王艷錦，黃 俊，張全國，荊艷艷

(河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南鄭州450002)

中國農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，每年秸稈產(chǎn)量達7億t，但相當多的秸稈被棄置或焚燒，造成了嚴重的能源浪費和環(huán)境污染［1］．研究適宜的方法使秸稈資源化利用已成為緩解目前中國所面臨的能源和環(huán)境危機的重要途徑之一．沼氣干發(fā)酵不僅提高了池容產(chǎn)氣率，而且消化后的產(chǎn)品不需脫水即可成為肥料或土壤調(diào)節(jié)劑使用，簡化了操作處理，降低了成本，展示了廣闊的應(yīng)用前景［2，3］．CARNEIRO等［4］研究了不同接種率對厭氧干發(fā)酵過程的影響，當接種率為30%時，厭氧干發(fā)酵的啟動特性明顯好于20%的接種率．李東等［5］研究了稻草在不同溫度條件下的干發(fā)酵試驗，結(jié)果表明在35℃條件下秸稈干發(fā)酵較為穩(wěn)定．目前，大部分秸稈厭氧干發(fā)酵研究著重于提高沼氣產(chǎn)量和發(fā)酵殘留物的進一步利用方面［6～8］，對發(fā)酵條件和發(fā)酵殘留物中營養(yǎng)成分含量的相關(guān)關(guān)系研究較少．如果能在保證沼氣產(chǎn)量的前提下兼顧發(fā)酵殘留物的養(yǎng)分及其綜合利用，不但可以獲取清潔的優(yōu)質(zhì)沼氣能源，而且可以利用發(fā)酵殘留物的養(yǎng)分保證肥效、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和改良土壤，實現(xiàn)秸稈沼氣和高效有機肥的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮秸稈厭氧干發(fā)酵技術(shù)的生產(chǎn)潛力和環(huán)境效益．在發(fā)酵過程中，加入足夠所需要的微生物作為接種物是極為重要的．接種物的數(shù)量在一定程度上決定了沼氣發(fā)酵的成敗，而接種物中的有效成分與活性直接關(guān)系發(fā)酵過程的好壞．由于秸稈中的一些成分較難分解，故適當?shù)慕臃N量對秸稈厭氧干發(fā)酵的效果有直接的影響［9］．為此，本研究以小麥秸稈為發(fā)酵原料，采用中溫厭氧干發(fā)酵，研究接種量對沼氣產(chǎn)量以及發(fā)酵殘留物中有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量的影響，在保證沼氣產(chǎn)量的前提下兼顧發(fā)酵殘留物的養(yǎng)分及其綜合利用，以期為中溫秸稈厭氧干發(fā)酵技術(shù)實現(xiàn)沼氣與有機肥聯(lián)產(chǎn)提供理論依據(jù)．

1 試驗裝置與方法

1．1 試驗裝置

試驗裝置見圖1．發(fā)酵容器為2 500 mL廣口瓶，裝置置于恒溫培養(yǎng)箱中，采用中溫發(fā)酵，溫度恒定為(35±1)℃．每隔12 h反復倒置發(fā)酵瓶數(shù)次，采用排水集氣法測量沼氣產(chǎn)量．

圖1 中溫厭氧發(fā)酵試驗裝置Fig．1 The device diagram of mesophilic anaerobic fermentation

1．2 方法

所用小麥秸稈取自河南孟津縣，總固體(TS)含量為83%，碳氮比(質(zhì)量比)約為87∶1，經(jīng)粉碎后小麥秸稈長度為1～2 cm．所用接種物取自鄭州市薛崗村輔熱集箱式沼氣池的出料口，TS含量為55%，碳氮比(質(zhì)量比)為 18∶1．根據(jù)黃俊等［10］所做的TS含量對秸稈厭氧干發(fā)酵沼氣產(chǎn)量影響的試驗結(jié)果，本試驗中TS含量取為25%，分別配制成稈渣質(zhì)量比為 1∶6(A)，1∶8(B)，1∶10(C)，1∶12(D)，1∶14(E)，1∶16(F)6 個發(fā)酵組進行不同接種量的發(fā)酵試驗．

對發(fā)酵殘留物，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定其有機質(zhì)含量，采用半微量開氏法測定其全氮含量，采用0．5 mol·L－1NaHCO3法測定其速效磷含量，采用醋酸銨浸提－火焰光度法測定其速效鉀含量［11］．

2 結(jié)果與分析

2．1 接種量對沼氣產(chǎn)量的影響

小麥秸稈發(fā)酵40 d，不同接種量厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量分別如圖2和表1所示．

圖2 接種量對沼氣產(chǎn)量的影響Fig．2 The effect of inoculation amount on the biogas production

由圖2可以看出，各個發(fā)酵組產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第13天，各個發(fā)酵組在日產(chǎn)氣量到達峰值前，沼氣產(chǎn)量快速升高，在日產(chǎn)氣量高峰過后，沼氣產(chǎn)量緩慢降低．接種量最低的發(fā)酵組為A組，其稈渣質(zhì)量比為1∶6，產(chǎn)氣正常，說明發(fā)酵料TS含量為25%時不易產(chǎn)生酸中毒的現(xiàn)象．

表1 小麥秸稈發(fā)酵40 d的累積產(chǎn)氣量Table 1 The cumulative biogas production of wheat straw fermentation in the first 40 days

從表1可以看出，A～F組的累積產(chǎn)氣量逐漸升高，B，C，D，E，F(xiàn)各組產(chǎn)氣量分別為 19 017，23 930，27 237，30 035，33 645 mL，是 A 組的 1．36倍、1．71 倍、1．95 倍、2．15 倍和2．41 倍，沼氣累積產(chǎn)氣量隨著接種量的提高而增加．雖然隨著接種量的加大累計產(chǎn)氣量逐步提高，但單位TS質(zhì)量的累計產(chǎn)氣量在最初隨著接種量的加大升高后轉(zhuǎn)而逐漸降低:單位TS質(zhì)量的累計產(chǎn)氣量最低的是A發(fā)酵組，其接種量為秸稈量的6倍，即稈渣質(zhì)量比為1∶6，產(chǎn)氣效率為67．6 mL·g－1;單位 TS 質(zhì)量的累計產(chǎn)氣量最高的發(fā)酵組為C發(fā)酵組，其稈渣質(zhì)量比為1∶10，產(chǎn)氣效率為 75．4 mL· g－1;接種量較大的E，F(xiàn)發(fā)酵組產(chǎn)氣效率下降至70 mL·g－1．因此，作為發(fā)酵原料中非常重要的一部分，接種物使用過多反而不利于發(fā)酵原料整體效率的提高．

2．2 接種量對甲烷含量的影響

從發(fā)酵第8天起，每隔4 d測定1次所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量．從圖3可以看出，接種量較大的發(fā)酵組甲烷含量較高．在發(fā)酵第8天甲烷含量分別為:A組 15．0%，B組28．3%，C 組30．7%，D 組33．3%，E 組39．7%，F(xiàn) 組37．4%，之后各發(fā)酵組甲烷含量均不斷增加，在發(fā)酵第24天甲烷含量均達到50%以上并保持到發(fā)酵結(jié)束．整個發(fā)酵過程中除A組外的發(fā)酵組所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量比較接近;A組較其他組所產(chǎn)甲烷含量較低，說明在本試驗的工況下，稈渣質(zhì)量比1∶6的接種量較少，無法充分發(fā)揮發(fā)酵料的產(chǎn)甲烷能力．

圖3 接種量對甲烷含量的影響Fig．3 The effect of inoculation amount on the methane content

為進一步比較各組產(chǎn)甲烷情況，計算各組所產(chǎn)沼氣中的平均甲烷含量以及單位TS質(zhì)量甲烷累積產(chǎn)量，結(jié)果見表2．

表2 不同接種量的平均甲烷含量Table 2 The average methane concent with different inoculation amount

從表2可以看出，各發(fā)酵組的甲烷產(chǎn)量和平均甲烷含量隨著接種量的加大而增高．A組的甲烷產(chǎn)量和平均甲烷含量最低，分別為5 576 mL和49．5%，F(xiàn)組的甲烷產(chǎn)量和平均甲烷含量最高，分別為14 156 mL和54．0%，說明較多的接種量對甲烷的產(chǎn)生較為有利．隨著接種量的提高單位TS質(zhì)量甲烷累積產(chǎn)量先上升后降低，最高的發(fā)酵組為C組，甲烷產(chǎn)氣效率為31．8 mL·g－1，同時其單位 TS質(zhì)量的累計產(chǎn)氣量也是最高，表明在本試驗條件下，產(chǎn)氣效果最佳的稈渣質(zhì)量比為1∶10．但是，較大的接種量可以提高沼氣中的甲烷含量，試驗中平均甲烷含量隨著接種量的加大而增高，最高可達到54．0%．從能量利用角度說，提高接種量可以提高沼氣的熱值．最佳的接種量可以節(jié)省發(fā)酵池容積和發(fā)酵原料，降低發(fā)酵成本．提高接種量，需要較大的發(fā)酵池和較多的接種物，可以得到較多的甲烷，因此，選擇何種接種量進行發(fā)酵，需要從實際用途出發(fā)．戶用沼氣池可以選擇較佳的接種量以節(jié)省成本，沼氣發(fā)電工程或其它大型沼氣工程在接種物來源穩(wěn)定的情況下可以選擇較多的接種量，以獲得較佳的經(jīng)濟效益．

2．3 接種量對發(fā)酵殘留物養(yǎng)分的影響

不同的發(fā)酵條件對整個發(fā)酵過程影響顯著，不同的發(fā)酵過程使得發(fā)酵殘留物中的有關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)含量也有所不同．不同發(fā)酵組發(fā)酵40 d后的發(fā)酵殘留物中相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)含量如表3所示．

從表3可以看出，發(fā)酵殘留物中的有機質(zhì)含量隨發(fā)酵原料中接種物質(zhì)量的增加而降低．由于單位TS質(zhì)量累計沼氣產(chǎn)量較大的發(fā)酵組殘留物中有機質(zhì)含量減少較多，所以發(fā)酵殘留物中的有機質(zhì)含量隨發(fā)酵原料中接種物質(zhì)量的增加而降低，除了發(fā)酵原料單位質(zhì)量含有機質(zhì)量隨接種物增多而減少的影響外，也和沼氣產(chǎn)量有關(guān)．速效磷、速效鉀含量隨發(fā)酵原料中接種物質(zhì)量的增加而增加，說明發(fā)酵原料中含有較多的微生物對磷、鉀轉(zhuǎn)化為速效態(tài)較為有利．

表3 發(fā)酵殘留物中主要營養(yǎng)物質(zhì)含量Table 3 The content of main nutrients in biogas residue

3 結(jié)論

1)隨著接種量的提高，沼氣產(chǎn)量逐漸升高，但過多的接種量會使單位TS質(zhì)量的沼氣產(chǎn)量降低，說明過量的接種物不利于產(chǎn)氣效率的提高．本試驗中，較佳的稈渣質(zhì)量比為1∶10，其單位TS質(zhì)量的沼氣產(chǎn)量為 75．4 mL·g－1．

2)提高接種量可以提高甲烷產(chǎn)量和甲烷含量，而單位TS質(zhì)量的甲烷產(chǎn)量先升高再降低，說明較多的接種物有利于甲烷產(chǎn)量和甲烷含量的提高但不利于產(chǎn)甲烷效率的提高．本試驗中最高的單位TS質(zhì)量甲烷累積產(chǎn)量為31．8 mL·g－1．

3)小麥秸稈中溫厭氧干發(fā)酵后的殘留物中，有機質(zhì)含量隨發(fā)酵原料中接種物質(zhì)量的增加而降低，速效磷、速效鉀含量隨發(fā)酵原料中接種物質(zhì)量的增加而增加．在本試驗條件下采用TS含量在25%、接種量在1∶10的發(fā)酵料進行發(fā)酵，不但產(chǎn)氣量較高，同時也較好地保留發(fā)酵殘留物中的營養(yǎng)成分，可以提供肥效良好的有機肥料．

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