布料方式與桿菌配比對(duì)秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響及優(yōu)選研究

陳薔 王素君 魏立穎 王運(yùn)良

摘? ? 要：以玉米秸稈為發(fā)酵原料，研究了秸稈與接種物以3種不同的布料方式在4種不同的配比下對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，并進(jìn)一步優(yōu)選出適宜的布料方式與配比。試驗(yàn)結(jié)果表明：桿菌混勻的布料方式以1∶30和1∶40的配比，以及上稈下菌的布料方式以1∶40的配比下，其產(chǎn)氣量較高，而上菌下桿的布料方式無論以任何配比投料，其產(chǎn)氣量都很低。在實(shí)際應(yīng)用中，如果考慮節(jié)約成本、節(jié)省空間等因素，優(yōu)選桿菌混勻的布料方式以1∶30桿菌配比為更加經(jīng)濟(jì)的組合。

關(guān)鍵詞：秸稈;沼氣發(fā)酵;布料方式;桿菌配比

中圖分類號(hào)：S216.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.015

Study on the Effect of Distribution Mode and Material Ratio on Gas Production of Straw Fermentation and Optimization

CHEN Qiang1，WANG Sujun2，WEI? Liying1，WANG? Yunliang2

（1.Tianjin Green Power and Plant Nutrition Technology Development Company Limited， Tianjin 300250，China; 2.Kingland North Gardens （Tianjin） Company Limited， Tianjin 300250， China）

Abstract：Using corn straw as fermentation material， the effects of three different distribution modes of straw and inoculum on the fermentation gas yield were studied under four different ratios， and the suitable distribution mode and ratio of straw and inoculum were further optimized. The results showed that the distribution mode of inoculum and straw mixed in a ratio of 1∶30 and 1∶40， and the distribution mode of inoculum under straw in a ratio of 1∶40， had a high gas production， while the distribution mode of straw under inoculum at any ratio had a low gas production. In practical application， if cost and space saving factors are taken into account， it is preferable to choose the distribution mode of inoculum and straw mixed in a ratio of 1∶30 as a more economical combination.

Key words： straw; biogas fermentation; distribution mode; material ratio

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，我國(guó)已成為世界最大的有機(jī)廢棄物生產(chǎn)國(guó)之一[1]。目前，我國(guó)秸稈的產(chǎn)量超過了7億t·a-1，但秸稈的利用率很低[2]，除去用于造紙、飼料以及漚肥還田外，還有約3.7億t秸稈未被利用[3]。厭氧發(fā)酵可以通過厭氧微生物對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行分解代謝，是秸稈利用的主要途徑之一[4]。厭氧消化系統(tǒng)符合國(guó)家農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的政策，使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。以農(nóng)作物秸稈為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，使其轉(zhuǎn)化為沼氣與沼肥，是解決能源短缺、環(huán)境污染及生態(tài)修復(fù)的有效途徑，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6]。

農(nóng)作物秸稈作為單一厭氧發(fā)酵底物時(shí)由于纖維素的晶體結(jié)構(gòu)、聚合度以及含水量等問題而導(dǎo)致水解速度低，需要采取措施強(qiáng)化水解過程。且微生物因氮源不足同化作用被抑制進(jìn)而影響異化作用效率，沒有氨氮的緩沖作用，大量的有機(jī)酸合成使系統(tǒng)pH下降，最終導(dǎo)致系統(tǒng)酸化[7]。通過加入接種物可以調(diào)節(jié)碳氮比，厭氧發(fā)酵時(shí)，適宜的碳氮比在（25～30）∶1[8]，所以，合理的配比原料有利于產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階段菌群的生長(zhǎng)平衡，以促進(jìn)沼氣發(fā)酵[9]。然而，秸稈與接種物的布料方式對(duì)于秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣量是否存在影響目前國(guó)內(nèi)外還未見相關(guān)研究。

本試驗(yàn)對(duì)秸稈與接種物3種不同的布料方式在4種不同配比下的發(fā)酵產(chǎn)氣量進(jìn)行研究，并進(jìn)一步優(yōu)選出適宜的布料方式與配比，以期為秸稈在大規(guī)模的沼氣工程和戶用沼氣池中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 原料和接種物

發(fā)酵原料選用玉米秸稈，采自天津市寧河區(qū)，已自然風(fēng)干3個(gè)月。試驗(yàn)前將秸稈利用底部篩網(wǎng)8 mm的錘片式揉搓機(jī)進(jìn)行粉碎處理，粉碎后的玉米秸稈呈纖維狀。接種物為河北省青縣正常使用沼氣池中的沼渣（底泥），顏色呈黑褐色，含水量為85%。

1.2 試驗(yàn)裝置

發(fā)酵裝置主要由水浴恒溫裝置、發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶和管路組成。發(fā)酵瓶為500 mL廣口瓶，發(fā)酵瓶口由橡膠塞密封，橡膠塞打孔連接管路，發(fā)酵瓶與集氣瓶之間以膠皮管連接，利用排水法計(jì)量產(chǎn)氣量。將發(fā)酵瓶置于39 ℃水浴恒溫箱中以保持發(fā)酵溫度恒定[10]。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)均在39 ℃條件下開展，采用500 mL廣口瓶作為發(fā)酵容器，利用排水法計(jì)量產(chǎn)氣量，觀察時(shí)間為一周期共計(jì)20 d，每個(gè)處理重復(fù)3次。

本試驗(yàn)采用3種不同的布料方式（A），每種布料方式以4種不同質(zhì)量比的桿菌配比（B）進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，具體如表1所示。

1.4 測(cè)量參數(shù)

累積產(chǎn)氣量：從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束日（一周期20 d）產(chǎn)氣量的總和。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種布料方式以4種桿菌配比發(fā)酵一周期的總產(chǎn)氣量

由表2可知，各處理間存在差異，進(jìn)一步進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)（見表3），不同布料方式間的產(chǎn)氣量（F=840.930 5>F0.01=5.72）、不同桿菌配比間的產(chǎn)氣量（F=722.072 7>F0.01=4.82）以及布料方式與桿菌配比的交互效應(yīng)（F=63.864 19>F0.01=3.76）對(duì)產(chǎn)氣量的影響均呈極顯著差異，但重復(fù)間無顯著差異。

2.2 布料方式對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由表4布料方式間的多重比較可以看出：三種布料方式對(duì)產(chǎn)氣量的影響具有極顯著差異，其中以菌稈混勻布料方式的產(chǎn)氣量最大，為1.644×10-3? m3，其次為上稈下菌，以上菌下稈的產(chǎn)氣量為最差。

2.3 桿菌配比對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由表5桿菌配比間的多重比較可以看出：1∶20，1∶30，1∶40三種桿菌配比間的產(chǎn)氣量無顯著性差異，均顯著高于1∶10這種桿菌配比的產(chǎn)氣量，平均高202%。

2.4 布料方式和桿菌配比的不同組合對(duì)產(chǎn)氣量的影響

由表6可知，在12個(gè)處理中，前6個(gè)處理均顯著高于后6個(gè)處理，即：桿菌混勻和上稈下菌布料方式分別以1∶20，1∶30和1∶40的桿菌配比投料，其產(chǎn)氣量均顯著高于其他組合。其中，處理11的產(chǎn)氣量又顯著高于處理3、處理10和處理2，其產(chǎn)氣量達(dá)到2.034×10-3 m3。而處理11、處理12和處理4的產(chǎn)氣量差異不顯著。此外，1∶10的桿菌配比無論以任何布料方式投料，其產(chǎn)氣量都很低，平均值僅為0.523×10-3 m3。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，桿菌混勻布料方式配合1∶30的桿菌配比、桿菌混勻布料方式配合1∶40的桿菌配比、上稈下菌布料方式配合1∶40的桿菌配比三種組合秸稈發(fā)酵的產(chǎn)氣量最高。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮節(jié)約成本、節(jié)省空間等因素，優(yōu)選菌稈混勻布料方式配合1∶30的桿菌配比作為更加經(jīng)濟(jì)的組合。

1∶10的桿菌配比無論以任何布料方式投料，其產(chǎn)氣量都很低，分析原因可能是接種物太少，厭氧發(fā)酵細(xì)菌無法完全分解秸稈水解產(chǎn)生的有機(jī)酸，秸稈水解產(chǎn)生的有機(jī)酸，降低了底物中的pH，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[11];上菌下稈的布料方式無論以任何桿菌配比投料，其產(chǎn)氣量也都很低，可能是秸稈水解產(chǎn)生的有機(jī)酸受重力作用下滲，但是由于接種物在上層，無法滲入到接種物當(dāng)中，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵細(xì)菌只能接觸并分解少部分有機(jī)酸;而上稈下菌布料方式正好相反，在桿菌配比適宜的條件下，秸稈水解產(chǎn)生的有機(jī)酸恰好直接滲入到接種物當(dāng)中，大量的厭氧發(fā)酵細(xì)菌與之接觸進(jìn)而分解產(chǎn)生沼氣。

農(nóng)作物秸稈作為一種重要的富含有機(jī)物的生物質(zhì)能源[12]，通過厭氧消化在消納的同時(shí)，部分能量重新以沼氣形式獲得，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的循環(huán)利用[13]。本研究證明秸稈與接種物在不同的布料方式下對(duì)于秸稈發(fā)酵的產(chǎn)氣量存在影響，且不同布料方式與配比的組合對(duì)于產(chǎn)氣量的影響差異明顯，這在目前還尚未見到相關(guān)的研究報(bào)道，未來將進(jìn)一步針對(duì)不同秸稈種類在多種布料方式下的產(chǎn)氣量進(jìn)行研究，為秸稈在大規(guī)模沼氣工程中和戶用沼氣中的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

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