不同杂粮作物秸秆厌氧发酵产气特性研究

李家威， 赵一全， 王海鹏， 高亚梅， 晏 磊， 梅自力， 王伟东

(1.黑龙江八一农垦大学 生命科学技术学院，黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室， 黑龙江省秸秆资源化利用工程中心， 黑龙江 大庆 163319; 2.农业部沼气科学研究所， 四川 成都 610041)

中国粮食年产量平均为6亿吨[1]，随着农业生产的发展，农作物秸秆资源连年增长，2015年达到9亿吨，未被资源化利用的秸秆量约有1.8亿吨[2]，其中大部分秸秆被焚烧，加重了空气污染。如何资源化利用农作物秸秆成为目前社会关注的焦点，其中利用农作物秸秆厌氧发酵生产生物质能源沼气是研究热点之一。Li[3]等研究3种秸秆(玉米、水稻、小麦)和牛粪分别以不同比例进行发酵，发现当粪杆比为1∶1时，累积产气量最大。Candia[4]等采用批次试验研究了水稻秸秆厌氧发酵特性，发现当接种物与底物的比例为0.8时，沼气产量最大为410 L·kg-1VS。Wendy[5]等对水稻秸秆的厌氧发酵进行综述，发现其甲烷产量在92～280 L·kg-1VS之间。Mao[6]等通过玉米秸秆与猪粪发酵实验进行优化，发现当pH值为7.5、粪杆比为7∶3时，产甲烷量最大为220 mL·g-1VS。白娜[7]等研究了不同温度(15℃，25℃，35℃和45℃)下玉米秸秆、小麦和油菜的产气潜力，发现温度为35℃时，玉米秸秆的产气潜力为0.40～0.46 L·g-1TS。通过以上研究可知，人们主要对大田作物秸秆(玉米、水稻、小麦等)沼气发酵的产气特性进行了研究。我国杂粮作物主要包括谷子、糜子、高粱、绿豆、芸豆、小豆等，种植面积为1.1～1.3亿亩，占粮食播种总面积的5%～7%[8]。其中，谷子和绿豆年产量分别为196.6万吨和70.5万吨[9]，相应的秸秆产量分别为314.5万吨、112.8万吨[10]。秸秆生产生物质能源沼气是其资源化利用的有效途径，大田农作物秸秆沼气发酵研究和实践经验已经很成熟，但是相较而言，杂粮秸秆厌氧发酵生产沼气的研究却鲜有报道，杂粮秸秆资源的利用常被人们忽视，造成了农业废弃物资源的浪费。

综上所述，本试验选取黑龙江省的玉米、水稻、大豆、谷子、糜子和绿豆等6种秸秆作为沼气发酵原料，进行厌氧发酵批次试验，通过对各秸秆之间产气特性进行研究，探讨其不同组成成分对秸秆产气效果的影响，促进人们对杂粮类秸秆沼气厌氧发酵的了解，并对杂粮作物秸秆沼气厌氧发酵的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用玉米、水稻、大豆、谷子、糜子、绿豆等6种秸秆均取自黑龙江八一农垦大学农学实验基地，秸秆自然风干，粉碎后置于干燥通风处备用。反应启动的接种物取自本实验室以牛粪为原料长期稳定运行的厌氧发酵反应器。发酵原料的主要性质见表1。

表1 发酵原料的主要性质 (%)

1.2 发酵体系建立

如图1，试验装置采用1 L螺口瓶，瓶口处用硅胶塞密封，硅胶塞设有取样口和出气口，出气口与5 L集气袋相连，用于收集气体，总产气量和甲烷含量利用GA2000沼气分析仪(Geotech Biogas Check)测定。

反应采用批次试验，发酵体积700 mL，接种物500 mL，设定总TS为8%，每个处理3个重复，共18个发酵装置。在35℃±1℃恒温室内进行发酵，每24 h测定沼气产量和成分。

1.3 测定方法

1.3.1 总固体含量和挥发性固体含量测定

总固体含量(Total Solids，TS)和挥发性固体含量(Volatile solids, VS)：采用美国环保部Method-1684法进行测定，首先将发酵料液放入105℃的电热鼓风干燥箱(GZX-9240MBE)中烘至恒重，冷却称重，记录数据，然后将烘干后的样品放入500℃马弗炉(KSY-6-16A)中灼烧至恒重，冷却称重，记录数据。TS和VS的计算公式如下：

图1 发酵装置示意图

(1)

(2)

式中：m0为坩埚重量；m1为烘干前样品与坩埚总重；m2为烘干后样品与坩埚总重；m3为灼烧后残留物与坩埚总重。

1.3.2 pH值测定

利用笔试pH计B-712(HORIBA)进行测定。首先分别将各处理样本混合均匀，然后用移液器分别量取1 mL样品，按照操作规程测定pH值，每测一个样品，需更换移液器枪头，并用蒸馏水清洗pH计，滤纸擦干后待用，每组3次重复，取平均值。

1.3.3 总有机碳和总氮测定

总有机碳(TOC)和总氮(TN)利用multi N/C 2100 S总有机碳/总氮分析仪(analytik jena)测定。首先将各发酵料液放于105℃干燥箱中烘至恒重，再将烘干样粉碎至40目待用。TOC样品的处理：准确称取空白舟质量，再称取20±5 mg样品置于空白舟内，每组3次重复。TN样品处理：称取100 mg样品放于20 mL配置好的过硫酸钾溶液(20 g·L-1K2S2O8，3 g·L-1NaOH)中，混合消煮15 min后静置，取上清液于测试瓶中，每组3次重复。取处理后样品，分别根据碳氮分析仪的固体模块(TOC)和液体模块(TN)操作规程进行测定。

1.3.4 木质纤维素成分测定

利用FIWE3/6纤维素测定仪(北京盈盛恒泰科技有限责任公司)测定木质纤维素成分。首先将发酵料液烘干，样品粉碎至40目，称取1 g粉碎样品，精度为1 mg，放置于烘干至恒重的坩埚中，根据测定仪操作规程进行测定。可测定发酵料液中的酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤木质素(Acid detergent lignin，ADL)。其中，纤维素含量=ADF-ADL，半纤维素含量=NDF-ADF，ADL即为木质素含量。

1.4 数据分析

利用Origin 8.5和SPSS 22.0进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 日产气量和累积产气量变化

试验第1天，绿豆秸秆的日产气量最高为2003 mL，玉米秸秆的产气量最低为820 mL(见图2)。在发酵进行的第2天各处理均达到产气高峰，产气高峰值从大到小依次是：绿豆(2333 mL)、糜子(2083 mL)、谷子(1550 mL)、大豆(1383 mL)、玉米(1190 mL)和水稻(1073 mL)。第2天后，随着发酵的进行各秸秆产气开始下降，各处理日产气量均呈现为先上升后下降的趋势。到第9天后，产气变化较小，第11天基本停止产气，因此，试验结果统计到试验第11天。

6种秸秆累积产气量从大到小依次是：绿豆(7334 mL)、玉米(7103 mL)、糜子(6580 mL)、谷子(6390 mL)、水稻(5897 mL)和大豆(4707 mL)(见图3)。绿豆秸秆的产气高峰值最大，在发酵的前3天就可产生大部分沼气，产气效率最高。玉米秸秆前期产气速率较慢，反应3 d后，其日产气量相较其他秸秆下降的较为缓慢，最终累积产气量仅次于绿豆秸秆。糜子秸秆的产气高峰值仅次于绿豆秸秆，但累积产气量在第7天时被玉米秸秆超越，排在第三位。谷子秸秆日产气量在第2天达到最大，发酵3 d后产气量开始缓慢下降。水稻秸秆的日产气量虽然从第4天到发酵结束后，仅低于玉米秸秆，但因水稻秸秆前期的产气高峰最低，最后累积产气量仅高于大豆秸秆。大豆秸秆前期的产气效率较低，且在第3天后日产气量迅速下降，累积产气量为6种秸秆中最低。

图2 日产气量变化

图3 累积产气量变化

2.2 沼气成分含量变化

由图4～图9可知，甲烷含量的最高值从大到小依次是：绿豆秸秆在发酵进行的第3天，甲烷含量达到最高值为60.2%；糜子秸秆第4天达到53.5%；玉米秸秆第4天达到52.8%；谷子秸秆第3天达到50.0%；水稻秸秆第2天达到49.7%；大豆秸秆第3天达到48.4%。各秸秆发酵11 d甲烷含量平均值从大到小依次是：绿豆(47.1%)、玉米(45.9%)、糜子(45.4%)、谷子(44.7%)、水稻(43.8%)和大豆(41.9%)。所有秸秆的甲烷含量在第1天均较低，且变化趋势都为先升高，稳定后，再降低。随着反应的进行，CO2的含量逐渐减少，其他气体(Balance，BAL)成分逐渐升高，O2浓度在整个发酵过程的沼气成分中仅占1%～9%。

图4 玉米秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

图5 水稻秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

图6 大豆秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

图7 谷子秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

图8 糜子秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

图9 绿豆秸秆厌氧发酵沼气成分含量变化

2.3 日产甲烷量、累积产甲烷量变化

如图10所示，6种秸秆均在发酵第2天达到产甲烷高峰，其从大到小依次是：绿豆(1213 mL)、糜子(939 mL)、谷子(760 mL)、大豆(661 mL)、水稻(533 mL)和玉米(529 mL)。如图11所示，6种秸秆累积产甲烷量的变化，从大到小依次是：绿豆(3623 mL)、玉米(3289 mL)、糜子(2999 mL)、谷子(2877 mL)、水稻(2634 mL)和大豆(2035 mL)。日产甲烷和累积产甲烷的特性均与产沼气特性一致，且无论是沼气产量还是甲烷产量，绿豆秸秆均为最高。

图10 日产甲烷量变化

图11 累积产甲烷量变化

2.4 TS产气率、有效TS产甲烷率变化

图12为6种秸秆厌氧发酵的TS产气率，其中绿豆秸秆的TS产气率最高为131.0 mL·g-1，然后依次是玉米秸秆126.8 mL·g-1，糜子秸秆117.5 mL·g-1，谷子秸秆114.1 mL·g-1，水稻秸秆105.3 mL·g-1，大豆秸秆84.0 mL·g-1。

有效TS产甲烷率为各反应体系每消耗1 g的总固体含量所对应的产甲烷量。如图13所示，6种秸秆的有效TS产甲烷率中绿豆秸秆最高为483.7 mL·g-1，糜子秸秆次之，为470.7 mL·g-1，然后依次是玉米秸秆348.0 mL·g-1，谷子秸秆345.4 mL·g-1，水稻秸秆342.1 mL·g-1，大豆秸秆的最低为242.3 mL·g-1。

图12 6种秸秆的TS产气率

图13 6种秸秆的有效TS产甲烷率

2.5 总有机碳和总氮变化

图14和图15为6种秸秆发酵沼液消化前后总有机碳和总氮含量的变化。反应前后总有机碳减重率从大到小依次为：绿豆(43.25%)、玉米(32.60%)、糜子(26.33%)、谷子(25.71%)、水稻(24.82%)和大豆(22.22%)。总氮减重率的大小依次为：绿豆(21.77%)、玉米(18.09%)、糜子(17.39%)、谷子(15.38%)、水稻(14.47%)和大豆(13.11%)。绿豆秸秆沼液消化前后总有机碳和总氮的减重率均最大，分别减少了43.25%和21.77%，绿豆秸秆的累积产气量也为最高。通过SPSS软件相关性分析可知，秸秆的累积产气量与总氮减重率(p=0.017)显著相关，与总有机碳减重率(p>0.05)不相关。

2.6 木质纤维素降解率，C/N与累积产气量相关性分析

木质纤维素是秸秆材料中难以被降解的有机物，因此要提高秸秆类生物质的资源利用率，降解木质纤维素是其首要步骤。由表2可知，6种秸秆中绿豆秸秆的纤维素降解率最高为15.43%，大豆秸秆的最低为4.34%；绿豆秸秆的半纤维素降解率最高为9.86%，大豆秸秆的半纤维素降解率最低为3.25%。秸秆的累积产气量与纤维素降解率(p=0.015)和半纤维素降解率(p=0.024)显著相关，与木质素降解率(p>0.05)不相关。

图14 消化前后总有机碳含量变化

图15 消化前后总氮含量变化

表2 6种秸秆的木质纤维素降解率 (%)

注:数据为平均值±标准差。

对各秸秆发酵液的C/N进行测定，结果如表3，各发酵液C/N分别为玉米秸秆29.04，水稻秸秆36.58，大豆秸秆48.69，谷子秸秆35.90，糜子秸秆30.54，绿豆秸秆23.31。秸秆的累积产气量与发酵液的C/N(p=0.001)极显著相关。

表3 6种秸秆发酵液的C/N

注:数据为平均值±标准差。

3 讨论

目前对农作物秸秆厌氧发酵产沼气的研究主要集中在玉米、水稻等大田农作物秸秆上。杨立[11]等以玉米、水稻和棉花秸秆为发酵原料，进行厌氧发酵产沼气研究发现，各秸秆累积产气量为：棉花秸秆>玉米秸秆>水稻秸秆。赵玲[12]等研究牛粪与玉米、水稻、大豆秸秆混合厌氧发酵产气效果发现，牛粪与玉米秸秆产气效果最为理想，其次为水稻秸秆和大豆秸秆。以上结论均与本试验不同秸秆累积产气量玉米秸秆>水稻秸秆>大豆秸秆结论一致。而刘德江[13]等研究不同农作物秸秆干发酵产沼气对比试验发现，产气率以水稻秸秆最好，其次为玉米秸秆，小麦秸秆最差。这与本试验不同，可能是由于其在实验前先采用5%的NaOH溶液对各秸秆进行了预处理，且发酵的TS高达22%等因素有关。

农作物秸秆中木质纤维素含量丰富，作为厌氧发酵原料时，其中纤维素的分解是全过程速率的限制因素[14]。本试验中绿豆秸秆的纤维素降解率最高，且累积产气量最高；大豆秸秆的纤维素降解率最低，相应的累积产气量最低。向松明[15]等通过对大豆秸秆等多种纤维材料进行分析得到，大豆纤维素含量高达47.87%，与木材(红松、桦木)的纤维含量相似，并且大豆秸秆中含有较多酚型的对羟苯基结构单元，微生物很难利用其结构，这也可能是导致大豆产气量较低的原因之一。

本试验中，杂粮作物秸秆(谷子、糜子、绿豆)的产气潜力普遍高于大田作物秸秆(玉米、水稻、大豆)。但要明确杂粮作物秸秆沼气发酵的具体特性，还需对厌氧发酵过程中接种物和底物比例、水力停留时间、挥发性脂肪酸、微生物群落多样性等[20-21]做进一步研究。

4 结论

(1)在本试验条件下，6种秸秆的累积产气量、累积产甲烷量和TS产气率从大到小均依次为：绿豆秸秆>玉米秸秆>糜子秸秆>谷子秸秆>水稻秸秆>大豆秸秆。

(2)6种农作物秸秆的累积产气量与总氮减重率，纤维素和半纤维素降解率，C/N显著相关。总氮减重率越大，纤维素和半纤维素降解率越高，C/N越接近23，产气效果越好。