原料比例与接种量对猪粪秸秆厌氧干发酵产气率及微生物群落的影响

收稿日期:２０１８￣１２￣０４修回日期:２０１９￣０５￣０４项目来源:国家重点研发计划(２０１７ＹＦＤ０８００８０１)ꎻ天津市自然科学基金面上项目(１６ＪＣＹＢＪＣ２９６００)ꎻ天津市现代农业产业技术体系(ＩＴＴＰＲＳ２０１７００８)作者简介:李奥(１９９３－)ꎬ女ꎬ黑龙江双鸭山人ꎬ硕士ꎬ主要从事厌氧干发酵方面的研究等工作ꎬＥ￣ｍａｉｌ:１９６５６０７９２４＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:高文萱ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｗｅｎｘｕａｎｇａｏ＠ｈｏｔｍａｉｌ.ｃｏｍ原料比例与接种量对猪粪秸秆厌氧干发酵产气率及微生物群落的影响李奥１ꎬ２ꎬ刘丽丽２ꎬ张克强１ꎬ杜连柱１ꎬ齐利格娃１ꎬ丁文涛３ꎬ高文萱１(１.农业部环境保护科研监测所ꎬ天津３００１９１ꎻ２.天津师范大学生命科学学院ꎬ天津３００３８７ꎻ３.北京化工大学ꎬ北京１０００２９)摘要:为实现对厌氧干发酵的科学控制ꎬ在中温３７℃±１℃条件下ꎬ文章以水稻秸秆和猪粪为原料ꎬ采用批式发酵试验ꎬ研究不同猪粪秸秆比例(ＶＳ质量比分别为１∶１ꎻ２∶１)和接种量(ＶＳ质量比分别为３０％ꎬ４０％ꎬ５０％)对厌氧干发酵产气特性和微生物群落结构的影响ꎮ结果表明∶相同接种量下猪粪∶秸秆为１∶１的试验组甲烷累积产率均高于２∶１ꎻ猪粪∶秸秆为１∶１ꎬ接种量为５０％的试验组启动最快ꎬ累积甲烷产率也最高ꎬ是该研究中原料配比与接种量的最佳组合ꎬ累积沼气产量和累积ＶＳ甲烷产率分别为６８０１.６７ｍＬ和１２７.０７ｍＬ源消耗具有重要意义ꎮ目前的沼气工程主要以畜禽粪便为原料ꎬ而畜禽粪便的大量消耗以及养殖数量的波动使得畜禽粪便供应不足的问题日益突出[１]ꎮ将农作物秸秆与畜禽粪便混合进行厌氧发酵制沼气ꎬ不仅能改善农村环境实现秸秆资源化利用ꎬ更能够减少畜禽粪便的消耗ꎬ提高沼气工程运行的持续性和稳定性[２]ꎮ此外混合秸秆发酵还可以改善单一原料进行厌氧发酵消化效率不高的问题ꎬ提高厌氧发酵的消化效果[３－５]ꎮ由此可见将农作物秸秆与畜禽粪便混合厌氧发酵制沼气ꎬ是解决当前沼气生产原料问题的首要途径[６]ꎮ而干发酵的含水率低ꎬ处理后的残留物可做堆肥使用ꎬ不会造成水体污染ꎻ发酵过程中容积产气量高ꎬ因此采用厌氧干发酵的方式制沼气符合环保、节约型社会发展的要求ꎮ为了获得较佳的产气性能ꎬ刘战广[７]等研究表明ꎬ调节粪草比并不能提高原料的产气潜能ꎬ但在营养调节和结构改良方面有一定促进作用ꎮ同时有研究表明接种物的来源、富集培养方式及添加比例对厌氧发酵影响很大ꎬ一般认为接种物添加量为发酵料液的１０％~１５％ꎬ既可实现正常启动其运行也比较稳定[８]ꎮ对于干发酵来讲ꎬ由于含固量(ＴｏｔａｌｓｏｌｉｄꎬＴＳ)比较高(一般在１７％以上)[９]ꎬ若接种量不足ꎬ产甲烷菌数量相对较少ꎬ容易造成ＶＦＡ积累ꎬ出现“酸中毒”ꎬ需要重新调节ꎬ给生产带来不便ꎮ孙国朝[１０]等研究发现ꎬ加大接种量ꎬ是防止前期酸化、缩短干发酵启动时间的关键措施[６]ꎮ马传杰[１１]等人研究发现若接种量较大ꎬ可以实现快速启动ꎬ但会占据较多池容积ꎬ造成消化池容积利用率低ꎮ房明[１２]等研究了接种比对餐厨垃圾中温厌氧消化的影响ꎬ结果表明ꎬ随着接种比逐渐提高(１∶１~４∶１)ꎬ餐厨垃圾的发酵延滞期逐渐缩短ꎮ李文哲[１３]等在不同接种量对稻秆厌氧发酵特性研究中发现ꎬ适量的接种物可以提高消化系统的缓冲能力ꎬ有利于产气高峰提前ꎮ由此可见ꎬ明确不同接种量对厌氧发酵的影响ꎬ进而实现厌氧发酵条件的科学控制ꎬ对于促进厌氧发酵工程实践具有重要意义ꎮ本试验选取常见的农业废弃物猪粪和水稻秸秆为底物ꎬ研究猪粪与秸秆在不同ＶＳ质量比条件下混合产沼气的特性ꎬ探索不同接种量对猪粪秸秆厌氧干发酵的影响ꎬ为厌氧干发酵的科学运行与管理奠定理论基础ꎮ１材料和方法１.１底物与接种物猪粪和秸秆均取自天津市西青区益利来养殖有限公司ꎬ猪粪为养殖场日产鲜猪粪ꎬ取回后储存于４℃±１℃的冰箱ꎬ秸秆风干后粉碎至０.５~１.０ｃｍꎬ并存放于干燥阴凉处ꎮ接种物取自实验室正常运行的中温混合厌氧反应器(ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｔｉｒｒｅｄｔａｎｋｒｅａｃ￣ｔｏｒꎬＣＳＴＲ)ꎮ活性污泥取出后４０００ｒ气筒抽取测量产气体积ꎬ并定期用２ｍＬ注射器采集气体样品ꎬ用于ＣＨ４和ＣＯ２含量测定ꎮ表２各处理组原料、接种物加入量处理组原料比(ＶＳ质量比)猪粪ｇ水稻秸秆ｇ接种量(ＶＳ质量比)接种物ｇ初始有机负荷(ｇＶＳ个产气高峰ꎬ产气量分别为２３１.６７ｍＬ和１７６.６７ｍＬꎬ甲烷体积分数分别为５１.８８％和３９％ꎮ猪粪∶秸秆为２∶１ꎬ接种量为５０％的试验组(ＰＨ￣２)在第１４天达到第一个产气高峰ꎬ产气量２１３.３３ｍＬꎬ甲烷体积分数为５５％ꎻ接种量为３０％(ＰＬ￣２)与４０％(ＰＭ￣２)的试验组分别在第１８天和第１２天达到产气高峰ꎬ产气量分别１９１.６６ｍＬ和２１１.６７ｍＬꎬ甲烷体积分数分别为５