废弃菌棒厌氧干发酵工艺试验研究.doc

毕业论文废弃菌棒厌氧干发酵工艺试验研究学 院：农业工程与食品科学学院专 业： 学生姓名： 指导教师： 2012 年 6 月中文摘要摘要摘 要以平菇栽培废弃菌棒为原料，沼渣为接种物，研究了菌棒与玉米秸秆不同配比对产气量、发酵启动速度、甲烷产量等的影响，分析比较了不同配比原料在发酵过程中可挥发性固形物（VS）的利用率，优化确定了菌棒和秸秆的比例。研究结果表明，废弃菌棒与玉米秸秆之比为3:1时比较有利于沼气产生，该处理的总产气量和甲烷产量均高于其它处理，分别比纯菌棒的产量分别高出25.7% 和30.6%，比纯秸秆高出21.1%和22.1%；废弃菌棒与玉米秸秆之比为0:1相对废弃菌棒与玉米秸秆之比为3:1具有启动快的特点，但总产气量较低；废弃菌棒与玉米秸秆之比为1:0、1:1、1:3则启动慢，产气量也较少；废弃菌棒与玉米秸秆各种比例对产气中甲烷含量的影响不大，甲烷含量都经历了一个先上升，达到45%左右趋于稳定这一趋势；菌棒与秸秆3:1的处理在发酵前30天的VS利用率最高，达到34.3%，与其产气量最高的结果吻合，但由于试验结束时，各处理均处于产气的稳定期，还具有较大的产气潜能，要想获得最大产气量和VS利用率，需要进行更长时间的试验。关键词：玉米秸秆；废弃菌棒；厌氧干发酵；沼气IIIAbstractAbstract To mushroom cultivation abandoned bacteria great as raw materials, to produce for the inoculum, the great and corn straw bacteria ratio of different gas production, fermentation start speed, the effect of methane production, analyses and compares the different ratio of raw materials in the fermentation process can be volatile solids (VS) utilization ratio, optimize the bacteria rods and determine the proportion of straw. The results of the study show that, abandoned bacteria and the ratio of the great corn stalk is 3:1 are beneficial to produce methane, the processing of the gas production and output methane production are higher than the other processing, respectively, compared with the pure bacteria great yield 25.7% and 30.6%, 21.1% higher than pure straw and 22.1%; Waste bacteria and the ratio of the great corn straw for relatively abandoned bacteria with great 1-0 corn straw ratio is 3:1 has started quickly, but gas output is lower; Waste bacteria and the ratio of the great corn straw for 1-0, 1:1, 1:3 is slow start, less gas production; Waste bacteria great and corn straw of proportion of methane gas production to the content of the impact is not big, methane content have experienced a first rose to 45% or so stable this trend; Bacteria and the processing of the great 3-1 straw in the fermentation in the first 30 days VS highest rate, to 34.3%, its highest gas production of the results, but because the end of the study, all are in the treatment of the gas production, popular still has large gas production potential and to get the biggest gas production and VS utilization ratio and needs of the longer test.Key words: Corn stalk； Abandoned bacteria great；Dry anaerobic fermentation；biogas目录目 录目 录摘 要.IAbstract.II目录.III目 录III第一章 引 言11.1研究背景11.2菌棒和秸秆的主要利用途径及存在的问题21.2.1废弃菌棒和秸秆的主要利用途径21.2.2菌棒和秸秆利用存在的问题41.3菌棒和秸秆干发酵产沼气技术41.3.1菌棒和秸秆的组成成分41.3.2沼气能源51.3.3菌棒和秸秆干发酵产沼气原理61.3.4与传统发酵技术的区别与优势61.3.5影响干法厌氧发酵过程的主要因素81.4废弃菌棒利用与秸秆干发酵的国内外研究状况及前景101.5本课题研究的内容12第二章 材料与方法132.1 材料132.1.1材料来源132.1.2厌氧干发酵试验装置132.1.3试验方案142.2 主要仪器及设备152.3 指标及测定方法162.3.1原料及残渣的TS和VS的测量162.3.2秸秆纤维素、半纤维素和木质素的测量162.3.3 pH值的电位计测定法172.3.4碱度的测定182.3.5挥发性脂肪酸总量的比色测定法182.3.7气体体积的测定192.3.8二氧化碳和甲烷含量的测定19第三章 结果与分析203.1不同比例废弃菌棒与玉米秸秆干发酵过程中的产气情况203.1.1产气量变化203.1.2甲烷含量变化213.1.3二氧化碳含量变化213.1.4二氧化碳总体积变化223.1.5甲烷总体积变化233.1.6总产气量变化233.2不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆前后主要指标和成分的变化243.2.1发酵前后VS变化243.2.2发酵前后TS含量变化253.2.3发酵前后pH变化263.2.4发酵前后碱度变化273.2.5厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸含量变化的影响28结 论29致 谢.32 31第一章 引 言 第一章 引 言1.1研究背景21世纪，我国面临着经济增长和环境保护的双重压力，随着全世界能源、电力的供求趋紧，国内外对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予极大的关注。据统计(2000)1，若按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年，石油3040年，天然气50一60年。而我国目前的能源供应主要依靠煤炭等化石燃料，化石能源资源的有限性及其开发利用引起的环境污染和温室气体排放，对经济和社会的可持续发展产生了严重的制约作用。为了加大力度控制环境污染问题和实现可持续发展战略，国家相继出台了一系列措施，如考虑到我国煤烟型污染以及煤炭储量的急剧减少，对煤炭进行限制性开采，力求逐步调整能源结构，以缓解环境保护与经济发展之间的压力。然而近些年来随着人们生活水平的提高，更多的人们竞相使用高品位的能源(特别是农村人口，抛弃了过去的烟熏缭绕的生活，开始大量使用电器或液化气等优质燃料)，这势必会造成占全国人口很大比例的农村人口与城镇人口争夺能源，因此能源价格急速上扬、电力资源供应也日益紧张，同时，也会因此提高农民生活成本，据调查，农村蜂窝煤价格由原来的0.09元上升到最高0.25元，而液化气价格由原来的四十多元上升到九十多元甚至突破百元，这大大增加了农村人口的生活负担。因此，为满足社会发展对能源的需求，实现资源的永续利用，维持和促进资源、环境、社会经济的协调发展，开发和利用再生能源是解决能源危机的重要途径。十二五规划指出:大力发展沼气、作物秸秆及林业废弃物利用等生物质能和风能、太阳能，加强省柴节煤炉灶炕改造。坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境，加强国际互利合作，调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系。绿色发展 建设资源节约型、环境友好型社会。面对日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，健全激励与约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平2。我国农村的废弃菌棒和秸秆资源非常丰富，目前仅重要的作物秸秆就有近20种，且产量巨大。研究表明，目前我国农村各类秸秆产生量每年己达到约7亿t左右，其中约42%直接或过腹还田，30%作为农用燃料，8%作为工业或其他用途，20%约1.2亿吨剩余未被利用3。这些剩余的农作物秸秆被废弃于田间地头、场院房头，不仅占压了大量的土地，影响了农村环境卫生，还成为农村火灾的一大隐患。近年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的不断提高，农村不再需要这些农作物秸秆作为炊事的主要燃料“三夏”、“三秋”季节，农民为了抢收抢种则把这些剩余秸秆绝大部分在田间直接焚烧处理掉。大量剩余秸秆的露天焚烧不但造成极大的资源浪费，而且带来严重的大气污染，甚至影响飞机的正常起降和汽车行驶的安全，并频繁引发火灾事故。每年“三夏”、“三秋”双抢季节，全国各地由此而引发的火灾、机场停运及飞机迫降、航班延误及旅客滞留、高速公路交通受阻等事故，以及由此造成重大的经济损失频频见于报端。虽然中央有关部门和各级政府三令五申禁烧秸秆，并出台了焚烧秸秆、鼓励利用秸秆的一系列政策，但由于秸秆利用的有效出路不畅，焚烧现象屡禁不止，上述事故有增无减。特别是在小麦、玉米收获两季田野仍然是狼烟四起，浓烟滚滚，地空能见度降低，空气质量恶化。如果加以利用这部分资源，势必会大大缓解农村能源不足问题4。 1.2菌棒和秸秆的主要利用途径及存在的问题 1.2.1废弃菌棒和秸秆的主要利用途径我国食用菌菌棒每年产量巨大，近年来，国内外学者一致在探索合理利用食用菌菌渣的有效途径。近年来，秸秆利用技术在我国有一定的发展，主要的资源化利用途径有秸秆肥料利用技术、秸秆饲料利用技术、秸秆原料利用技术以及秸秆能源利用技术等。1.2.1.1菌棒饲料和秸秆肥料利用技术食用菌菌棒是栽培各种菌类后剩下的废弃物，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，含有大量菌丝体。其主要基质有棉籽壳、玉米芯、锯木屑及多种作物秸秆和工业废料。据估计，我国每年的菌棒年生产量已达500600万吨，这是一笔丰富的可再利用的资源。秸秆作为肥料还田是秸秆利用的主要方法之一，由于其简单易行，政府部门一直鼓励农民采用这种方法5，并获得了良好的社会、经济效益。秸秆还田后，土壤中氮、磷、钾养分都有所增加，对改善土壤结构有重要作用。秸秆覆盖和翻压对土壤有良好的保墒作用并抑制杂草生长。实践证明，秸秆还田能有效的增加土壤中的有机质含量、改善土壤、培养肥力，特别是解决我国氮、磷、钾比例失调的矛盾，补充磷、钾化肥不足有十分重要的意义，此外还可以改善农村的生态环境。1.2.1.2菌棒和秸秆饲料利用技术据测定，每100公斤菌棒干料中，仍有40%55%的食用菌丝体残留在肥料中，菌棒中粗蛋白含量大多在6%8%，粗纤维素降低50%，木质素降低30%左右。这为充分利用菌棒作饲料提供了科学依据。经过适当处理，可以做成饲料、饵料或其它添加剂，用于猪、牛、羊、鸡、鸭、兔、松鼠、北方鹿及鱼类等动物的饲养，替代部分粮食，降低生产成本农作物秸秆是牲畜的主要饲料之一，有机物消化率在40以上。有关化验结果表明，玉米秸秆含有30以上的碳水化合物、24的蛋白质和0.51的脂肪，既可青贮，也可直接饲喂，所含消化能为2235.8千焦克，营养丰富，总能量与牧草相当。特别是对玉米秸秆进行青贮、黄化、氰化及糖化等处理，可提高采食率，效益更可观6。1.2.1.3菌棒和秸秆原料利用技术菌棒和秸秆作为生产原料主要较多的应用于造纸和编织行业。此外，菌棒和秸秆经过揉碎、改性处理，还可用于制造建筑用纤维板、保丽板、压模板、包装板等，其密度、强度并不比木板低，可以节约大量木材，提高资源利用率，是农村工业的理想项目之一7。随着科技发展，菌棒和秸秆的工业利用得到了长足的发展，其经济效益和环境效益显著。1.2.1.4菌棒和秸秆能源利用技术菌棒和秸秆能源利用技术是指菌棒和秸秆生物质能转化技术，主要包括菌棒和秸秆的气化、水解、压块成型及炭化技术等，是利用新技术把菌棒和农作物秸秆转换成高效、洁净、方便的高品位能源，既可缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量，同时又可解决菌棒和秸秆的出路问题、减少其对环境的不利影响8。1.2.2菌棒和秸秆利用存在的问题第一，对菌棒和秸秆综合利用的认识不足：由于认识偏差，认为菌棒和秸秆是废弃物，而不是资源，因此开发利用的重视程度不够，国家政策和资金的扶持不够，设备研究相对滞后。第二，菌棒和秸秆综合利用推广力度不够：目前菌棒和秸秆资源利用仍以传统技术为主，缺乏新技术的研发与应用，秸秆利用的关键技术难题尚未突破；秸秆利用各项技术的集成组装性不够，适合于农户分散经营的小型化、实用化技术缺乏，而且与传统农业模式来说，收益与成本相比没有足够的吸引力，导致菌棒和秸秆利用的终端市场不成熟。第三，没有形成大规模的产业化经营格局：由于经济体制、技术水平差异，利用与研究脱节等问题，菌棒和秸秆资源的开发利用在区域上出现不平衡；菌棒和秸秆资源虽然丰富，但极其分散；从总体上讲，中国菌棒和秸秆资源综合利用技术研发水平落后，企业技术水平低，资源转化和有效利用率低，没有形成较好的技术基础和产业化氛围9。1.3菌棒和秸秆干发酵产沼气技术1.3.1菌棒和秸秆的组成成分经食用菌转化后的菌棒，纤维素、半纤维素和木质素等均已被不同程度的降解，还含丰富的菌体蛋白、多糖、维生素及Fe、Ca、Zn、Mg等微量元素，其营养价值可与麦麸、玉米面相比；且作物秸秆经食用菌转化以后呈疏松多孔状，易于粉碎。秸秆是成熟农作物茎叶部分的总称，它贮藏了一半以上农作物秸秆光合作用的产物。作物秸秆是一种具有多种用途的可再生生物资源，有机质含量丰富，还含有大量的微量元素（N、P、K、Ca、Mg、S等）。有机物、无机盐和水构成了农作物秸秆的主要成分，有机物的主要成分是纤维素类碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白和粗脂肪。整个细胞壁的15%-30%由木质素构成10，木质素结构复杂，难以被微生物分解，而纤维素和半纤维素则较易被微生物或酶分解。但是，在秸秆系统中，木质素和半纤维素结合在一起将纤维素包裹在里面，微生物和酶对纤维素的作用就被削弱，并且草食动物的瘤胃中缺乏降解木质素的酶，故秸秆的营养物质不能被释放出来，限制了纤维素和半纤维素的降解和利用，降低秸秆的消化效率。因此，木质素的降解必须先于纤维素降解，提高秸秆消化率的关键是降解木质素11。1.3.2沼气能源众所周知，沼气是一种重要的可再生清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等生物质能源，也可替代煤炭、天然气、液化石油气等化石能源，而且燃能效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等12 (邱凌，1998)。每立方米纯甲烷的发热量为34，000)，每立方米沼气的发热量约为20，800一23，600)，即 1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量 13(2006)。目前，无论是发达国家，还是发展中国家都十分重视发展沼气。即使包括美国这样经济发达国家在内，也都积极发展沼气，甚至在积极发展大型沼气工厂。美国俄克拉何马州一家沼气工厂饲养了七万五千多头牲口，每天用200吨动物粪便作为产沼气原料，大量生产沼气，并通过地下管道将沼气和天然气一起输送出去，作为工业动力能源。另外近年也在积极研究利用沼气技术来处理城市垃圾，变废为宝。拉丁美洲已有28个国家和地区不同程度地开展了沼气技术的研究与应用。在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽3Om、长Z13m的密封池组成的甲烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理1650t厩肥，每日可为牧场提供11.3万耐的甲烷，足够1万户家庭使用。目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。沼气是有机物经过厌氧或兼性厌氧微生物的作用而产生的以甲烷为主的气体。它是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体;不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%一70%、二氧化碳含量为28%一44%、硫化氢平均含量为0.034%14。沼气可以通过厌氧发酵各种有机质包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机物等而得到。总之，凡是有生物的地方都有可能获得制取沼气的原料，所以沼气是一种取之不尽，用之不竭的再生能源。1.3.3菌棒和秸秆干发酵产沼气原理菌棒和秸秆干发酵产沼气是指以菌棒、水稻、玉米、花生等农作物秸秆作为原料，经过粉碎并添加发酵菌剂做堆沤等预处理后，加入沼气池进行厌氧发酵来生产沼气和有机肥料。菌棒和农作物秸秆干发酵产沼气技术主要是以厌氧消化和生物酶技术为主。厌氧消化反应的主要机理是有机物在厌氧的条件下被微生物分解，转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的过程15。菌棒和秸秆的厌氧消化反应是一个生物化学转化过程，一般可分三个阶段16：第一阶段是水解阶段，将秸秆中不可溶复合有机物转化成可溶化合物；第二阶段是产酸阶段，可溶化合物再转化成短链酸与乙醇；第三阶段是产甲烷阶段，上述产物再经各种厌氧菌转化成为以甲烷与二氧化碳为主的可燃混合气体，即沼气。1.3.4与传统发酵技术的区别与优势1.传统发酵技术的区别传统的菌棒和秸秆发酵技术都是采用湿发酵技术17，即将菌棒和秸秆与人畜粪便、工业废水等有机物混合，在厌氧菌的作用下生成沼气的。而菌棒和秸秆干发酵产沼气技术与传统的发酵技术相比有以下区别：（1）不需要大量的水。传统的发酵方法需要的水量较大，而干发酵的发酵池中的需水量远远少于湿法的用水量。（2）不需要大量接种物。菌棒和秸秆干发酵的原料有菌棒和农作物秸秆，而传统的发酵还要有人畜粪便、工业废水等有机废弃物来作为接种物，和农作物秸秆在发酵池中共同作用，带动秸秆发酵最初的的启动。（3）需要预处理。由于菌棒和秸秆自身的结构复杂，不易分解，所以在入池前，要先对菌棒和秸秆进行粉碎，添加发酵菌，堆沤等预处理，不能像传统的发酵那样，直接将原料加入发酵池中。（4）后处理容易。由于用水量少，几乎没有污水的排放，所以污水处理要比传统的发酵更容易，而且发酵后的剩余物中只有沼渣，可以作为有机肥利用，没有传统发酵后剩余的沼液，所以也不用进行脱水处理。另外，干发酵产生的沼气的含硫量也低于传统的发酵，因此不用再对混合气体脱硫，可以直接利用。（5）装置简单。与传统的发酵装置相比，干发酵装置的结构更简单，因为原料秸秆已经经过预处理，不添加其他的接种物，所以发酵室内不需要安装搅拌器。2.干发酵技术的优点传统的沼气发酵均采用湿发酵技术，由于湿法技术发酵耗能高、处理干物质的成本高等缺点，限制了其适应的范围和地域。而秸秆干发酵产沼气技术与传统的湿发酵技术相比有以下优点18： （1）自身耗能低。冬季仅耗用自身产生的能量1015%。而湿法要耗用30%左右的能量，在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%，大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。（2）节省成本。可以直接处理农作物秸秆，节省了预处理成本；耗水量比起湿法大大降低，节省水费；发酵室为地面车库型不透气混凝土结构，底部管道暖气供热，因而土建费用很低。（3）处理费用低。比起湿法，几乎没有污水排放，污水处理费用低；发酵剩余物无湿法发酵的沼液，所以不用脱水处理，存储和后处理费用低。（4）产物质量高。产生的沼气含硫量远远低于湿法，只有50300ppm，可以不经洗气直接供沼气发动机使用；发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料。（5）设备稳定效率高。发酵室为模块化结构，易扩展；由于没有接种物，发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等的影响，因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出；在发酵罐/室中没有搅拌器等运动部件，因此系统的可靠性很高；进料出料可使用通用的装载机等工程机械，设备效率高，通用性强。1.3.5影响干法厌氧发酵过程的主要因素1 底物组成因可生化降解性不同,不同的底物沼气产量相差很大, 甚至相差40%以上20。此外,底物C/N比值也影响产气量,C/N比值太高,微生物所需氮量不足,且消化液缓冲能力降低;C/N比值太低,含氮量过多,有机物分解受到抑制。众多研究结果表明,厌氧发酵底物C/N比值以2030为宜,过高与过低均会影响底物产气量或产气速率21。底物中木质纤维素含量影响底物的可生化降解性,进而影响产气潜力22。 此外,采用多种底物混合发酵可获得更高的产气效率,同时也为沼渣的后续处理与利用带来方便。PARAW IRA23等将番茄残体与甜菜叶按不同比例混合,进行干法厌氧发酵,当番茄残体与甜菜叶质量比为2416时,与单一的番茄残体相比,甲烷产气量可提高31%62%。MSHANDETE等将剑麻果浆与鱼加工废弃物混合进行厌氧发酵,结果表明混合发酵的单位挥发性固体(VS)所产甲烷量比单一原料提高了近100%。LEHTOM24等用不同秸秆与粪便混合,当秸秆比例为30%时,与单一粪便发酵相比,沼气产量提高了16%85%。WELIAND25在综述德国厌氧消化技术发展现状与趋势后指出,混合厌氧发酵以及优化混合原料组合将是重要的发展方向。2 底物预处理对于固体含量高的有机废物,底物水解是限制其厌氧消化过程的主要因素。底物水解速率除受自身生物可降解性、C/N比值等影响外,还受底物物理结构、性状以及它们与水解酶接触难易程度等影响。底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解速率,加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术,可以提高底物水解速率与产气量。 3 TS含量TS含量对有机物的降解有显著影响。刘晓风等26以垃圾为底物,研究间歇式反应器中TS质量分数20%50%时对有机物降解的影响。结果表明,TS 20%和30%时,TS和VS的降解率较高,分别为27.85%、29.47%和32.42%、33163%。当TS浓度为40%时,TS和VS降解率明显下降,分别为24122%和29.74%;当TS为50%时,TS与VS降解率更低,仅为21.56%和29.35%。对于连续式反应器而言,在一定水力滞留时间条件下,总固体含量,即有机负荷量过高,会由于有机酸过量积累而导致启动失败或产气量降低。4 接种物因总固体含量高,在干法厌氧发酵过程中加入足够的接种物是加快厌氧消化启动和提高甲烷产气率的重要措施之一。一般情况下,干法厌氧发酵时菌种(消化污泥)添加比例为料重的20%左右,若能达到30%以上则更好,这样可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。PARAW IRA等研究不同接种量(厌氧消化污泥)对土豆废渣降解过程的影响发现,当接种物与底物TS的比例小于1.5时,甲烷产气率随接种量增加而提高;当此比例等于1.5时,底物(VS)产甲烷最多,达0132 Lg-1;高于1.5时甲烷产气率则随接种量增加而降低。不同接种物因菌群不同产气效果相差很大。TORRES-CASTILLO等对畜禽垫料进行干法发酵,研究猪粪和牛粪作为接种物的产气效率,结果发现,以牛粪为接种物的物料降解效率高于猪粪,且产气量随着接种量增加而增加。余建峰比较了不同接种物(二沉池污泥、浓缩池污泥、厌氧池污泥)对牛粪干法厌氧处理系统的影响,结果表明,二沉池污泥经驯化用作接种物效果好于其他处理,反应器中TS产气率达362.9 mLg-1。周岭等研究表明,用秸秆浸泡液对厌氧发酵用污泥接种物进行驯化可以提高优势菌种的数量。 5pH及温度厌氧发酵系统中产酸菌可以在pH 5.58.5范围内生长良好,而产甲烷菌对pH变化非常敏感,其适宜pH范围为6.67.5,因此,反应器的pH值应维持在6.57.8范围内。温度与有机物分解过程有密切关系。3035(中温)与5055(高温)是厌氧发酵的2个适宜温度段。中温厌氧发酵工艺所需热量少,运行稳定,便于管理,因此得到大量应用。李连华等研究结果证实,中温比高温更合适农作物秸秆的厌氧消化。 6搅拌搅拌可使微生物与发酵底物充分接触,加快底物的分解速度。对于厌氧干发酵,搅拌尤为重要。搅拌可使物料混合均匀,避免局部酸化,并有利于沼气逸出。但由于厌氧微生物代谢较慢,搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用,降低消化能力。1.4废弃菌棒利用与秸秆干发酵的国内外研究状况及前景废弃菌棒的研究一般都集中于以下几个方面：第一，食用菌菌棒作为农作物基肥，以自然堆制发酵为主，即将食用菌菌棒直接还田，能够起到改良土壤、增加土壤的通透性、改善理化性质、提高农作物品质、增产增收的效果；第二，食用菌菌棒用作栽培基质，在对菌渣进行简单发酵处理后，将菌棒发酵产物与其它无机基质混合进行蔬菜或者花卉栽培，降低了生产成本，提高了产量和品质；第三，食用菌菌棒用作燃料，将出菇后的食用菌菌棒晒干收藏，用作菌种生产和熟料栽培时的灭菌燃料；第四，食用菌菌棒用作饲料添加剂；第五，食用菌菌棒用作饲料基质再利用。农作物秸秆的干发酵是一个错综复杂的微生物代谢过程，通过以有的国内外研究试验证明，在这个过程中，对秸秆进行预处理，添加有利于反应物发酵的添加剂，提供严格的厌氮环境，提供适和反应进行的温度，提供适和反应进行的酸碱度，能够提高厌氧消化产气率。这项技术能使秸秆应用于大规模生物气生产，减少污染，合理有效的开发和利用了农作物秸秆资源，应用前景广阔。近年来，秸秆产沼气在技术方面进行了许多探索，通过营养调节改善原料发酵特性、在反应器中增加格栅防止漂浮结壳、时差进料调节产气平衡、变换反应器接种物和接种浓度、加速反应启动以及改进发酵工艺调控反应条件等，提高了产气率，获得了有益成果，也为秸秆资源化利用进一步发展指明了方向。但是，目前秸秆产沼气技术的研究，主要是秸秆与其他接种物，如生活垃圾、人畜粪便等有机物混合后，在厌氧环境及一定的温度、酸碱度、水分、碳氮比条件下，通过微生物发酵作用生产沼气。但是随着农村经济的发展和农业结构调整，农村人畜分离趋势也在上升，接种物的来源也在减少。秸秆干发酵产沼气技术势在改变农村沼气只能以人畜粪便为主要发酵原料的传统做法，拓宽农村秸秆资源利用的途径，打破沼气建设对畜禽饲养的依赖性，使没有畜禽粪便的农户也能用上沼气。而且，发酵后的秸秆沼渣也可直接用作农田肥料，改良土壤结构，生产优质无公害或绿色有机农产品，实现资源的合理利用。国外对生物质能源和可再生能源利用的研究十分重视，其中沼气利用的研究和实践也取得进展。20世纪90年代以来，德国在间歇式干法沼气发酵技术的研发上取得了新的成绩，2002年生产出工业级装备并投入实际运行27。中国科学院成都生物研究所与北京合百意生态能源科技开发有限公司已经开发出了用于秸秆预处理的复合菌剂，在沼气发酵技术上取得了新突破28。据了解，农业部从2005年开始，就组织相关科研单位和企业开展秸秆沼气技术（也称秸秆生物气化）研发与示范，并且在江西、山东、江苏、浙江、四川、河南、北京、河北、辽宁、黑龙江和大连等11个省市的100多个县进行试点示范。北方以玉米秸秆和麦秸为主要原料，南方以稻草为主要原料，户用秸秆沼气和秸秆沼气集中供气试点成效十分明显29。目前农村分散养殖农户的比例逐年降低，缺少沼气发酵原料的农户增多，使用这项技术，不仅可以使原来不具备建池条件的农户用上沼气，而且解决了已建池但又无原料的沼气池或季节性养猪农户发酵原料不足的问题，大大提高了沼气池的使用率。这项以秸秆为原料生产沼气的技术可以为农村地区田间地头和房前屋后堆积的大量秸秆找到新的有效利用途径，减少资源浪费和环境污染。秸秆沼气发酵后不仅可以为农户提供清洁的能源，而且厌氧消化后的沼渣还是优质的有机肥料，能有效的提高土地肥力和增强作物的抗逆能力30。1.5本课题研究的内容 课题选用的主要研究对象是平菇栽培废弃菌棒和玉米秸秆，研究了菌棒与玉米秸秆不同配比对产气量、发酵启动速度、甲烷产量等的影响，分析比较了不同配比原料在发酵过程中可挥发性固形物的利用率，优化确定了菌糠和秸秆的比例，测量并分析发酵前后发酵物的TS、VS、酸度、碱度、VFA等的变化。第二章 材料与方法第二章 材料与方法2.1 材料2.1.1材料来源平菇菌糠采集于淄博市桓台县刘茅村。平菇收获完毕后，废弃菌棒自然晒干，手工揉搓碾碎。玉米秸秆采集于淄博市淄川杨寨镇，收获晒干后经5mm筛网粉碎，塑料袋密封备用。接种物取自于淄博市淄川区杨寨镇，为液态沼气发酵后的沼渣。表1试验原料成分分析TS（%）VS（%）C含量（%）N含量（%）菌棒88.69610.70750.701.00秸秆92.45810.33943.660.82接种物18.99310.3112.010.09NH4Cl26.172.1.2厌氧干发酵试验装置试验装置如图3.1所示，主要由1个2000mL的广口瓶和一个气体收集袋组成，2000ml的广口瓶作为原料的发酵罐，瓶口塞一插玻璃管的橡皮塞，玻璃管上带橡皮管，橡皮管与气体收集袋连接，所有连接均为密封连接。发酵装置置于37的生化培养箱中，用于提供恒温环境。图2-1 发酵装置示意图1 (a) (b) (c) （d）图2-2 试验实物图（a/b:发酵装置，c:气体产量及成分测定装置，d：气体收集袋）2.1.3试验方案本次试验主要考虑废弃菌棒与玉米秸秆不同比例对干发酵产沼气的影响，所以设置五组试验。菌糠和玉米秸秆的比例（干重）分别为1:0、3:1、1:1、1:3、0:1，接种量为菌糠和秸秆总干重的2倍。分别以自来水和NH4Cl调节发酵料的最终固形物含量为20%、C/N比为20。发酵料混合均匀后，分别填装到5L的玻璃罐中，橡胶塞密封后置于37的培养箱中发酵。发酵罐中留5mm左右的顶隙防止发酵料升温膨胀溢出。产生的沼气通过橡胶塞中间的玻璃管导出，集气袋收集，每天定时分别测定其总产气量以及气体中的甲烷含量，并对两种原料在沼气发酵前后的木质素、纤维素、半纤维素含量进行测定，探讨菌棒中木质纤维素成分在食用菌生产过程中的降解对沼气发酵总产气量、甲烷产量、发酵产气的启动速度、底物滞留时间、原料利用率等的影响。试验重复2次，对数据进行分析，比较分析各处理的总产气量、气体中的甲烷含量，确定最佳的菌糠沼气干发酵的菌糠和秸秆比例。具体的试验原料配方如表2所示。表2原料配方菌棒：秸秆菌棒 (g)秸秆(g)接种物NH4Cl (g)自来水 (g)1：0676.570120039.5612421.70663：1507.35162.24120038.9882425.95711：1338.23324.47120037.2202425.73481：3169.12486.71120035.7502426.77510：10648.94120034.2802427.48522.2 主要仪器及设备 KD-B300精密电子天平：福州科迪电子技术有限公司LML-1湿式气体流量计：长春汽车滤清器有限责任公司AL-104精密分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司 PHS-3C酸度计：上海虹益仪器仪表有限公司BIOGASCHECK便携式沼气分析仪：深圳昂为电子公司DF-2集热式磁力加热搅拌器：上海浦东物理光学仪器销售部 TW-0.5A旋片式真空泵：上海树立仪器仪表有限公司 DHG-9070A电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司 FZ102微型植物试样粉碎机：北京市永光明医疗仪器厂SPX-250B-Z型生化培养箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂 SC-237AUCMA立式透明门冷藏箱：青岛奥柯玛股份有限公司 SRJX-8-13马福炉：北京市永光明医疗仪器厂TDA-8002电热恒温水浴锅：天津市中环实验电炉有限公司可调万用电炉：龙口市电炉制造厂UV-2102PCS型紫外可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司 TG18G台式高速离心机：凯达科学仪器有限公司2.3 指标及测定方法2.3.1原料及残渣的TS和VS的测量试验原料秸秆（包括接种污泥）和残渣需要进行TS和VS的测定，具体测量方法如下：取一定量的样品，装入已恒重的坩埚W1内，称取样品和坩埚的总质量W2，于105的烘箱内干燥4h，置于干燥器中冷却到室温再称重得W3，样品的TS的计算公式为：TS=。将上述已称取TS的试样连同其瓷坩埚移入马福炉内，于550煅烧4h，停止加热，待炉温降至100时，取出，放于干燥器内冷却至室温，并称重W4，样品中VS的计算公式为：VS=。实验做三组平行样，以平均值表示试样的TS和VS。2.3.2pH值的电位计测定法待测液最好经放置接近室温，然后将二电极浸入其中，轻微摇动，以促进达到平衡，观察零点位置无变化，即可按下读数开关，记录指针所指pH数值，即为测定之pH值。2.3.3碱度的测定 用移液管取样品离心上清液一式三份，每份要求样品体积V2相当于耗标淮酸10.0一250毫升以内为准，分别置于150毫升的三角瓶内。 加入样品体积5一10倍的无二氧化碳的蒸馏水稀释。 滴定 加入0.1N硫代硫酸钾一滴和溴甲酚绿甲基红混合指示剂3滴，摇匀后用0.020N盐酸或硫酸滴定。由蓝色或蓝灰色变为浅粉红色，即为滴定终点(也可用精密试纸测试，此时的pH为4.55.0)。记录标准盐酸的用量V。同时，以等量的无二氧化碳的蒸馏水作空白实验，一式二份，记下消耗标准盐酸的用量V。计算：碱度（以Ca计）毫克/升= 式中试样体积（毫升）; 滴定试样耗标准酸体积（毫升）; 空白试验耗标准酸体积（毫升）； N标准酸的当量浓度； 50每克当量CaC的克数。2.3.4挥发性脂肪酸总量的比色测定法以400010000转分的离心条件，制取沼气发酵样品澄清液，吸取0.5毫升样液置于试管中，准确加入17毫升酸性乙二醇试剂，充分混合， 于沸水浴中加热3分钟，应避免试管与加热器壁直接接触。然后立即将试管置于冷水中冷却。加入2.5毫升羟胺试剂，并混匀，放置一分钟，然后全部倒进盛有10毫升酸性氯化铁试剂的25毫升容量瓶中，用蒸馏水定容，并充分摇匀，静置5分钟，用分光光度汁以500nm波长测定光密度。同样操作做空白试验一份。计算：挥发性脂肪酸总量（毫克/每升）= 式中C样液光密度值相应于标准曲线上挥发酸的含量； V测定样液体积（毫升）； 测定时样液的稀释倍数。2.3.5气体体积的测定采用泵抽法，使用LML-1湿式气体流量计，连接上TW-0.5A旋片式真空泵，将从发酵瓶上取下的气体收集袋打开出口后连接到真空泵上，记下流量计当前显示数值，启动真空泵，将气体收集袋抽空，关闭真空泵，记下流量计显示数值，减去原始数值就得到气体体积。2.3.6二氧化碳和甲烷含量的测定将气体收集袋打开出口，连接到便携式沼气分析仪上，启动便携式沼气分析仪，将气体收集袋排空，记录下便携式沼气分析仪上显示的二氧化碳和甲烷的数值，即得二氧化碳和甲烷的含量。第三章 结果与分析第三章 结果与分析3.1不同比例废弃菌棒与玉米秸秆干发酵过程中的产气情况3.1.1产气量变化 图3-1不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产气量变化的影响从图3-1可以看出废弃菌棒与玉米秸秆五种比例的干发酵每日产气的变化，产气趋势比较相似，即在刚开始产气时达到一个小高峰，随后出现小的回落，然后达到产气的最高峰，随后下降，直至产气结束。从产气情况来看，纯菌棒的干发酵启动较慢，小高峰在第9天左右才出现，比在其他比例下干发酵的小高峰的出现晚了4天左右，且产气量也较小，直到发酵结束才出现最高峰。比例为3:1下发酵和比例为1:1与比例为1:3下发酵情况近似，但比例为1:1、比例为0:1与比例为1:3下发酵的启动要快于比例为3:1下的发酵，小高峰也大于比例为3:1下的小高峰，但随后的最高峰低于比例为3:1发酵的最高峰，说明比例为1:1、比例为1:3和比例为0:1下进行玉米秸秆的干发酵启动快，但产气少，而比例为3:1则相反，启动稍慢，产气量大，比例为1:0发酵启动最慢，产气量也最少。废弃菌棒与玉米秸秆之比为3:1时比较有利于沼气产生，该处理的总产气量比纯菌棒的产量分别高出25.7%，比纯秸秆高出21.1%。3.1.2甲烷含量变化图3-2不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵甲烷浓度变化的影响从图3-2可以看出五组废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产沼气中甲烷含量的变化，总的来说均逐渐增加，最后趋于平稳。比例为1:0下发酵所产沼气刚开始甲烷含量较低，是因为比例为1:0下酸化速度较快，产生大量的二氧化碳，造成甲烷含量相对较低，比例为3:1、1:1、1:3和0:1下发酵则初始阶段酸化较慢，二氧化碳产生少，甲烷含量相对来说较高。随后，酸化过程结束，进入产甲烷阶段，甲烷含量则逐渐升高，且三组甲烷含量相差不大。废弃菌棒与玉米秸秆之比为3:1时比较有利于沼气产生，甲烷产量比纯菌棒的产量分别高出30.6%，比纯秸秆高出22.1%；废弃菌棒与玉米秸秆各种比例对产气中甲烷含量的影响不大，甲烷含量都经历了一个先上升，达到45%左右趋于稳定这一趋势；3.1.3二氧化碳含量变化从图3-3可以看出五组废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产沼气中二氧化碳含量的变化，总的来说均逐渐增加，最后趋于平稳。比例为1:0下发酵所产沼气刚开始甲烷含量较低，是因为比例为1:0下酸化速度较快，产生大量的二氧化碳，比例为3:1、1:1、1:3和0:1下发酵则初始阶段酸化较慢，二氧化碳产生少。随后，酸化过程结束，进入产甲烷阶段，二氧化碳含量则逐渐降低，且五组二氧化碳含量相差不大。 图3-3不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵二氧化碳含量变化的影响3.1.4二氧化碳总体积变化 图3-4不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产气中二氧化碳总体积变化的影响从图3-4可以看出五组废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产沼气中二氧化碳总体积的变化，比例为3:1产的二氧化碳总体积最高，比例为1:0、1:1、1:3和0:1产的二氧化碳总体比较接近。可以看出废弃菌棒与玉米秸秆比例为3:1时，二氧化碳产气量最高，发酵效果最好。3.1.5甲烷总体积变化图3-5不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产气中甲烷总体积变化的影响从图3-5可以看出五组废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产沼气中气体总体积的变化，比例为3:1下发酵产生的甲烷总体积最大，说明废弃菌棒与玉米秸秆之比为3:1是甲烷高产的最佳比例。比例为1:0、1:1、1:3和0:1产的甲烷总体积非常接近。可以看出废弃菌棒与玉米秸秆比例为3:1时，甲烷产气量最高，发酵效果最好3.1.6总产气量变化图3-6不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产气中总产气量变化的影响从图3-6可以看出五组废弃菌棒与玉米秸秆干发酵产沼气中气体总体积的变化，比例为3:1下发酵产生的气体总体积最大，比例为1:0、1:1、1:3和0:1产的气体总体积非常接近。3.2不同比例对废弃菌棒与玉米秸秆前后主要指标和成分的变化秸秆主要由植物的细胞壁物质组成，即粗纤维，约占生物质秸秆的7080%，还包括少量的碳水化合物、粗蛋白、脂肪等易降解的物质。秸秆中的粗纤维主要包括纤维素、半纤维素、木质素等物质，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶