猪粪和玉米秸秆混合发酵产沼气特性研究_张方政.pdf

黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报第 35 卷收稿日期：2021-12-14基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFD0800906-03）；黑龙江省自然科学基金重点项目（ZD2018005）；中央财政支持地方发展科技项目（ZY16A06-02）；黑龙江省高校科技创新团队项目（2012TD006）；黑龙江农垦总局科技攻关项目（HKKY190404）；黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目（YJSCX2021-Y98）。作者简介：张方政（1994-），男，黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院 2019 级硕士研究生。通信作者：王伟东，男，教授，博士研究生导师，E-mail：。猪粪和玉米秸秆混合发酵产沼气特性研究张方政，许从峰，张伟，申贵男，晏磊，王伟东（黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室/黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319）摘要：东北地区猪粪与玉米秸秆是养殖业和农业主要的废弃物类型之一，为了充分把两种废弃物通过厌氧生物处理途径进行资源化，研究探讨猪粪和玉米秸秆不同配比下混合厌氧发酵产沼气的特征。在中温（371）条件下，总固体含量（TS）为8%，将猪粪与玉米秸秆分别按照不同干重比（10、21、11、12）进行批次厌氧发酵。结果表明，粪秆比 21，累积产生的沼气量和TS 生甲烷率均最高，分别为 306 mL g-1和 138 mL g-1，较粪秆比 10 处理组提高 18.5%和 8.4%，木质纤维的的降解率比粪秆比10 高 5.23%。木质纤维素降解量与累积产沼气量显著相关（P0.05）。关键词：猪粪；玉米秸秆；木质纤维素；厌氧发酵，沼气中图分类号：X71文献标识码：A文章编号：1002-2090（2023）01-0084-07Study on the Characteristics of Biogas Production by Mixed Fermentation ofPig Manure and Corn StrawZhang Fangzheng，Xu Congfeng，Zhang Wei，Sheng Guinan，Yan Lei，Wang Weidong（Key Laboratory of Environmental Microorganisms and Resource Utilization of Agricultural Wastes in Cold Regions of HeilongjiangProvince/College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）Abstract：Pig manure and corn stalks were one of the main types of wastes in aquaculture and agriculture in Northeast China.Inorder to fully utilize the two wastes through anaerobic biological treatment，the characteristics of biogas production were discussed bymixed anaerobic fermentation under different ratios of pig manure and corn straw.Under the condition of medium temperature（371）and total solid content（TS）of 8%，pig manure and corn straw were fermented in batches according to different dry weight ratios（10，21，11，12）.The results showed that when the ratio of manure to straw was 21，the cumulative biogas production and methaneproduction rate of TS were the highest，which were 306 mL g-1and 138 mL g-1，respectively，which were 18.5%and 8.4%higherthan that of 10 group，and the degradation rate of lignin fiber was 5.23%higher than that of 10.There was a significant correlationbetween lignocellulose degradation and cumulative biogas production（P0.05）.Key words：pig manure；corn straw；anaerobic digestion；lignocellulosedoi:10.3969/j.issn.1002-2090.2023.01.014第 35 卷第 1 期2023 年2 月黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University35（1）：8490Feb.2023近年来，随着我国养殖业和农业的快速发展，在经济快速发展的同时也产生了包括畜禽粪便、农作物秸秆等废弃物；这些废弃物处理不当则会加剧各种各样的环境问题（如冰川融化、气候恶劣化、大气层破坏、土壤酸碱化、水体营养不平衡、颗粒物形成、碳排放量超标）1。生猪养殖是我国畜禽养殖业中的重要组成部分，但也产生大量的养殖废弃物、给周围环境带来巨大污染。据 2019 年统计数据显示，我国生猪养殖每年产生不少于 10 亿 t 的粪便，黑龙江省生猪每年产生不少于 5 000 万 t 的粪便；全国每年生产 6 亿多 t 玉米秸秆，黑龙江省每年产生 1.3 亿 t 玉米秸秆2-3。东北地区猪粪与玉米秸秆是养殖业和农第 1 期业主要的废弃物类型之一，国家“南猪北移”政策进一步加大了东北地区猪粪污染的潜在风险4-7。如何有效利用玉米秸秆成为一个难题？现阶段玉米秸秆的综合利用主要是能源化、原料化、饲料化、肥料化和基质化，其中玉米秸秆厌氧消化产沼气、秸秆燃烧发电和以秸秆为原料生产乙醇、乙酸等燃料，为了响应“十四五”号召减少碳排放、实现碳中和，以上秸秆能源化超过整体利用的 20%。近年来，环境保护和能源安全问题使得越来越多的研究集中于秸秆能源化8。厌氧消化产沼气是玉米秸秆能源化重要突破，是获得可再生清洁能源的重要途径9。现阶段黑龙江省秸秆沼气工程得到了国家的重视，制定了一系列政策对秸秆沼气工程进行扶持、补贴鼓励，使得秸秆沼气工程处于较快的发展阶段，但目前仍然存在诸多因素限制黑龙江秸秆沼气工程的发展。大量研究发现，猪粪单独厌氧发酵产甲烷在 1535 均可产气，产甲烷率为 42.25%。但随着 TS 的增加 COD 去除率降低难以符合排污标准，并且猪粪中的氨氮含量高、氨氮含量高表示发酵时 C/N 过低，从而对微生物生长存在抑制作用，使厌氧菌丰度降低导致厌氧发酵启动困难；猪粪单独厌氧发酵易发生氨累积，从而抑制产甲烷菌的生长和降低最终的产甲烷量10-14，消除氨抑制是顺利启动猪粪厌氧消化的关键。李家威等15-16研究不同杂粮作物秸秆发酵产气时发现玉米秸秆产甲烷率不如绿豆秸秆、糜子秸秆等，后续探究玉米秸秆高负荷沼气发酵时发现玉米秸秆单独发酵易发生酸化、并且酸化再平衡需要一定条件和大量时间。将猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵生产沼气是治理这两种农业废弃物污染和使其资源化利用的有效途径之一。由于畜禽粪便和农作物秸秆自身的结构成分特性和碳氮构成特别，所以单独发酵均不具备最佳的厌氧发酵条件，若将高氮的猪粪便和高碳的玉米秸秆混合发酵，或许可以弥补单独发酵时的不足，不仅能够改善环境，还可以对秸秆和粪便废弃物进行回收利用，保护环境的同时达到变废为宝产生了经济效益。齐利格娃等17研究粪草比对猪粪与稻草共混发酵作用所产生沼气的影响，发现温度为（371）条件下，猪粪与稻草按比例混合发酵与猪粪单独发酵处理相比甲烷产率提高 13.0%。试验选取不同配比的猪粪和玉米秸秆作为原料进行厌氧发酵批次试验，通过研究不同配比混合发酵产沼气特性及木质素、纤维素、半纤维素降解情况，解决了猪粪单独发酵厌氧消化启动慢、猪粪单独发酵不稳定的问题，同时，为黑龙江省在厌氧发酵工艺中猪粪和玉米秸秆等废弃秸秆不同配比的产气研究与生产，提供了数据支撑。1材料与方法1.1 材料试验所用玉米秸秆和猪粪取自黑龙江八一农垦大学试验基地，秋天玉米果实收获后将秸秆收割，自然晾晒后（含水率 25%35%），使用 9F-290植物粉碎机将秸秆粉碎至 40 目，粉碎后取部分测量木质纤维含量、含水率，最后置于阴凉干燥处备用（如果长时间未使用需要重新测量含水率）；猪粪为干清粪，粪便收集后放入密闭塑料桶中运往试验室，分装后放入-20 冰柜中保存，使用前置于 4 冰箱解冻备用。接种物来源于黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，长期运行的中温厌氧发酵罐内的发酵产物。试验用水为实验室自来水接入 50 kg 水桶中放置温室，水温度在351、pH 7.80.1。固体原料的基本特性见表 1。表 1发酵原料的性质Table 1Properties of fermentation materials项目固体总物质 TS（%）挥发性固体 VS（%）纤维素含量（%）半纤维素含量（%）木质素含量（%）接种物10.596.681.191.374.21玉米秸秆95.278.130.0126.1411.88猪粪30.2523.034.057.931.841.2 厌氧发酵体系的建立封闭式厌氧消化试验装置为团队自制发酵装置，选用 1 L 螺口瓶，去掉原有瓶盖，瓶口用硅胶塞密封，硅胶塞打有两个孔，分别为出气孔和取样孔，出气口和 2 L 集气袋由耐高温抗腐蚀乳胶管连接相通，可以用来采集螺口瓶中产生的所有气体，取样孔封闭仅在取样时打开18。如图 1 所示。试验发酵方式采用批次厌氧发酵，设置发酵总体积为 700 mL，TS 为张方政等：猪粪和玉米秸秆混合发酵产沼气特性研究85黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报第 35 卷8%（试验前利用方法 1.3.1 测量计算），其中接种物350 mL，接种物取自实验室纯玉米秸秆厌氧发酵体系。具体步骤为：在 1 L 螺口瓶中加入相应的玉米秸秆和猪粪并接种 350 mL 接种物，然后用水定容至700 mL 处，摇晃瓶使底物混合均匀，最后用硅胶塞密封。猪粪与秸秆分别按干重比 10、21、11、12 共4 组处理，每组处理设 3 个重复，共 12 个发酵装置，在（371 ）恒温室内发酵 10 d，每隔 24 h 顺时针摇瓶 2 min，随后使用排水法对气体产量进行测量，然后使用 GA2000 沼气分析仪（Geotech Biogas Check）对甲烷浓度检测，最后使用 FIWE3/6 纤维素测定仪对木质素、纤维素、半纤维素占比进行测定18。1.3 测定方法1.3.1 原料中固体总物质含量和挥发性固体含量测定18关闭出气口打开取样口气阀，将装置内摇匀，每次取 5 mL，共取样 5 次混合后进行检测。将待测样品放入坩埚置于电热鼓风干燥箱中 105 烘 8 h（根据实际情况烘干为止），在烘干后将坩埚置于玻璃干燥皿中至环境温度，称重，再将称重后的样品置于500 马弗炉中灼烧约 3 h，再冷却称重，并记录数据。TS 和 VS 的计算公式如下：TS（%）=m2-m0m1-m0100%VS（%）=（m2-m0）-（m3-m0）m1-m0100%注：m0为坩埚重量；m1为烘干前样品与