生物強化技術在車庫式干發酵中的應用效果中試

曹 杰， 曲浩麗， 王鵬軍， 李瑞容， 李 強， 賀 靜 ， 陳永生， 尹小波

(1. 農業部南京農業機械化研究所， 南京 210014； 2. 農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

項目來源： 農業部可再生能源開發利用重點實驗室開放研究課題基金資助項目(2015001)； 江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)項目(BK20151073)； 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(1610012016025)

生物強化技術在車庫式干發酵中的應用效果中試

曹 杰1,2， 曲浩麗1， 王鵬軍1， 李瑞容1， 李 強2， 賀 靜2， 陳永生1， 尹小波2

(1. 農業部南京農業機械化研究所， 南京 210014； 2. 農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

為闡釋微生物強化菌劑對厭氧干發酵的影響，該文以水稻秸稈和豬糞為發酵原料，采用新型柔性頂膜車庫式干發酵裝置，在環境溫度為26℃～35℃及發酵底物TS為20%的條件下，研究微生物強化作用下水稻秸稈和豬糞混合厭氧干發酵產氣特性。結果表明：微生物強化菌劑可以明顯縮短厭氧干發酵的啟動時間，產氣中甲烷含量達到30%和50%的時間比對照組分別提前了7 d和8 d。發酵周期內，試驗庫累積產氣量達1340 m3，比對照組提高了20.5%，累積甲烷產量亦比對照組提高了45%，增產效益顯著，適合推廣使用。

生物強化； 微生物菌劑； 干發酵； 沼氣

根據發酵底物狀態的不同，可以將生物質厭氧發酵技術分為厭氧濕發酵技術和厭氧干發酵技術。厭氧干發酵又稱為固體厭氧發酵，反應體系中的TS含量可以達到20%～40%[1-3]，并產生清潔能源和優質的有機肥。

不同于厭氧濕發酵，干發酵具有其特有的優勢：1)適應能力強，可以適應各種來源的固體有機廢棄物； 2)運行費用低，并提高了容積處理能力； 3)節約水資源，需水量低； 4)幾乎無沼液產生， 沼渣含水量低， 后續處理費用低； 5)運行穩定，無濕法工藝中的浮渣、沉淀等問題； 6)減少了臭氣排放，二次污染小等[4]，正逐漸成為世界各國處理有機固體廢棄物的重要選擇[5-6]。目前，歐洲每年用于處理城市垃圾的厭氧干發酵裝置的總處理能力已達57×106t，超過濕法發酵工藝處理能力48×106t。2001年至2005年期間新建沼氣發酵工程中，干發酵處理能力占總規模的41%，而2006年～2010年新建項目中，干發酵工藝則占據了總規模的71%。國內從20世紀80年代對干發酵工藝進行了大量的研究[7-10]，取得了較多的成果，但目前依然還存在啟動時間長、底物發酵不徹底、產氣效率低等一系列問題尚待進一步解決。隨著生物強化技術在污水處理[11-14]及土壤修復[15-16]的廣泛應用，人們考慮將此技術應用在厭氧發酵產沼氣上，嘗試能否從微觀上更好地解決厭氧發酵存在的問題。生物強化(Bioaugmentation)是指為提高系統某種能力或活性，向系統中投加特定功能微生物的方法[17]。目前，針對沼氣發酵存在問題的生物強化已進行了一些研究，包括加快發酵系統啟動時間[18]；增加原料利用率；縮短酸敗系統的恢復時間；降低毒性物質的抑制作用[19]等。但研究多拘于實驗室層面和常規濕發酵中，筆者以工程運用為目標，考察在中試規模上微生物強化技術對車庫式厭氧干發酵產沼氣的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

微生物強化菌劑由農業部沼氣科學研究所研制，不僅含有沼氣發酵過程中的3大功能菌群，并且微生物數量高、活性強，菌劑中產甲烷古菌1.5×108個·g-1，纖維素分解菌4.5×108個·g-1，發酵性細菌5.5×109個·g-1。水稻秸稈來源于江蘇省蘇州常熟市田娘農場，自然風干后經粉碎機粉碎搓揉后(長度約為20～25 cm)備用。秸稈干物質(Total solid，TS)含量為90.02%(質量分數，下同)，揮發性固體(Volatile solid，VS)含量為75.29%，總有機碳含量為40.12%，總氮為0.69%，C/N為58.14；新鮮豬糞來源于江蘇省蘇州常熟市田娘農場附近某養豬場，TS為21.9%，VS為18.76%，總有機碳含量為40.31%，總氮為2.23%，C/N為18.07；接種污泥來源于農場附近CSRT反應器發酵沼液，pH值7.26，TS為1.23%，化學需氧量(Chemical oxygen demand，COD)為1960 mg·L-1。

1.2 試驗裝置

實驗采用新型柔性頂膜車庫式厭氧干發酵裝置(由農部南京農業機械化研究所開發研制)，通過將紅泥塑料覆膜技術與常規車庫式干發酵裝置相結合，有效解決了車庫式發酵工藝池容利用率不高的問題。裝置位于江蘇省蘇州常熟市田娘有機肥廠，共兩個庫，單庫容積為75 m3，庫內采用盤管加熱，頂部有鋼架大棚、棉被等保溫措施。試驗裝置實物圖及內部結構見圖1和圖2所示。

圖1 柔性頂膜車庫式干發酵裝置

1.加熱盤管； 2.沼液噴淋管； 3.柔性頂膜； 4.保溫被圖2 庫內布局圖

1.3 試驗方法

試驗于2016年5月1號～6月19號進行，共計50 d。試驗設計為2個處理，分別為對照庫和試驗庫。打捆稻秸稈分層擺放于庫內，共6層，總計3 t，每層秸稈捆中間鋪放新鮮豬糞，總計6 t。其中試驗庫在第一層秸稈捆上再鋪放1.8 t微生物菌劑，其他處理兩組皆保持相同。用沼液將發酵底物(稻秸+豬糞)初始TS濃度調節至20%，覆蓋紅泥塑料頂膜，參考前期試驗結果，設定每天噴淋兩次，每次30 min[20]。由于試驗為中試試驗，因此無法設置平行處理，但試驗單庫達75 m3，體積大，裝載物料多，相對誤差較小。

試驗開始后每天采集1次氣體樣品，并在回流操作完成之后采集滲濾液樣品。氣體樣品采用大連德霖氣體包裝有限公司生產的鋁箔采樣袋收集，滲濾液樣品在采集后于4℃下保存備用，適時帶回實驗室分析。發酵完畢后打開裝置上部柔性頂膜，對兩個處理分層采集沼渣，采用少量多次的方式進行采集，層次劃分為0～50 cm，150～200 cm，每層6個點，每層采樣點位置示意圖見圖3，采集完成后再利用4分法縮分至大約1 kg，帶回實驗室進行三素的測定。

圖3 沼渣取樣點示意圖(黑點為取樣點)

1.4 測定指標及方法

日產氣量的測定采用BF-30008-160超聲波沼氣流量計(武漢四方)；產氣中甲烷含量的測定采用GC-9890A氣相色譜儀 (TCD檢測器)；TS的測定采用105℃烘24 h，差重法測定；VS的測定采用550℃灼燒4 h，差重法測定；pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計測定；有機碳的測定含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[21]；全氮的測定采用H2SO4-H2O2消煮，蒸餾定氮法[22]；COD的測定參照GB1194-89；采用范氏法(Van Soest)測定麥秸纖維素、半纖維素和木質素(FIWE-6，Velp Scientifica)[23]。

2 結果與分析

2.1 厭氧干發酵前后稻秸各組分含量的變化

發酵底物厭氧干發酵前后的主要化學組分分析結果見表1。可以看出，底物中主要成分為纖維素，占比為34.8%;其次是半纖維素，占比為28.5%;木質素含量最少，為10.1%。由表1和圖4可以發現，纖維素和半纖維素是厭氧干發酵過程的主要降解物，對照庫纖維素、半纖維素降解率分別為19.8%和44.9%，其中半纖維素為主要降解成分。通過添加微生物菌劑，發酵底物纖維素、半纖維素降解率可達29%和51.6%，比對照分別提高了46.4%和14.9%。可以發現，該菌劑可以有效提高稻秸纖維素和半纖維素的降解率，其中對稻秸纖維素的降解效果更加顯著。

表1 不同處理下稻秸各組分含量變化 (%)

圖4 不同處理后稻秸各組分降解率

2.2 對水解液pH值的影響

試驗過程產氣中水解液pH值的變化見圖5。可以看出，試驗庫與對照庫變化趨勢相似，均為先下降然后緩慢上升并逐漸趨于穩定。這是由于試驗開始后，水解產酸菌大量產酸，而甲烷菌的活性和數量還不足以利用足量的酸，導致系統VFAs積累，pH值下降。之后隨著產甲烷菌的大量繁殖，對VFAs轉化利用能力增強，水解液pH值逐漸上升并趨于穩定。對比試驗庫和對照庫水解液pH值可以發現，試驗庫水解液pH值明顯高于對照庫，且都在7.0左右波動，最小值出現在試驗開始后第9天，為6.78。對照庫水解液pH值在試驗開始后第8 天達到最小值，為6.21，一段小幅上漲之后在6.35左右波動。直至試驗開始后第27 天才慢慢回升至7.0左右。可以發現，該菌劑可以有效穩定水解液pH值，為產酸菌和產甲烷菌提供良好的酸堿環境。

圖5 發酵過程中各處理水解液pH值的變化

2.3 對干發酵產氣特性的影響

試驗過程中日產氣量的變化見圖6。可以看出，試驗庫與對照庫日產氣量變化趨勢相似，均為先迅速增加然后緩慢減少趨于穩定。試驗庫在試驗開始后2天就有大量產氣，其日產氣量在試驗第14天達到最大值，為49 m3，對應的容積產氣率為0.65 m3·m-3d-1，而對照庫直至試驗開始后第5 天才開始產氣，其日產氣量在試驗第18天達到最大值，為43.9 m3，對應容積產氣率為0.59 m3·m-3d-1；相比較而言，試驗庫日產氣量上升趨勢明顯高于對照庫，產氣高峰比對照庫提前4天，最大容積產氣率比對照提高了9.2%。試驗周期內，試驗庫累積產氣量達1340 m3，比對照庫提高了20.5%。可以發現，該菌劑可以有效縮短厭氧干發酵的啟動時間，并較大幅度地提高物料產氣量。

沼氣是一種混合氣體，主要成分為CH4和CO2，還含有少量的N2，O2，H2，NH3和H2S等氣體。其中CH4體積分數的高低直接影響到生物氣的品位，CH4體積分數越高，沼氣品位越高，因此產氣中甲烷濃度是沼氣工程中很重要的指標。在試驗中，每天測1次2個庫內氣體中的甲烷體積分數。

圖6 厭氧干發酵過程中各處理日產氣量及累積產氣量的變化

試驗過程產氣中甲烷體積分數的變化見圖7。可以看出，試驗庫與對照庫變化趨勢相似，均為逐步升高后達到穩定。其中試驗庫產氣中甲烷體積分數在試驗第6 天即達30%，第11天達到50%以上；而對照庫產氣中甲烷體積分數在試驗前3天均沒有檢測到甲烷，直至試驗開始后第13天才達到30%以上，第19天達到50%以上，分別比試驗庫晚了7 d和8 d。由于在工程運行中，只有當產氣中甲烷體積分數達到30%以上才開始收集產氣，因此試驗庫收集有效產氣時間比對照庫提前7天。在厭氧干發酵啟動階段，試驗庫產氣中甲烷體積分數的起點及上升幅度明顯比對照庫高，且試驗庫累積產氣中平均甲烷體積分數達52.8%，比對照庫的43.7%提高了20.8%。可以發現，該菌劑可以有效縮短厭氧干發酵的啟動時間，提高產氣中甲烷含量，提升沼氣品質。

圖7 厭氧干發酵過程中各處理產氣中甲烷含量的變化

3 結論

(1)該微生物菌劑可以有效提高稻秸纖維素和半纖維素的降解率，其中纖維素降解率可提高46.4%，半纖維素降解率可提高14.9%。

圖8 各處理產氣中平均甲烷含量

(2)該微生物菌劑可以明顯縮短厭氧干發酵的啟動時間，產氣中甲烷含量達到30%和50%的時間比對照分別提前了7 d和8 d。發酵周期內，試驗庫累積產氣量達1340 m3，比對照提高了20.5%，累積甲烷產量亦比對照提高了45%，增產效益顯著，適合推廣使用。

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EffectofMicroorganismAgentonBiogasProductioninGarage-typeDigesterDryFermentation

/CAOJie1,2，QUHao-li1，WANGPeng-jun1，LIRui-rong1，LIQiang2，HEJing2，CHENYong-sheng1,YINXiao-bo2

/ (1.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanizationMinistryofAgriculture,Nanjing210014，China; 2.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture,chengdu610041，China)

The effect of microorganism agent on biogas production under dry fermentation was investigated taking mixture of rice straw and pig manure as raw materials and using garage-type dry fermentation system. The ambient temperature varying between 26℃～35℃ during the experiment, and the total solid concentration for the fermentation was 20%. The results indicated that using of microorganism agents could significantly shorten the starting time. Comparing with the control group, the microorganism added system was 7day in advance reaching the methane content of 30%, and 8 day in advance reaching the methane content of 50%. The cumulative gas production was 1340 m3, increased by 20.5% comparing with the control, and that of methane production increased by 45%.

bioaugmentation; microorganism agent; dry fermentation; biogas

2017-05-18

2017-05-31

曹 杰(1988- )，男，江蘇句容人，助理研究員，主要從事厭氧發酵工藝技術研究等工作，E-mail: hello_caojie@sina.com

賀 靜, E-mail: hejing_lily@yahoo.com.cn

S216.4; X71

A

1000-1166(2017)05-0015-05