瘤胃菌剂在户用沼气池中的应用研究

李枞林, 徐晓晨， 靳文尧， 陈 涛， 杨凤林， 柴 丽， 张慧娟

(1.大连理工大学 环境学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连市农村能源工作促进中心， 辽宁 大连 116013)

瘤胃菌剂在户用沼气池中的应用研究

李枞林1, 徐晓晨1， 靳文尧1， 陈 涛2， 杨凤林1， 柴 丽2， 张慧娟2

(1.大连理工大学 环境学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连市农村能源工作促进中心， 辽宁 大连 116013)

针对北方农村地区户用沼气池产气效率低、原料短缺、保温效果差等问题，文章选取两座户用沼气池进行对比试验，以秸秆、鸡粪作为发酵底物，试验池接种瘤胃菌剂，考察低温条件下沼气池运行效果。结果表明，未接种瘤胃菌剂的对照池的日均产气量为0.42 m3·d-1，产生的沼气中甲烷含量为61.56%；接种瘤胃菌剂的试验池的日均产气量达到0.8 m3·d-1，产气中甲烷含量达到65.41%。接种瘤胃菌剂的沼气池发酵过程中还原糖与挥发性脂肪酸产量均有显著提高，并对温度变化的缓冲能力优于未接种瘤胃菌剂的沼气池。

户用沼气池； 瘤胃菌剂； 产气量

沼气是一种清洁能源[1]，自20世纪90年代起，我国开始大范围在农村地区推广沼气池，截至2009年底，我国农村户用沼气池数量达3500万余户[2]。农村户用沼气池的大规模与应用，不仅有效地解决了农村对能源需求的压力，而且极大地改善了农村环境[3]。

目前，农村地区普遍采用的小型简易沼气池发酵技术具有成本低，易于操作等优点。但我国北方地区冬季寒冷，持续时间长，小型简易沼气池保温性能差，无法常年运行。且随着规模化禽畜养殖业发展，庭院式养殖逐渐萎缩，在一定程度上造成了沼气池粪便原料短缺问题。传统沼气池对秸秆等纤维素类生物质降解性能较差，导致产气效率低、易节壳等问题。

针对户用沼气池产气效率低、原料短缺等问题，寻找适当的方法就变得很有意义。杨鹏可[4]等利用由微生物混合菌剂辅以酒糟浸出液和微量无机盐制取的偏低温沼气发酵促成剂，进行实验室模拟发酵实验，总产气量提升37.4%。王艳芹[5]等制取的耐低温和分解秸秆的复合菌剂，添加入池容为10 m3的沼气池，保持料液温度在10℃以上，日均产气量较对照池增产0.44 m3，沼气中CH4含量也得到了一定程度的提高。

随着近年大连市新农村建设“六化”工程的推进，笔者研究以两座8 m3水压式沼气池为基础，辅以简便的保温措施，采用实验室自主研发的秸秆等生物质废物高效快速降解技术，以秸秆和禽畜养殖粪污为发酵底物，在进料前对秸秆预先进行沼液氨化预处理，物料混合后接种微生物功能菌种—瘤胃菌剂，探索冬季低温条件下瘤胃菌剂在户用沼气池中的应用效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆：取自大连市金州新区某农场，自然风干后粉碎至1～2 cm；鸡粪：取自大连市金州新区某养殖场；接种瘤胃菌剂：取自大连理工大学IMFZ技术中试基地。试验地点为大连市金州新区某农场，试验材料参数如表1所示。

表1 试验材料的理化特征 (%)

1.2 试验装置

试验为两座8 m3有效容积的厌氧沼气池，配套有效容积3 m3的秸秆氨化槽、粉碎机、防腐湿式流量计(LMF-1型)、潜水式温度探头、沼气脱硫盒、沼气储气囊(2 m3)、沼气增压泵和沼气燃气灶等。

1.3 试验方法

试验系统分为秸秆预处理单元、厌氧发酵产沼气、沼气池产气输送管路及温控和综合系统四个部分，工艺流程图如图1所示。

图1 试验流程示意图

选取风干后的玉米秸秆，利用粉碎机粉碎至1～2 cm左右堆置于秸秆氨化预处理槽中，利用沼液进行氨化，氨化预处理参考Jin[6]等的研究方法，沼液取自大连理工大学IMFZ技术中试基地。每粉碎15 cm高的原料，均匀喷洒一层沼液，喷洒沼液后的秸秆用塑料薄膜密封直待处理完成。

图2所示，选用两座有效容积为8 m3户用沼气池，选用厚度为0.3 mm左右的塑料薄膜对沼气池进行加温、保温覆盖处理(有条件可覆盖草帘或棉被)，然后将预处理后的秸秆与鸡粪混合加入厌氧沼气池，密封后连接沼气输送软管至沼气脱硫盒，之后连接沼气流量计送入沼气储气囊，利用沼气增压泵加压沼气输送入沼气燃气灶使用。该工艺可以有效避免传统的沼气池以沼气池上方空间作为储气空间，出现由于压力过大沼气进料口崩开和沼气灶火力较弱等问题。

图2 沼气池与塑料暖棚

为了解决沼气池冬季保温问题，如图2所示在池体之上搭建温室暖棚[7]。两座池体分别标记为：试验池和对照池。对照池加入150 kg氨化秸秆、1000 kg新鲜鸡粪和水，试验池接种50 kg瘤胃菌剂，搅拌混合后进行厌氧发酵产沼气。沼气池盖顶密封采用硅酮密封胶、甘油、聚氨酯发泡剂三层密封，密封后盖顶水封检测池体是否漏气。

采用专用的沼气管路并监测气体产量，对比两座池体的产气效果。沼气池内同时接入潜水式温度探头，监测池体温度。

1.4 分析方法

1.4.1 试验材料分析方法

总固体含量(Total Solid，TS)采用烘干恒重法测定，在105℃条件下烘干至恒重；挥发性固体含量(Volatile Solid，VS)的测定通过将烘干后的样品置于马弗炉在550℃条件下灼烧4 h；总氮(Total Nitrogen，TN)利用凯氏定氮法进行测定。

1.4.2 沼气池及发酵料液分析方法

日产气量利用LMF-1型防腐湿式流量计进行测量记录；发酵液日平均温度利用温度探头读数进行记录；暖棚、室外日平均温度利用温度计读数进行记录；还原糖利用美国化学学会ACS二硝基水杨酸测定方法[8]；挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid，VFA)利用岛津GC-2010气相色谱仪进行检测分析，色谱柱采用石英毛细管柱(30 m×0.53 mm，0.50 μm)，游离脂肪酸分析柱，柱温为70℃。检测器采用氢火焰检测器(FID)，检测器温度为300℃。载气为氮气，流速为15 mL·min-1；CH4含量利用岛津GC-14C气相色谱仪进行检测分析，色谱柱采用中汇达GDX401不锈钢填充柱(2 m×3 mm)，柱温为40℃。采用热导检测器(TCD)，检测器温度为100℃。载气采用高纯氩气。

2 分析与讨论

2.1 产气量及温度

沼气池日产气量随时间的变化如图3所示，试验池的产气量明显高于对照池，试验池60 d累计产气48.09 m3，该池在第5天达到第一个产气高峰，当日产气2.02 m3，在第28天达到第二个产气高峰，当日产气1.25 m3。对照池60 d累计产气25.41 m3。该池在第6天达到第一个产气高峰，当日产气0.92 m3，在第32天达到第二个产气高峰，当日产气0.66 m3。在第38天后试验池产气量略低于对照池，原因分析认为试验池在前35 d干物质物料已降解大部分，试验池发酵底物远少于对照池，底物因素成为试验池发酵效果的限制性因素，导致试验池产气效率低于对照池。

图3 试验池和对照池日产气量变化

从图4中可以看出，暖棚内温度比室外温度高4℃～5℃，保温效果明显。试验池发酵料液温度始终高出对照池3℃～4℃，分析认为试验池厌氧料液微生物活性较好，产生的热量较高，应对了试验池产气量高的结果。当系统发酵至35 d，室外温度低于0 ℃，大棚夜间温度在-5 ℃左右，但此时试验沼气池温度在10 ℃以上，产气量为0.87 m3·d-1，而对照池温度在5 ℃左右，产气量为0.37 m3·d-1，试验池有一定的温度缓冲能力，在低温条件下依旧保持良好的产气效率。

图4 试验池、对照池、棚内、室外温度变化

2.2 还原糖及挥发性脂肪酸

厌氧发酵过程中，底物中的纤维素等难降解物质以及易降解的淀粉、多糖等物质在微生物的作用下，水解转化为小分子还原糖类。因此，还原糖产量以及变化趋势是分析厌氧发酵效果的最要参考指标。从图5中可以看出，试验池还原糖的产量明显高于对照池。原因经分析认为，秸秆中因其特有的木质纤维素结构而难以被降解利用，瘤胃微生物可以分泌高活性的纤维素酶对纤维素进行消化利用，试验池中纤维素等难降解物质在瘤胃微生物的作用下得到了高效降解[9, 10]，因此，试验池中还原糖产生量高于对照池，接种瘤胃功能菌剂的试验池厌氧发酵微生物有更好的活性。另外，还原糖在第5天左右达到峰值，试验池还原糖含量达到329.4 mg·L-1，对照池达到274.2 mg·L-1。随后还原糖随着被酸化菌的利用逐渐降低。

图5 试验池和对照池还原糖变化

图6 试验池和对照池总挥发性脂肪酸(TVFA)变化

图7 试验池和对照池乙酸变化

挥发性脂肪酸是反应厌氧发酵过程中酸化阶段的重要指标，在酸化阶段，酸化菌将水解阶段产生的还原糖等小分子有机物转化为挥发性脂肪酸。从图6，图7中可以看出，试验池的挥发性脂肪酸的含量高于对照池。另外，产酸阶段产生最多的是乙酸，属于乙酸型发酵。在沼气池发酵初期，乙酸的产量占总挥发性脂肪酸的80%～85%，随着厌氧发酵反应的进行，丙酸、丁酸及异丁酸产生的比例增加，乙酸的产量比例略有减少。

图8 试验池和对照池甲烷含量对比

2.3 沼气CH4含量

每个沼气池选取了3个监测时间点对沼气中CH4含量进行了测定：第9天，第18天，第36天。第9天，第18天，第36天试验池沼气中CH4含量分别为65.41%，57.67%，53.13%，对照池沼气中CH4含量分别为61.56%，55.31%，51.4%。从图8中可以看出，试验池产生的沼气中的甲烷含量明显高于对照池。接种的瘤胃菌剂有很强的水解能力，秸秆中难降解的木质纤维素在瘤胃微生物的作用下被高效利用，促进了整个厌氧发酵的代谢过程，产甲烷菌也获得了充足的底物，促进了甲烷的形成。另外，第9天，第18天，第36天沼气中甲烷含量依次降低，经分析认为随着厌氧发酵过程的进行，产生的挥发性脂肪酸中乙酸的比例略有下降，丙酸等其他挥发性脂肪酸的比例增加，丙酸向甲烷转化的速率是最慢的，丙酸的增加会限制系统产甲烷的效率[11, 12]。

3 结论

(1)接种瘤胃菌剂的试验池日均产气量为0.8 m3·d-1，对照池为0.42 m3·d-1，接种瘤胃菌剂的试验池总产气量比对照池提高了89.3%。试验池产生的沼气中CH4含量达到65.41%，优于对照池的61.56%。接种瘤胃菌剂的沼气池产气效率较传统沼气池得到了很大提高，沼气质量也优于传统沼气池，在低温条件下仍能保持较好的产气效率，缩短了运行周期。

(2)接种瘤胃菌剂的沼气池发酵液微生物活性较好，还原糖和挥发性脂肪酸生成效率较高，甲烷转化率高。试验池温度较对照池高3℃～4℃，池体对温度变化的缓冲能力也比传统沼气池要好，保证了沼气池在低温条件下的运行。

综上所述，通过瘤胃菌剂的使用和对沼气池工艺及设施的改进，可以有效改善低温条件下沼气池产气效率低等缺点。

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Application of Rumen Microbial Inoculum to Household Biogas Digester /

LI Cong-lin1, XU Xiao-chen1, JIN Wen-yao1, CHEN Tao2, YANG Feng-lin1, CHAI Li2, ZHANG Hui-juan2/

(1.School of Environment Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2.Dalian Rural Energy Work Promotion Center, Dalian 116013,China)

Targeted to solve problems including poor biogas production, raw material shortages, poor heat preservation of household biogas digester in the north rural areas of China, two household digester were selected for comparison experiment, one inoculated with rumen bacteria, and another as a control without rumen microbial inoculum. Straw and chicken manure were taken as the main fermentation substrates. The results showed that, the average daily biogas production rate of the control digester was 0.42 m3·d-1, and the methane content of biogas was 61.56%, while the rumen inoculated digester had a daily biogas production rate of 0.8 m3·d-1, and the methane content was 65.41%. The rumen inoculated digester also had higher buffer ability to the temperature fluctuation, and its production of reducing sugars and volatile fatty acids during the fermentation process were significantly improved.

household biogas digester; rumen microbial inoculum; biogas production rate

2016-03-04

项目来源： 大连市科学技术局科技惠民项目(2013E14SF122)

李枞林(1991-)，男，山东济宁人，在读硕士，主要从事有机固体废弃物污染控制及能源化利用的研究工作，E-mail：conglin5143@163.com

徐晓晨，E-mail：xxcep@dlut.edu.cn

S216.4

A

1000-1166(2017)02-0047-04