腐熟劑預(yù)處理對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵的影響研究

管蓓 王亮

摘 要：農(nóng)作物秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，通常需要預(yù)處理后再對(duì)其進(jìn)行厭氧發(fā)酵。試驗(yàn)采用腐熟劑對(duì)水稻秸稈進(jìn)行生物預(yù)處理，研究了不同預(yù)處理時(shí)間和腐熟劑的添加量對(duì)厭氧發(fā)酵效果的影響，分析了發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量、pH和沼氣中甲烷含量的變化。結(jié)果表明：腐熟劑預(yù)處理時(shí)間2d、腐熟劑投加量為秸稈用量的0.2%時(shí)，發(fā)酵前期物料pH下降顯著、產(chǎn)氣量高。預(yù)處理時(shí)間過長或腐熟劑添加量過多，會(huì)導(dǎo)致易降解有機(jī)物的大量消耗，不利于產(chǎn)氣量的增加和發(fā)酵后期甲烷含量的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：秸稈；沼氣；生物預(yù)處理；秸稈腐熟劑

中圖分類號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）14-107-04

The Effect of Straw Rot Agent Pretreatment on Anaerobic Fermentation of Rice Straw

Guan Bei1 et al.

（1Nanjing Research Institute of Enviromental Protection，Nangjing 210013，China）

Abstract：The straw contains a high content of cellulose，hemicellulose and lignin，which should be pretreated before anaerobic fermentation.The rice straw was biologically pretreated by straw rot agent in the experiment，the changes of biogas production yields，pH and methane content between different treatments were studied to determine the effects of the pretreatment time and the additional of straw rot agent on the anaerobic fermentation.The results showed that the best pretreatment time was 2d and the best addition was 0.2% of the straw quality，under this condition，pH decreased significantly in the early stage of anaerobic fermentation and biogas production was higher.Too long pretreatment time and excessive addition of straw rot agent leaded to consumption of organic matter and wasnt conducive to increase the biogas production.In addition，excess addition of straw rot agent also was not conducive to the stability of methane content in the later stage of anaerobic fermentation.

Key words：Straw；Biogas；Biological pretreatment；Straw rot agent

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量超過8億t[1]，但是由于缺乏有效的利用途徑，收儲(chǔ)、運(yùn)輸又存在一系列問題，農(nóng)民往往一燒了之，造成了環(huán)境污染和安全隱患。近年來，秸稈作為一種重要的生物質(zhì)能源，利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)沼氣已成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但由于秸稈中含有較多的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，且C/N比較高，達(dá)到75∶1[2]甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)酵最佳碳氮比（25～30）∶1，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣率低等問題。針對(duì)上述問題，研究較多的是對(duì)秸稈進(jìn)行物理、化學(xué)或生物預(yù)處理[3-9]，其中以化學(xué)預(yù)處理效果最好[10]，但在應(yīng)用過程中考慮到經(jīng)濟(jì)性和可操作性，以條件較為溫和的生物預(yù)處理方式居多[11-13]。

腐熟劑是一種通過添加到作物秸稈等有機(jī)廢棄物中，以達(dá)到加速和促進(jìn)有機(jī)物料腐化效果的微生物發(fā)酵劑[14]，它能通過所含微生物組群多方面的作用來分解秸稈中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素[15]，價(jià)格低廉且容易獲得。本研究以秸稈腐熟劑作為生物預(yù)處理菌劑，研究不同的腐熟劑添加量和預(yù)處理時(shí)間對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵的影響，為秸稈沼氣的實(shí)際應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 水稻秸稈采自南京高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)和睦澗村農(nóng)田，經(jīng)曬干后采粉碎至粒徑小于2mm，基本理化性狀見表1。秸稈腐熟劑為南京寧糧生物工程有限公司產(chǎn)品，所含菌種主要為：婁徹氏鏈霉菌、米曲霉、地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌，有效活菌數(shù)≥0.5億/g，纖維素酶活≥30U/g，蛋白酶活≥15U/g。尿素N≥46.3%，江蘇靈谷化工有限公司生產(chǎn)。沼液取自江寧淳化街道新興社區(qū)秸稈沼氣站。接種污泥取自南京江心洲污水處理廠厭氧消化池，含水率為96.5%。表1 供試秸稈基本性狀（%）

圖1 秸稈厭氧發(fā)酵裝置

注：1、發(fā)酵瓶，2、集氣瓶，3、集水瓶，4、pH取樣針，5、抽氣針，6、導(dǎo)氣管，7、導(dǎo)水管，8、水浴鍋。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)流程 首先將秸稈粉碎至2mm以下，取50g粉碎后的秸稈用150mL沼液進(jìn)行潤濕，加入秸稈腐熟劑，混合均勻進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過一定時(shí)間后，加入150mL接種污泥和450mL沼液，其總質(zhì)量約為800g，同時(shí)以不添加腐熟劑且不進(jìn)行預(yù)處理的樣品作為空白對(duì)照，按照上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行厭氧發(fā)酵30d，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)期間測(cè)定產(chǎn)氣量、pH值和甲烷含量。產(chǎn)氣量的測(cè)定采用排水法，每日進(jìn)行測(cè)量；pH的檢測(cè)采用pH測(cè)定儀，每日進(jìn)行測(cè)量；甲烷含量采用美國Agilent 7890A氣相色譜儀測(cè)定，隔日進(jìn)行抽氣、測(cè)定。試驗(yàn)分別考察不同預(yù)處理時(shí)間和腐熟劑添加量對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵效果的影響。

1.3.2 預(yù)處理時(shí)間影響試驗(yàn) 設(shè)5個(gè)試驗(yàn)處理，預(yù)處理時(shí)間分別為0、2、4、6、8d，預(yù)處理過程中腐熟劑的添加量為0.25g，其余試驗(yàn)條件同1.3.1，進(jìn)行30d發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)，測(cè)定產(chǎn)氣量、pH和甲烷含量。

1.3.3 腐熟劑添加量影響試驗(yàn) 設(shè)4個(gè)試驗(yàn)處理，分別標(biāo)記為TK1、TK2、TK3、TK4，預(yù)處理過程中腐熟劑的添加量分別為0、0.1、0.25、0.5g，分別占發(fā)酵秸稈量的0、0.2%、0.5%和1%，預(yù)處理時(shí)間為4d，其余試驗(yàn)條件同1.3.1，測(cè)定發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量、pH和甲烷含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理時(shí)間對(duì)發(fā)酵效果的影響

2.1.1 預(yù)處理時(shí)間對(duì)產(chǎn)氣量的影響 經(jīng)30d的厭氧發(fā)酵后，預(yù)處理時(shí)間分別為0、2、4、6、8d的各處理產(chǎn)氣量分別185.2mL/g、193.1mL/g、170.6mL/g、162.3mL/g和156.0mL/g，分別比空白提高了25.1%、30.4%、15.2%、9.6%和5.3%。發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化見圖2。從圖2可以看出，各處理的日產(chǎn)氣量都隨時(shí)間變化具有一定的波動(dòng)性，發(fā)酵22d后各處理的產(chǎn)氣量都有明顯降低，說明大部分易被分解的有機(jī)物已被微生物利用。預(yù)處理時(shí)間為2d時(shí)總產(chǎn)氣量最高，此后隨著預(yù)處理時(shí)間的延長，總產(chǎn)氣量有明顯地下降。此外，預(yù)處理時(shí)間越長，發(fā)酵啟動(dòng)越慢且日產(chǎn)氣量峰值越低、峰值出現(xiàn)的也越遲。這主要是由于在預(yù)處理初期，微生物將一些相對(duì)較易分解的大分子有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成小分子易降解的物質(zhì)，而后隨著時(shí)間的延長，微生物將這些小分子物質(zhì)逐漸降解利用，使得發(fā)酵過程中可被快速分解利用的有機(jī)物減少，從而降低了產(chǎn)氣量，因此預(yù)處理的時(shí)間不宜過長。從本試驗(yàn)的結(jié)果來看，預(yù)處理的時(shí)間為2d較為適宜。

圖2 不同預(yù)處理時(shí)間的日產(chǎn)氣量

2.1.2 預(yù)處理時(shí)間對(duì)發(fā)酵過程中物料pH的影響 經(jīng)不同時(shí)間預(yù)處理后，各處理發(fā)酵過程中物料的pH變化見圖3。在發(fā)酵前期，由于水解產(chǎn)酸過程比較強(qiáng)烈，物料pH的波動(dòng)較大，至中后期物料的pH逐于穩(wěn)定。從各處理的結(jié)果來看，預(yù)處理2d的處理物料pH下降最為明顯，最低降至6.3，而后又得到了較快的恢復(fù)，產(chǎn)氣量也最大。說明該預(yù)處理時(shí)間內(nèi)，有機(jī)物既得到了較好的分解，又沒有被過度消耗，從而使得發(fā)酵過程中有機(jī)酸產(chǎn)生和積累量比較多。

圖3 不同預(yù)處理時(shí)間下物料pH的變化

2.1.3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)沼氣中甲烷含量的影響 經(jīng)不同時(shí)間預(yù)處理后，各處理產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量的變化情況見圖4。由圖4可知，各處理在發(fā)酵初期沼氣中甲烷含量隨反應(yīng)時(shí)間的加長呈快速上升的趨勢(shì)，均在第8天時(shí)達(dá)到50%以上，在發(fā)酵中期維持一個(gè)較高的水平，發(fā)酵后期有所回落?？傮w來看，預(yù)處理時(shí)間對(duì)甲烷含量及其穩(wěn)定性的影響并不顯著，但在發(fā)酵中期甲烷含量較高的處理中，發(fā)酵后期甲烷含量下降較快。相反，發(fā)酵中期甲烷含量相對(duì)較低的處理中，發(fā)酵后期沼氣中的甲烷含量卻比較穩(wěn)定。

圖4 不同預(yù)處理時(shí)間下沼氣中甲烷含量

2.2 腐熟劑添加量對(duì)厭氧發(fā)酵效果的影響

2.2.1 腐熟劑添加量對(duì)厭氧發(fā)酵中產(chǎn)氣量的影響 TK1、TK2、TK3和TK4處理經(jīng)過30d的厭氧發(fā)酵后，產(chǎn)氣量分別為152.5mL/g、175.9mL/g、170.6mL/g和165.7mL/g，分別比空白的148.1mL/g提高了3.0%、18.8%、15.2%和11.9%。發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化見圖5。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，并非腐熟劑添加量越多發(fā)酵效果越好。在本試驗(yàn)條件下，腐熟劑的最佳添加量為秸稈用量的0.2%。這主要是由于隨著秸稈腐熟劑用量的增加，微生物數(shù)量增多，使得預(yù)處理過程中一些易降解的有機(jī)物被消耗過多，從而減少了產(chǎn)氣量。TK2在發(fā)酵的前期有一個(gè)較為明顯的產(chǎn)氣高峰，說明預(yù)處理過程中積累了較多易被微生物降解的有機(jī)物，TK1中沒有添加腐熟劑，僅利用沼液中的微生物對(duì)其進(jìn)行了預(yù)處理，產(chǎn)氣量明顯低于添加腐熟劑的各處理，略高于空白。

圖5 不同腐熟劑添加量下日產(chǎn)氣量

2.2.2 腐熟劑添加量對(duì)厭氧發(fā)酵中物料pH的影響 不同腐熟劑添加量處理發(fā)酵過程中物料pH的變化見圖6。由圖6可知，各處理物料的pH在前7d內(nèi)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，以TK2下降尤為明顯，最低降至6.4，說明該處理下有機(jī)酸的生成和積累較多，對(duì)應(yīng)地該處理的產(chǎn)氣量也最高；隨后各處理中物料的pH自動(dòng)逐步回升，11d后各處理的pH基本都在6.9～7.2范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 不同腐熟劑添加量下物料pH的變化

2.2.3 腐熟劑添加量對(duì)沼氣中甲烷含量的影響 在30d的厭氧發(fā)酵過程中，不同腐熟劑投加量的各處理所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量變化情況見圖7。由圖7可知，TK1、TK2在第10天甲烷含量達(dá)到50%以上，并基本維持至試驗(yàn)結(jié)束，尤其是TK2在發(fā)酵的中后期甲烷含量仍較高；TK3、TK4在第8天時(shí)甲烷含量達(dá)到50%以上，但在發(fā)酵的后期甲烷含量降低至50%以下，其中TK4的波動(dòng)尤為明顯?？梢姡黾痈靹┑耐都恿?，可使發(fā)酵前期甲烷含量快速升高，但不利于發(fā)酵后期維持甲烷含量的穩(wěn)定。

圖7 不同腐熟劑添加量下沼氣中甲烷的含量

3 結(jié)論

由本次試驗(yàn)可知，采用腐熟劑對(duì)水稻秸稈進(jìn)行生物預(yù)處理，可以提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量，但需控制好預(yù)處理時(shí)間和腐熟劑的添加量。預(yù)處理時(shí)間過長或腐熟劑添加量過多，會(huì)導(dǎo)致預(yù)處理過程中過多消耗原料中的養(yǎng)分，既不利于產(chǎn)氣量增加，也不利于維持發(fā)酵后期沼氣中甲烷含量的穩(wěn)定。此外，相比于腐熟劑添加量來講，預(yù)處理時(shí)間對(duì)厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量影響更為顯著。在本試驗(yàn)條件下，預(yù)處理時(shí)間為2d、腐熟劑添加量為秸稈用量的0.2%時(shí)發(fā)酵效果最佳。

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