氮源和腐熟剂对水稻秸秆厌氧发酵的影响

氮源和腐熟剂对水稻秸秆厌氧发酵的影响

管蓓;程涵;徐慧

【摘要】文章为探讨外加氮源和秸秆腐熟剂对水稻秸秆厌氧发酵效果的影响,分别在秸秆中添加尿素、腐熟剂、尿素+腐熟剂,对各处理在发酵过程中产气量,pH值和甲烷含量的变化进行了分析研究.结果表明:添加氮源不仅可以提高产气量,而且利于发酵后期甲烷含量的稳定;添加腐熟剂可使系统快速发酵、增加产气量,但发酵后期甲烷含量下降较快.

【期刊名称】《中国沼气》

【年(卷),期】2015(033)006

【总页数】3页(P44-46)

【关键词】秸秆;沼气;氮源;秸秆腐熟剂

【作者】管蓓;程涵;徐慧

【作者单位】南京市环境保护科学研究院,江苏南京210013;南京市环境保护科学研究院,江苏南京210013;南京市环境保护科学研究院,江苏南京210013

【正文语种】中文

【中图分类】S216.4;X712

我国是农业大国，秸秆作为农业最大的副产品，其产生量约为粮食总产量的1.1～1.2 倍［1］，我国农业种植每年可产生各种农作物秸秆达7 亿吨之多，而其中约有50%未能得到有效的处理和利用［2］。近年来，随着人们对环境空气质量的关

注不断提高，秸秆的禁烧和综合利用越来越受到重视，对于以秸秆为主要原料进行厌氧发酵产沼气也进行了较多的尝试。但是，由于秸秆中含有较多的纤维素、半纤维素及木质素，且其C/N 含量较高，达75∶1［3］甚至更高，远远高于发酵最佳碳氮比25～30∶1，导致沼气发酵启动慢、产气率低等问题。针对上述问题研究较多的是对秸秆进行物理、化学或生物预处理［3-9］，实际应用中常采用机械切碎和生物预处理相结合的方式［10-11］，尤以堆沤的方式采用的最多，但生物预处理通常会造成物料的损失，从而降低产气量［3］，此外也增加了处理工序和对技术的要求。

试验将水稻秸秆粉碎至2 mm 以下，在不进行其它预处理的条件下，直接对其进行厌氧发酵，分析发酵过程中添加氮源和秸秆腐熟剂对其产气量、产酸过程和甲烷含量的影响，为秸秆沼气的实际应用提供一定的参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻秸秆，采自南京高淳区东坝镇和睦涧村农田，经晒干后采用秸秆粉碎机粉碎至粒径小于2 mm，基本理化性状见表1。秸秆腐熟剂为南京宁粮生物工程有限公司产品，所含菌种主要为:娄彻氏链霉菌、米曲霉、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥0.5 亿·g-1，纤维素酶活≥30 U·g-1，蛋白酶活≥15 U·g-1。尿素，N≥46.3%，江苏灵谷化工有限公司生产。沼液取自江宁淳化街道新兴社区秸秆沼气站。接种污泥取自南京江心洲污水处理厂厌氧消化池，含水率为96.5%。

表1 供试秸秆基本性状 (%)含水率纤维素半纤维素木质素7.57 42.42 22.60 18.10

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

试验以1 L 棕色广口瓶为反应器，有效容积为820 mL，37℃恒温水浴培养，集气

瓶和集水瓶均为1 L 透明广口瓶。发酵装置示意图见图1。各部件之间通过橡皮塞、玻璃管和乳胶管进行连接，接口处采用凡士林进行密封，乳胶管通过止水夹控制管道的开闭，试验前对整套装置进行严格检查，确保整个系统的密闭性。

图1 秸秆厌氧发酵装置1.发酵瓶;2.集气瓶;3.集水瓶;4.pH 值取样针;5.抽气针;6.导

气管;7.导水管;8.水浴锅

1.2.2 试验设计

试验共设4 个处理，分别标记为处理Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，各试验处理见表2，各处理总固体浓度在7%左右，每个处理3 个重复，发酵周期为30 天。

表2 试验方案 (g)处理秸秆质量接种物质量沼液质量腐熟剂质量尿素质量Ⅰ50 150 600 0 0Ⅱ50 150 600 0.25 0Ⅲ 50 150 600 0 0.5Ⅳ50 150 600 0.25 0.5

1.2.3 检测方法

沼气产生量的测定采用排水法，每日进行测量;甲烷含量的测定采用美国Agilent 7890A 气相色谱仪，隔日进行抽气、测定;pH 值的检测采用pH 值测定仪，每日

进行测量。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对稻秸厌氧发酵产气的影响

2.1.1 不同处理的总产气量

处理Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ经30 天厌氧发酵后，总产气量分别为148.1 mL·g-1，185.

2 mL·g-1，190. 6 mL·g-1和191.2 mL·g-1。投加腐熟剂、尿素、尿素+ 腐熟剂的处理分别比空白提高了25. 1%，28.7%和29.1%。由此可见，添加尿素或腐熟

剂都可以提高总产气量，单独添加尿素的效果略好于单独添加腐熟剂，二者同时投加的效果与单独投加尿素的效果相似。

2.1.2 不同处理的日产气量

各处理厌氧发酵30 d 的日产气量如图2 所示。

图2 不同处理下稻秸日产气量

由图2 可见，各处理的发酵过程具有一定的相似性，日产气量在整个发酵过程中

都具有波动性，且比较高的产气量主要集中在前20 d。其中投加腐熟剂的2 个处理日产气量的最大值出现在第一个产气高峰，未投加腐熟剂的2 个处理日产气量

的最大值出现在发酵中期。这主要是由于腐熟剂中的微生物加快了秸秆中纤维素和半纤维素的分解，在发酵前期可利用的碳源和氮源都较为充足的条件下，可以快速达到产气高峰。可见，投加腐熟剂后利于整个系统快速的发酵启动。

2.2 不同处理对稻秸厌氧发酵pH 值的影响

各处理30 天发酵过程中pH 值变化见图3。由图3 可见，添加尿素的2 个处理

pH 值波动比较相似，未添加的另外2 个处理pH 值变化比较相似，在发酵的中前期尤为明显。添加尿素后的处理，在发酵前7 d 内pH 值下降比较快且低于未添

加的处理，说明添加氮源有利于发酵前期水解产酸的过程。在发酵的中后期，各处理的pH 值均在6.8～7.3 的最适范围内波动。

2.3 不同处理对稻秸厌氧发酵甲烷含量的影响

各处理发酵产沼气过程中甲烷含量的变化见图4。

图3 不同处理的pH 值变化

图4 不同处理下沼气中甲烷含量

由图4 可见，空白和仅添加秸秆腐熟剂的处理，在发酵第8 d 甲烷含量上升到50%以上，中期都维持在较高水平，在22 d 后回落至50%以下。添加尿素的2 个处理，均在第6 d 甲烷含量上升至50%以上，而且在中后期能够维持在一个较高的

水平。

3 结论

将水稻秸秆粉碎至2 mm 以下，在没有进行其它预处理的条件下，直接厌氧发酵

可以产生沼气，但产气量较低为148.1 mL·g-1，在将秸秆中添加尿素或腐熟剂都