腐熟劑預處理對水稻秸稈厭氧發酵的影響研究

管蓓 王亮

摘 要：農作物秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質素，通常需要預處理后再對其進行厭氧發酵。試驗采用腐熟劑對水稻秸稈進行生物預處理，研究了不同預處理時間和腐熟劑的添加量對厭氧發酵效果的影響，分析了發酵過程中產氣量、pH和沼氣中甲烷含量的變化。結果表明：腐熟劑預處理時間2d、腐熟劑投加量為秸稈用量的0.2%時，發酵前期物料pH下降顯著、產氣量高。預處理時間過長或腐熟劑添加量過多，會導致易降解有機物的大量消耗，不利于產氣量的增加和發酵后期甲烷含量的穩定。

關鍵詞：秸稈；沼氣；生物預處理；秸稈腐熟劑

中圖分類號 S216.4 文獻標識碼 A 文章編號 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

我國是一個農業大國，每年農作物秸稈產量超過8億t[1]，但是由于缺乏有效的利用途徑，收儲、運輸又存在一系列問題，農民往往一燒了之，造成了環境污染和安全隱患。近年來，秸稈作為一種重要的生物質能源，利用秸稈發酵生產沼氣已成為學者研究的熱點。但由于秸稈中含有較多的纖維素、半纖維素及木質素，且C/N比較高，達到75∶1[2]甚至更高，遠遠高于發酵最佳碳氮比（25～30）∶1，導致沼氣發酵啟動慢、產氣率低等問題。針對上述問題，研究較多的是對秸稈進行物理、化學或生物預處理[3-9]，其中以化學預處理效果最好[10]，但在應用過程中考慮到經濟性和可操作性，以條件較為溫和的生物預處理方式居多[11-13]。

腐熟劑是一種通過添加到作物秸稈等有機廢棄物中，以達到加速和促進有機物料腐化效果的微生物發酵劑[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、纖維素和木質素[15]，價格低廉且容易獲得。本研究以秸稈腐熟劑作為生物預處理菌劑，研究不同的腐熟劑添加量和預處理時間對水稻秸稈厭氧發酵的影響，為秸稈沼氣的實際應用提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 水稻秸稈采自南京高淳區東壩鎮和睦澗村農田，經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≥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。沼液取自江寧淳化街道新興社區秸稈沼氣站。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 秸稈厭氧發酵裝置

注：1、發酵瓶，2、集氣瓶，3、集水瓶，4、pH取樣針，5、抽氣針，6、導氣管，7、導水管，8、水浴鍋。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗流程 首先將秸稈粉碎至2mm以下，取50g粉碎后的秸稈用150mL沼液進行潤濕，加入秸稈腐熟劑，混合均勻進行預處理。經過一定時間后，加入150mL接種污泥和450mL沼液，其總質量約為800g，同時以不添加腐熟劑且不進行預處理的樣品作為空白對照，按照上述試驗裝置進行厭氧發酵30d，每個處理3個重復，試驗期間測定產氣量、pH值和甲烷含量。產氣量的測定采用排水法，每日進行測量；pH的檢測采用pH測定儀，每日進行測量；甲烷含量采用美國Agilent 7890A氣相色譜儀測定，隔日進行抽氣、測定。試驗分別考察不同預處理時間和腐熟劑添加量對水稻秸稈厭氧發酵效果的影響。

1.3.2 預處理時間影響試驗 設5個試驗處理，預處理時間分別為0、2、4、6、8d，預處理過程中腐熟劑的添加量為0.25g，其余試驗條件同1.3.1，進行30d發酵產氣試驗，測定產氣量、pH和甲烷含量。

1.3.3 腐熟劑添加量影響試驗 設4個試驗處理，分別標記為TK1、TK2、TK3、TK4，預處理過程中腐熟劑的添加量分別為0、0.1、0.25、0.5g，分別占發酵秸稈量的0、0.2%、0.5%和1%，預處理時間為4d，其余試驗條件同1.3.1，測定發酵過程中的產氣量、pH和甲烷含量。

2 結果與討論

2.1 預處理時間對發酵效果的影響

2.1.1 預處理時間對產氣量的影響 經30d的厭氧發酵后，預處理時間分別為0、2、4、6、8d的各處理產氣量分別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%。發酵過程中日產氣量的變化見圖2。從圖2可以看出，各處理的日產氣量都隨時間變化具有一定的波動性，發酵22d后各處理的產氣量都有明顯降低，說明大部分易被分解的有機物已被微生物利用。預處理時間為2d時總產氣量最高，此后隨著預處理時間的延長，總產氣量有明顯地下降。此外，預處理時間越長，發酵啟動越慢且日產氣量峰值越低、峰值出現的也越遲。這主要是由于在預處理初期，微生物將一些相對較易分解的大分子有機物質轉化成小分子易降解的物質，而后隨著時間的延長，微生物將這些小分子物質逐漸降解利用，使得發酵過程中可被快速分解利用的有機物減少，從而降低了產氣量，因此預處理的時間不宜過長。從本試驗的結果來看，預處理的時間為2d較為適宜。

圖2 不同預處理時間的日產氣量

2.1.2 預處理時間對發酵過程中物料pH的影響 經不同時間預處理后，各處理發酵過程中物料的pH變化見圖3。在發酵前期，由于水解產酸過程比較強烈，物料pH的波動較大，至中后期物料的pH逐于穩定。從各處理的結果來看，預處理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，產氣量也最大。說明該預處理時間內，有機物既得到了較好的分解，又沒有被過度消耗，從而使得發酵過程中有機酸產生和積累量比較多。

圖3 不同預處理時間下物料pH的變化

2.1.3 預處理時間對沼氣中甲烷含量的影響 經不同時間預處理后，各處理產生的沼氣中甲烷含量的變化情況見圖4。由圖4可知，各處理在發酵初期沼氣中甲烷含量隨反應時間的加長呈快速上升的趨勢，均在第8天時達到50%以上，在發酵中期維持一個較高的水平，發酵后期有所回落。總體來看，預處理時間對甲烷含量及其穩定性的影響并不顯著，但在發酵中期甲烷含量較高的處理中，發酵后期甲烷含量下降較快。相反，發酵中期甲烷含量相對較低的處理中，發酵后期沼氣中的甲烷含量卻比較穩定。

圖4 不同預處理時間下沼氣中甲烷含量

2.2 腐熟劑添加量對厭氧發酵效果的影響

2.2.1 腐熟劑添加量對厭氧發酵中產氣量的影響 TK1、TK2、TK3和TK4處理經過30d的厭氧發酵后，產氣量分別為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%。發酵過程中日產氣量的變化見圖5。由試驗結果可以看出，并非腐熟劑添加量越多發酵效果越好。在本試驗條件下，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，微生物數量增多，使得預處理過程中一些易降解的有機物被消耗過多，從而減少了產氣量。TK2在發酵的前期有一個較為明顯的產氣高峰，說明預處理過程中積累了較多易被微生物降解的有機物，TK1中沒有添加腐熟劑，僅利用沼液中的微生物對其進行了預處理，產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氣量

2.2.2 腐熟劑添加量對厭氧發酵中物料pH的影響 不同腐熟劑添加量處理發酵過程中物料pH的變化見圖6。由圖6可知，各處理物料的pH在前7d內都呈現下降趨勢，其中，以TK2下降尤為明顯，最低降至6.4，說明該處理下有機酸的生成和積累較多，對應地該處理的產氣量也最高；隨后各處理中物料的pH自動逐步回升，11d后各處理的pH基本都在6.9～7.2范圍內波動。

圖6 不同腐熟劑添加量下物料pH的變化

2.2.3 腐熟劑添加量對沼氣中甲烷含量的影響 在30d的厭氧發酵過程中，不同腐熟劑投加量的各處理所產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天甲烷含量達到50%以上，并基本維持至試驗結束，尤其是TK2在發酵的中后期甲烷含量仍較高；TK3、TK4在第8天時甲烷含量達到50%以上，但在發酵的后期甲烷含量降低至50%以下，其中TK4的波動尤為明顯。可見，增加腐熟劑的投加量，可使發酵前期甲烷含量快速升高，但不利于發酵后期維持甲烷含量的穩定。

圖7 不同腐熟劑添加量下沼氣中甲烷的含量

3 結論

由本次試驗可知，采用腐熟劑對水稻秸稈進行生物預處理，可以提高厭氧發酵的產氣量，但需控制好預處理時間和腐熟劑的添加量。預處理時間過長或腐熟劑添加量過多，會導致預處理過程中過多消耗原料中的養分，既不利于產氣量增加，也不利于維持發酵后期沼氣中甲烷含量的穩定。此外，相比于腐熟劑添加量來講，預處理時間對厭氧發酵過程中的產氣量影響更為顯著。在本試驗條件下，預處理時間為2d、腐熟劑添加量為秸稈用量的0.2%時發酵效果最佳。

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