添加稻稈、豬糞和接種物，并根據(jù)原料和接種物的含水率調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度至6%，然后置于中溫條件下進行厭氧發(fā)酵。

由圖5可知，不同的稻稈-豬糞VS 配比下日產(chǎn)沼氣量均呈先增加后降低的變化趨勢，隨著稻稈和豬糞VS比例中的豬糞含量提高，達到產(chǎn)氣高峰期的時間提前[10-11]，純豬糞發(fā)酵在第3天達到峰值（59.2 mL/g），這可能是由于豬糞原料取自沼氣站的勻漿池，豬糞在勻漿池中已經(jīng)處于發(fā)酵的產(chǎn)酸階段，因此在試驗中產(chǎn)甲烷菌能快速分解乙酸、二氧化碳等，生成甲烷。與單一物料（豬糞或稻稈）試驗組相比，豬糞比例越高的混合物料試驗組有更高的產(chǎn)甲烷量，這表明對于“稻稈+豬糞”組合，豬糞是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎，稻稈對甲烷產(chǎn)量的貢獻相對較弱。這在純秸稈在第15天達到峰值（31.2 mL/g），也側(cè)面說明了秸稈相對于豬糞更難以發(fā)酵，且厭氧發(fā)酵周期更長。

由圖6可知，不同的稻稈-豬糞VS 配比下累積產(chǎn)氣量均呈先增加后降低的變化趨勢，且VS 比為1∶4時在第18 天后

達到較穩(wěn)定狀態(tài)，此時累積產(chǎn)氣量為548.90 mL/g，且累積產(chǎn)氣量顯著高于其他處理，VS降解率達到58.51%。連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗表明，在“稻稈+豬糞”組合中，在相同進料負荷的條件下，混合物料的產(chǎn)甲烷要高于單一的物料，豬糞是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎;稻稈對甲烷產(chǎn)量的貢獻較弱，但稻稈的添加能夠有效減緩豬糞高氮含量而帶來的氨抑制作用，維持厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而提高總產(chǎn)氣量，這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發(fā)酵而言，適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。

3? 結(jié)論與討論

在實驗室條件下，“稻稈+豬糞”混合厭氧發(fā)酵試驗結(jié)果表明：①豬糞在發(fā)酵組合占主要地位，是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎;在2個組合中，豬糞比例高的試驗組日產(chǎn)甲烷量更高。②稻稈類高碳物料的添加可以有效緩解豬糞這類高氮類物料發(fā)酵帶來的氨氮抑制等問題，穩(wěn)定系統(tǒng)發(fā)酵狀態(tài)，從而提高總產(chǎn)氣量，這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發(fā)酵而言，適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。③在水稻秸稈不進行預處理的情況下，水稻秸稈-豬糞進行中溫發(fā)酵工藝最佳發(fā)酵條件為VS比1∶4、S/I 2∶1、VS 濃度6%。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.2019 年中國國家統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2019.

[2]彭書傳，侯成虎，王進，等.玉米秸稈與巢湖藍藻混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（15）：173-178.

[3]野池達也.甲烷發(fā)酵[M].劉兵，薛詠梅，譯.北京：化學工業(yè)出版社，2014.

[4]栗薇，吳正舜.木屑纖維素酶水解條件的試驗研究[J].可再生能源，2007，25（2）：41-43.

[5]李軼，劉雨秋，張鎮(zhèn)，等.玉米秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（5）：185-192.

[6]宋籽霖，郭燕，楊改河，等.雞糞與玉米秸稈混合發(fā)酵沼氣產(chǎn)量影響因子研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2012，31（8）：1624-1629.

[7]丁琨，蘇有勇，張無敵.響應面法優(yōu)化豬糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝[J].中國沼氣，2012，30（6）：12-17.

[8]張翠麗，李軼冰，卜東升，等.牲畜糞便與麥稈混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量發(fā)酵時間及最優(yōu)溫度[J].應用生態(tài)學報，2008，19（8）：1818-1822.

[9]白曉鳳，李子富，尹福斌，等.雞糞與玉米秸稈混合“干-濕兩相”厭氧發(fā)酵啟動研究[J].中國沼氣，2014，32（2）：22-25，32.

[10]任海偉，姚興泉，李志忠，等.不同比例牛糞與玉米秸稈混合厭氧消化產(chǎn)氣特性研究[J].中國沼氣，2015，33（5）：38-41.

[11]魏珞宇，李淑蘭，劉剛金，等.不同配比牛糞與作物秸稈混合發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力研究[J].中國沼氣，2013，31（3）：34-43.