废弃菌糠变身清洁能源的创新性研究.doc

【生物与环境科学专题研究报告】 废弃菌糠变身清洁能源的创新性研究 石家庄市第二中学（河北省实验中学） 武文欣 指 导 教 师 ： 韩荣珍 朱月敏 【生物与环境科学专题研究报告】废弃菌糠变身清洁能源的创新性研究学 校：石家庄市第二中学项目作者：武文欣指导教师：韩荣珍 朱月敏 废弃菌糠变身清洁能源的创新性研究 石家庄市第二中学(河 北 省 实 验 中 学) 武文欣指导教师： 韩荣珍 朱月敏【摘 要】本研究以废弃金针菇菌糠为原料生产沼气，通过进行原料预处理实验，建立了一套系统的金针菇菌糠发酵生产沼气的技术体系。发酵有机负荷为6-8%、C/N为25/1、初始pH值7.0-7.5、沼气池污泥为接种物，接种量30%，按1.0mg/Ld、0.1mg/Ld和0.2mg/Ld添加Fe、Co、Ni元素，再添加微生物混合菌剂进行常温发酵应用，总产气量是常规处理的1.99倍，原料产气率比发酵工艺优化前提高了121.2%，有机质利用率提高了104.7%。该技术为沼气生产提供技术指导，不仅使废弃的物质资源得到深度开发和循环利用，而且对缓解能源危机、保护生态环境等方面具有重要意义。关键词：金针菇菌糠；沼气；厌氧发酵实施地点：河北省科学院生物研究所石家庄市二中生物实验室实施时间：2009年7月2010年11月选题背景2009年4月，我随母亲回灵寿老家探亲，发现道路两旁堆积了许多黑乎乎的东西，心中带着些许疑问回了家。正值中午，发现老家的人早不用小炉灶烧干柴做饭了，家家户户都建起了沼气池，以往那种冒着滚滚黑烟在灶台旁忙活的景象也看不见了。问过家里人以后得知这一带大部分农民以栽培金针菇为主要副产业，路边这些是被农家废弃的食用菌菌糠，不仅造成了对周边环境的严重污染，还造成了资源的极大浪费。突然我想到了沼气，那是不是可以用菌糠来生产沼气呢，使其变废为宝？回家后我立即查阅了有关食用菌菌糠的知识，了解到随着食用菌产业化、工厂化的蓬勃发展，其生产后的废料菌糠愈来愈多，据估计，我国每年的菌糠生产量已达500600万吨。菌糠为栽培各种菌类后剩下的废弃物，其营养成分比较丰富, 由于其内含有氨基酸、蛋白质及其他的营养物质，有“菌体蛋白”之称。这么大一笔丰富的可再利用资源，除少量被用作畜禽饲料外，大部分当作废料而被随便扔掉或是燃烧。另外由于菌糠中又含有大量的菌丝体，适宜霉菌和害虫的生长和繁衍，增加空气中霉菌孢子和害虫的数量，给大气造成污染。我国是世界上较早开发应用沼气的国家之一。据查，自20世纪20年代初罗国瑞先生成功研发中国第一个具有实用价值的瓦斯库中华国瑞天然瓦斯库，点燃了第一盏中华牌沼气“神灯”算起，我国有目的开发利用沼气至今已80多年了。现在沼气技术已经得到了大力推广，并且国家给予了一定的资金支持。然而，我国目前生产沼气的用料主要是牛粪，但是由于养牛业集中化、规模化，一些地区牛粪资源相对较少，农户获取原料较困难，并且随着新农村建设快速发展，农村庭院养殖不仅远离民宅，且规模越来越小，畜禽粪便在沼气发酵中的比例明显降低，所以需要寻找一些替代原料。将两者一联系起来我眼前一亮，我请教了学校的韩荣珍老师、朱月敏老师和河北省科学院生物研究所的张丽萍研究员。了解到我国是食用菌生产大国，据中国食用菌协会统计，2008年全国食用菌总产量已达1.83107t，占全球总产量的70%以上。尤其我的家乡河北灵寿一带主要以栽培食用金针菇为主。伴随着栽培技术的推广，栽培金针菇的农户越来越多，每年就有大量的菌渣产生，这些被随便地就地堆置或直接施入田中，不仅造成了农业有机资源的巨大浪费，还造成了周围环境的恶化。然而目前对食用菌菌渣的利用研究大多集中在单个领域且研究不够透彻，菌渣不能综合、有效的利用。当我提出把菌糠当做沼气发酵的原料的想法时，马上得到了老师们的充分肯定，并且给我详细介绍了沼气发酵的主要过程、作用方式和技术要点，鼓励我开展一些这方面的试验。张老师说菌糠由于其中丰富的营养物质为产甲烷菌长期繁殖提供了基础，可以作为沼气生产原料。另外菌糠易于粉碎的特点不仅可以缩短投料前的准备时间，还能缩短发酵时间，降低换料工作量等。另一方面，利用菌糠作为沼气原料，可形成农作物-食用菌-沼气-有机肥、饲料-农作物生物质循环利用的高效生态农业模型，不仅使物质资源得到深度开发和循环利用，而且对缓解能源危机、保护生态环境、减少疾病发生、提高农产品品质、增加农民收入等方面具有重要意义。根据这些知识背景，带着浓厚的科研兴趣，在老师的指导下，我决心进行金针菇菌糠发酵生产沼气的研究，并做了实验方案设计，对试验进度进行了大体的安排。2009年9月2010年9月，我在河北省科学院生物研究所开始了研究，在工作期间我熟悉了智能鼓风干燥箱，电子天平，气相色谱仪，马弗炉等先进的设备的使用，锻炼了自己设计实验，进行试验等动手能力。经过一年多的学习实践，最终通过各种发酵条件的优化实验验证了金针菇菌糠与牛粪为原料的厌氧发酵相比，其产气量、甲烷含量和有机质利用率相当，完全可以替代牛粪作为沼气生产的原料。实验期间绝大部分工作自己完成；用气相色谱测定甲烷含量在试验开始阶段由研究生姐姐协助完成，熟练后由自己完成，菌糠样品由实验室老师和研究生哥哥、姐姐们回家顺便帮忙取回。工作思路与技术路线1工作思路我国食用菌菌渣每年产量巨大，却不能被综合、有效地利用，不仅造成了农业有机资源的巨大浪费，又给大气造成污染。而我国沼气产业又急需寻找一些替代畜禽粪便的原料，针对这些问题，通过研究食用菌菌糠的预处理技术、适宜的碳氮比、发酵温度、酸碱度、优良的接种物等沼气发酵工艺技术，建立一套系统的菌糠发酵生产沼气的技术体系，为沼气生产提供技术指导，提高原料生物转化率和沼气产率，而且有利于解决能源短缺和环境污染问题，。2. 技术路线菌 糠粉碎 预处理 发酵工艺 接种物 碳氮比 有机负荷 酸碱度 微量元素 微生物菌剂产气量 综合工艺技术条件 甲烷含量室内应用实验实施过程1.实验材料1.1原料：2009年9月取自河北灵寿农家中的金针菇菌糠及石家庄郊区的牛粪，装入无菌塑料袋中并系好袋口保持厌氧状态，作好记录带回实验室备用。以取自河北灵寿农家沼气池厌氧活性污泥、沼液为接种物。 金针菇菌糠1.2菌种原料预处理用好氧菌剂，沼气发酵添加的厌氧菌剂1、2、3、4、5，这些都由河北省科学院生物研究所自行筛选并提供。1.3 主要仪器设备智能鼓风干燥箱(OM-130GB，上海欧迈科学仪器有限公司)，电子天平（sartorius A210P），气相色谱仪（Agilent 7890A），马弗炉（RJM-28-10，沈阳电炉厂）。自制5L实验型水压式厌氧消化装置，主要由发酵瓶、集气瓶、计量瓶组成，由乳胶管连接，见图1。 水压式厌氧消化装置1234561.发酵瓶，2.电子温度计，3.取样管，4.止水夹，5.集气瓶，6.计量瓶图1水压式厌氧消化装置示意图2. 实验方法2.1 实验原料TS、VS等的测定金针菇菌糠、牛粪、接种污泥的总固体含量(TS)、可挥发性固体(VS)含量、灰分等的测定方法见厌氧生物技术原理与应用。2.2 甲烷含量的测定采用气相色谱热导检测器检测甲烷含量。实验步骤（老师协助，熟练后自己完成）：检测器：TCD；载气：氮气；填充柱：GDX-401(80目)；柱温：40；进样器温度：120；热导检测器：150；桥电流：80mA；进样：采用微量进样器手动进样，进样量为30 L/次。气相色谱测定气体成份2.3 原料预处理对沼气产量的影响实验设两个处理，每个处理三个平行，5 L反应器，有效容积定4 L。实验步骤（老师指导，熟练后自己完成）：处理一，将金针菇菌糠粉碎后，用研究室培养的原料预处理菌剂对金针菇菌糠进行发酵预处理3-5 d。每个反应器内装入280克菌糠，将菌剂倒入，边倒边搅拌，可以再补充些水分，用手捏有少量水挤出即可，堆积不要太实，塑料膜封口时留孔隙。3-5 d后菌糠上长出白色菌丝、发黑时预处理结束；处理二，以未处理的金针菇菌糠为原料做对照。每个反应器均按有机负荷率6-7%装料，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，调节碳氮比为24-26/1，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，用自来水补至4L。每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.4 有机负荷率的选择以金针菇菌糠为原料，实验设五个处理，每个处理三个平行。实验步骤（老师指导，熟练后自己完成）：有机负荷率分别设为4%、6%、8%、10%、12%，有效池容4L，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，用尿素调节碳氮比为24-26/1，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.5 碳氮比的选择沼气发酵原料的C/N范围一般为20-30/1，为了获得更好的产气效果，对发酵原料金针菇菌糠进行了不同C/N对其产气影响实验。实验设5个处理，每个处理三个平行。实验步骤（独立完成）：每个反应器均按有机负荷率6-7%装料，有效池容定为4L，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，碳氮比分别设定为21/1、23/1、25/1、27/1、29/1，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，用自来水补至4L。每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.6 初始pH的选择实验设七个处理，每个处理三个平行。实验步骤（独立完成）：分别用石灰水调节发酵液初始pH值为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，每个反应器均按有机负荷率6-7%装料，有效池容定为4L，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，用自来水补至4L。每天记录产气量，每周检测甲烷含量，对pH 7.5的处理每两天检测一次pH。 2.7 接种物的选择实验设四个处理，每个处理三个平行。实验步骤（独立完成）：每个处理分别采用正常产气沼气池底部污泥、沼液、生活污泥及池塘污泥作为接种物进行金针菇菌糠厌氧发酵。所选沼液为混有悬浮颗粒黑褐色液体,pH值为6.5-7.0；污泥均为灰褐色的胶状体，含水率70% 左右,pH 值7.07.5。每个反应器均按有机负荷率6-7%装料，有效池容定为4L，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，用自来水补至4L。每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.8 微量金属元素对产气量的影响参考研究室以前工作得出的结论，选Co 、Ni、Fe（化合物形式分别为CoCl26H2O、NiCl26H2O、FeCl24H2O）三种对甲烷菌生长影响较显著的微量元素进行沼气发酵试验。实验设两个处理，每个处理三个平行。实验步骤（独立完成）：处理一为对照，以经过处理的金针菇菌糠为原料，按有机负荷率6-7%装料，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，调节碳氮比为24-26/1，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥）；处理二中Fe、Co、Ni添加量分别为1.0mg/Ld、0.1mg/Ld和0.2mg/Ld，其他条件均同前边的试验相一致，温度281，用自来水补至4L。每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.9 微生物菌剂对金针菇菌糠发酵产沼气的影响实验设六个处理，每个处理三个平行。实验步骤（独立完成）：处理一：对照加100mlPB培养液；处理二、三、四、五、六：分别加入100ml菌剂1-5，其中菌剂1-4为单一菌剂，分别为纤维素降解菌、蛋白降解菌、淀粉降解菌、脂肪降解菌，菌剂5为混合菌剂。1L广口瓶作为厌氧发酵的反应器，有效容积定为800ml。每个反应器均按有机负荷率6-7%装金针菇菌糠，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，用尿素调节碳氮比为25/1，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），温度281，每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.10 金针菇菌糠发酵产沼气发酵工艺的确定分别按前边试验确定的金针菇菌糠厌氧发酵的最佳条件进行试验设计，用5L反应器，有效容积为4L，设三个处理。实验步骤（独立完成）：处理一原料为鲜牛粪，按常规操作进行发酵；处理二原料为未经处理的金针菇菌糠，同处理一操作一样；处理三原料为经过菌剂预处理的金针菇菌糠，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，用尿素调节碳氮比为25/1，定期添加微量金属元素Fe、Co、Ni，添加量分别为1.0mg/Ld、0.1mg/Ld和0.2mg/Ld，发酵开始时加入200ml菌剂5；三个处理的有机负荷均按8%装料，接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），常温281，发酵周期为50d，最后用自来水定容至4L。每天记录产气量，每两天测pH，每周检测甲烷含量和挥发性有机酸含量。另外，分别在发酵初期和末期取一定量沼液进行COD测定，根据两次测定的COD值计算原料的有机质利用率，COD测定为国标方法。计算公式为：PCOD=（COD初期-COD末期）/COD初期2.11 不同食用菌菌糠发酵产沼气性能比较分别以食用菌黑木耳、金针菇、平菇、滑子菇、香菇菌糠和牛粪为原料生产沼气，实验设6个处理，每处理三个平行。实验步骤（老师指导，独立完成实验）：用5L玻璃瓶作为反应容器，有效容积定为4L。原料的有机负荷为6-7%（菌糠为原料，每个反应器加入280克；牛粪为原料每个反应器加入1280克）；接种量按原料干重的30%接种（正常发酵沼气池底污泥），用自来水补至4L，用石灰水调节发酵液pH值为7.0-7.5，置于常温281培养。其中用尿素调节碳氮比值25/1。其中处理1原料为牛粪，处理2、3、4、5、6原料分别为黑木耳、金针菇、平菇、滑子菇、香菇菌糠，每天记录产气量，每周检测甲烷含量。2.12 数据记录及处理实验结果中数据取平行实验的平均值。结果与分析1. 金针菇菌糠的总固体含量和挥发性固体含量的测定原料的种类和总固体含量、可挥发性固体含量等对沼气的产量和质量均有显著影响，因此对各原料成分及含量进行了调查和测定。结果见表1：表1 各原料的主要成分、总固体含量(TS) 、可挥发性固体含量(VS)、灰分和C/N原料主要基质TS(%)VS(%)灰分(%)C/N值鲜牛粪-18.3113.795.4818-22/1金针菇菌糠棉籽壳92.4385.716.5947-53/12原料预处理对菌糠厌氧发酵过程的影响2.1原料预处理对沼气产气总量的影响表2 棉籽壳菌糠的主要营养成分（%） 粗蛋白质 粗纤维 粗脂肪 粗灰分 无氮浸出物 钙 磷 棉籽壳菌糠 13.16 31.56 4.20 10.89 31.11 0.27 0.07 金针菇菌糠主要原料为棉籽壳，各种营养成分具体见表2。根据菌糠所含成分主要为粗纤维、粗蛋白和粗脂肪，因此，选纤维素降解菌（木霉）、蛋白降解菌（枯草杆菌）和脂肪降解菌（根霉）等研制成菌剂，对原料进行预处理。由图2可知，原料经过菌剂预处理，产气总量32.10L，原料产气率达到了0.0921 m3/kgTS，比对照提高了9.38%。图2 原料预处理总产气量及产气率比较图2.2 原料预处理沼气产气量日变化曲线由图3可知，原料预处理后，发酵启动时间及到达产气高峰的时间明显提前。对照在16-17d到达产气高峰，而预处理实验组在第11-12d即达产气高峰，比对照组提前了5-6d。图3 原料预处理日产气变化曲线图3有机负荷率的选择沼气发酵的过程分为三个阶段：水解阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段。其中产甲烷阶段慢于产乙酸阶段，如果配料不当，有机负荷率过高，会导致大量挥发性酸积累，使pH值下降。从而影响沼气发酵细菌的正常生长代谢，造成沼气产量的大幅下降，甚至不产气。因此，选择合适的有机负荷率不仅可以节省原料，还可以防止酸中毒，提高产气率，有效利用菌糠资源。3.1不同有机负荷率下的总产气量由图4可知在不同的有机负荷率下6% 产气量最大，达到了40.3L；其次是8%，为39.7L。有机负荷6%和8%时，产气量没有显著差异。4%、10%、12%时产气量均显著下降。说明产气量并不是而随着有机负荷的加大而增大，当有机负荷率达到一定程度后，随着有机负荷率的提高，产气量反而下降。图4 有机负荷对总产气量的影响因此，在以金针菇菌糠为原料的沼气发酵过程中，其有机负荷可选6-8%。3.2不同有机负荷率日产气量变化曲线在实验启动的第一天各处理均开始产气，但该气体不可燃，为废气。在6-7d时检测气体中甲烷含量大于60%，气体可燃。由图5可知，在前8d，随着有机负荷的增加产气量增大，但10-12d以后，有机负荷12%的产气量急剧下降，主要是由于其固体含量太高，导致发酵反应器内pH过低造成的。其他的则继续增大，有机负荷6%时增加速度最快，在第15-16d达到产气高峰。图5 不同有机负荷日产气量变化曲线图4碳氮比的选择一般沼气发酵过程中C/N值20-30:1为宜,因此对金针菇菌糠进行了C/N优化，实验中C/N分别设为21/1、23/1、25/1、27/1、29/1五个处理。结果见图6，碳氮比25/1时产气量最高，因此C/N可以调节为25/1。图6 不同碳氮比对总产气量的影响5初始pH对菌糠厌氧反应过程中产气量的影响沼气发酵过程需要适宜的酸碱度，因此，分别设初始pH值为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5进行菌糠厌氧发酵实验，结果见图7，在pH 7.5时产气量最高，达到了40.3L； pH 7.0时产气量略有下降，但与pH 7.5时产气量没有显著差异，pH低于6.5、高于8.0，菌糠产气量均显著下降，在5.5-6.0间几乎不产气。 因此，菌糠发酵初始pH值选在7.0-7.5之间。图7 pH值对产气量的影响实验过程中，定期测定初始pH 7.5反应器内发酵液pH值的变化，结果见图8，在发酵启动阶段，pH显著下降，最低下降至6.0左右，随着反应的进行，pH又开始缓慢回升，最后维持在7.5左右。这主要是由于反应过程中酸碱度的变化与沼气微生物发酵有关，沼气微生物发酵第一、第二阶段为分解产酸阶段，主要产生乙酸、丙酸、丁酸等，使发酵液变酸，所以pH下降，随着甲烷菌的活跃，开始大量将乙酸等转变为沼气，pH开始回升。因此，厌氧反应器内确定初始pH后，在一定范围内，沼气微生物有自己调控pH值的能力。图8 厌氧反应中pH的变化6接种物对菌糠厌氧反应过程中产气量的影响由图9可知，接种物为沼气池污泥时的反应器内产气量最多，达到了43.3L。其次是生活污泥和池塘污泥，两者之间没有显著性差异，沼液为接种物时的产气量最少。由此说明，在产气正常的沼气池中取用富含甲烷菌群的厌氧活性污泥为接种物，产气效果最好。图9 接种物对产气量的影响由图10可知，以沼气池污泥和沼液作为接种物时，厌氧发酵的启动时间及产气达到高峰的时间比较短，这可能是试验所用接种物沼气池污泥和沼液取自正常发酵的户用沼气池，发酵菌处于活跃阶段；而生活污泥和池塘污泥可能是在放置过程中由于与空气接触而使甲烷菌处于休眠状态，反应开始阶段存在一个苏醒和生长期。同时从总产气量上看，以污泥为接种物的产气量大于以沼液为接种物，且整个发酵过程稳定。图10 接种物对日产气量的影响7微量元素对产气量的影响在沼气厌氧发酵过程中，补充部分产甲烷菌所需的微量元素，不仅提高代谢中对应酶的活性，而且可以减少挥发性脂肪酸的积累，提高沼气产量。其中产甲烷菌对Ni的需要是其他微量元素不能替代的，Ni是产甲烷菌细胞中的F420的唯一金属成分，该酶是催化甲基辅酶M生成甲烷所必需的。本研究选取的Co 、Ni、Fe 三种微量元素对甲烷菌生长的影响均较显著，可以明显缩短发酵启动时间，提高日产气量，日平均产气量由244.13mL/d提高到272.17mL/d。由图11可以看出，微量金属元素Co、Ni、Fe对甲烷菌的生长具有激活作用，可以显著缩短甲烷菌对基质的适应期,有效提高基质降解速率和产甲烷速率。图11 微量元素对菌糠日产气量的影响8微生物菌剂对菌糠发酵产沼气的影响8.1微生物菌剂对菌糠发酵产气总量的影响由于金针菇出菇2-3潮后由于基质内水分缺乏，菌丝活力下降而难于再出菇，其基质内仍含有大量未被利用的营养成分，如粗蛋白、粗脂肪、有机酸等。为了提高这些大分子有机物质的降解率并加快反应速度，分别向厌氧反应器内添加了不同菌剂，由图12可知，只有菌剂5的产气量比对照显著提高，加入其他四种菌剂后，产气量反而降低。分析其原因，主要是由于菌剂1-4为单一菌剂，分别为纤维素降解菌、蛋白降解菌、淀粉降解菌、脂肪降解菌，菌剂5为混合菌剂。菌糠厌氧发酵反应是一个多微生物协调发酵的调控系统，如果仅加一种菌剂，有可能破坏了其原有的微生物平衡系统，而菌剂5是混合菌剂，加入后可以快速启动发酵反应，对整个微生物生态系统起调节作用。图12 微生物菌剂对菌糠总产气量的影响8.2 微生物菌剂对金针菇菌糠发酵日产气量的影响图13 微生物菌剂对菌糠日产气量的影响图13反映出添加不同菌剂对菌糠厌氧发酵日产气量的影响，微生物菌剂2、3、4、5，前8 d日产气量高于对照，10 d以后产气速率低于对照，可能是由于菌糠中的营养成分主要为纤维素、蛋白质和脂肪，而菌剂2、3、4、5分别为蛋白降解菌、脂肪降解菌、纤维素降解菌和多种菌的混合菌液，在反应初期加入菌剂，可以快速将大分子有机物质降解，为甲烷菌提供大量底物，产气量和产气率提高。菌剂1主要是淀粉降解菌，由于原料中淀粉含量极低，反而对整体微生物调控系统不利。沼气发酵是一个多种微生物共同调控的复杂系统，随着反应的进行，添加单一菌剂的弊端显露出来，日产气量和产气率低于对照。而菌剂5为混合菌液，其添加不仅对沼气发酵系统没有起到负面影响，而且可以显著缩短发酵启动时间，有效提高日产气量和产气率。因此，说明根据原料所含不同营养成分，有选择性的添加一些微生物菌剂可以有效调节沼气发酵反应，提高沼气产气量和产气率。9 金针菇菌糠发酵产沼气发酵工艺的确定根据以上各实验确定的发酵参数，以牛粪和未经处理的金针菇菌糠原料，按常规操作为对照，以经过菌剂预处理的金针菇菌糠为原料，按最优发酵条件，进行厌氧发酵产沼气实验。结果见表3、图14和图15，处理三的总产气量显著高于处理二，总产气量是处理二的1.99倍，原料产气率比发酵工艺优化前提高了121.2%，有机质利用率提高了104.7%。即金针菇菌糠经发酵工艺优化后，总产气量、原料产气率和有机质转化率均比优化前显著提高。表3 不同处理产气量统计处理产沼气量（mL）日均产气率( m3/ m3d)原料产气率（m3/kgTS）总产气量日均产气量池容产气率料容产气率处理一412008050.1610.2050.128处理二235004330.0870.1120.0674处理三467008930.1790.2270.14923图14 不同处理对产气量的影响图15 不同处理对原料有机质利用率的影响图16和图17分别为发酵过程中甲烷含量和pH值的变化曲线，由两图可知，处理二的甲烷含量始终比较低，pH值后期酸化后没有升起来，说明系统产气量低，自我调节能力差。处理三和处理一的甲烷含量、pH值变化趋势一致，数值上也没有显著差异，系统自动调节能力较强，随着反应时间的进行，pH又回升到7.5左右。总之，金针菇菌糠通过发酵工艺的优化，在沼气的产气量、产气率和有机质利用率等方面均有了显著提高，与牛粪原料相当，甚至完全可以替代牛粪作为沼气生产的原料。图16 甲烷含量变化曲线图图17 pH在沼气发酵过程中的变化10. 不同食用菌菌糠发酵产沼气性能比较分别采用食用菌金针菇、黑木耳、平菇、滑子菇、香菇菌糠和牛粪为原料进行沼气发酵实验。原料的种类和总固体含量、可挥发性固体含量等对沼气的产量和质量均有显著影响，因此对各原料成分及含量进行了调查和测定。结果见表4：表4 各原料的主要成分、总固体含量(TS) 、可挥发性固体含量(VS)、灰分和C/N处理主要原料TS(%)VS(%)灰分(%)C/N值鲜牛粪-17.5612.634.9320-23/1金针菇菌糠棉籽壳92.4385.716.5947-53/1平菇菌糠棉籽壳90.3483.626.5245-55/1黑木耳菌糠棉籽壳93.2784.986.4247-54/1滑子菇菌糠木屑90.2183.716.2154-59/1香菇菌糠木屑93.7584.897.7356-60/110.1 各菌糠原料的产气量图18各菌糠原料产气量比较分别以食用菌金针菇、黑木耳、平菇、滑子菇、香菇菌糠和牛粪为原料进行沼气发酵实验，从图18可知，各种菌糠均能作为生产沼气的原料。另外，由实验结果可以看出黑木耳菌糠的产气量相对较高，其次为金针菇，两者产气量相当；其他三种产气量最低，差异不显著。10.2各原料的所产气体的甲烷含量曲线由图19可知在产气过程中，各处理甲烷含量变化趋势一致，反应初期甲烷含量相对较低，但随着发酵的进行，甲烷含量升高，反应后期又呈下降趋势，但牛粪组甲烷含量始终最高。说明在菌糠为原料的发酵工艺中还存在问题。图19 各原料所产气体甲烷含量图结论1、以食用菌金针菇菌糠和牛粪为原料进行沼气发酵实验，结果表明金针菇菌糠有产沼气潜力，可作为生产沼气的原料。2、通过检测不同沼气发酵实验中产气量、产气率等的变化，确定原料经过好氧菌预处理，有机负荷6-8%，C/N调节为25/1，初始pH值7.0-7.5，可以显缩短发酵启动时间、防止酸中毒，提高产气率。3、在沼气发酵过程中，选择恰当的接种物，添加微量金属元素，添加微生物菌剂均可快速启动发酵，有效提高发酵效率。总之，经过室内应用实验，建立了一套以金针菇菌糠为原料的沼气厌氧发酵技术体系，即以金针菇菌糠为原料，经好氧菌剂对原料预处理，调整有机负荷为6-8%、C/N为25/1、初始pH值7.0-7.5、沼气池污泥为接种物，接种量30%，按1.0mg/Ld、0.1mg/Ld和0.2mg/Ld添加Fe、Co、Ni元素，再向沼气池中添加部分厌氧微生物混合菌剂进行常温发酵应用。总产气量是常规处理的1.99倍，原料产气率比发酵工艺优化前提高了121.2%，有机质利用率提高了104.7%。与牛粪为原料的厌氧发酵相比，其产气量、甲烷含量和有机质利用率相当，完全可以替代牛粪作为沼气生产的原料。讨论 沼气能源是目前国内外开发的热点，也是国家重点支持的方向。菌糠内含有丰富的营养物质，是生产沼气很好的原料，但如果直接用菌糠为原料进行沼气发酵，产气率低、启动时间长，这可能是由于菌糠中的某些物质不易或不能被厌氧菌消化、碳氮比不合适，不适合于沼气微生物的生长。针对以上问题，通过研究金针菇菌糠的预处理技术、适宜的碳氮比、发酵温度、酸碱度、优良的接种物等沼气发酵工艺技术，建立一套系统的菌糠发酵生产沼气的技术体系，为沼气生产提供技术指导。不仅对提高原料生物转化率和沼气产率具有重要价值，而且有利于解决能源短缺和环境污染问题，同时对促进生物质产业的发展、加快社会主义新农村建设具有重要意义。本课题的创新点1废弃金针菇菌糠变身清洁能源-沼气。2研究出金针菇菌糠发酵生产沼气的预处理技术，使用由纤维素降解菌（木霉）、蛋白降解菌（枯草杆菌）和脂肪降解菌（根霉）等研制成的好氧复合菌剂进行预处理，原料产气率0.0921 m3/kgTS, 总产气量比常规处理提高9.35%。3建立了一套以金针菇菌糠为原料的沼气厌氧发酵技术体系，料容产气率为0.227 m3/ m3d，原料产气率0.149 m3/ kgTS，有机质利用率54.4%，分别比发酵工艺优化前提高了102.7%、 121.2%、104.7%。该体系可为沼气生产提供技术指导，不仅使物质资源得到深度开发和循环利用，而且对缓解能源危机、保护生态环境、减少疾病发生等方面具有重要意义。收获和体会从第一次看到被随地堆置的金针菇菌糠，到现在利用菌糠进行沼气发酵，变废为宝，期间经历了资料查阅、实验设计、方案论证、具