菌劑預處理秸稈與牛糞混合對厭氧發酵產氣的影響

湯昀 朱教寧 龐震鵬 劉月 李永平 史向遠

摘? ? 要：根據原料木質纖維素的降解程度及處理后的發酵產氣試驗，篩選適宜的菌劑和添加量。選取市場上常見的7種復合菌劑，將其活化后接到玉米秸稈中，對預處理后的玉米秸稈進行纖維素含量測定，結合濾紙條崩解試驗結果得出，菌劑1和菌劑5的纖維素、半纖維素降解率較高，分別為21.98%，19.86%，故選取菌劑1和菌劑5作為產氣發酵潛力試驗的預處理劑。將2種菌劑分別設置5個接種濃度（0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%）處理，以未處理的秸稈發酵組合作為對照，將玉米秸稈與牛糞（VS）比為5∶5比例后混合進行厭氧發酵，經測定，菌劑1和菌劑5最佳預處理量為菌占干秸稈量的2.0%。菌劑1在此用量下，累積產氣量、VS產氣量及產甲烷總量是所有組合里最高的，分別為10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL，高出對照18.83%，19.32%，21.44%。菌劑5在此用量下，日產氣量為647.34 mL·d-1，累積產氣量為10 329.13 mL，產甲烷總量為5 807.28 mL。綜上，菌劑對玉米秸稈預處理后，可加快降解纖維素、半纖維素的分解速度，和牛糞混合后進行厭氧發酵，對累計產氣量、VS產氣量和產甲烷總量均有促進效果，對提高厭氧發酵效率，提升畜禽糞污處理速度，降低環境污染具有重要意義。

關鍵詞：厭氧發酵;菌劑;預處理;混合發酵;產氣性能

中圖分類號：S216.4? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.011

Effect of Straw Microbial Agent Pretreatment on Biogas Production Performance by Anaerobic Co-digestion of Cow Manure and Straw

TANG Yun1，2， ZHU Jiaoning1，2， PANG Zhenpeng1，2， LIU Yue3， LI Yongping1，2， SHI Xiangyuan1，2

（1. Shanxi Academy of Organic Dryland Agriculture， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031， China; 2. Research Center of Modern Agriculture， Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Taiyuan， Shanxi 030031， China;3. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030800， China）

Abstract： The optimum microbial agent and additive amount were determined in this study according to the degradation of lignocellulose and biogas production performance of anaerobic co-digestion of straw pretreated with microbial agent and cow manure. Seven groups of microbial agent were selected， activated and added to the corn straw. The results of cellulose-hemicellulose content determination and filter paper strip disintegration test of pretreated corn straw indicated that microbial agent 1 and microbial agent 5 showed the highest cellulose-hemicellulose degradation rate of 21.98% and 19.86%， respectively. Therefore， microbial agent 1 and agent 5 were selected as pretreatment agents for the biogas potential test. Experiments with cow manure and corn straw （mixture with volatile solid） ratio 5∶5 at different inoculation concentration 0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0% of agent 1 and agent 5 were carried out， while the experiment with cow manure and untreated corn straw was set as the control group. A series of indicators were determined， it could be concluded that the best pretreatment amount of both agent 1 and agent 5 was 2.0% of the dry straw amount. The cumulative biogas production， VS biogas production and methane production of agent 1 at inoculation concentration of 2.0% were the highest， reached 10 403.4 mL， 326.52 mL·g-1， 5 892.66 mL， which were 18.83%， 19.32% and 21.44% higher than that of the control group， respectively. While the agent 5 was inoculation concentration of 2.0%， the daily biogas production cumulative biogas production and methane production were 647.34 mL·d-1， 10 329.13 mL， 5 807.28 mL， respectively. In conclusion， the pretreatment of corn straw with microbial agent can accelerate the degradation rate of cellulose as well as hemicellulose， anaerobic co-digestion of cow manure and pretreated corn straw can promote the cumulative biogas production， VS biogas production and total methane production， which is of great significance to improve the efficiency of anaerobic digestion， promote the processing speed of livestock manure， and reduce environmental pollution.

Key words： anaerobic fermentation; microbial agent; pretreatment; co-digestion; biogas production performance

我國是農業大國，每年產生的秸稈達7億t[1]，其中約25%作為燃料直接燃燒，20%作為飼料，其余的秸稈資源未得到有效利用[2]。厭氧發酵可以達到將秸稈能源回收、環境保護和物質循環等效果，且近年來這種方式受到政府的重視和支持[3]。但秸稈中半纖維素、纖維素和木質素含量占干物質總量的80%[4]，這導致在厭氧發酵過程中，大分子相互糾纏而難以降解，厭氧菌消化困難，發酵系統啟動慢，產氣效率低[5-6]。如何提高秸稈在厭氧發酵中的利用率成為研究的熱點問題之一。

秸稈預處理可以打破半纖維素、纖維素和木質素之間的連接，使秸稈進行一定程度的預降解，這種方式可以提高秸稈厭氧發酵效率，實現秸稈規?；茉醇拔镔|轉化[7]。國內外常見的秸稈預處理方法有物理法、化學法和生物法等[8]。但相比物理法與化學法，生物法條件更加溫和，而且不污染環境。有研究表明，生物預處理可以有效降解木質素[9]，而且單一菌降解效果不如復合菌的共同作用，尤其是木質纖維素的完全降解，是微生物菌系共同作用下的結果[10]。國內外許多學者研究使用復合菌來預處理秸稈，以期達到使木質纖維素快速降解的目的[11-12]。

目前，市面上已有許多在售的復合菌劑是用來對秸稈進行預處理的，但效果有好有差，用量也很模糊。所以，本研究選擇了市面上常見的且銷售良好的7種復合菌劑，通過纖維素降解能力對其進行篩選，并經發酵產氣試驗確定最適合的用量，以期為沼氣工程提供數據參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究采用的玉米秸稈取自山西省農科院中試基地大田玉米地，曬干后使用切草機粉粹，過60目篩備用;菌劑選擇市場上銷售良好的7種復合菌劑，具體見表1。

1.2 試驗裝置

采用山西省農科院現代農業研究中心沼氣技術實驗室自制1 L小型厭氧發酵發生器進行試驗。該發生器由上下兩部分組成，下部為料液反應區，將發酵物料由進料口灌裝后用具有橡膠墊圈的螺旋瓶塞擰緊，確保不漏氣，上部為注水區，上下部分導氣管連通，玻璃隔層分開。下部反應區待物料發酵后產生的沼氣，經導氣管進入上部，由排水集氣法原理可知，隨著沼氣量的增加，上部注水區的水從導水管不斷排出，并將排出的水收集到廣口瓶內，然后稱質量，以此確定沼氣產量。由采氣口連接的鋁箔集氣袋收集氣體，然后經氣相色譜儀分析沼氣氣體組分及含量?；旌蠀捬醢l生器見圖1。

1.3 試驗方法

1.3.1 菌劑的活化 菌劑活化培養基配方：（NH4）2SO4 1.0 g·L-1，MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1，KH2PO4 1.0 g·L-1，酵母膏0.1 g·L-1，紅糖10 g·L-1，pH值 7.0。每個三角瓶中裝入130 mL菌劑活化培養基，分別取0.1 g菌劑1、菌劑2、菌劑3、菌劑4，取1 mL菌劑5、菌劑6、菌劑7、清水（CK）置于三角瓶中，30 ℃恒溫環境培養1周。

1.3.2 濾紙條崩解試驗 濾紙條崩解培養基配方：KH2PO4 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.04 g，（NH4）2SO4 0.3 g，酵母粉0.01 g，H2O 100 mL，121 ℃滅菌20 min。按上述配方制備培養基，每個三角瓶中裝入130 mL培養基，分別接種0.1 g菌劑1、菌劑2、菌劑3、菌劑4，1 mL菌劑5、菌劑6、菌劑7，每個三角瓶中加入3張長5 cm，寬1 cm的濾紙條。以清水為對照，30 ℃恒溫環境培養30 d，觀察濾紙條崩解情況。

1.3.3 菌劑接種 取40 g玉米秸稈，加入20 mL濃度為1 g·L-1的尿素和130 mL上述活化后的培養基，在培養箱中恒溫（30 ℃）培養30 d，保持秸稈含水率在70%左右。

1.3.4 秸稈纖維素測定 將不同菌劑處理的秸稈取出后烘干處理，為了保證纖維素含量測定時秸稈樣品粒徑的一致性，將烘干的秸稈樣品過篩分選，使測定纖維素用的秸稈大小為5 mm。

1.3.5 預處理秸稈與牛糞厭氧發酵產氣試驗 按照濾紙條崩解試驗效果和菌劑處理秸稈后纖維素降解情況，篩選出適宜的菌劑。按照菌劑占秸稈（干基）量分別為0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%的濃度梯度配制菌劑液，均勻噴灑在秸稈上，置于恒溫培養箱，在30 ℃處理30 d后取出備用。將按不同濃度菌劑預處理后的玉米秸稈與牛糞按VS比5∶5配混后進行厭氧發酵試驗，試驗裝置采用自制1 L厭氧發生器，物料濃度均為8%，接種物干物質量（TS）占比為30%，物料總量650 g，發酵溫度控制在中溫（35±1 ℃），厭氧發酵試驗周期40 d。每個處理重復3次。

1.4 測定指標

1.4.1 TS測定 將牛糞和玉米秸稈、接種物取樣置于恒溫鼓風干燥箱中，設置溫度為105 ℃，烘干水分，采用差重法計算TS。

1.4.2 揮發性固體量（VS）測定 將烘干后的樣品于馬弗爐中進行600 ℃高溫灼燒，去除有機成分，得到灰分，采用差重法計算揮發性有機物固體質量。

1.4.3 原料纖維素、半纖維素及木質素測定 將烘干后的樣品用ANKOMA2000i全自動纖維分析儀測定。

1.4.4 沼氣組分測定 使用鋁箔氣體采樣袋收集每日各處理產生的氣體，用安捷倫7890B氣相色譜儀對氣體成分進行測定。色譜條件：色譜柱為HP-INNOWAX，60 μm×530 μm×1 μm，載氣為氫氣，流量5 mL·min-1，壓力7.244 3 psi，平均線速度35.701 cm·s-1，滯留時間2.80 min;FID檢測器：溫度300 ℃，空氣流量400 mL·min-1，氫氣燃氣流量30 mL·min-1，尾吹氣流量（N2）25 mL·min-1;TCD檢測器：溫度250 ℃，參比流量40 mL·min-1，尾吹氣流量（H2）2 mL·min-1。1.5 數據分析

采用Excel 2010進行數據處理和圖表繪制，采用DPS統計軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 菌劑篩選結果

如表2所示，通過木質纖維素降解率的測定及濾紙條崩解試驗的結果表明，處理效果較好的是菌劑1及菌劑5。纖維素、半纖維素的降解率分別是21.98%，19.86%，二者之間沒有顯著性差異;木質纖維素降解率各處理相比差別不大。所以，選擇菌劑1和菌劑5作為下一步混合發酵的秸稈預處理的復合菌劑。

濾紙條崩解試驗結果判定標準： “+”濾紙邊緣膨脹;“+ +”濾紙整齊膨脹并下彎;“+ + +”濾紙不定形;“+ + + +”濾紙完全成糊狀。

將上述結果表現較為出色的2組（菌劑1和菌劑5）預處理后的玉米秸稈與牛糞（VS）比為5∶5混合進行厭氧發酵試驗，40 d后進行產氣潛力分析。各處理具體見表3。

2.2 秸稈預處理對混合厭氧發酵系統產氣性能的影響

2.2.1 秸稈預處理后與牛糞混合厭氧發酵對日產氣量的影響 由圖2可以看出，除了未處理以外，各處理的日產氣量的趨勢大體相同，均在第4天達到產氣高峰，而后下降，在發酵第9天又達到第2個產氣高峰。而未處理CK則是在第2天達到第1個產氣高峰，然后同樣在第9天達到第2個產氣高峰。原因可能是干秸稈投料后吸水膨脹后造成氣體外溢，所以會比其他處理更早達到第1個產氣高峰。所有處理在達到產氣高峰時，1T4處理的日產氣量最高，為688.92 mL·d-1，其次是5T4處理，日產氣量為647.342 mL·d-1，最少的是未處理CK，日產氣量僅為554.44 mL·d-1。這是由于復合菌劑對秸稈的預處理破壞了秸稈中纖維素、半纖維素及木質纖維素之間的連接，增加了發酵底物中可被產酸菌利用的可溶性有機物，促使產氣量提高。這一結果與陳羚等[13]的研究一致。

2.2.2 秸稈預處理后與牛糞混合厭氧發酵對累積產氣量的影響 各處理厭氧發酵的累積產氣量見圖3。所有處理的累積產氣量的變化趨勢相同，均是先快速上升后趨于平穩。菌劑1和菌劑5的5種梯度處理均呈先增大后趨于平穩的趨勢。其中，累積產氣量最高的為1T4（10 403.04 mL），其次是5T4（10 329.13 mL），二者之間沒有顯著性差異，且分別高出未處理CK（8 754.48 mL）18.83%，17.99%。由此可以看出，經過微生物復合菌劑處理后的秸稈與牛糞混合后進行厭氧發酵時，產氣性能得到了提高。這是由于在進行預處理的過程中，復合菌劑中的微生物，有能使木質纖維素更好降解的菌（如木霉菌等），這些菌系將秸稈中的木質纖維素降解成了易于厭氧微生物利用的小分子物質，從而提高了發酵底物的消化率和產氣率。此結果與前學者研究一致[9，14]。

2.2.3 秸稈預處理后與牛糞混合厭氧發酵對VS產氣量的影響 厭氧發酵系統中發酵物料產氣潛力可以由VS產氣量這一指標來衡量，該值越大，則表示單位質量的該物料有機質成分產氣量越多，即產氣潛力越大。由圖4可知，VS產氣量在菌劑1和菌劑5的各處理中均呈現單峰趨勢，極值出現在1T4和5T4。其中VS產氣量最高的是1T4（326.52 mL·g-1），其次是5T4（324.20 mL·g-1），分別高于未處理CK19.32%，18.47%。從圖4中還可以看出，菌劑預處理過的處理，VS產氣量均顯著高于未處理CK（273.65 mL·g -1）。

2.2.4 秸稈預處理后與牛糞混合厭氧發酵對甲烷含量的影響 發酵系統每日所產出的甲烷在日總產氣中所占的比例稱之為甲烷含量，這一指標可以衡量發酵體系的產氣效果，每日所產氣體的甲烷含量越高，產氣效果亦越好[15]。由圖5可知，各處理甲烷含量的變化趨勢大體一致，初期均隨著發酵天數的增加而增加，10 d之后趨于平緩。各處理發酵6～7 d可達到60%以上，發酵后期，各處理均穩定在60%左右，整個發酵過程各處理的平均甲烷含量均在57%左右。

2.2.5 秸稈預處理后與牛糞混合厭氧發酵對產甲烷總量的影響 如圖6所示，每種菌劑隨著處理含量的增加，產甲烷總量呈先上升后下降的趨勢，但所有處理的產甲烷總量均高于未處理CK。其中最高的是1T4（5 892.66 mL），其次是5T4（5 807.28 mL），這2個處理的產甲烷總量沒有顯著性差異，分別高出對照未處理CK（4 852.46 mL）21.44%，19.68%。

3 結論與討論

通過纖維素、半纖維素降解率及濾紙條崩解試驗可以確定2種復合菌劑預處理秸稈效果較好，分別是秸稈發酵劑（洛陽歐克拜克生物技術股份有限公司）和有機物料發酵劑（中國農科院肥料應用工程技術研究中心）。這2種菌劑預處理玉米秸稈后，木質纖維素降解率分別為21.98%，19.86%，濾紙條崩解試驗結果也較為優秀。這說明添加復合菌劑，可以有效降解纖維素和半纖維素。有研究表明，半纖維素主要由易降解的糖類物質組成，其組成和結構可變性較強，預處理過程較易被降解[14]。纖維素是由β-1-4糖苷鍵連接的小分子葡萄糖組成的聚合物[16]，相比半纖維素，纖維素較難被復合菌劑降解。木質素是復合的多苯基芳香族化合物，由酯鍵連接，與纖維素、半纖維素緊密結合，形成植物的一、二級細胞壁[17]。本研究的纖維素檢測結果中木質素基本沒有被降解，故選取纖維素、半纖維素的降解率作為初篩菌劑的依據。

篩選出適宜預處理玉米秸稈的復合菌劑類型后，還要進一步優化確定該菌劑的適宜預處理添加量。胡致遠等[18]探究了生物強化菌系添加量對餐廚垃圾厭氧發酵性能的影響，結果表明，在食微比為0.5，1.0時，生物強化效率隨菌系添加量的增加先升高后降低，最大生物強化效率在15%的劑量下獲得。本研究將不同添加量的菌劑處理玉米秸稈后進行混合厭氧發酵試驗，結果顯示，當菌劑的預處理添加量為2%時，菌劑1和菌劑5的不同處理均表現出較好的產氣效果，菌劑1在此添加量下的累積產氣量、VS產氣量及產甲烷總量均高于其他處理，分別達10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL。菌劑5在此添加量下，累積產氣量、VS產氣量和產甲烷總量分別為10 329.12 mL，324.20 mL·g-1，

5 807.28 mL，高于同一菌劑處理下的其他處理。發酵物料的VS產氣量與菌劑處理添加量的變化密切相關，隨著菌劑添加量的增大先增加后降低，不同菌劑處理均在添加量2%時表現出較強的產氣效能。原因可能在于當菌劑加入不足時，微生物難以在短時間內形成優勢菌群，影響秸稈中木質纖維素的降解效率，從而導致厭氧發酵體系內反應底物不足，降低產氣量;當菌劑加入過多時，雖然可以增加木質纖維素的降解量，但是菌群過多也會同時消耗作為厭氧發酵水解階段底物的部分有機物，從而降低水解階段反應速率，且在實際生產中過量添加復合菌劑也會增加秸稈預處理的經濟成本。因此采用菌劑1和菌劑5預處理玉米秸稈時，適宜的菌劑添加量為菌占干秸稈量的2%，將有助于提高發酵產氣量和提升物料產氣潛力，同時可以避免菌劑的過量使用，降低處理成本。

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