布料方式與桿菌配比對秸稈發酵產氣量的影響及優選研究

陳薔 王素君 魏立穎 王運良

摘? ? 要：以玉米秸稈為發酵原料，研究了秸稈與接種物以3種不同的布料方式在4種不同的配比下對發酵產氣量的影響，并進一步優選出適宜的布料方式與配比。試驗結果表明：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，其產氣量都很低。在實際應用中，如果考慮節約成本、節省空間等因素，優選桿菌混勻的布料方式以1∶30桿菌配比為更加經濟的組合。

關鍵詞：秸稈;沼氣發酵;布料方式;桿菌配比

中圖分類號：S216.4? ? ? ? ?文獻標識碼：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

隨著農業生產規模的擴大，我國已成為世界最大的有機廢棄物生產國之一[1]。目前，我國秸稈的產量超過了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]。厭氧發酵可以通過厭氧微生物對農作物秸稈進行分解代謝，是秸稈利用的主要途徑之一[4]。厭氧消化系統符合國家農業供給側結構性改革的政策，使農業廢棄物變廢為寶，促進農業的可持續發展[5]。以農作物秸稈為原料進行厭氧發酵，使其轉化為沼氣與沼肥，是解決能源短缺、環境污染及生態修復的有效途徑，具有重要的經濟和社會效益[6]。

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

本試驗對秸稈與接種物3種不同的布料方式在4種不同配比下的發酵產氣量進行研究，并進一步優選出適宜的布料方式與配比，以期為秸稈在大規模的沼氣工程和戶用沼氣池中的應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 原料和接種物

發酵原料選用玉米秸稈，采自天津市寧河區，已自然風干3個月。試驗前將秸稈利用底部篩網8 mm的錘片式揉搓機進行粉碎處理，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 試驗裝置

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

1.3 試驗方法

試驗均在39 ℃條件下開展，采用500 mL廣口瓶作為發酵容器，利用排水法計量產氣量，觀察時間為一周期共計20 d，每個處理重復3次。

本試驗采用3種不同的布料方式（A），每種布料方式以4種不同質量比的桿菌配比（B）進行發酵試驗，具體如表1所示。

1.4 測量參數

累積產氣量：從試驗開始到試驗結束日（一周期20 d）產氣量的總和。

2 結果與分析

2.1 3種布料方式以4種桿菌配比發酵一周期的總產氣量

由表2可知，各處理間存在差異，進一步進行方差分析發現（見表3），不同布料方式間的產氣量（F=840.930 5>F0.01=5.72）、不同桿菌配比間的產氣量（F=722.072 7>F0.01=4.82）以及布料方式與桿菌配比的交互效應（F=63.864 19>F0.01=3.76）對產氣量的影響均呈極顯著差異，但重復間無顯著差異。

2.2 布料方式對產氣量的影響

由表4布料方式間的多重比較可以看出：三種布料方式對產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氣量最大，為1.644×10-3? m3，其次為上稈下菌，以上菌下稈的產氣量為最差。

2.3 桿菌配比對產氣量的影響

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氣量無顯著性差異，均顯著高于1∶10這種桿菌配比的產氣量，平均高202%。

2.4 布料方式和桿菌配比的不同組合對產氣量的影響

由表6可知，在12個處理中，前6個處理均顯著高于后6個處理，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，其產氣量均顯著高于其他組合。其中，處理11的產氣量又顯著高于處理3、處理10和處理2，其產氣量達到2.034×10-3 m3。而處理11、處理12和處理4的產氣量差異不顯著。此外，1∶10的桿菌配比無論以任何布料方式投料，其產氣量都很低，平均值僅為0.523×10-3 m3。

3 結論與討論

研究結果表明，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酵的產氣量最高。在實際應用中，考慮節約成本、節省空間等因素，優選菌稈混勻布料方式配合1∶30的桿菌配比作為更加經濟的組合。

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

農作物秸稈作為一種重要的富含有機物的生物質能源[12]，通過厭氧消化在消納的同時，部分能量重新以沼氣形式獲得，實現生物質能的循環利用[13]。本研究證明秸稈與接種物在不同的布料方式下對于秸稈發酵的產氣量存在影響，且不同布料方式與配比的組合對于產氣量的影響差異明顯，這在目前還尚未見到相關的研究報道，未來將進一步針對不同秸稈種類在多種布料方式下的產氣量進行研究，為秸稈在大規模沼氣工程中和戶用沼氣中的應用提供試驗依據。

參考文獻：

[1]施晨璐，孫永明，孟凡喬，等.能源農場—中國可持續農業新模式[J].可再生能源，2006（1）：73-75，77.

[2]侯素儉.綜合利用秸稈資源發展農村循環經濟[J].農業裝備技術，2011，37（2）：60.

[3]邊炳鑫，趙由才.農業固體廢物的處理與綜合利用[M].北京：化學工業出版社，2005：6-7.

[4]四川省生物研究所.沼氣（資料匯報）：第2集[M].重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1977.

[5]畢婷婷，胡涵，尹芳，等.我國農業供給側結構性改革之關鍵——厭氧消化技術[J].天津農業科學，2018，24（11）：21-24.

[6]張波.厭氧發酵過程玉米秸稈沉降及產氣特性研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2019.

[7]王世偉，馬放，麻微微，等.中低溫條件下牛糞秸稈混合沼氣發酵的研究[J].環境保護科學，2019，45（5）：20-24.

[8]趙玲，王聰，田萌萌，等.秸稈與畜禽糞便混合厭氧發酵產沼氣特性研究[J].中國沼氣，2015，33（5）：32-37.

[9]BARDIYA N， GAUR A C. Effects of Carbon and Nitrogen ratio on rice straw biomethanation[J].Journal of rural energy， 1997， 4： 1-16.

[10]陳薔，趙立偉，蘇亞勛，等.秸稈高效發酵沼氣新技術的研究[J].天津農業科學，2015，21（11）：27-29.

[11]杜靜，常志州，王世梅，等.不同底物沼氣干發酵啟動階段的產酸特征研究[J].江蘇農業科學，2008（1）：225-227.

[12]OVEREND R P. Biomass，bio-energy and biotechnology：

a futuristic perspective[M].New York and London： Plenum press，

1985：1-16.

[13]李世密，魏雅潔，張曉健，等.秸稈類木質纖維素原料厭氧發酵產沼氣研究[J].可再生能源，2008，26（1）：50-54.