水稻秸秆-猪粪混合发酵研究

黄强　龚贵金　黄艺瑶　黄振侠

摘要  [目的]对水稻秸秆与猪粪进行混合发酵研究。[方法]在不对秸秆进行预处理的情况下，在35  ℃恒温下进行发酵，研究稻秆-猪粪VS比、底物-接种物VS 配比（S/I）和VS 浓度对混合厌氧发酵产气量的影响。[结果]当稻秆-猪粪VS 配比为1∶4、底物-接种物VS 配比（S/I）为2∶1、VS 浓度为6%，产沼气量及甲烷产量均达到最大，产气效率高，其累积产气量为548.90  mL/g。[结论]在水稻秸秆不进行预处理的情况下，水稻秸秆-猪粪进行中温发酵工艺最佳发酵条件为VS比1∶4、S/I2∶1、VS 浓度6%。

关键词  水稻秸秆;混合发酵;猪粪

中图分类号  S216.4    文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2019）24-0202-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.061

Study on Mixed Fermentation of Rice Straw and Pig Manure

HUANG Qiang，GONG Gui-jin，HUANG Yi-yao et al  （Jiangxi Zhenghe Ecological Agriculture Co.， Ltd，Xinyu，Jiangxi 338000）

Abstract  [Objective]To study the mixed fermentation of rice straw and pig manure. [Method]The effects of VS ratio of rice straw to pig manure， VS ratio of substrate to inoculum （S/I） and VS concentration on the gas production of mixed anaerobic fermentation at constant temperature of 35 ℃ without pre-treatment on rice straw were studied. [Result]When VS ratio of rice straw to pig manure was 1∶4， VS ratio of substrate to inoculant （S/I） was 2∶1 and VS concentration was 6%，the biogas production and methane production reached the maximum， and the gas production efficiency was higher. Its cumulative gas production was 548.90 mL/g. [Conclusion]Without pre-treatment on rice straw， the optimum fermentation conditions for medium temperature fermentation of rice straw and pig manure were as follows：  VS ratio of 1∶4， S/I of 2∶1 and VS concentration of 6%.

Key words  Rice straw;Mixed fermentation;Pig manure

基金项目  江西省重大研发专项（20182ABC28006）。

作者简介  黄强（1985—），男，江西南昌人，环保工程师，从事厌氧发酵工程研究。

收稿日期  2019-06-18

随着对环境改善和能源替代需求的不断增加，厌氧发酵生产沼气对有机废物的处理越来越有吸引力，并在我国迅速发展起来[1]。据统计，我国每年产生8 亿t秸秆和38 亿t畜禽粪便。由于我国实行环境友好型发展政策，大多数沼气站采用单一的原料，特别是动物粪便来进行单一发酵。在厌氧发酵过程中，畜禽粪便中含有大量的氨氮，当达到一定数量会导致氨的抑制[2]。水稻秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[3]，其结构复杂，交联结构不能高效降解[4-6]。秸秆与猪粪进行混合发酵被认为是一种更有效的方法，不仅降低了单一原料发酵的碳氮比不平衡问题，而且提高了系统的缓冲能力，有利于发酵反应的高效进行[7-8]。

1  材料与方法

1.1  试验材料  稻秆和猪粪采自江西正合生态农业有限公司罗坊沼气站，收集的稻秆经清水洗净、自然风干后，用粉碎机粉碎成1～3 cm长的小段，置于烘箱55 ℃下烘干;猪粪采自罗坊沼气站匀浆池;接种物采自沼气站1#厌氧发酵罐的底泥。其各自理化性质如表1所示。

1.2  检测方法  挥发性固体（VS）含量的测定采用烘干法;日产沼气量的测定采用排水集气法;甲烷含量使用甲烷综合检测仪进行测定。

1.3  试验装置  厌氧发酵的试验装置由3个部分组成：①用1 000 mL 的玻璃瓶作为发酵反应器（置于电子恒温水浴锅中）;②用1 L 的廣口瓶作为集气装置，其中加入水，并用橡胶塞将瓶口密封;③用1 L 的烧杯作为集水装置，以测量产气量。3个部分用橡皮管与各个部分的玻璃管连接，形成集气装置，使水浴锅温度在恒温35 ℃下进行发酵，在发酵过程中每隔几天轻轻摇动发酵装置，防止沉淀和发酵秸秆的上浮。采用排水集气的方法收集发酵产生的生物气。

2  结果与分析

2.1  不同S/I（底物比接种物）处理对混合厌氧发酵产气量的影响

将稻秆和猪粪按照VS 比1∶1 进行添加，S/I 分别设定为1∶2.5、1∶2、1∶1、2∶1 和2.5∶1，并根据原料和接种物的含水率调节发酵料液VS 浓度至5%，然后置于中温条件下进行厌氧发酵。

由图1可知，当S/I 为1∶2.5时在第10天达到峰值（38.5 mL/g）;当S/I 为1∶2时在第9天达到峰值（41.35 mL/g）;当S/I 为1∶1时，在第6天达到峰值（33.69 mL/g）;当S/I 为2∶1时在第4天达到峰值（48.50 mL/g）;当S/I 为2.5∶1时在第3天达到峰值（40.00 mL/g），不同S/I 比的日产沼气量均在产气高峰后逐渐降低。当底物比接种物为2∶1时，厌氧微生物能够较快适应厌氧系统环境，微生物代谢活跃并大量繁殖，酶活力上升，有机酸的形成速度与甲烷的形成速度相平衡，从而在较快的时间内达到产气高峰期[9]。

由图2可知，S/I 为2∶1 处理的累积产气量明显高于其他处理，VS降解率为46.73%，且其他4 组配比下累积产气量的变化趋势相似。S/I为2∶1处理的产气高峰期在前30 d，此后缓慢增加;其他处理的产气高峰期在前20 d左右，此后缓慢增加，说明当物料浓度固定时，若接种物浓度增大，微生物的生长繁殖速度将减缓。随着时间的累积，厌氧系统中产甲烷菌的量也随之增加，产甲烷菌相互竞争造成相互抑制，从而导致产气量下降。

2.2  VS 浓度对混合厌氧发酵产气量的影响

将稻秆和猪粪按照VS 比为1∶1、S/I 为2∶1，分别添加稻秆、猪粪和接种物，并根据原料和接种物的含水率来调节发酵料液VS 浓度，将VS 浓度分别设置为2%、4%、5%、6%、8%，然后置于中温条件下进行连续厌氧发酵。

由图3可知，VS 浓度越低，越容易达到产气高峰期，随着VS浓度的提高，体系内的发酵反应逐渐放缓，VS 浓度6%处理的日产沼气量在第4天达到最高值（73.00 mL/g），并在第23 和25天再次达到峰值，分别为57.4和54.5 mL/g，这是由于猪粪更容易发酵，在前期以猪粪发酵为主，后期稻杆的快速分解为微生物发酵提供了新的发酵底物。

由图4可知，6%VS处理的累积产气量明显高于其他浓度处理，VS降解率为45.38%。在整个周期呈现先匀速增加后变缓慢的趋势，产气状态较为稳定;产甲烷高峰在前25 d 内，且甲烷产量明显高于其他浓度处理，说明此浓度下的料液环境适宜微生物的繁殖与代谢，底物利用率高，甲烷产量高。2%VS处理的累积产气量一直处于较低状态，VS降解率为35.40%;4%VS处理的累积产气量在前9 d快速增加，VS降解率为43.50%;5%VS处理的累积产气量在前15 d 处于产气高峰期，VS降解率为44.25%;8%VS处理的累积产气量从第10天开始逐渐增加，VS降解率为36.52%。这说明较低或较高的VS 浓度不利于发酵原料中有机物的降解。这是由于较低或较高的VS 浓度影响厌氧体系中的物质传递，不利于微生物的分解代谢。因此，选择合适的VS 浓度有利于提高微生物利用有机物的能力，增加产气量。

2.3  稻秆-猪粪VS 比对混合厌氧发酵产气量的影响

将稻秆和猪粪VS 比分别设置为1∶6、1∶4、1∶2、1∶1、1∶0 和0∶1，接种物S/I 为2∶1，依次添加稻秆、猪粪和接种物，并根据原料和接种物的含水率调节发酵料液VS 浓度至6%，然后置于中温条件下进行厌氧发酵。

由图5可知，不同的稻秆-猪粪VS 配比下日产沼气量均呈先增加后降低的变化趋势，随着稻秆和猪粪VS比例中的猪粪含量提高，达到产气高峰期的时间提前[10-11]，纯猪粪发酵在第3天达到峰值（59.2 mL/g），这可能是由于猪粪原料取自沼气站的匀浆池，猪粪在匀浆池中已经处于发酵的产酸阶段，因此在试验中产甲烷菌能快速分解乙酸、二氧化碳等，生成甲烷。与单一物料（猪粪或稻秆）试验组相比，猪粪比例越高的混合物料试验组有更高的产甲烷量，这表明对于“稻秆+猪粪”组合，猪粪是产甲烷的主要物质基础，稻秆对甲烷产量的贡献相对较弱。这在纯秸秆在第15天达到峰值（31.2 mL/g），也侧面说明了秸秆相对于猪粪更难以发酵，且厌氧发酵周期更长。

由圖6可知，不同的稻秆-猪粪VS 配比下累积产气量均呈先增加后降低的变化趋势，且VS 比为1∶4时在第18 天后

达到较稳定状态，此时累积产气量为548.90 mL/g，且累积产气量显著高于其他处理，VS降解率达到58.51%。连续厌氧发酵试验表明，在“稻秆+猪粪”组合中，在相同进料负荷的条件下，混合物料的产甲烷要高于单一的物料，猪粪是产甲烷的主要物质基础;稻秆对甲烷产量的贡献较弱，但稻秆的添加能够有效减缓猪粪高氮含量而带来的氨抑制作用，维持厌氧发酵系统的稳定，从而提高总产气量，这对以猪粪为主要原料的高浓度厌氧发酵而言，适量添加秸秆类高碳类物料具有积极的意义。

3  结论与讨论

在实验室条件下，“稻秆+猪粪”混合厌氧发酵试验结果表明：①猪粪在发酵组合占主要地位，是产甲烷的主要物质基础;在2个组合中，猪粪比例高的试验组日产甲烷量更高。②稻秆类高碳物料的添加可以有效缓解猪粪这类高氮类物料发酵带来的氨氮抑制等问题，稳定系统发酵状态，从而提高总产气量，这对以猪粪为主要原料的高浓度厌氧发酵而言，适量添加秸秆类高碳类物料具有积极的意义。③在水稻秸秆不进行预处理的情况下，水稻秸秆-猪粪进行中温发酵工艺最佳发酵条件为VS比1∶4、S/I 2∶1、VS 浓度6%。

参考文献

[1]中华人民共和国国家统计局.2019 年中国国家统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2019.

[2]彭书传，侯成虎，王进，等.玉米秸秆与巢湖蓝藻混合厌氧发酵的产沼气性能[J].农业工程学报，2012，28（15）：173-178.

[3]野池达也.甲烷发酵[M].刘兵，薛咏梅，译.北京：化学工业出版社，2014.

[4]栗薇，吴正舜.木屑纤维素酶水解条件的试验研究[J].可再生能源，2007，25（2）：41-43.

[5]李轶，刘雨秋，张镇，等.玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气工艺优化[J].农业工程学报，2014，30（5）：185-192.

[6]宋籽霖，郭燕，杨改河，等.鸡粪与玉米秸秆混合发酵沼气产量影响因子研究[J].农业环境科学学报，2012，31（8）：1624-1629.

[7]丁琨，苏有勇，张无敌.响应面法优化猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵产沼气工艺[J].中国沼气，2012，30（6）：12-17.

[8]张翠丽，李轶冰，卜东升，等.牲畜粪便与麦秆混合厌氧发酵的产气量发酵时间及最优温度[J].应用生态学报，2008，19（8）：1818-1822.

[9]白晓凤，李子富，尹福斌，等.鸡粪与玉米秸秆混合“干-湿两相”厌氧发酵启动研究[J].中国沼气，2014，32（2）：22-25，32.

[10]任海伟，姚兴泉，李志忠，等.不同比例牛粪与玉米秸秆混合厌氧消化产气特性研究[J].中国沼气，2015，33（5）：38-41.

[11]魏珞宇，李淑兰，刘刚金，等.不同配比牛粪与作物秸秆混合发酵的产气潜力研究[J].中国沼气，2013，31（3）：34-43.