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劉秀娟1，李暉1，薛金紅2，牛瀟1，韋萍1
（1.南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇南京211816；2.南京工業大學藥學院，江蘇南京211816）
摘要［目的］對影響稻草秸稈厭氧生產生物沼氣的重要因素進行分析，以提高產氣率，最大限度地提高秸稈原料利用率。［方法］采用單因素法對南京工業大學沼氣站生產沼氣的接種量、總固體含量、碳氮比進行分析。［結果］沼氣站厭氧發酵的最優條件為接種量34%，總固體含量6%，碳氮比25∶1。經驗證，最優配比下的總產氣量比目前常用的發酵條件（接種量50%，總固體含量5.6%，碳氮比22∶1）下的總產氣量提高了27.60%。［結論］為進一步研究利用秸稈發酵產沼氣提供了依據。
我國能源緊張與農業廢棄物污染并存現象日趨嚴重，因此利用農作物秸稈和畜禽糞便厭氧發酵生產沼氣早已成為人們關注的焦點。以秸稈為原料進行沼氣生產是解決我國日益嚴峻的能源和環境問題的有效途徑之一。對于實際生產來說，要達到產氣率高且最大限度地提高秸稈原料利用率的目的，需要摸索影響產氣的重要因素并進行分析。
目前已有不少提高沼氣產量的方法，如改變物料配比、添加外源添加物（啤酒糟、蛋白胨氨基酸、微量元素）等。筆者以農作物秸稈為原料，根據目前南京工業大學沼氣站生產的情況，結合其他秸稈發酵產沼氣工藝方面的研究，對目前影響沼氣站沼氣生產的接種量、總固體含量、C/N幾個因素進行了優化。
1材料與方法
1.1發酵原料和接種物
稻草秸稈取自江蘇省泗陽縣盧集鄉，自然風干后用粉碎機粉碎至3～5cm，用人糞尿淋濕后堆漚，取堆漚7d的中層發酵適宜的秸稈，4℃儲存備用。接種物取自南京工業大學創新中心沼氣站沼氣發酵罐，pH為7.65。發酵原料和接種物的基本理化性質見表1。
1.2試驗裝置
采用自制試驗裝置，以1000ml小瓶作為發酵瓶，37℃水浴鍋中進行發酵，同時用5000ml水瓶作集氣瓶，采用排水集氣法測定產氣量。
1.3單因素試驗
采用單因素分析方法，分別對接種量（所取的含菌種的發酵沼液占發酵原料總體積的百分比）、總固體含量、C/N幾個對沼氣發酵有重要影響的因素進行分析。先確定接種量對產氣的影響，接種量分別為18%、26%、34%、42%、50%，每個發酵瓶中加入堆漚秸稈使總固體含量為6%，按設計加入接種物，充分攪拌混勻后，加蒸餾水補足體積，使發酵液體積為600ml。發酵液起始pH均用稀HCl或NaOH溶液調節并維持在7左右。連續發酵15d，統計日平均產氣量及總產氣量，并進行分析。然后再在34%接種量、C/N為25∶1、pH為7的條件下考察不同總固體含量（3%、4%、5%、6%、7%）對產氣的影響。再在34%接種量、總固體含量6%、pH7的條件下考察不同C/N（20∶1、25∶1、30∶1）對產氣的影響。最后用優化好的配比于25L發酵罐中進行中試試驗，同時測定發酵前后總固體含量、木質纖維素含量及總產氣量的變化。
1.4測定項目及方法
總固體含量采用沼氣發酵常規分析中的方法測定；總碳采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法測定；總氮采用凱氏定氮儀測定；木質素、纖維素、半纖維素含量采用美國可再生能源實驗室（NREL）原料成分分析方法測定。
2結果與分析
2.1接種量對產氣的影響
接種物的數量影響到沼氣發酵的運行效果和穩定性。接種量過少，將因產甲烷微生物數量不夠而導致發酵啟動緩慢，產甲烷速率降低；接種量過多，則在保證較高處理效率的條件下，勢必會增大消化器的容積。試驗研究了18%、26%、34%、42%、50%接種量下稻草沼氣發酵情況，并從啟動時間、總產氣量以及日產氣量幾個方面加以分析。
2.1.1接種量對啟動時間的影響。沼氣池從進料開始，到能夠正常而穩定的產氣所需要的時間稱為沼氣發酵的啟動時間。由圖1可知，24h內即已達到穩定產氣，故不再研究總固體含量和C/N2個因素對啟動時間的影響。接種量在18%～50%都能正常啟動，接種量大，啟動快、產氣量也大，說明沼氣發酵微生物基數大，微生物生長必不可少的生長因子能滿足微生物生長發育的需要，有利于產氣。
2.1.2接種量對產氣量的影響。對15d內產氣量的數據進行分析，從圖2很難直觀地看出各個接種量的差異，但是從總體來看，接種量為34%的發酵組產氣高峰期比較長，而且上下浮動不大，接種量少或是接種量多的組產氣浮動較大，不穩定。另外由圖3可以很清楚地看出，接種量為34%的組總產氣量最高，達到4566ml；其次是接種量為26%和42%的組，總產氣量分別為3980、3797ml。
2.2總固體含量對產氣量的影響
由圖4、5可以看出，當發酵體系的總固體含量為6%時總產氣量最高，日產氣量在產氣高峰期也較其他幾組高。沼氣發酵的總固體含量對于沼氣研究具有重要的意義，在發酵體積及接種量一定的情況下，總固體含量高則加入的秸稈量就多，當秸稈量超過一定的范圍時，一方面造成秸稈上浮嚴重，攪拌困難，甚至會堵塞出氣口；另一方面，使發酵罐中的微生物大量生長繁殖，產生酸積累而影響產氣。
2.3C/N對產氣量的影響
C元素為沼氣微生物的生命活動提供能源，又是形成甲烷的主要物質，N元素是構成沼氣微生物細胞的主要物質，微生物自身的C/N約是5∶1。沼氣站預處理稻草秸稈時，為了減少校園內污染，通常是利用校園生活區的人糞尿代替自來水堆漚秸稈，自然在原料中加入了一定量的N素，調節了一定的C/N。但是，因為人糞尿中的水分含量特別大，其中的N含量也不足以滿足發酵生產需要，故需要另外加入N素。常用的氮源包括尿素、畜禽糞便等有機氮源以及氯化銨、硝酸鉀等無機氮源，但不同氮源對厭氧微生物活性以及厭氧消化過程影響不同，陳廣銀等研究各種氮源中以尿素效果最好。現以尿素的添加量來對發酵的氮源進行優化，以調節所需的C/N。
從圖6、7中可以看出，C/N為25∶1時日產氣量出現產氣高峰的時間快且日產氣量的高峰值和總產氣量較其他兩組高，3組均能正常發酵產氣，這與其他報道一致，發酵液的最適C/N為25∶1。由圖6可知，當C/N比較小時，發酵液中的氮含量較大，發酵產氣啟動慢，產氣量少，若C/N比過小，則過量的氮就會轉化成可溶性氮，導致料液“氨中毒”，使發酵產氣變慢，甚至停止。
2.4中試試驗驗證
根據選出的最優條件：接種量34%，總固體含量6%，C/N=25∶1，在25L發酵罐中進行中試試驗（試驗組），并將目前沼氣站使用的發酵條件作為對照組（接種量50%，總固體含量5.6%，C/N=22∶1），發酵溫度為37℃，發酵時間為30d。
由表2可知，發酵后對照組和試驗組的木質素含量都比發酵前有較大的提高，這是由于木質素未降解或降解緩慢，使得其相對百分含量升高，這與Boruff等的研究是一致的；而稻草秸稈中纖維素與半纖維素含量均有不同程度的減少，其中纖維素含量的變化趨勢與其相應的產氣情況及發酵液的固體含量的變化均有較好的對應關系（表3）。在最優配比條件下，試驗組發酵液總固體含量的降低程度（40.49%）比對照組（30.83%）高，同時總產氣量比對照組提高了27.60%。
3結論
（1）足量的接種物是沼氣發酵高效運行的保證，一定范圍內產氣速率與產氣量隨接種量的增大而增大。綜合各方面因素來看，34%的接種量最適合發酵，其啟動和產氣情況均比較理想。
（2）原料配比也是發酵過程的一個重要因素。在一定的發酵溫度（37℃）下，總固體含量在6%左右時最佳。濃度過低會使發酵產氣不足，過高會造成攪拌困難、堵塞管道等實際生產問題而影響產氣。另外在實際生產上，發酵濃度一般也會隨著季節的交替而作相應的變化。
（3）C/N在一定程度上影響著沼氣的產生。在以富碳原料為主要發酵原料的沼氣站，加入適當的氮源可以提高產氣量。添加氮源改善了微生物的生存環境，提高了厭氧微生物的活性，產氣率大幅提高。25∶1為沼氣厭氧發酵的最佳C/N比值。
（4）以篩選的最優條件進行驗證試驗，并與目前采用的發酵條件進行對比，總產氣量提高了27.60%。另外，影響沼氣發酵的因素還有很多，如菌劑、堆漚天數、添加外源促進劑等，這些因素還有待進一步研究。 |
