稻秸干式厌氧发酵气-肥联产潜力研究

王 晨，王振旗，张 敏，沈根祥1，①，张心良，钱晓雍，高宗源

(1.华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200237；2.上海市环境科学研究院国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室，上海 200233)

作为农业生产和农产品消费大国，我国秸秆类农业废弃物年产生量近9亿t，其中水稻秸秆约2亿t，占秸秆总产生量的23%[1]。当前，我国推行的稻秸处理利用方式主要为直接还田，但该种方式容易引起农业生产问题，如虫害草害发生、后茬作物易倒伏、土壤氮素消耗等。同时，因在水稻插秧前的泡田期需要多次换排水，易引发地表水污染风险，而农田在长期淹水状态下，还会造成CH4、N2O等温室气体排放[2-3]。作为有机类废弃物处理的有效途径，干式厌氧发酵技术具有原料利用范围广、运行有机负荷高等优点，能够将生物质废弃物转化为清洁能源及可增值的沼渣，且不会产生二次污染，已在高含固率有机废弃物处理领域得到应用[4-5]，引起了国内外学者对干式厌氧发酵在稻秸离田高值开发利用方面的重视。

水稻秸秆C/N比约为50～70，远高于有机废弃物厌氧发酵工艺所需的最佳范围[6]。单独厌氧发酵时系统产气效率低下，通常需要投加畜禽粪便、尿素等有机氮源以及氯化铵、硝酸钾等无机氮源[7]，尤其是畜禽粪便已被广泛用于与秸秆的共发酵[8]。大量研究表明，秸秆与畜禽粪便共发酵的C/N 比为20～30时系统产气率明显提高，提高率可达80%～110%[9-11]。但是，在我国南方大部分水源水库区形成了以种植业为主的单一农业产业模式，因无规模化畜禽场分布致使畜禽粪便可得性差，且因绿色有机农业发展需要外购大量有机肥，未形成本地化农业循环经济体系。为此，探索高C/N比条件下的稻秸干式厌氧发酵产气特征及制肥潜力，为该类涉水源保护地区寻找一种污染风险小、经济高效的农业废弃物秸秆资源化处置与利用新途径，对促进水源保护区稻秸离田资源化利用技术体系构建和示范工程应用具有重要意义。

笔者根据长三角水源保护区内散户猪粪的有限供应特征，采用一体化不锈钢发酵罐装置，通过不同猪粪添加量下与稻秸共发酵的批次试验，考察了高C/N比条件下稻秸干式厌氧发酵处理的产气特征和沼渣性质，对稻秸潜在清洁能源利用和沼渣肥料开发的可行性进行分析，以期掌握在猪粪有限供应条件下的稻秸干式厌氧发酵气-肥联产潜力以及处理系统运行的经济性。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于长三角一体化示范区内的青浦现代农业园区(30°59′～31°16′ N, 120°53′～121°17′ E)，地处黄浦江上游水源保护缓冲区内。园区规划总面积17 km2，秸秆类废弃物产生量约4 500 t·a-1，总量占比约47%，历年处理方式均为直接还田，由此引发的农业生产问题和环境风险问题已逐渐凸显，亟需因地制宜寻找一种污染少、经济高效的农业废弃物资源化处置与利用新途径。

1.2 试验材料

作为主发酵原料，于2019年12月分2次采集水稻秸秆，自然风干后揉搓破碎并切割，使粒径≤3 cm，抽真空后密闭备用；综合分析研究区域可利用的氮源，选择猪粪作为氮源添加物。猪粪取自区域生猪散养户，分装在密闭塑料盒内，并在4 ℃条件下保存；选用上海某奶牛场厌氧发酵池排出的新鲜沼液作为接种物，于试验前1～2 d采集备用。试验材料的物理化学性质如表1所示。

表1 试验材料的理化性质

1.3 试验装置

采用王振旗等[12]研发的4组全自动不锈钢发酵装置开展稻秸干式厌氧发酵试验，单组罐体容积5 L，搅拌机座与罐体通过4组法兰机械密封来保持反应过程的厌氧环境。发酵罐配机械搅拌系统、水浴循环加温系统、沼气实时流量监控系统、料液pH值和温度在线监控系统，并配备全自动监测控制系统，运行操作和数据读取均可实现数据界面可视化，通过数据线连接至上位机系统，实现了实时监控和数据存储。

1.4 试验设计

如表2所示，研究共设7个处理(C1～C7)和对照(CK)，每个处理组设2个平行，若平行组试验结果有明显差异，则重做2个平行，直到总产气量误差在5%以内。考虑到区域内散户猪粪的有限供应，设置各处理组C/N比为30∶1～60∶1，接种物按照发酵物总质量的5%添加，发酵周期为40 d。试验前各取300 g稻秸，用自来水浸泡7 d后捞出沥干至无水滴下，然后将各组发酵物料TS调节至20%，若辅料不足，用去离子水代替调节发酵物料；夹套水浴温度控制在35 ℃左右，每12 h搅拌翻动物料30 min，转速为20 r·min-1，以达到传质均匀的目的。CK组由于无猪粪添加，按照20%的接种比例(接种物量/原料总量)添加250 mL沼液接种物，替代相同体积的去离子水；去离子水总添加量包括秸秆浸泡所吸收的水分量。

表2 不同C/N比下的厌氧发酵试验设计

1.5 监测指标及分析方法

TS含量在(105±5)℃烘箱中烘干至恒重测定，VS含量在550～600 ℃马弗炉中灼烧至恒重测定[13]；纤维素、半纤维素含量采用酸碱醇醚-分光光度法测定[14]；C、N含量分别采用重铬酸钾-稀释热法和半微量开氏法测定；H含量通过元素分析仪(Thermo Electron SPA 公司，美国)测定，O含量则根据C+N+O+H=99.5%(以VS计)计算[15]；甲烷含量使用便携式甲烷测定仪(型号GASTiger 2000，深圳市万安迪科技有限公司)测定，并用NYT 1700—2009《沼气中甲烷和二氧化碳的测定 气相色谱法》标准方法验证；沼渣中有机质以及N、P、K等的含量根据NY/T 525—2021《有机肥料》测定；沼渣中重金属含量则根据GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》测定。

1.6 理论产气潜力

水稻秸秆的理论产气潜力用于评估有机物完全降解时的最大沼气产量，可以通过Buswell公式，并通过其元素组成计算CH4和CO2产量，从而得到理论产气潜力[16]；稻秸和猪粪的理论产气参数分别按照782.13和846.60 L·kg-1计。

2 结果与讨论

2.1 产气特征分析

2.1.1产气量的日变化规律

不同猪粪添加量处理组日产气量变化如图1所示。

整个发酵过程中，各处理组均出现了2～4个产气高峰，尤其是C/N比接近于最优范围(20～30)的C5和C6处理最为明显，而C7处理未出现明显的产气高峰，说明C/N比是影响厌氧消化的关键因素。C5和C6处理第1次产气高峰分别出现在第9和12天，这与物料中易降解有机物早期的快速降解密切相关，可导致发酵系统的pH值迅速下降[17]；C5和C6处理在发酵中期产气高峰则分别出现在第14和25天，峰值最高可达6.6 L·d-1。

随着发酵物料C/N比的升高，产气高峰有所延迟，C3和C4处理均在第13天到达产气峰值，分别为4.7和5.0 L·d-1，约为C6处理产气峰值的76%和71%，且均于第16天左右进入了稳定产气阶段；CK处理中未出现明显的产气高峰，C1及C2处理与其变化趋势相近，40 d时日产气量平均值最高仅为2.0 L·d-1；纯猪粪组C7处理产气量低下，仅维持了26 d的产气时间；因此，在以稻秸为主的干式厌氧发酵系统中，高C/N比处理中C3和C4处理日产气量与C6处理差异不明显。

2.1.2甲烷含量的日变化规律

（2）教师说明这课的主要内容是学习昆虫特征，桌子上的是不同种类的昆虫，大家分组，每组用自己的方法（自我主导），发现昆虫的特征（发现式）。

不同C/N下各处理组φ(甲烷)均呈先快速升高后逐渐稳定的趋势。由图1可知，试验启动时CK处理接种沼液量较其他处理高，φ(甲烷)在前10 d快速上升并于第10天达到55%，这与张望等[18]的研究结果一致，高浓度固体发酵前期以产酸作用为主，甲烷含量在中后期达到基本稳定状态[19]；C6处理φ(甲烷)在第9天达到了50%，最高可达70%，C3、C4和C5处理均于第12天达到了50%以上，比C6处理晚3 d；而猪粪添加比例较低的C1和C2处理木质纤维素水解所需时间更长，分别在第17和第21天达到了50%以上，比C6处理晚8～12 d。结果表明，各处理组均能满足沼气工程正常运行时φ(甲烷)含量高于50%的要求，且C3、C4和C5处理沼气质量与C6处理差异较小。

2.1.3累积产气量对比分析

各处理组总产气量见表3。在以稻秸为主的干式厌氧发酵系统内，产气潜力随着猪粪的添加量而明显上升，C6处理单位干物质产气量为327 L· kg-1，分别比C1、C2、C3、C4组提高15.9%、12.2%、11.2%和7.2%；C7处理单位干物质产气量亦为327 L· kg-1，但40 d总产气量仅为22.2 L，显著低于其他处理组，不足C6处理总产气量的20%，说明沼气贡献主要来自于水稻秸秆。而C3处理单位干物质产气量为294 L· kg-1，与杨立等[20]提出的秸秆TS产气潜力一般在300 L·kg-1以上相比仅降低了2%，说明高C/N比下稻秸干式厌氧发酵具有可行性。

表3 不同处理组的产气情况

C3～C6处理总产气量占理论产气量的37.4%～41.2%，较CK提高了8.8～12.6百分点，说明高C/N比条件下有限猪粪量的添加可提高稻秸的生物转化效率[21]。C5和C6处理总产气量分别为97.5和107.6 L，均在第27天达到了总产气量的80%，与C3和C4处理仅相差1 d。达到总产气量80%的时间越短，则经济成本也越低[22]，可见C3和C4处理综合处理效益接近于C5和C6处理。

各处理含义见表2。

各处理含义见表2。

根据各处理组在40 d内沼气产量和甲烷含量的分析，C3～C6处理均可满足工程应用的需求。但考虑到涉水源区内的猪粪可得性差，难以采用目前主导的混合发酵工艺，秸秆单发酵处理对象也以表面蜡质层较薄的玉米秸秆为主[23-24]，故可根据氮源供应情况，将50作为干式厌氧发酵物料C/N比的运行上限。据此测算，每1 hm2水稻田秸秆处理约需2头猪的粪便，按照目前长三角区域内生猪散养密度[25]，总体上可满足以稻秸为主的干发酵系统正常运行的氮源需求。

2.2 沼渣理化性质分析

2.2.1有机组分降解情况

各处理组沼渣纤维素和半纤维素含量如表4所示。C1和C2处理纤维素降解率较CK处理分别提高3.10和7.70百分点，半纤维素降解率最高仅提高了2.68百分点，而C3～C6处理纤维素和半纤维素降解率分别提高了4.49～9.30和5.28～10.30百分点，这与添加猪粪以促进稻秸有机质分解产沼密切相关。同时，难降解物质(木质素和腐殖酸类)含量升高，从而提高了消化底物的生物稳定性和腐殖化程度[26]，说明C3～C6处理厌氧消化后的沼渣可作为良好的肥料制备原料。

表4 不同处理组纤维素和半纤维素降解情况

另外，C3～C6处理有机物降解率无明显变化规律，尤其是C4处理纤维素和半纤维素的降解率分别为13.09%和11.35%，与C6处理仅相差0.88～1.46百分点，可见有机组分的降解率随C/N比升高出现下降的趋势不明显，说明高C/N比条件下发酵底物水解产生的挥发性脂肪酸并未完全转化为沼气，C/N比升高对有机组分降解的影响小于对产气效率的影响[27]。

各处理含义见表2。

各处理含义见表2。

2.2.2养分组成含量分析

稻秸沼渣养分及有机质(OM)含量变化规律见图2，各处理组中N、P、K含量在2.25%～3.71%之间。

由图2可知，各组沼渣中养分含量呈现出与产气一致的变化趋势，产气最优组C6处理总养分含量亦最高，为3.71%，这与大量有机质被微生物分解转化为沼气，营养元素的相对含量有所增加有关。王菲等[28]利用牛粪与秸秆共发酵(C/N比为30)，沼渣总养分含量可达8.55%，这可能与其40%的接种沼液量有关。

在以稻秸为主的厌氧发酵系统内，总养分含量偏低限制了秸秆沼渣的制肥潜力，但C3～C6处理发酵后的沼渣中有机质含量为52.86%～55.33%，pH值为5.5～6.3，均达到了NY/T 525—2021的标准限值要求，且稻秸厌氧发酵过程可通过有机物的矿化促进养分释放，进而提高植物利用率[29]。为进一步提升稻秸沼渣的利用价值，可通过添加豆饼和尿素态氮源，调节物料C/N比为25～30后进行高温好氧堆肥，并在成品有机肥中添加一定量微生物菌剂，开发形成一系列高附加值肥料产品。

2.2.3肥料安全性分析

不同处理组沼渣中重金属含量如表5所示。As、Hg、Pb等含量均远低于NY/T 525—2021标准中重金属含量限值，具有肥料生产潜力。同时，稻秸沼渣作为堆肥原料，可通过好氧堆肥进一步减少稻秸原料中留存的虫卵，降低杂草种子发芽率等，说明稻秸沼渣制备有机肥料具有安全性方面的优势，可有效解决稻秸直接还田造成的次年病虫害问题。

表5 沼渣中重金属含量对比分析

2.3 系统经济性分析

按照园区稻秸年产生量，以处理规模12 t·d-1的干式厌氧发酵气-肥联产工程测算经济效益，投入和产出情况见表6。采用稻秸离田厌氧发酵处理(C/N比为50)，年总收益可达78.16万元，较现行的直接还田利用模式经济收益显著提高；而稻秸直接还田后分解过程中会消耗土壤中的氮素，次年需要追加氮肥，进而增加了投入成本[30]。因此，在涉水源区内采用干式厌氧发酵技术开展气-肥联产的工程应用，从技术可行性和经济可行性来说，不仅可以拓宽农业废弃物的处理新途径，更可提供稳定的有机肥料来源，有利于区域农业生态循环系统的重构。

表6 沼气工程和直接还田年成本及收益对比估算表

3 结论

(1)在以稻秸为主的干法厌氧发酵系统中，沼气产量和质量随猪粪添加比例的减少而下降的趋势明显，在稻秸和猪粪的干重比为15时，40 d累积产气量为81.50 L，甲烷含量在21 d后稳定在51%～66%之间，28 d累积产气量可达到总产气量的80%，与最优组C6差异不明显，而C/N比高于50时产气效率则会显著降低，因此可将50可作为水源区稻秸干式厌氧发酵系统C/N比的运行上限。

(2)稻秸经干法厌氧发酵处理后，C3～C6处理中纤维素和半纤维素降解率分别达8.28%～13.09%和5.19%～12.81%，提高了沼渣的腐熟度和生物稳定性；尽管各处理组沼渣总养分含量仅为2.25%～3.71%，但有机质含量达52.86%～55.33%，pH值为5.5～6.1，且重金属含量远低于有机肥标准限值，可进一步通过添加豆饼和尿素态氮源进行高温好氧堆肥，并通过添加微生物菌剂等开发高附加值肥料产品。

(3)根据稻秸干式厌氧发酵气-肥联产工程经济效益测算分析，在C/N比为50条件下处理系统年收益可达78.16万元，较现行的直接还田利用模式，不仅显著提高了经济收益，更有助于涉水源区生态农业循环体系的重构，稻秸气-肥联产在经济和技术上具有可行性。但由于实际工程运行过程中影响因素复杂，制约稻秸气-肥联产效果的其他参数有待于进一步深入研究。