水稻秸稈-豬糞混合發酵研究

黃強　龔貴金　黃藝瑤　黃振俠

摘要? [目的]對水稻秸稈與豬糞進行混合發酵研究。[方法]在不對秸稈進行預處理的情況下，在35? ℃恒溫下進行發酵，研究稻稈-豬糞VS比、底物-接種物VS 配比（S/I）和VS 濃度對混合厭氧發酵產氣量的影響。[結果]當稻稈-豬糞VS 配比為1∶4、底物-接種物VS 配比（S/I）為2∶1、VS 濃度為6%，產沼氣量及甲烷產量均達到最大，產氣效率高，其累積產氣量為548.90? mL/g。[結論]在水稻秸稈不進行預處理的情況下，水稻秸稈-豬糞進行中溫發酵工藝最佳發酵條件為VS比1∶4、S/I2∶1、VS 濃度6%。

關鍵詞? 水稻秸稈;混合發酵;豬糞

中圖分類號? S216.4??? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0202-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.061

Study on Mixed Fermentation of Rice Straw and Pig Manure

HUANG Qiang，GONG Gui-jin，HUANG Yi-yao et al? （Jiangxi Zhenghe Ecological Agriculture Co.， Ltd，Xinyu，Jiangxi 338000）

Abstract? [Objective]To study the mixed fermentation of rice straw and pig manure. [Method]The effects of VS ratio of rice straw to pig manure， VS ratio of substrate to inoculum （S/I） and VS concentration on the gas production of mixed anaerobic fermentation at constant temperature of 35 ℃ without pre-treatment on rice straw were studied. [Result]When VS ratio of rice straw to pig manure was 1∶4， VS ratio of substrate to inoculant （S/I） was 2∶1 and VS concentration was 6%，the biogas production and methane production reached the maximum， and the gas production efficiency was higher. Its cumulative gas production was 548.90 mL/g. [Conclusion]Without pre-treatment on rice straw， the optimum fermentation conditions for medium temperature fermentation of rice straw and pig manure were as follows：? VS ratio of 1∶4， S/I of 2∶1 and VS concentration of 6%.

Key words? Rice straw;Mixed fermentation;Pig manure

基金項目? 江西省重大研發專項（20182ABC28006）。

作者簡介? 黃強（1985—），男，江西南昌人，環保工程師，從事厭氧發酵工程研究。

收稿日期? 2019-06-18

隨著對環境改善和能源替代需求的不斷增加，厭氧發酵生產沼氣對有機廢物的處理越來越有吸引力，并在我國迅速發展起來[1]。據統計，我國每年產生8 億t秸稈和38 億t畜禽糞便。由于我國實行環境友好型發展政策，大多數沼氣站采用單一的原料，特別是動物糞便來進行單一發酵。在厭氧發酵過程中，畜禽糞便中含有大量的氨氮，當達到一定數量會導致氨的抑制[2]。水稻秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素組成[3]，其結構復雜，交聯結構不能高效降解[4-6]。秸稈與豬糞進行混合發酵被認為是一種更有效的方法，不僅降低了單一原料發酵的碳氮比不平衡問題，而且提高了系統的緩沖能力，有利于發酵反應的高效進行[7-8]。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料? 稻稈和豬糞采自江西正合生態農業有限公司羅坊沼氣站，收集的稻稈經清水洗凈、自然風干后，用粉碎機粉碎成1～3 cm長的小段，置于烘箱55 ℃下烘干;豬糞采自羅坊沼氣站勻漿池;接種物采自沼氣站1#厭氧發酵罐的底泥。其各自理化性質如表1所示。

1.2? 檢測方法? 揮發性固體（VS）含量的測定采用烘干法;日產沼氣量的測定采用排水集氣法;甲烷含量使用甲烷綜合檢測儀進行測定。

1.3? 試驗裝置? 厭氧發酵的試驗裝置由3個部分組成：①用1 000 mL 的玻璃瓶作為發酵反應器（置于電子恒溫水浴鍋中）;②用1 L 的廣口瓶作為集氣裝置，其中加入水，并用橡膠塞將瓶口密封;③用1 L 的燒杯作為集水裝置，以測量產氣量。3個部分用橡皮管與各個部分的玻璃管連接，形成集氣裝置，使水浴鍋溫度在恒溫35 ℃下進行發酵，在發酵過程中每隔幾天輕輕搖動發酵裝置，防止沉淀和發酵秸稈的上浮。采用排水集氣的方法收集發酵產生的生物氣。

2? 結果與分析

2.1? 不同S/I（底物比接種物）處理對混合厭氧發酵產氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比1∶1 進行添加，S/I 分別設定為1∶2.5、1∶2、1∶1、2∶1 和2.5∶1，并根據原料和接種物的含水率調節發酵料液VS 濃度至5%，然后置于中溫條件下進行厭氧發酵。

由圖1可知，當S/I 為1∶2.5時在第10天達到峰值（38.5 mL/g）;當S/I 為1∶2時在第9天達到峰值（41.35 mL/g）;當S/I 為1∶1時，在第6天達到峰值（33.69 mL/g）;當S/I 為2∶1時在第4天達到峰值（48.50 mL/g）;當S/I 為2.5∶1時在第3天達到峰值（40.00 mL/g），不同S/I 比的日產沼氣量均在產氣高峰后逐漸降低。當底物比接種物為2∶1時，厭氧微生物能夠較快適應厭氧系統環境，微生物代謝活躍并大量繁殖，酶活力上升，有機酸的形成速度與甲烷的形成速度相平衡，從而在較快的時間內達到產氣高峰期[9]。

由圖2可知，S/I 為2∶1 處理的累積產氣量明顯高于其他處理，VS降解率為46.73%，且其他4 組配比下累積產氣量的變化趨勢相似。S/I為2∶1處理的產氣高峰期在前30 d，此后緩慢增加;其他處理的產氣高峰期在前20 d左右，此后緩慢增加，說明當物料濃度固定時，若接種物濃度增大，微生物的生長繁殖速度將減緩。隨著時間的累積，厭氧系統中產甲烷菌的量也隨之增加，產甲烷菌相互競爭造成相互抑制，從而導致產氣量下降。

2.2? VS 濃度對混合厭氧發酵產氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比為1∶1、S/I 為2∶1，分別添加稻稈、豬糞和接種物，并根據原料和接種物的含水率來調節發酵料液VS 濃度，將VS 濃度分別設置為2%、4%、5%、6%、8%，然后置于中溫條件下進行連續厭氧發酵。

由圖3可知，VS 濃度越低，越容易達到產氣高峰期，隨著VS濃度的提高，體系內的發酵反應逐漸放緩，VS 濃度6%處理的日產沼氣量在第4天達到最高值（73.00 mL/g），并在第23 和25天再次達到峰值，分別為57.4和54.5 mL/g，這是由于豬糞更容易發酵，在前期以豬糞發酵為主，后期稻桿的快速分解為微生物發酵提供了新的發酵底物。

由圖4可知，6%VS處理的累積產氣量明顯高于其他濃度處理，VS降解率為45.38%。在整個周期呈現先勻速增加后變緩慢的趨勢，產氣狀態較為穩定;產甲烷高峰在前25 d 內，且甲烷產量明顯高于其他濃度處理，說明此濃度下的料液環境適宜微生物的繁殖與代謝，底物利用率高，甲烷產量高。2%VS處理的累積產氣量一直處于較低狀態，VS降解率為35.40%;4%VS處理的累積產氣量在前9 d快速增加，VS降解率為43.50%;5%VS處理的累積產氣量在前15 d 處于產氣高峰期，VS降解率為44.25%;8%VS處理的累積產氣量從第10天開始逐漸增加，VS降解率為36.52%。這說明較低或較高的VS 濃度不利于發酵原料中有機物的降解。這是由于較低或較高的VS 濃度影響厭氧體系中的物質傳遞，不利于微生物的分解代謝。因此，選擇合適的VS 濃度有利于提高微生物利用有機物的能力，增加產氣量。

2.3? 稻稈-豬糞VS 比對混合厭氧發酵產氣量的影響

將稻稈和豬糞VS 比分別設置為1∶6、1∶4、1∶2、1∶1、1∶0 和0∶1，接種物S/I 為2∶1，依次添加稻稈、豬糞和接種物，并根據原料和接種物的含水率調節發酵料液VS 濃度至6%，然后置于中溫條件下進行厭氧發酵。

由圖5可知，不同的稻稈-豬糞VS 配比下日產沼氣量均呈先增加后降低的變化趨勢，隨著稻稈和豬糞VS比例中的豬糞含量提高，達到產氣高峰期的時間提前[10-11]，純豬糞發酵在第3天達到峰值（59.2 mL/g），這可能是由于豬糞原料取自沼氣站的勻漿池，豬糞在勻漿池中已經處于發酵的產酸階段，因此在試驗中產甲烷菌能快速分解乙酸、二氧化碳等，生成甲烷。與單一物料（豬糞或稻稈）試驗組相比，豬糞比例越高的混合物料試驗組有更高的產甲烷量，這表明對于“稻稈+豬糞”組合，豬糞是產甲烷的主要物質基礎，稻稈對甲烷產量的貢獻相對較弱。這在純秸稈在第15天達到峰值（31.2 mL/g），也側面說明了秸稈相對于豬糞更難以發酵，且厭氧發酵周期更長。

由圖6可知，不同的稻稈-豬糞VS 配比下累積產氣量均呈先增加后降低的變化趨勢，且VS 比為1∶4時在第18 天后

達到較穩定狀態，此時累積產氣量為548.90 mL/g，且累積產氣量顯著高于其他處理，VS降解率達到58.51%。連續厭氧發酵試驗表明，在“稻稈+豬糞”組合中，在相同進料負荷的條件下，混合物料的產甲烷要高于單一的物料，豬糞是產甲烷的主要物質基礎;稻稈對甲烷產量的貢獻較弱，但稻稈的添加能夠有效減緩豬糞高氮含量而帶來的氨抑制作用，維持厭氧發酵系統的穩定，從而提高總產氣量，這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發酵而言，適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。

3? 結論與討論

在實驗室條件下，“稻稈+豬糞”混合厭氧發酵試驗結果表明：①豬糞在發酵組合占主要地位，是產甲烷的主要物質基礎;在2個組合中，豬糞比例高的試驗組日產甲烷量更高。②稻稈類高碳物料的添加可以有效緩解豬糞這類高氮類物料發酵帶來的氨氮抑制等問題，穩定系統發酵狀態，從而提高總產氣量，這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發酵而言，適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。③在水稻秸稈不進行預處理的情況下，水稻秸稈-豬糞進行中溫發酵工藝最佳發酵條件為VS比1∶4、S/I 2∶1、VS 濃度6%。

參考文獻

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