腐熟剂预处理对水稻秸秆厌氧发酵的影响研究

管蓓 王亮

摘 要：农作物秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，通常需要预处理后再对其进行厌氧发酵。试验采用腐熟剂对水稻秸秆进行生物预处理，研究了不同预处理时间和腐熟剂的添加量对厌氧发酵效果的影响，分析了发酵过程中产气量、pH和沼气中甲烷含量的变化。结果表明：腐熟剂预处理时间2d、腐熟剂投加量为秸秆用量的0.2%时，发酵前期物料pH下降显著、产气量高。预处理时间过长或腐熟剂添加量过多，会导致易降解有机物的大量消耗，不利于产气量的增加和发酵后期甲烷含量的稳定。

关键词：秸秆；沼气；生物预处理；秸秆腐熟剂

中图分类号 S216.4 文献标识码 A 文章编号 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

我國是一个农业大国，每年农作物秸秆产量超过8亿t[1]，但是由于缺乏有效的利用途径，收储、运输又存在一系列问题，农民往往一烧了之，造成了环境污染和安全隐患。近年来，秸秆作为一种重要的生物质能源，利用秸秆发酵生产沼气已成为学者研究的热点。但由于秸秆中含有较多的纤维素、半纤维素及木质素，且C/N比较高，达到75∶1[2]甚至更高，远远高于发酵最佳碳氮比（25～30）∶1，导致沼气发酵启动慢、产气率低等问题。针对上述问题，研究较多的是对秸秆进行物理、化学或生物预处理[3-9]，其中以化学预处理效果最好[10]，但在应用过程中考虑到经济性和可操作性，以条件较为温和的生物预处理方式居多[11-13]。

腐熟剂是一种通过添加到作物秸秆等有机废弃物中，以达到加速和促进有机物料腐化效果的微生物发酵剂[14]，它能通过所含微生物组群多方面的作用来分解秸秆中的半纤维素、纤维素和木质素[15]，价格低廉且容易获得。本研究以秸秆腐熟剂作为生物预处理菌剂，研究不同的腐熟剂添加量和预处理时间对水稻秸秆厌氧发酵的影响，为秸秆沼气的实际应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 水稻秸秆采自南京高淳区东坝镇和睦涧村农田，经晒干后采粉碎至粒径小于2mm，基本理化性状见表1。秸秆腐熟剂为南京宁粮生物工程有限公司产品，所含菌种主要为：娄彻氏链霉菌、米曲霉、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥0.5亿/g，纤维素酶活≥30U/g，蛋白酶活≥15U/g。尿素N≥46.3%，江苏灵谷化工有限公司生产。沼液取自江宁淳化街道新兴社区秸秆沼气站。接种污泥取自南京江心洲污水处理厂厌氧消化池，含水率为96.5%。表1 供试秸秆基本性状（%）

图1 秸秆厌氧发酵装置

注：1、发酵瓶，2、集气瓶，3、集水瓶，4、pH取样针，5、抽气针，6、导气管，7、导水管，8、水浴锅。

1.3 试验方法

1.3.1 试验流程 首先将秸秆粉碎至2mm以下，取50g粉碎后的秸秆用150mL沼液进行润湿，加入秸秆腐熟剂，混合均匀进行预处理。经过一定时间后，加入150mL接种污泥和450mL沼液，其总质量约为800g，同时以不添加腐熟剂且不进行预处理的样品作为空白对照，按照上述试验装置进行厌氧发酵30d，每个处理3个重复，试验期间测定产气量、pH值和甲烷含量。产气量的测定采用排水法，每日进行测量；pH的检测采用pH测定仪，每日进行测量；甲烷含量采用美国Agilent 7890A气相色谱仪测定，隔日进行抽气、测定。试验分别考察不同预处理时间和腐熟剂添加量对水稻秸秆厌氧发酵效果的影响。

1.3.2 预处理时间影响试验 设5个试验处理，预处理时间分别为0、2、4、6、8d，预处理过程中腐熟剂的添加量为0.25g，其余试验条件同1.3.1，进行30d发酵产气试验，测定产气量、pH和甲烷含量。

1.3.3 腐熟剂添加量影响试验 设4个试验处理，分别标记为TK1、TK2、TK3、TK4，预处理过程中腐熟剂的添加量分别为0、0.1、0.25、0.5g，分别占发酵秸秆量的0、0.2%、0.5%和1%，预处理时间为4d，其余试验条件同1.3.1，测定发酵过程中的产气量、pH和甲烷含量。

2 结果与讨论

2.1 预处理时间对发酵效果的影响

2.1.1 预处理时间对产气量的影响 经30d的厌氧发酵后，预处理时间分别为0、2、4、6、8d的各处理产气量分别185.2mL/g、193.1mL/g、170.6mL/g、162.3mL/g和156.0mL/g，分别比空白提高了25.1%、30.4%、15.2%、9.6%和5.3%。发酵过程中日产气量的变化见图2。从图2可以看出，各处理的日产气量都随时间变化具有一定的波动性，发酵22d后各处理的产气量都有明显降低，说明大部分易被分解的有机物已被微生物利用。预处理时间为2d时总产气量最高，此后随着预处理时间的延长，总产气量有明显地下降。此外，预处理时间越长，发酵启动越慢且日产气量峰值越低、峰值出现的也越迟。这主要是由于在预处理初期，微生物将一些相对较易分解的大分子有机物质转化成小分子易降解的物质，而后随着时间的延长，微生物将这些小分子物质逐渐降解利用，使得发酵过程中可被快速分解利用的有机物减少，从而降低了产气量，因此预处理的时间不宜过长。从本试验的结果来看，预处理的时间为2d较为适宜。

图2 不同预处理时间的日产气量

2.1.2 预处理时间对发酵过程中物料pH的影响 经不同时间预处理后，各处理发酵过程中物料的pH变化见图3。在发酵前期，由于水解产酸过程比较强烈，物料pH的波动较大，至中后期物料的pH逐于稳定。从各处理的结果来看，预处理2d的处理物料pH下降最为明显，最低降至6.3，而后又得到了较快的恢复，产气量也最大。说明该预处理时间内，有机物既得到了较好的分解，又没有被过度消耗，从而使得发酵过程中有機酸产生和积累量比较多。

图3 不同预处理时间下物料pH的变化

2.1.3 预处理时间对沼气中甲烷含量的影响 经不同时间预处理后，各处理产生的沼气中甲烷含量的变化情况见图4。由图4可知，各处理在发酵初期沼气中甲烷含量随反应时间的加长呈快速上升的趋势，均在第8天时达到50%以上，在发酵中期维持一个较高的水平，发酵后期有所回落。总体来看，预处理时间对甲烷含量及其稳定性的影响并不显著，但在发酵中期甲烷含量较高的处理中，发酵后期甲烷含量下降较快。相反，发酵中期甲烷含量相对较低的处理中，发酵后期沼气中的甲烷含量却比较稳定。

图4 不同预处理时间下沼气中甲烷含量

2.2 腐熟剂添加量对厌氧发酵效果的影响

2.2.1 腐熟剂添加量对厌氧发酵中产气量的影响 TK1、TK2、TK3和TK4处理经过30d的厌氧发酵后，产气量分别为152.5mL/g、175.9mL/g、170.6mL/g和165.7mL/g，分别比空白的148.1mL/g提高了3.0%、18.8%、15.2%和11.9%。发酵过程中日产气量的变化见图5。由试验结果可以看出，并非腐熟剂添加量越多发酵效果越好。在本试验条件下，腐熟剂的最佳添加量为秸秆用量的0.2%。这主要是由于随着秸秆腐熟剂用量的增加，微生物数量增多，使得预处理过程中一些易降解的有机物被消耗过多，从而减少了产气量。TK2在发酵的前期有一个较为明显的产气高峰，说明预处理过程中积累了较多易被微生物降解的有机物，TK1中没有添加腐熟剂，仅利用沼液中的微生物对其进行了预处理，产气量明显低于添加腐熟剂的各处理，略高于空白。

图5 不同腐熟剂添加量下日产气量

2.2.2 腐熟剂添加量对厌氧发酵中物料pH的影响 不同腐熟剂添加量处理发酵过程中物料pH的变化见图6。由图6可知，各处理物料的pH在前7d内都呈现下降趋势，其中，以TK2下降尤为明显，最低降至6.4，说明该处理下有机酸的生成和积累较多，对应地该处理的产气量也最高；随后各处理中物料的pH自动逐步回升，11d后各处理的pH基本都在6.9～7.2范围内波动。

图6 不同腐熟剂添加量下物料pH的变化

2.2.3 腐熟剂添加量对沼气中甲烷含量的影响 在30d的厌氧发酵过程中，不同腐熟剂投加量的各处理所产沼气中的甲烷含量变化情况见图7。由图7可知，TK1、TK2在第10天甲烷含量达到50%以上，并基本维持至试验结束，尤其是TK2在发酵的中后期甲烷含量仍较高；TK3、TK4在第8天时甲烷含量达到50%以上，但在发酵的后期甲烷含量降低至50%以下，其中TK4的波动尤为明显。可见，增加腐熟剂的投加量，可使发酵前期甲烷含量快速升高，但不利于发酵后期维持甲烷含量的稳定。

图7 不同腐熟剂添加量下沼气中甲烷的含量

3 结论

由本次试验可知，采用腐熟剂对水稻秸秆进行生物预处理，可以提高厌氧发酵的产气量，但需控制好预处理时间和腐熟剂的添加量。预处理时间过长或腐熟剂添加量过多，会导致预处理过程中过多消耗原料中的养分，既不利于产气量增加，也不利于维持发酵后期沼气中甲烷含量的稳定。此外，相比于腐熟剂添加量来讲，预处理时间对厌氧发酵过程中的产气量影响更为显著。在本试验条件下，预处理时间为2d、腐熟剂添加量为秸秆用量的0.2%时发酵效果最佳。

参考文献

[1]毕于运，王亚静，高春雨.中国主要秸秆资源数量及其区域分布[J].农机化研究，2010（3）：1-7.

[2]高白茹，常志州，叶小梅，等.堆肥预处理对稻秸厌氧发酵产气量的影响[J].农业工程学报，2010（5）：251-255.

[3]孙辰，刘荣厚.稻秆NaOH预处理及厌氧发酵产沼气的试验研究[J].农机化研究，2010，32（4）：127-129.

[4]王许涛，张百良，宋安东，等.蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用[J].农业工程学报，2008，24（8）：189-192.

[5]冯磊，陈岩，李润东.超声波预处理对秸秆发酵的影响[J].可再生能源，2013，31（1）：66-70.

[6]刘苹，张珠，钟响，等.酸法水解秸秆条件的优化[J].湖北农业科学，2012，51（23）：5436-5438.

[7]焦翔翔，靳红燕，王明明.我国秸秆沼气预处理技术的研究及应用进展[J].中国沼气，2011，29（1）：29-33.

[8]黄如一，何万宁，唐和建，等.秸秆预处理产沼气对比试验[J].中国沼气，2008（4）：24-25.

[9]徐泽敏，赵国明，牟莉.秸秆沼气预处理技术的研究与探讨[J].农机化研究，2013，9（9）：227-230.

[10]唐锘.秸秆预处理方法的筛选[J].化工时刊，2008（7）：22-26.

[11]张建波，李娟，吴佳海，等.动物粪便、尿素和秸秆腐熟剂对稻草秸秆腐熟进程的影响[J].贵州农业科学，2012，40（10）：93-95.

[12]方文杰，刘广青，康佳丽，等.堆沤处理对稻草厌氧消化产气的影响[J].生态与农村环境学报，2007，23（4）：63-66.

[13]石卫国.生物复合菌剂处理秸秆产沼气研究[J].农业工程学报，2006（S1）：93-95.

[14]赵明文，史玉英，李玉祥，等.纤维分解菌群对水稻秸秆田问腐熟效果的研究[J].江苏农业科学，2000（1）：51-53.

[15]潘国庆.酵素菌技术的原理特点及应用效果[J].江苏农业化学，1999（6）：52-54. （责编：张宏民）