布料方式与杆菌配比对秸秆发酵产气量的影响及优选研究

陈蔷 王素君 魏立颖 王运良

摘    要：以玉米秸秆为发酵原料，研究了秸秆与接种物以3种不同的布料方式在4种不同的配比下对发酵产气量的影响，并进一步优选出适宜的布料方式与配比。试验结果表明：杆菌混匀的布料方式以1∶30和1∶40的配比，以及上秆下菌的布料方式以1∶40的配比下，其产气量较高，而上菌下杆的布料方式无论以任何配比投料，其产气量都很低。在实际应用中，如果考虑节约成本、节省空间等因素，优选杆菌混匀的布料方式以1∶30杆菌配比为更加经济的组合。

关键词：秸秆;沼气发酵;布料方式;杆菌配比

中图分类号：S216.4         文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.015

Study on the Effect of Distribution Mode and Material Ratio on Gas Production of Straw Fermentation and Optimization

CHEN Qiang1，WANG Sujun2，WEI  Liying1，WANG  Yunliang2

（1.Tianjin Green Power and Plant Nutrition Technology Development Company Limited， Tianjin 300250，China; 2.Kingland North Gardens （Tianjin） Company Limited， Tianjin 300250， China）

Abstract：Using corn straw as fermentation material， the effects of three different distribution modes of straw and inoculum on the fermentation gas yield were studied under four different ratios， and the suitable distribution mode and ratio of straw and inoculum were further optimized. The results showed that the distribution mode of inoculum and straw mixed in a ratio of 1∶30 and 1∶40， and the distribution mode of inoculum under straw in a ratio of 1∶40， had a high gas production， while the distribution mode of straw under inoculum at any ratio had a low gas production. In practical application， if cost and space saving factors are taken into account， it is preferable to choose the distribution mode of inoculum and straw mixed in a ratio of 1∶30 as a more economical combination.

Key words： straw; biogas fermentation; distribution mode; material ratio

隨着农业生产规模的扩大，我国已成为世界最大的有机废弃物生产国之一[1]。目前，我国秸秆的产量超过了7亿t·a-1，但秸秆的利用率很低[2]，除去用于造纸、饲料以及沤肥还田外，还有约3.7亿t秸秆未被利用[3]。厌氧发酵可以通过厌氧微生物对农作物秸秆进行分解代谢，是秸秆利用的主要途径之一[4]。厌氧消化系统符合国家农业供给侧结构性改革的政策，使农业废弃物变废为宝，促进农业的可持续发展[5]。以农作物秸秆为原料进行厌氧发酵，使其转化为沼气与沼肥，是解决能源短缺、环境污染及生态修复的有效途径，具有重要的经济和社会效益[6]。

农作物秸秆作为单一厌氧发酵底物时由于纤维素的晶体结构、聚合度以及含水量等问题而导致水解速度低，需要采取措施强化水解过程。且微生物因氮源不足同化作用被抑制进而影响异化作用效率，没有氨氮的缓冲作用，大量的有机酸合成使系统pH下降，最终导致系统酸化[7]。通过加入接种物可以调节碳氮比，厌氧发酵时，适宜的碳氮比在（25～30）∶1[8]，所以，合理的配比原料有利于产酸与产甲烷阶段菌群的生长平衡，以促进沼气发酵[9]。然而，秸秆与接种物的布料方式对于秸秆发酵产气量是否存在影响目前国内外还未见相关研究。

本试验对秸秆与接种物3种不同的布料方式在4种不同配比下的发酵产气量进行研究，并进一步优选出适宜的布料方式与配比，以期为秸秆在大规模的沼气工程和户用沼气池中的应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 原料和接种物

发酵原料选用玉米秸秆，采自天津市宁河区，已自然风干3个月。试验前将秸秆利用底部筛网8 mm的锤片式揉搓机进行粉碎处理，粉碎后的玉米秸秆呈纤维状。接种物为河北省青县正常使用沼气池中的沼渣（底泥），颜色呈黑褐色，含水量为85%。

1.2 试验装置

发酵装置主要由水浴恒温装置、发酵瓶、集气瓶、集水瓶和管路组成。发酵瓶为500 mL广口瓶，发酵瓶口由橡胶塞密封，橡胶塞打孔连接管路，发酵瓶与集气瓶之间以胶皮管连接，利用排水法计量产气量。将发酵瓶置于39 ℃水浴恒温箱中以保持发酵温度恒定[10]。

1.3 试验方法

试验均在39 ℃条件下开展，采用500 mL广口瓶作为发酵容器，利用排水法计量产气量，观察时间为一周期共计20 d，每个处理重复3次。

本试验采用3种不同的布料方式（A），每种布料方式以4种不同质量比的杆菌配比（B）进行发酵试验，具体如表1所示。

1.4 测量参数

累积产气量：从试验开始到试验结束日（一周期20 d）产气量的总和。

2 结果与分析

2.1 3种布料方式以4种杆菌配比发酵一周期的总产气量

由表2可知，各处理间存在差异，进一步进行方差分析发现（见表3），不同布料方式间的产气量（F=840.930 5>F0.01=5.72）、不同杆菌配比间的产气量（F=722.072 7>F0.01=4.82）以及布料方式与杆菌配比的交互效应（F=63.864 19>F0.01=3.76）对产气量的影响均呈极显著差异，但重复间无显著差异。

2.2 布料方式对产气量的影响

由表4布料方式间的多重比较可以看出：三种布料方式对产气量的影响具有极显著差异，其中以菌秆混匀布料方式的产气量最大，为1.644×10-3  m3，其次为上秆下菌，以上菌下秆的产气量为最差。

2.3 杆菌配比对产气量的影响

由表5杆菌配比间的多重比较可以看出：1∶20，1∶30，1∶40三种杆菌配比间的产气量无显著性差异，均显著高于1∶10这种杆菌配比的产气量，平均高202%。

2.4 布料方式和杆菌配比的不同组合对产气量的影响

由表6可知，在12个处理中，前6个处理均显著高于后6個处理，即：杆菌混匀和上秆下菌布料方式分别以1∶20，1∶30和1∶40的杆菌配比投料，其产气量均显著高于其他组合。其中，处理11的产气量又显著高于处理3、处理10和处理2，其产气量达到2.034×10-3 m3。而处理11、处理12和处理4的产气量差异不显著。此外，1∶10的杆菌配比无论以任何布料方式投料，其产气量都很低，平均值仅为0.523×10-3 m3。

3 结论与讨论

研究结果表明，杆菌混匀布料方式配合1∶30的杆菌配比、杆菌混匀布料方式配合1∶40的杆菌配比、上秆下菌布料方式配合1∶40的杆菌配比三种组合秸秆发酵的产气量最高。在实际应用中，考虑节约成本、节省空间等因素，优选菌秆混匀布料方式配合1∶30的杆菌配比作为更加经济的组合。

1∶10的杆菌配比无论以任何布料方式投料，其产气量都很低，分析原因可能是接种物太少，厌氧发酵细菌无法完全分解秸秆水解产生的有机酸，秸秆水解产生的有机酸，降低了底物中的pH，从而抑制了产甲烷菌的活性[11];上菌下秆的布料方式无论以任何杆菌配比投料，其产气量也都很低，可能是秸秆水解产生的有机酸受重力作用下渗，但是由于接种物在上层，无法渗入到接种物当中，导致厌氧发酵细菌只能接触并分解少部分有机酸;而上秆下菌布料方式正好相反，在杆菌配比适宜的条件下，秸秆水解产生的有机酸恰好直接渗入到接种物当中，大量的厌氧发酵细菌与之接触进而分解产生沼气。

农作物秸秆作为一种重要的富含有机物的生物质能源[12]，通过厌氧消化在消纳的同时，部分能量重新以沼气形式获得，实现生物质能的循环利用[13]。本研究证明秸秆与接种物在不同的布料方式下对于秸秆发酵的产气量存在影响，且不同布料方式与配比的组合对于产气量的影响差异明显，这在目前还尚未见到相关的研究报道，未来将进一步针对不同秸秆种类在多种布料方式下的产气量进行研究，为秸秆在大规模沼气工程中和户用沼气中的应用提供试验依据。

参考文献：

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