李家威， 趙一全， 王海鵬， 高亞梅， 晏 磊， 梅自力， 王偉東

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點實驗室， 黑龍江省秸稈資源化利用工程中心， 黑龍江 大慶 163319; 2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 四川 成都 610041)

中國糧食年產(chǎn)量平均為6億噸[1]，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)作物秸稈資源連年增長，2015年達到9億噸，未被資源化利用的秸稈量約有1.8億噸[2]，其中大部分秸稈被焚燒，加重了空氣污染。如何資源化利用農(nóng)作物秸稈成為目前社會關(guān)注的焦點，其中利用農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物質(zhì)能源沼氣是研究熱點之一。Li[3]等研究3種秸稈(玉米、水稻、小麥)和牛糞分別以不同比例進行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)當(dāng)糞桿比為1∶1時，累積產(chǎn)氣量最大。Candia[4]等采用批次試驗研究了水稻秸稈厭氧發(fā)酵特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種物與底物的比例為0.8時，沼氣產(chǎn)量最大為410 L·kg-1VS。Wendy[5]等對水稻秸稈的厭氧發(fā)酵進行綜述，發(fā)現(xiàn)其甲烷產(chǎn)量在92～280 L·kg-1VS之間。Mao[6]等通過玉米秸稈與豬糞發(fā)酵實驗進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為7.5、糞桿比為7∶3時，產(chǎn)甲烷量最大為220 mL·g-1VS。白娜[7]等研究了不同溫度(15℃，25℃，35℃和45℃)下玉米秸稈、小麥和油菜的產(chǎn)氣潛力，發(fā)現(xiàn)溫度為35℃時，玉米秸稈的產(chǎn)氣潛力為0.40～0.46 L·g-1TS。通過以上研究可知，人們主要對大田作物秸稈(玉米、水稻、小麥等)沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣特性進行了研究。我國雜糧作物主要包括谷子、糜子、高粱、綠豆、蕓豆、小豆等，種植面積為1.1～1.3億畝，占糧食播種總面積的5%～7%[8]。其中，谷子和綠豆年產(chǎn)量分別為196.6萬噸和70.5萬噸[9]，相應(yīng)的秸稈產(chǎn)量分別為314.5萬噸、112.8萬噸[10]。秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)能源沼氣是其資源化利用的有效途徑，大田農(nóng)作物秸稈沼氣發(fā)酵研究和實踐經(jīng)驗已經(jīng)很成熟，但是相較而言，雜糧秸稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的研究卻鮮有報道，雜糧秸稈資源的利用常被人們忽視，造成了農(nóng)業(yè)廢棄物資源的浪費。

綜上所述，本試驗選取黑龍江省的玉米、水稻、大豆、谷子、糜子和綠豆等6種秸稈作為沼氣發(fā)酵原料，進行厭氧發(fā)酵批次試驗，通過對各秸稈之間產(chǎn)氣特性進行研究，探討其不同組成成分對秸稈產(chǎn)氣效果的影響，促進人們對雜糧類秸稈沼氣厭氧發(fā)酵的了解，并對雜糧作物秸稈沼氣厭氧發(fā)酵的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用玉米、水稻、大豆、谷子、糜子、綠豆等6種秸稈均取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)實驗基地，秸稈自然風(fēng)干，粉碎后置于干燥通風(fēng)處備用。反應(yīng)啟動的接種物取自本實驗室以牛糞為原料長期穩(wěn)定運行的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。發(fā)酵原料的主要性質(zhì)見表1。

表1 發(fā)酵原料的主要性質(zhì) (%)

1.2 發(fā)酵體系建立

如圖1，試驗裝置采用1 L螺口瓶，瓶口處用硅膠塞密封，硅膠塞設(shè)有取樣口和出氣口，出氣口與5 L集氣袋相連，用于收集氣體，總產(chǎn)氣量和甲烷含量利用GA2000沼氣分析儀(Geotech Biogas Check)測定。

反應(yīng)采用批次試驗，發(fā)酵體積700 mL，接種物500 mL，設(shè)定總TS為8%，每個處理3個重復(fù)，共18個發(fā)酵裝置。在35℃±1℃恒溫室內(nèi)進行發(fā)酵，每24 h測定沼氣產(chǎn)量和成分。

1.3 測定方法

1.3.1 總固體含量和揮發(fā)性固體含量測定

總固體含量(Total Solids，TS)和揮發(fā)性固體含量(Volatile solids, VS)：采用美國環(huán)保部Method-1684法進行測定，首先將發(fā)酵料液放入105℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱(GZX-9240MBE)中烘至恒重，冷卻稱重，記錄數(shù)據(jù)，然后將烘干后的樣品放入500℃馬弗爐(KSY-6-16A)中灼燒至恒重，冷卻稱重，記錄數(shù)據(jù)。TS和VS的計算公式如下：

圖1 發(fā)酵裝置示意圖

(1)

(2)

式中：m0為坩堝重量；m1為烘干前樣品與坩堝總重；m2為烘干后樣品與坩堝總重；m3為灼燒后殘留物與坩堝總重。

1.3.2 pH值測定

利用筆試pH計B-712(HORIBA)進行測定。首先分別將各處理樣本混合均勻，然后用移液器分別量取1 mL樣品，按照操作規(guī)程測定pH值，每測一個樣品，需更換移液器槍頭，并用蒸餾水清洗pH計，濾紙擦干后待用，每組3次重復(fù)，取平均值。

1.3.3 總有機碳和總氮測定

總有機碳(TOC)和總氮(TN)利用multi N/C 2100 S總有機碳/總氮分析儀(analytik jena)測定。首先將各發(fā)酵料液放于105℃干燥箱中烘至恒重，再將烘干樣粉碎至40目待用。TOC樣品的處理：準(zhǔn)確稱取空白舟質(zhì)量，再稱取20±5 mg樣品置于空白舟內(nèi)，每組3次重復(fù)。TN樣品處理：稱取100 mg樣品放于20 mL配置好的過硫酸鉀溶液(20 g·L-1K2S2O8，3 g·L-1NaOH)中，混合消煮15 min后靜置，取上清液于測試瓶中，每組3次重復(fù)。取處理后樣品，分別根據(jù)碳氮分析儀的固體模塊(TOC)和液體模塊(TN)操作規(guī)程進行測定。

1.3.4 木質(zhì)纖維素成分測定

利用FIWE3/6纖維素測定儀(北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司)測定木質(zhì)纖維素成分。首先將發(fā)酵料液烘干，樣品粉碎至40目，稱取1 g粉碎樣品，精度為1 mg，放置于烘干至恒重的坩堝中，根據(jù)測定儀操作規(guī)程進行測定?？蓽y定發(fā)酵料液中的酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌木質(zhì)素(Acid detergent lignin，ADL)。其中，纖維素含量=ADF-ADL，半纖維素含量=NDF-ADF，ADL即為木質(zhì)素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Origin 8.5和SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量變化

試驗第1天，綠豆秸稈的日產(chǎn)氣量最高為2003 mL，玉米秸稈的產(chǎn)氣量最低為820 mL(見圖2)。在發(fā)酵進行的第2天各處理均達到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣高峰值從大到小依次是：綠豆(2333 mL)、糜子(2083 mL)、谷子(1550 mL)、大豆(1383 mL)、玉米(1190 mL)和水稻(1073 mL)。第2天后，隨著發(fā)酵的進行各秸稈產(chǎn)氣開始下降，各處理日產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢。到第9天后，產(chǎn)氣變化較小，第11天基本停止產(chǎn)氣，因此，試驗結(jié)果統(tǒng)計到試驗第11天。

6種秸稈累積產(chǎn)氣量從大到小依次是：綠豆(7334 mL)、玉米(7103 mL)、糜子(6580 mL)、谷子(6390 mL)、水稻(5897 mL)和大豆(4707 mL)(見圖3)。綠豆秸稈的產(chǎn)氣高峰值最大，在發(fā)酵的前3天就可產(chǎn)生大部分沼氣，產(chǎn)氣效率最高。玉米秸稈前期產(chǎn)氣速率較慢，反應(yīng)3 d后，其日產(chǎn)氣量相較其他秸稈下降的較為緩慢，最終累積產(chǎn)氣量僅次于綠豆秸稈。糜子秸稈的產(chǎn)氣高峰值僅次于綠豆秸稈，但累積產(chǎn)氣量在第7天時被玉米秸稈超越，排在第三位。谷子秸稈日產(chǎn)氣量在第2天達到最大，發(fā)酵3 d后產(chǎn)氣量開始緩慢下降。水稻秸稈的日產(chǎn)氣量雖然從第4天到發(fā)酵結(jié)束后，僅低于玉米秸稈，但因水稻秸稈前期的產(chǎn)氣高峰最低，最后累積產(chǎn)氣量僅高于大豆秸稈。大豆秸稈前期的產(chǎn)氣效率較低，且在第3天后日產(chǎn)氣量迅速下降，累積產(chǎn)氣量為6種秸稈中最低。

圖2 日產(chǎn)氣量變化

圖3 累積產(chǎn)氣量變化

2.2 沼氣成分含量變化

由圖4～圖9可知，甲烷含量的最高值從大到小依次是：綠豆秸稈在發(fā)酵進行的第3天，甲烷含量達到最高值為60.2%；糜子秸稈第4天達到53.5%；玉米秸稈第4天達到52.8%；谷子秸稈第3天達到50.0%；水稻秸稈第2天達到49.7%；大豆秸稈第3天達到48.4%。各秸稈發(fā)酵11 d甲烷含量平均值從大到小依次是：綠豆(47.1%)、玉米(45.9%)、糜子(45.4%)、谷子(44.7%)、水稻(43.8%)和大豆(41.9%)。所有秸稈的甲烷含量在第1天均較低，且變化趨勢都為先升高，穩(wěn)定后，再降低。隨著反應(yīng)的進行，CO2的含量逐漸減少，其他氣體(Balance，BAL)成分逐漸升高，O2濃度在整個發(fā)酵過程的沼氣成分中僅占1%～9%。

圖4 玉米秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

圖5 水稻秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

圖6 大豆秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

圖7 谷子秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

圖8 糜子秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

圖9 綠豆秸稈厭氧發(fā)酵沼氣成分含量變化

2.3 日產(chǎn)甲烷量、累積產(chǎn)甲烷量變化

如圖10所示，6種秸稈均在發(fā)酵第2天達到產(chǎn)甲烷高峰，其從大到小依次是：綠豆(1213 mL)、糜子(939 mL)、谷子(760 mL)、大豆(661 mL)、水稻(533 mL)和玉米(529 mL)。如圖11所示，6種秸稈累積產(chǎn)甲烷量的變化，從大到小依次是：綠豆(3623 mL)、玉米(3289 mL)、糜子(2999 mL)、谷子(2877 mL)、水稻(2634 mL)和大豆(2035 mL)。日產(chǎn)甲烷和累積產(chǎn)甲烷的特性均與產(chǎn)沼氣特性一致，且無論是沼氣產(chǎn)量還是甲烷產(chǎn)量，綠豆秸稈均為最高。

圖10 日產(chǎn)甲烷量變化

圖11 累積產(chǎn)甲烷量變化

2.4 TS產(chǎn)氣率、有效TS產(chǎn)甲烷率變化

圖12為6種秸稈厭氧發(fā)酵的TS產(chǎn)氣率，其中綠豆秸稈的TS產(chǎn)氣率最高為131.0 mL·g-1，然后依次是玉米秸稈126.8 mL·g-1，糜子秸稈117.5 mL·g-1，谷子秸稈114.1 mL·g-1，水稻秸稈105.3 mL·g-1，大豆秸稈84.0 mL·g-1。

有效TS產(chǎn)甲烷率為各反應(yīng)體系每消耗1 g的總固體含量所對應(yīng)的產(chǎn)甲烷量。如圖13所示，6種秸稈的有效TS產(chǎn)甲烷率中綠豆秸稈最高為483.7 mL·g-1，糜子秸稈次之，為470.7 mL·g-1，然后依次是玉米秸稈348.0 mL·g-1，谷子秸稈345.4 mL·g-1，水稻秸稈342.1 mL·g-1，大豆秸稈的最低為242.3 mL·g-1。

圖12 6種秸稈的TS產(chǎn)氣率

圖13 6種秸稈的有效TS產(chǎn)甲烷率

2.5 總有機碳和總氮變化

圖14和圖15為6種秸稈發(fā)酵沼液消化前后總有機碳和總氮含量的變化。反應(yīng)前后總有機碳減重率從大到小依次為：綠豆(43.25%)、玉米(32.60%)、糜子(26.33%)、谷子(25.71%)、水稻(24.82%)和大豆(22.22%)。總氮減重率的大小依次為：綠豆(21.77%)、玉米(18.09%)、糜子(17.39%)、谷子(15.38%)、水稻(14.47%)和大豆(13.11%)。綠豆秸稈沼液消化前后總有機碳和總氮的減重率均最大，分別減少了43.25%和21.77%，綠豆秸稈的累積產(chǎn)氣量也為最高。通過SPSS軟件相關(guān)性分析可知，秸稈的累積產(chǎn)氣量與總氮減重率(p=0.017)顯著相關(guān)，與總有機碳減重率(p>0.05)不相關(guān)。

2.6 木質(zhì)纖維素降解率，C/N與累積產(chǎn)氣量相關(guān)性分析

木質(zhì)纖維素是秸稈材料中難以被降解的有機物，因此要提高秸稈類生物質(zhì)的資源利用率，降解木質(zhì)纖維素是其首要步驟。由表2可知，6種秸稈中綠豆秸稈的纖維素降解率最高為15.43%，大豆秸稈的最低為4.34%；綠豆秸稈的半纖維素降解率最高為9.86%，大豆秸稈的半纖維素降解率最低為3.25%。秸稈的累積產(chǎn)氣量與纖維素降解率(p=0.015)和半纖維素降解率(p=0.024)顯著相關(guān)，與木質(zhì)素降解率(p>0.05)不相關(guān)。

圖14 消化前后總有機碳含量變化

圖15 消化前后總氮含量變化

表2 6種秸稈的木質(zhì)纖維素降解率 (%)

注:數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

對各秸稈發(fā)酵液的C/N進行測定，結(jié)果如表3，各發(fā)酵液C/N分別為玉米秸稈29.04，水稻秸稈36.58，大豆秸稈48.69，谷子秸稈35.90，糜子秸稈30.54，綠豆秸稈23.31。秸稈的累積產(chǎn)氣量與發(fā)酵液的C/N(p=0.001)極顯著相關(guān)。

表3 6種秸稈發(fā)酵液的C/N

注:數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 討論

目前對農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究主要集中在玉米、水稻等大田農(nóng)作物秸稈上。楊立[11]等以玉米、水稻和棉花秸稈為發(fā)酵原料，進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究發(fā)現(xiàn)，各秸稈累積產(chǎn)氣量為：棉花秸稈>玉米秸稈>水稻秸稈。趙玲[12]等研究牛糞與玉米、水稻、大豆秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果發(fā)現(xiàn)，牛糞與玉米秸稈產(chǎn)氣效果最為理想，其次為水稻秸稈和大豆秸稈。以上結(jié)論均與本試驗不同秸稈累積產(chǎn)氣量玉米秸稈>水稻秸稈>大豆秸稈結(jié)論一致。而劉德江[13]等研究不同農(nóng)作物秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣對比試驗發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氣率以水稻秸稈最好，其次為玉米秸稈，小麥秸稈最差。這與本試驗不同，可能是由于其在實驗前先采用5%的NaOH溶液對各秸稈進行了預(yù)處理，且發(fā)酵的TS高達22%等因素有關(guān)。

農(nóng)作物秸稈中木質(zhì)纖維素含量豐富，作為厭氧發(fā)酵原料時，其中纖維素的分解是全過程速率的限制因素[14]。本試驗中綠豆秸稈的纖維素降解率最高，且累積產(chǎn)氣量最高；大豆秸稈的纖維素降解率最低，相應(yīng)的累積產(chǎn)氣量最低。向松明[15]等通過對大豆秸稈等多種纖維材料進行分析得到，大豆纖維素含量高達47.87%，與木材(紅松、樺木)的纖維含量相似，并且大豆秸稈中含有較多酚型的對羥苯基結(jié)構(gòu)單元，微生物很難利用其結(jié)構(gòu)，這也可能是導(dǎo)致大豆產(chǎn)氣量較低的原因之一。

本試驗中，雜糧作物秸稈(谷子、糜子、綠豆)的產(chǎn)氣潛力普遍高于大田作物秸稈(玉米、水稻、大豆)。但要明確雜糧作物秸稈沼氣發(fā)酵的具體特性，還需對厭氧發(fā)酵過程中接種物和底物比例、水力停留時間、揮發(fā)性脂肪酸、微生物群落多樣性等[20-21]做進一步研究。

4 結(jié)論

(1)在本試驗條件下，6種秸稈的累積產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)甲烷量和TS產(chǎn)氣率從大到小均依次為：綠豆秸稈>玉米秸稈>糜子秸稈>谷子秸稈>水稻秸稈>大豆秸稈。

(2)6種農(nóng)作物秸稈的累積產(chǎn)氣量與總氮減重率，纖維素和半纖維素降解率，C/N顯著相關(guān)?？偟獪p重率越大，纖維素和半纖維素降解率越高，C/N越接近23，產(chǎn)氣效果越好。