生物质原料配比及外源物添加对牛粪产沼气效果的影响

陈亚宇，黄凤球，孙继民，孙玉桃，王树斌

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙410128；3. 长沙县黄兴镇农业综合服务中心，湖南 长沙 410133）

沼气发酵体系在我国复合农业生态系统中有广泛的应用，是物质循环和能量转化枢纽[1]。以有机废弃物为原料，经厌氧发酵产生沼气，发酵后的残渣致病微生物和害虫大量减少，可作为安全的饲料和肥料，为种植业、养殖业及其他农副产业带来显著的经济效益[1-3]，是农业生物质资源的有效利用方法。“种植-养殖-废弃物资源化-再循环或再利用”的循环丰产体系，是“十二五”国家科技支撑计划循环农业科技工程领域课题“中南稻区复合生物循环技术集成与示范”的核心内容。课题组在长沙县金井镇脱甲村建立了循环农业核心示范区（核心试验区面积20 hm2、核心示范区面积73.3 hm2），区内种植系统、养殖系统、废弃物无害化处理系统和环境保育系统已形成良性循环，生物质资源沼气化是其中内容之一。试验以高效利用循环农业示范园区生物质资源为目的，以牛粪、稻草和谷壳为发酵原料，研究不同生物质原料配比的产气效果和外源物添加的产气效果，旨在掌握不同生物质原料配比和外源物质作用下的产气速率和产气量，为牛粪高效产沼气寻求科学的方法。

1 材料与方法

1.1 发酵原料

发酵原料为新鲜牛粪、干稻草和干谷壳，取自长沙县金井镇脱甲村循环农业核心示范区。其基本理化性状见表1，检测方法按照《土壤农化分析（第三版）》中的相关方法进行[4]。

表1 发酵原料的基本理化性状

1.2 接种物

接种物为正常产气厌氧发酵沼气池中的沼液，取自示范区农户沼气发酵池。

1.3 试验装置及器材

试验采用笔者所在实验室自行设置的厌氧沼气发酵装置（图1），由发酵装置、排水装置和集气装置3个部分组成，采用排水集气法收集发酵产生的沼气。每套装置由发酵瓶（2 500 mL 的带塞广口玻璃瓶）、集气瓶（装氢氧化钠的2 500 mL 带塞广口玻璃瓶）和贮水瓶组成（试验装置见图1）。产气时将阀打开，使整个装置保持畅通；待排水瓶中的水接近瓶底时，关闭阀门，取下活塞注入自来水，然后塞紧活塞打开阀门，使装置继续产气。

图1 沼气厌氧发酵试验装置

1.4 试验方法

处理1，100%牛粪：牛粪700 g，水1 069 mL，沼液200 mL；处理2，70%牛粪+30%稻草：牛粪490 g，稻草46.6 g，水1 232 mL，沼液200 mL；处理3，70%牛粪+30%谷壳：牛粪490 g，谷壳45.5 g，水1 234 mL，沼液200 mL；处理4，100%牛粪+A（氯化钠3‰+牛肉膏1‰+蛋白胨1.5‰）：牛粪700 g，水1 069mL，沼液200 mL，蛋白胨，牛肉膏；处理5，100%牛粪+B（氯化钠3‰+0.2 g/L 硫酸亚铁）：牛粪700 g，水1 069 mL，沼液200 mL，硫酸亚铁；处理6，100%牛粪+C（氯化钠3‰+0.2 g/L 硫酸钾）：牛粪700 g，水1 069 mL，沼液200 mL，硫酸钾。

所有处理以干物质重量相等为准（各处理干物质重量为131.04 g），生物质有机料均以烘干重计算；以生物质干重∶水=1∶12.5 的比例一次性投料，搅拌均匀，调节pH 值为7 左右；接种量以8%的比例加入。每个处理重复3 次。装料容积为80%。

1.5 测定项目

（1）试验前，测定各种生物质的水分含量、全氮、全磷、全钾、总碳等养分含量。（2）产气量的测定：以排水集气法收集气体，每天09:00 定时用量筒测量水的体积。（3）干物质产气率为发酵原料的总产气量与干物质重量的比值（mL/g）。

2 结果与分析

2.1 不同处理厌氧发酵的累积产气量

试验从2013年7月8日开始，常温下发酵，平均温度为33～37℃，在集气瓶中加入2.0 g 氢氧化钠，吸收沼气发酵最初产生的二氧化碳[5]，静置2 d 开始计数，至8月22日日产气量小于50 mL/d 结束试验，历时44 d。试验期间，每天上午9∶00 准时记录产气量，产气量以排出的水的体积计算。结果表明（图2），各处理厌氧发酵的最高累积产气量与平均累积产气量变化趋势一致，处理4 的累积产气量平均值最高，达17 648 mL，其次是处理2，处理3 的产气量最低；最高累积产气量也以处理4 最高，达18 255 mL，处理3 最低。

图2 各处理厌氧发酵累积产气量的比较

由图2 可以看出，各处理厌氧发酵的最高累积产气量与平均累积产气量有一些差别，原因可能在于不同平行间微生物的种类和数量并不尽相同，同时也与反应原料的混合程度及粉碎程度有关[6-7]。从各处理最高累积产气量来看，处理4 的累积产气量比其他处理高出16.92%～65.77%，说明外源物质的加入有利于增强微生物的活性，促进有机物分解，从而释放出大量甲烷，处理5 和处理6 添加了外源物但是产气量并不很高，说明在外源物的选择上应以能为微生物补充碳、氮等营养的物质为主，这与前人的研究结果一致[8]。

2.2 不同处理沼气产生的动态分析

由图3 可以看出，处理4 的日产气量一直维持在较高的水平，在第4 天达到产气峰值后便出现短暂的回落，从第6 天开始逐渐增加并在第11 天出现第二个产气峰值，之后急剧下降至第14 天，随后逐渐回落至产气基本结束。处理4 由于加入了氯化钠（为微生物提供无机盐）、蛋白胨（提供氮源和维生素）和牛肉膏（提供碳源、磷酸盐和维生素），为产甲烷菌提供了充足的营养物质，同时调节了C/N 比，使系统处于一个适合微生物发酵的环境，因此产气量相对较大[8]。

处理2 和处理3 的日产气量在第1 天达到产气峰值后出现明显的回落，至第5 天左右又开始逐渐增加并在第8 天出现第二个产气高峰，该趋势一直维持到第13天，之后产气量迅速下降，最后逐渐回落至第44 天产气基本结束。处理2 为水稻秸秆和牛粪的混合物发酵，这个处理之所以会出现2个产气高峰，原因在于发酵初期，被分解的主要为接种物中的有机物，它们被菌群迅速利用而不断减少，这时秸秆中的纤维素基本没有被降解，故产气量略有下降[9]。随着反应的进行，系统的酸碱环境有了变化，秸秆中的纤维素和其他难以被降解的物质不断被降解，有利于产甲烷菌的利用，因此产气量增加，出现第二个产气高峰[10]。水稻秸秆和牛粪的混合物能够提供更丰富的菌群，使秸秆和牛粪的利用程度更高，产气效果更好。处理3 水稻谷壳与牛粪组合的产气量最少，原因首先在于料液中牛粪量只有70%，有效营养物质供应不够，不利于微生物的大量繁殖；其次在于谷壳中的纤维素难以降解，故产气量也相对较少[10]。

图3 不同处理沼气产生的动态变化

从图3 中可以看出，处理1 和处理5 的日产气量接近，产气高峰出现在第10 天左右，最低值均出现在第13天，日产气量波动不大，前14 天稍有波动，14 天后产气量维持在400 mL/d 之内，慢慢回落。处理6 的日产气动态变化波动不大，只在第13 天有一个明显的峰值，第14天后产气量略有增加，然后又逐渐回落。处理1、处理5和处理6 的产气动态变化差不多，但是处理6 的产气量要大，可能原因在于处理6 添加了硫酸钾，而K+能提高代谢中对应酶的活性，从而提高沼气的产量[8]。处理1 和处理5 的产气量和产气动态变化基本一致，说明添加硫酸亚铁没有很明显地增加沼气产气量，研究表明在发酵系统中加入适量的微量元素有利于提高沼气产量[8,10]，本试验并没有得出相应的结论，可能在于甲烷产气菌对微量元素的利用形态有要求，也有可能是在夏季高温环境下，甲烷产气菌的活性已经得到了较好的发挥。

由图3 可以看出，在第A 天（约第14 天）之前各个处理的产气动态各不相同，起伏变化也比较明显，第14天之后都趋于稳定，并逐渐回落，趋势比较一致。说明大多数微生物有一定的生命周期，即使在外部营养丰富的情况下也会因为自身的原因降低活性[9-10]。图中标注44的箭头表示的是第39 天至第44 天的累积产量，产气量小于50 mL/d，故不纳入分析中。

2.3 不同处理最佳产气量的出现时间和产气率

据有关调查数据显示[11]，一个5～6 口之家一日三餐做饭大概需要1 m3沼气，加上照明及其他用途，每天大约消耗2 m3沼气。一般地，一个8 m3大小的沼气池为了满足每天产2 m3沼气的要求，按照本试验处理的原料配比来计算，则要求试验处理日产气量至少625 mL。因此以625 mL/d 的产气量作为最佳产气量，计算出试验的最佳产气量出现时期及持续时间。

各处理最佳产气量出现及维持的时间不一样。日产气量超过1 000 mL 的只有处理4，处理2 和处理4 出现产气高峰的时间较早，且维持时间较长，分别维持5 和11 d；处理1、处理3 和处理5 高峰产气时间不明显；而处理6 的产气高峰则出现在第11 天之后，仅维持1 d（表2）。

表2 最佳产气量维持时间及日均产气量和干物质产气率

统计结果表明，处理4 的日均产气量和干物质产气率最高，分别达414.89 mL/d 和139.31 mL/g。

3 小结与讨论

研究表明，在发酵原料料液比一致、温度相同的情况下适当地加入外源物质，可以显著提高沼气产气量，其中以补充微生物厌氧发酵所需的营养物质蛋白胨和牛肉膏的处理效果最好，累积产气量比其他处理高出16.92%～65.77%，产气高峰出现的时间较早且维持的时间较长。在减少牛粪用量30%，添加水稻秸秆，固液比1∶12.5 的情况下，混合发酵原料的利用率明显比单一发酵物的利用率高。相比单一的牛粪处理，混合生物质能够提供更丰富的菌群，各菌种协同作用，使发酵原料的降解程度更大，这与前人的研究结果一致[7,9]。综合以上结果，建议在牛粪作为沼气发酵原料的区域，推荐采用固液比例1∶12.5，100%牛粪适当添加蛋白胨、牛肉膏等营养物质或者70%牛粪+30%水稻秸秆发酵，不仅产气高峰出现的时间较早，产气量较大，而且方法可操作性强，既能增加沼气池的产气量，也能提高原料的利用率，一举多得。

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