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        活性炭對(duì)秸稈和豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的影響

        2022-07-18 12:51:12朱佳琪陳芳清黃永文熊丹偉劉楊赟
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)甲烷厭氧發(fā)酵豬糞

        朱佳琪,陳芳清,黃永文,熊丹偉,劉楊赟

        (1.三峽大學(xué)湖北省三峽地區(qū)生態(tài)保護(hù)與治理國(guó)際聯(lián)合研究中心,湖北 宜昌 443002;

        2.湖北正江環(huán)??萍加邢薰?,湖北 宜昌 443002)

        秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)既能生產(chǎn)清潔生物能源,又能減少碳排放,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源化利用的有效途徑之一[1]。秸稈厭氧發(fā)酵可分為秸稈單一底物厭氧發(fā)酵和秸稈與有機(jī)廢棄物混合厭氧發(fā)酵。由于發(fā)酵基質(zhì)碳含量高、氮含量相對(duì)低而出現(xiàn)的碳氮比失衡情況,秸稈單一底物厭氧發(fā)酵存在發(fā)酵進(jìn)程緩慢、發(fā)酵效率低下等問題[2]。秸稈與其他有機(jī)廢棄物混合厭氧發(fā)酵能克服這一缺陷,平衡發(fā)酵基質(zhì)營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)微生物群落的生長(zhǎng)與發(fā)育,達(dá)到加快厭氧發(fā)酵的進(jìn)程、提高產(chǎn)氣效率的目的[3,4]。秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷通常利用沼氣池和發(fā)酵罐進(jìn)行,這類方式存在運(yùn)輸量大、殘?jiān)幚砝щy的問題[5]。日本名城大學(xué)田村廣人教授研發(fā)出了在水稻田直接利用水稻秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物甲烷的技術(shù)(Methane gas as renewable energy at rice fields tian,GET)[6]。該技術(shù)的原理是利用特制的覆蓋膜系統(tǒng)和水淹條件營(yíng)造厭氧環(huán)境,將發(fā)酵基質(zhì)和土壤混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵,再通過集氣裝置收集生物甲烷并加以利用。因此,該技術(shù)除了能有效解決上述問題外,還能降低生產(chǎn)成本、改善土壤肥力。但是,由于該技術(shù)只使用秸稈作為發(fā)酵基質(zhì),發(fā)酵進(jìn)程和產(chǎn)率一定程度上受到了限制。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)了水稻秸稈與農(nóng)家有機(jī)肥田間混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的技術(shù)(Biological methane production from the mixed fermentation with rice straw and farm manure at field,BMP)[7],通過改善發(fā)酵基質(zhì)的碳氮比和發(fā)酵系統(tǒng)微生物的組成,有效地提高了生物甲烷的產(chǎn)率。

        秸稈田間厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷由于利用水稻田農(nóng)閑季節(jié)進(jìn)行,厭氧發(fā)酵進(jìn)程的啟動(dòng)時(shí)間、產(chǎn)氣量、底物降解效率和發(fā)酵周期常因溫度較低而受到一定影響。加入以活性炭為代表的碳基導(dǎo)電材料作為添加劑被認(rèn)為是一種能促進(jìn)厭氧發(fā)酵進(jìn)程的有效辦法[8,9]?;钚蕴康忍蓟鶎?dǎo)電材料能聚集微生物,維持有利于微生物生長(zhǎng)的環(huán)境,同時(shí)又能促進(jìn)微生物種間電子直接轉(zhuǎn)移,促進(jìn)厭氧發(fā)酵進(jìn)程和生物甲烷產(chǎn)量的提高[10-14]。上述相關(guān)研究結(jié)果均是在單一發(fā)酵基質(zhì)上獲得的,由于秸稈與農(nóng)家肥田間混合厭氧發(fā)酵的基質(zhì)與環(huán)境明顯不同,該結(jié)果是否適用不得而知。本研究以秸稈與農(nóng)家有機(jī)肥田間混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的技術(shù)原理為依據(jù),構(gòu)建了試驗(yàn)用厭氧發(fā)酵裝置,以水稻秸稈和豬糞為混合發(fā)酵基質(zhì),以水稻田土壤為發(fā)酵的微生物來源,通過加入不同含量的活性炭,測(cè)定各處理發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣量、揮發(fā)性脂肪酸、pH、秸稈降解率等指標(biāo)的變化,揭示了活性炭對(duì)水稻秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵進(jìn)程和產(chǎn)生物甲烷的作用及其相關(guān)機(jī)制,為改善水稻秸稈與豬糞田間混合厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷技術(shù)提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        水稻秸稈和土壤取自宜昌市農(nóng)業(yè)科學(xué)院枝江試驗(yàn)站的水稻田,豬糞取自周邊養(yǎng)豬場(chǎng)。將水稻秸稈剪成3~5 cm,所采取的秸稈、豬糞和土壤取樣風(fēng)干備用。水稻秸稈、豬糞的主要特性見表1。

        表1 水稻秸稈和豬糞的主要理化特性

        1.2 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)

        試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)用的發(fā)酵裝置包括用于填充土壤、秸稈和豬糞的厭氧發(fā)酵瓶(2 L)和應(yīng)用排水法收集氣體的集氣瓶(550 mL)。厭氧發(fā)酵瓶的頂部設(shè)有取樣口和與集氣瓶連接的出口,厭氧發(fā)酵瓶和集氣瓶用橡膠導(dǎo)氣管連接。試驗(yàn)以活性炭為添加劑,共設(shè)置6個(gè)處理,活性炭的添加量分別是為發(fā)酵基質(zhì)質(zhì)量的1%、2%、3%、6%、8%和0%,各記為C1、C2、C3、C4、C5和CK(對(duì)照)。每個(gè)試驗(yàn)裝置為1個(gè)試驗(yàn)單元,每個(gè)處理水平各包含3個(gè)重復(fù)。

        在試驗(yàn)開始前,每個(gè)發(fā)酵裝置以TS重量為基準(zhǔn),各加入120 g風(fēng)干后的發(fā)酵基質(zhì)(豬糞和秸稈各60 g)和80 g水稻田土壤(接種物),混合后按上述添加劑處理水平分別稱取一定量的添加劑溶于1 L去離子水中,經(jīng)攪拌搖勻后加入到發(fā)酵基質(zhì)中。最后密封發(fā)酵裝置,在中溫(35±1)℃下進(jìn)行為期90 d的混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。

        1.3 相關(guān)參數(shù)的測(cè)定

        試驗(yàn)前發(fā)酵基質(zhì)特性的測(cè)定。水稻秸稈和豬糞的總固體(TS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用烘箱干燥(105±5)℃恒重法測(cè)定。發(fā)酵基質(zhì)的揮發(fā)性固體(VS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用馬弗爐下灼燒(550±20)℃恒重法測(cè)定??傆袡C(jī)質(zhì)(TOC)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

        產(chǎn)氣量和甲烷含量的測(cè)定。每5 d采用排水法和氣相色譜儀分別測(cè)定。

        揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和pH的測(cè)定。每5 d吸取少量發(fā)酵液利用比色法測(cè)定其揮發(fā)性脂肪酸含量,同時(shí)用pH計(jì)測(cè)定pH。

        秸稈含量的測(cè)定。試驗(yàn)前后分別從各處理取水稻秸稈樣品,采用72%濃硫酸水解法、2 mol/L鹽酸水解法和濃硫酸法測(cè)定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量[15]。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        分別統(tǒng)計(jì)各處理在不同時(shí)間的甲烷產(chǎn)量、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)含量以及pH,分析各處理水平產(chǎn)氣的動(dòng)態(tài)變化。以活性炭添加量為變量,累積產(chǎn)甲烷量、秸稈木質(zhì)纖維素含量和降解率為因變量,采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因子方差分析,分析不同添加量的活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力和秸稈降解的影響,當(dāng)單因子作用達(dá)到顯著水平時(shí)(P<0.05),采用S-N-K法進(jìn)行多重比較,分析各處理之間的差異水平。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量、p H和揮發(fā)性脂肪酸的時(shí)間動(dòng)態(tài)

        厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量、pH和揮發(fā)性脂肪酸含量隨發(fā)酵進(jìn)程呈不同的動(dòng)態(tài)變化格局(圖1)。各活性炭處理的甲烷產(chǎn)量大體呈“雙峰”變化趨勢(shì)(圖1a)。在發(fā)酵15 d后,各處理的產(chǎn)氣量開始迅速增加,其中C1、C2和C3處理的產(chǎn)甲烷速率較CK處理快,各活性炭處理(C1、C2、C3、C4和C5)在第15~20天的甲烷產(chǎn)量為300.21、300.13、282.49、216.55和153.33 mL,分別比CK處理(227.61 mL)提高了31.90%、31.86%、24.11%、-4.86%和-32.63%。隨后各處理在第35~40天到達(dá)第一個(gè)產(chǎn)甲烷高峰,各活性炭處理(C1、C2、C3、C4和C5)的第一個(gè)產(chǎn)甲烷峰值為478.97、497.92、549.47、405.35和427.26 mL,分別比CK處理(396.15 mL)提高了20.91%、25.69%、38.70%、2.32%和7.85%。發(fā)酵前45 d,各處理的累積甲烷產(chǎn)量均達(dá)到各自總累積甲烷產(chǎn)量的79%以上。第1次甲烷產(chǎn)量達(dá)到峰值后,各處理甲烷產(chǎn)量迅速下降,在第50天達(dá)到低點(diǎn)。隨后,添加活性炭的處理甲烷產(chǎn)量再次上升,均在第60天達(dá)到第2個(gè)峰值,以C2處理的第2個(gè)峰值最高(267.57 mL),但對(duì)照組沒有形成第2個(gè)產(chǎn)氣高峰。

        圖1 添加活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量、p H和揮發(fā)性脂肪酸的影響

        各處理的pH呈“單谷”變化趨勢(shì)(圖1b)。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),各處理pH先下降,至第15天達(dá)到最低點(diǎn),其后迅速上升,CK組pH在第35天達(dá)到最高點(diǎn)(7.32),活性炭添加劑組均在第40天達(dá)到最高點(diǎn),隨后各處理pH在7.18~7.29波動(dòng)。各處理pH最低點(diǎn)變化為5.78~5.90;最高點(diǎn)為7.32~7.39。

        各處理的VFAs濃度均呈“單峰”變化趨勢(shì)(圖1c)。各活性炭處理VFAs含量峰值隨活性炭添加量的增加呈下降趨勢(shì),各活性炭處理以C1處理峰值最高(2 977.29 mg/L),其余活性炭處理VFAs濃度峰值均低于CK處理(2 865.21 mg/L),并且CK處理到達(dá)峰值的時(shí)間明顯晚于各活性炭處理。15 d后,各處理VFAs濃度總體呈下降趨勢(shì),并在45 d后保持在較低水平(299.17~657.04 mg/L)波動(dòng)。

        2.2 活性炭對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

        活性炭的加入對(duì)混合厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量有顯著影響(P<0.05)(表2)。累積產(chǎn)甲烷量隨活性炭添加量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。C2和C3處理對(duì)水稻秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力具有顯著促進(jìn)作用(P<0.05),與CK處理相比,C2和C3處理累積產(chǎn)甲烷量分別提高了29.29%和28.04%。C1、C4和C5處理對(duì)累積產(chǎn)甲烷量無顯著影響(P>0.05),累積產(chǎn)甲烷量相比CK處理分別提高了9.52%、9.02%和-0.06%。

        表2 各處理的累積產(chǎn)甲烷量和TS、VS產(chǎn)甲烷量

        2.3 活性炭對(duì)秸稈木質(zhì)纖維素降解的作用

        活性炭對(duì)總木質(zhì)纖維素、纖維素和半纖維素的降解有顯著影響,但對(duì)木質(zhì)素降解的影響不顯著(表3)?;钚蕴康募尤肽茱@著提高秸稈中總木質(zhì)纖維素的降解率(P<0.05),C1、C2、C3、C4和C5處理的總木質(zhì)纖維素降解率分別為(22.20±6.11)%、(26.38±2.46)%、(29.57±2.59)%、(24.35±5.04)%和(22.75±4.21)%,與對(duì)照組相比,分別上升了69.47%、101.47%、125.73%、85.88%和73.66%。各活性炭添加劑組的纖維素降解率與對(duì)照組相比均有顯著性上升(P<0.05),半纖維素降解率僅在C2和C3處理中存在顯著性上升(P<0.05)。各處理以C3處理的降解效果最好,總木質(zhì)纖維素降解率為(29.57±2.59)%,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為(45.35±4.42)%、(34.09±5.39)%、(-20.98±5.46)%。

        表3 各處理對(duì)秸稈降解的影響 (單位:%)

        3 討論

        3.1 活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷進(jìn)程的影響

        活性炭等碳基導(dǎo)電材料的添加是提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力的一種重要手段。活性炭的添加首先會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵進(jìn)程產(chǎn)生影響。厭氧發(fā)酵一般分為3個(gè)階段,水解階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段[16]。在水解階段,厭氧菌將復(fù)雜的有機(jī)物分解成分子量較小的氨基酸、可溶性單糖、甘油與脂肪酸,此時(shí)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率低,VFAs含量開始升高,同時(shí)pH開始下降。酸化階段,在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下,第一階段的中間產(chǎn)物如醇類和脂肪酸轉(zhuǎn)化為乙酸、氫和二氧化碳等,此時(shí)VFAs含量上升至峰值,pH繼續(xù)下降,同時(shí)甲烷產(chǎn)量開始上升。在產(chǎn)甲烷階段,產(chǎn)甲烷菌將乙酸等簡(jiǎn)單有機(jī)物分解成甲烷和二氧化碳,二氧化碳在氫氣的作用下還原成甲烷,此時(shí)的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率高,且VFAs含量由于產(chǎn)甲烷菌的利用而逐漸下降,pH開始上升。VFAs是秸稈厭氧發(fā)酵過程中反映微生物代謝的一個(gè)重要中間產(chǎn)物,其濃度變化、積累情況,均可體現(xiàn)水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷各階段的底物轉(zhuǎn)化速率情況[17]。pH的變化對(duì)產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌影響較大,產(chǎn)酸菌適應(yīng)的pH為5~8,而產(chǎn)甲烷菌適應(yīng)的pH范圍較窄,為6.8~7.4。本研究中,在發(fā)酵前15 d,VFAs含量上升至峰值,同時(shí)甲烷產(chǎn)量處于較低水平,表明此時(shí)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于水解和酸化階段。15 d后,甲烷產(chǎn)量大幅上升,VFAs含量呈下降趨勢(shì),表明此時(shí)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于高效產(chǎn)甲烷階段。同時(shí),整個(gè)厭氧發(fā)酵過程的pH均保持在產(chǎn)甲烷菌適宜的范圍內(nèi)。各處理各時(shí)期甲烷產(chǎn)量、VFAs含量變化與3階段理論基本一致,其不同主要在于各處理甲烷產(chǎn)量和VFAs含量峰值的大小和出現(xiàn)時(shí)間。甲烷產(chǎn)量方面,各活性炭處理峰值大小均高于CK處理,VFAs含量方面,峰值出現(xiàn)的時(shí)間均早于CK處理。

        活性炭由許多呈石墨型的層狀結(jié)構(gòu)微晶不規(guī)則地集合而成,具有多孔、比表面積大的結(jié)構(gòu),能夠吸附發(fā)酵液中微生物的有害抑制物(如NH3、氫氧化銨、硫化物等),加快產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸等的轉(zhuǎn)化,同時(shí)為微生物的富集創(chuàng)造了環(huán)境,促進(jìn)微生物種間直接電子轉(zhuǎn)移,提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力[18-21]?;钚蕴磕艽龠M(jìn)互營(yíng)VFAs氧化細(xì)菌(Gelria和Syntrophomonas)以及與種間直接電子傳遞相關(guān)的微生物(Geobacter和Methanosarcina)的富集,達(dá)到加速底物分解、提高產(chǎn)甲烷能力的目的[22]。因此,活性炭的加入對(duì)水稻秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵進(jìn)程的作用主要體現(xiàn)在提高微生物活性以加快厭氧發(fā)酵進(jìn)程和提高反應(yīng)程度[23]。但不同添加量的活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵進(jìn)程的促進(jìn)作用有差異。Yan等[24]研究了活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的作用,發(fā)現(xiàn)活性炭添加量在0.125~2.000 g/L,產(chǎn)甲烷速率與活性炭添加量呈正相關(guān)。本研究中,活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵的促進(jìn)作用隨添加量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì),以C3處理促進(jìn)作用最佳。發(fā)酵初期C1、C2和C3處理的VFAs含量上升速率、產(chǎn)甲烷速率均比CK處理高,VFAs含量開始下降的時(shí)間較CK處理提前,產(chǎn)甲烷峰值大小均高于CK處理??梢钥闯觯趨捬醢l(fā)酵系統(tǒng)中加入適量活性炭能加速微生物對(duì)底物的利用,加快厭氧發(fā)酵進(jìn)程和提高反應(yīng)程度。

        3.2 活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力的影響

        活性炭等碳基導(dǎo)電材料的添加一般能促進(jìn)厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量,但活性炭的添加量也有適宜范圍,活性炭添加量太低和太高,促進(jìn)效果均不顯著,過高濃度的活性炭會(huì)降低厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生物甲烷的能力。秦向東等[25]研究了活性炭對(duì)雜交狼尾草厭氧發(fā)酵的影響,發(fā)現(xiàn)活性炭添加量?jī)H在1.6 g/L時(shí)甲烷產(chǎn)量略有升高(1.34%),當(dāng)添加量為2.0~8.0 g/L時(shí),厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣量隨著活性炭添加量的增加而減少。Pallavi等[26]研究發(fā)現(xiàn),在高溫條件下小麥殼與污泥混合厭氧發(fā)酵,總產(chǎn)氣量隨著顆粒活性炭濃度的增加而降低,當(dāng)添加量高于30 g/L時(shí),其總產(chǎn)氣量低于對(duì)照組。本研究中活性炭的添加量分別為發(fā)酵基質(zhì)質(zhì)量的1%、2%、3%、6%和8%。結(jié)果表明,當(dāng)活性炭添加量為發(fā)酵基質(zhì)質(zhì)量的2%時(shí)產(chǎn)甲烷促進(jìn)效果最好。然而,隨著添加量的增加,其促進(jìn)效果呈減弱的趨勢(shì)。其原因可能與活性炭添加對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的影響有關(guān)。在一定添加量范圍內(nèi),活性炭可以為微生物群落提供適宜的微生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)厭氧發(fā)酵微生物系統(tǒng)的形成與活動(dòng)[27]。但是,當(dāng)活性炭添加量增加到一定程度時(shí),由于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限,微生物數(shù)量的急劇增加并不會(huì)引起生物甲烷產(chǎn)量同步增長(zhǎng),反而會(huì)因微生物間的競(jìng)爭(zhēng)作用一定程度影響到生物甲烷產(chǎn)量[28]。

        3.3 活性炭對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)秸稈降解的影響

        水稻秸稈中木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生物甲烷來自于水稻秸稈木質(zhì)纖維素中碳的分解與轉(zhuǎn)化[29]。伴隨著厭氧發(fā)酵進(jìn)程,秸稈的纖維素和半纖維素含量大幅降低,而木質(zhì)素因降解困難,其在木質(zhì)纖維素含量中所占比例反而略有升高[30]。甘榮等[31]研究了活性炭在中高溫條件下對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵的影響,發(fā)現(xiàn)添加5 g/L活性炭使秸稈纖維素、半纖維素降解率分別提高了63%和56%。本研究中,活性炭的添加能顯著促進(jìn)秸稈中總木質(zhì)纖維素的降解,其中對(duì)秸稈中纖維素降解率有顯著影響,對(duì)半纖維素降解率的影響僅在C2和C3處理能達(dá)到顯著性,而對(duì)木質(zhì)素降解率無顯著性影響?;钚蕴康奶砑訉?duì)木質(zhì)纖維素降解的促進(jìn)作用,可能是由于活性炭吸附菌群后,改變了菌群數(shù)量和種類,富集強(qiáng)化了水解菌和產(chǎn)甲烷菌,從而提高秸稈降解率。

        厭氧發(fā)酵中木質(zhì)纖維素的降解程度與厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力有直接的關(guān)系,本研究以豬糞和秸稈為發(fā)酵基質(zhì),通過添加活性炭來促進(jìn)秸稈的降解和提高生物甲烷的產(chǎn)量。試驗(yàn)中秸稈木質(zhì)纖維素的降解和厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能的變化是趨同的。各處理秸稈總木質(zhì)纖維素降解率越高,其累積甲烷產(chǎn)量也就越高。各處理中以C2和C3處理總木質(zhì)纖維素降解率最高,分別為26.38%和29.57%,比對(duì)照提高了101.47%和125.73%,其累積甲烷產(chǎn)量也因此分別比對(duì)照組提高了29.29%和28.04%。該結(jié)果與已有的相關(guān)研究結(jié)果一致[32]。

        本研究在實(shí)驗(yàn)室水平測(cè)試了活性炭對(duì)豬糞和秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的作用。在田間試驗(yàn)與生產(chǎn)中,考慮到應(yīng)用成本,可利用生物炭來取代進(jìn)行。生物炭一般是由植物根莖、木屑、秸稈等加工而成的一種多孔炭,常被用做常規(guī)炭質(zhì)材料(如活性炭、碳納米管和氧化石墨烯)的替代品[33]。其平均全碳含量達(dá)到64%,平均比表面積為124.83 m2/g。因此生物炭作為外源添加物對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力同樣具有促進(jìn)作用[34,35]。今后將進(jìn)一步研究生物炭作為添加劑用于田間厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的可行性,以促進(jìn)水稻秸稈與農(nóng)家有機(jī)肥混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

        4 結(jié)論

        活性炭的添加能調(diào)控厭氧發(fā)酵進(jìn)程。添加量在1%~3%能加快厭氧發(fā)酵進(jìn)程,并且能夠維持厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的pH保持在6.76~7.39。添加適量的活性炭對(duì)秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力有顯著的促進(jìn)作用,在2%活性炭添加量的條件下促進(jìn)效應(yīng)最為顯著,其累積甲烷產(chǎn)量與對(duì)照組相比提高了29.29%?;钚蕴康奶砑舆€能促進(jìn)纖維素和半纖維素的降解。添加量在3%時(shí)對(duì)秸稈的降解作用最好,總木質(zhì)纖維素降解率達(dá)到29.57%。

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