不同接种量对稻秆厌氧发酵特性的影响

2012-09-20李文哲徐名汉罗立娜

东北农业大学学报 2012年11期

李文哲，徐名汉，罗立娜

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

我国农作物秸秆每年大量剩余，多被遗弃田间或直接焚烧，造成不同程度资源浪费和环境污染[1-3]，发展秸秆沼气是秸秆资源化的重要途径之一[4]，以秸秆为原料进行沼气发酵首要问题是氮源补充。国内通常做法是将秸秆与牲畜粪便混合，将碳氮比调整到合适的范围进行沼气发酵，这种方法可以从原料转化方面提高发酵效率，改善原料结构，并对秸秆提供充足氮源和水分[5]。添加接种物对厌氧发酵产气特性有一定影响，调节接种物与原料的质量有助于提高产气潜力，改善发酵效率。孙国朝等指出，加大接种量，是防止前期酸化、缩短干发酵启动时间的关键措施[6]。弄清不同接种量对厌氧发酵的影响，进而实现厌氧发酵条件的科学控制，对促进厌氧发酵工程实践具有重要意义[5]。由于农作物秸秆富含有机质（80%～90%），充分利用秸秆制取沼气已成为国内外沼气发展的重要方向[7]，本试验选取常见的农业废弃物稻秸为主要原料，研究稻秆、接种物在不同质量比的条件下混合产沼气的特性，探索不同接种量对稻秆厌氧发酵产沼气的影响，为进一步研究厌氧发酵奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用稻秆取自哈尔滨市周边农场，粉碎至3～5 cm，加入水充分混合后待用；接种物为实验室沼气中试系统厌氧发酵后剩余的沼液。原料理化性质见表1。

1.2 试验装置

试验装置为自制的恒温厌氧发酵装置，由发酵罐、集气瓶和温控装置三部分组成，如图1所示。发酵罐的有效容积为100 mL，用橡胶塞密封，通过玻璃管和乳胶管连接，采用排水法收集气体，再用量筒收集排水并计算产气量；通过水浴加热，控制发酵温度。

1.3 试验方法

取预处理后的稻秆40 g，分别加入不同质量的沼液，充分混合后将原料置于100 mL的发酵瓶中，进行批次发酵，发酵时间为80 d，每天记录产气量，比较各组累积产气能力，温度控制在（35±1）℃范围内，各组试验原料处理方案见表2。

1.4 测定项目与方法

结果见表3。试验结束后，综合数据进行指标分析，计算出TS产气率、VS产气率[9]。

表1 厌氧发酵原料主要理化性质Table1 Physicochemical property of anaerobic fermentation raw materials

图1 试验装置示意Fig.1 Test device schemes

表2 厌氧发酵原料处理方案Table2 Management alternative of anaerobic fermentation raw materials

表3 测定项目和方法Table3 Determination of project and methods

2 结果与分析

2.1 接种量对日产气量和累积产气量的影响

本试验的产气量在前30 d变化较大，30 d后产气量基本稳定，所以只列出30 d产气情况，日产气量随发酵时间变化如图2所示。B组和C组日产气量的变化趋势相同，都是快速达到产气高峰，过后呈现缓慢下降趋势，但达到产气高峰的天数和数值有所不同。B组的产气高峰出现在发酵第4天，产气量259 mL，随后下降，C组产气高峰出现在发酵第3天，产气量310 mL，随后迅速下降，速率明显要快于B组，表明厌氧发酵过程中加大接种量有利于加快产气高峰出现，但接种量过多会影响整体产气效果。而A组试验开始就受到抑制，无法正常启动，在发酵的第7天便停止产气，分析其主要原因是：接种量偏低，产甲烷细菌接种数量偏少，对发酵产生有机酸等中间产物的利用率偏低，使有机酸等在料液中大量积累，料液酸化，会抑制产甲烷细菌群的生长[10]。A组在产气停止4 d后，酸化现象缓解，产甲烷反应活跃，恢复产气。研究表明，足量的接种物保证沼气发酵高效运行，一定范围内产气速率与产气量随接种量增大而增大[11]。

图2 不同接种量试验组日产气量的变化Fig.2 Daily biogas production yields of different inoculum concentration during anaerobic digestion

接种物浓度会影响厌氧微生物在发酵过程中分解有机物产生沼气数量，因而发酵过程中的总产气量不同[12]。由图3可知，累积产气量大小顺序为 C组（2 831 mL）＞B组（2 544 mL）＞A组（1 469 mL）。孙朝国等认为厌氧发酵主要分为快速产气和主要产气两个阶段[6]。A、B、C三组发酵前15 d的累积产气量占各组总产气量的25.43%、60.45%、66.94%，则B组、C组前15 d为快速产气阶段，A组则由于前期产气受到抑制，累积产气量较低；A、B、C三组发酵30 d的累计产气量占各组总产气量的79.49%、82.01%、84.85%，则前30 d为主要产气阶段；因此在35℃恒温环境中，物料经过30 d厌氧发酵，稻秆中能产生沼气大部分物质已分解消化，说明足量接种物能有效提高产气速率，增加产气量。但接种量从80 g增大到120 g，总产气量有所下降，因此接种量还需结合其他指标来综合考虑[6]。

由图3可知，前12 d C组的累积产气量高于B组，其主要是因为C组初始阶段发酵系统接种量较多，有利于降解稻秆微生物生长，使其在相同时间内可利用更多原料进行产气，但在随后发酵过程中，没有营养物质补充，使后期的产气量有所下降。

图3 不同接种量试验组累积产气量的变化Fig.3 Cumulative biogas production yields of different inoculum concentration during anaerobic digestion

2.2 接种量对原料产气效果的影响

微生物的数目和活性在一定程度上会影响单位原料的产气效果[13]。不同接种量试验组的TS、VS产气率见表4。A组TS和VS产气率分别为132.29、157.73 mL·g-1；B组TS和VS产气率分别为256.27、305.54 mL·g-1；C组TS和VS产气率分别为222.56、265.37 mL·g-1，其中B组的TS、VS产气量分别比A组、C组高93.71%和15.14%。

2.3 接种量对CH4含量的影响

稻秆发酵产生沼气中甲烷含量高低是衡量沼气质量重要指标，有资料表明，正常运行的厌氧发酵产生沼气中甲烷的体积组成一般在60%～70%[14]。不同接种量对稻秆产甲烷百分含量的影响见图4。

表4 不同接种量试验组的TS、VS产气量Table4 Biogas yields of TS,VS at different inoculum concentration

图4 不同接种量试验组的甲烷百分含量Fig.4 Methane concentrations of different inoculum concentration during anaerobic digestion

由图4可知，B、C两组甲烷的百分含量在前几天都迅速升高，并保持相对稳定状态，平均甲烷含量在60%以上，最高可达76%，维持30 d，随发酵天数增加，产甲烷菌和营养物质消耗，甲烷含量有所下降；A组则由于发酵初期未正常启动，产甲烷含量较低，但在恢复产气后和B、C两组的甲烷含量差异并不显著。由以上数据可以推测甲烷含量直接反映着厌氧发酵过程中整体的运行情况，产甲烷菌数量决定甲烷生产量。

2.4 接种量对稻秆厌氧发酵前后重量变化的影响

稻秆的失重率体现着在发酵过程中稻秆本身的降解程度，添加接种物的质量不同，稻秆的发酵程度不同，稻秆失重率有变化[15]。由表5可知，各组失重率存在着差异，其中B组失重率最高，分别比A组和B组高20.95%和10.02%。

2.5 接种量对稻秆厌氧发酵前后木质纤维素含量变化的影响

发酵原料稻秆中含有大量的纤维素、半纤维素、木质素，而这些物质的结构较复杂，不易被微生物降解，这些物质降解程度对于沼气发酵的效果有较大影响[16]。

由表6可知，厌氧发酵后各组稻秸的纤维素、半纤维素和木质素的含量均有不同程度下降，降解率与产气量成正相关，其中半纤维素含量变化较为明显，降解率分别为B组（48.86%）＞C组（44.46%）＞A组（39.46%）。

2.6 厌氧发酵前后稻秸表面形貌的变化

从稻秆表面形态观察来看，厌氧发酵后的三组秸秆软化程度区别不大，并不能直接反映稻秆的降解效果。采用S-3400N型扫描电子显微镜对稻秆厌氧发酵前后的微观结构进行观察，500倍电镜扫描结果对比见图5。

表5 不同接种量试验组稻秸的失重率Table5 Weightlessness rate of different inoculum concentration

表6 稻秸厌氧发酵前后的主要木质纤维含量变化Table6 Changes of the components of rice straw after different pretreatments

图5 厌氧发酵前后稻秆500倍电镜扫描结果对比Fig.5 500 times scanning electron microscope comparison diagram of rice straw before and after anaerobic fermentation

从原稻秆的表面形貌可见，原稻秆的表面较粗糙，孔隙少，结构致密，各试验组稻秸厌氧发酵后稻秸表面都出现锯齿蚀痕，由于纤维素被微生物消化所致，其中B组秸秆纤维结构破坏最为严重。

3 讨论

接种物的数量和质量对于厌氧消化中产甲烷阶段的运行效果和稳定性很重要。如果接种量偏少产甲烷菌数量相对较少，容易造成VFA积累，出现“酸中毒”，产甲烷的速度降低，从而使沼气发酵失败。若接种量较大，可以实现快速启动，在保证高处理效率的条件下，反应器的容积必然增大[17]。一般认为接种物添加量为发酵料液的10%～15%，即可实现正常启动，其运行较稳定[18]。对于稻秆接种量的多少不仅关系接种物的数量和质量，还影响发酵物料（C/N）比。因此本试验研究稻秆发酵的最佳接种量，观察接种量对厌氧消化的影响。结果表明，接种量与稻秆的比例在一定的范围内能够提高产气量，而按照此比例混合发酵原料C/N比也正好在厌氧发酵最佳C/N比的范围内，说明接种物起到调节C/N比的作用。

4 结论

a.添加接种物是稻秆沼气发酵高效运行的保证，较多的微生物有利于发酵原料分解，提高接种量可以显著提高产气速率。

b.在一定范围内产气速率与产气量随接种量增大而增大，但过多接种量会影响稻秆厌氧发酵产气效果，造成沼液浪费。

c.以稻秆为底物，以厌氧发酵后剩余的沼液为接种物，接种量为80 g时，稻秆的厌氧发酵产沼气的效果最佳，稻秆的TS产气率为256.27 mL·g-1，VS产气率为305.54 mL·g-1。

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