不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响

中国环境科学2011,31(1)：73~77ChinaEnvironmentalScience不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响陈广银1,2,郑正3*,常志州1,叶小梅1,罗艳2(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏南京210014；2.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏南京210093；3.复旦大学环境科学与工程系,上海200433)摘要：在中温[(35±1)℃]条件下,采用批式发酵方式,研究了不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响.结果表明,不添加氮源时,麦秆挥发性固体(VS)产气量为323.97mL/g,甲烷含量为64.38%;厌氧发酵后发酵液中各形态氮含量均大幅增加,发酵液中的氮以铵态氮和有机氮为主;发酵后的麦秆中木质素含量增加,纤维素结晶区受到一定程度的破坏.添加氮源提高了微生物的活性,产气速率大幅提高,VS产气量提高了35.37%~50.20%,但对甲烷含量的影响不大.除硝酸钾外,添加氮源的各处理发酵液中均以铵态氮为主,占总氮的70%以上,添加硝酸钾的处理昀低,仅为54.60%,均远高于对照的38.49%.添加氮源及不同氮源对发酵液中硝态氮含量的影响不大;添加氮源促进了微生物对麦秆中纤维素和半纤维的破坏,但对纤维素结晶区的影响不大.在各种氮源中,以添加尿素的效果昀好.关键词：麦秆；氮源；厌氧消化；沼气中图分类号：X712文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)01-0073-05Effectsofnitrogensourcesonanaerobicdigestionprocessofwheatstraw.CHENGuang-yin1,2,ZHENGZheng3*,CHANGZhi-zhou1,YEXiao-mei1,LUOYan2(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,Nanjing210014,China；2.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchoolofEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,China；3.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(1)：73~77Abstract：Effectsofnitrogensourcesonanaerobicdigestionprocessofwheatstrawwereinvestigatedbybatchmodelat(35±1).There℃sultsindicatedthat,thebiogasproductivityofwheatstrawwithoutnitrogenrecoursewasslowandthebiogasyieldwas323.97mL/gVSwith64.38%ofmethanecontent.Variousformsofnitrogenandtotalnitrogenincreaseddramaticallyandammoniumnitrogenandorganicnitrogenweredominantafteranaerobicdigestion.Lignincontentincreasedwiththedegradationofcellulose,semi-celluloseandotherorganicmatter.Additionofnitrogensourcesimprovedthebiodegradabilityofwheatstrawandthebiogasyieldby35.37%~50.20%,butdidn’taffectthemethanecontent.Comparedwithcontrol,ammoniumnitrogenwasthemainlyforminthefermentationliquidofalltreatmentsafteranaerobicdigestionandtheratioofammoniumnitrogentototalnitrogenwereupto70%exceptpotassiumnitrate(only54.60%).Therewasnosignificantdifferenceofnitratenitrogencontentoffermentationliquidbetweennitrogensourcesaddedandcontrol.Withnitrogensourcesadded,thedecompositionofcelluloseandsemi-cellulosewasimproved,butdidn’taffectthedestructionofcrystallineofcellulose.Thebestefficacytoanaerobicdigestionofwheatstrawwasobtainedbyaddingurea.Keywords：wheatstraw；nitrogensources；anaerobicdigestion；biogas秸秆经厌氧消化后产生沼气,是实现秸秆资源化和减量化的重要方法之一[1-3].由于秸秆类原料具有高C/N、高木质纤维含量、易分解有机物含量低的特点,其厌氧消化存在着单位干物质产气率低、产气缓慢、发酵周期长以及生物转化率低等问题.为解决这一问题,通常的做法是在秸秆类原料中添加外来氮源,将C/N调节到厌氧微生物适合的范围(20~30)后发酵.常用的氮源包括收稿日期：2010-05-15基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-004);农业部行业计划(200903011-01)*责任作者,教授,[e-mail]74中国环境科学31卷尿素、畜禽粪便等有机氮源以及氯化铵、硝酸钾等无机氮源[1,3-4],但不同氮源对厌氧微生物活性以及厌氧消化过程是否有影响,影响程度如何,国内外还未见这方面的报道.本研究采用尿素、氯化铵、硝酸钾和硝酸铵等不同形态氮源,通过调节麦秆C/N,从产气特性、发酵液氮素变化以及麦秆结构变化进行了较系统地研究,考察了对麦秆厌氧消化过程的影响,以期为秸秆沼气工程化应用提供理论参考.1材料与方法1.1实验材料麦秆取自江苏省大丰市某农场,麦秆经切碎后(长为1~2cm)备用.麦秆的总固体(TS)为89.22%,挥发性固体(VS)为89.4%,C/N为38.52.污泥是前次厌氧消化实验的消化液,经纱布过滤后于35℃下保存待用.污泥的TS为2.34%,VS为61.58%,pH7.23.实验用氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素均为分析纯.1.2实验方法实验设5个处理,含一个对照(CK).取VS质量为30g的麦秆4份于反应器中,分别用氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素将麦秆的C/N调节到30,加入污泥400g,加水使各处理的起始VS负荷均为5%,混匀.CK除不调节C/N外,其余同上.实验在1000mL的广口瓶内进行,将发酵原料放入瓶中,接种,加水后,混匀.用橡胶塞密封.实验开始时,向反应器内充入氮气2min以驱赶反应器内的空气,密封后放入(35±1)℃的恒温水浴锅中培养,每组2个平行,取平均值进行分析.实验起始和实验结束时取样进行相关指标的分析.以排水(饱和NaCl溶液)集气法收集气体,每日测定产气量;消化液的pH值用精密pH计(METER6219)测定;分别取发酵前后的发酵液用于测定NH3-N、NO3--N、NO2--N和TN,测定方法参见文献[5]方法;TS的测定采用105℃烘24h,差重法测定;VS的测定采用550℃灼烧4h,差重法测定;分别取发酵前后的玉米秸用蒸馏水清洗干净后冰冻干燥,粉碎,过100目筛后用于红外光谱仪(Nexus870,美国NICOLET公司)和X射线衍射仪(XTRA,瑞士ARL公司)的测定;纤维素结晶度的计算参见文献[6].2结果与分析2.1不同氮源对秸秆厌氧消化产气特性的影响由图1可知,除尿素外,各处理日产气量的变化趋势相似,均为“增加→降低→增加→降低”.添加尿素的处理在实验过程中日产气量总体为先增加后降低,且实验前8d日产气量明显大于其他处理.实验前19d,添加氮源的各处理,日产气量均明显高于对照;19d后,各处理的日产气量相差不大,且均不断降低.CK、氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素分别在实验第6,12,9,10和5d达到昀大值,分别为565,932,782,724,877mL,添加氮源的各处理均明显高于CK.麦秆的C/N为38.52,高于厌氧微生物昀适C/N(20~30),不利于厌氧微生物的生存繁殖.当外加氮源调节C/N至25后,微生物的活性明显增强,表现在产气速率大幅提高,日产气量增加,昀高日产气量达932mL,远高于对照.添加不同氮源对提高微生物活性均有效果不等的促进作用,以添加尿素的效果昀好,氯化铵的效果昀差.05101520253035404502004006008001000日产气量(mL)时间(d)CK氯化铵硝酸铵硝酸钾尿素图1不同氮源对秸杆厌氧消化产气量的影响Fig.1Dailybiogasyieldduringanaerobicdigestionofwheatstrawwithdifferentnitrogensourceaddition实验结束时,各处理VS产气量和甲烷含量的数据见表1.从表中可知,添加氮源的各处理VS产气量均大幅提高,添加氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素的各处理VS产气量较CK分别提高了1期陈广银等：不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响7535.37%,44.62%,36.63%和50.20%.虽然尿素自身在厌氧条件下会产生沼气,但本实验添加的尿素量很少,不到0.20g,尿素中的有机物产气对麦秆产气量的影响可以忽略.添加氮源以及不同氮源对甲烷含量的影响不大.表1不同氮源产气特性及发酵前后VS含量变化Table1CharacteristicsofbiogasproductionandchangesofVScontentbeforeandafteranaerobicdigestionVS含量(%)处理发酵前发酵后分解率VS产气量(mL/g)甲烷含量(%)CK89.4067.9224.03323.9764.38氯化铵89.4072.3319.09438.5763.57硝酸铵89.4066.7725.31468.5359.85硝酸钾89.4064.5627.79442.6362.06尿素89.4057.8535.29486.6060.18实验中,氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素分别代表了NH4+-N、NO3--N、NH4+-N/NO3--N以及有机氮.产气的结果表明,添加氮源可以大幅提高麦秆的产气能力和产气速率,但不同氮源的促进效果不同,以添加有机氮源的效果昀好,NO3--N次之,NH4+-N昀差.作者前期将猪粪作为氮源,研究水葫芦厌氧消化产沼气的特性,结果显示添加猪粪明显改善了水葫芦的厌氧产气特性,VS产气量提高了33.81%[7],牛粪与互花米草混合发酵也有相似的结果[8].以上结果均显示,添加有机氮源对木质纤维原料产气具有很好的促进作用.这为秸秆类原料厌氧消化产气工程化应用提供了重要参考.工程应用中,在条件允许的前提下,应尽量添加畜禽粪便等有机氮源代替无机氮源,既节约了成本,又大幅提高了产气量.2.2对VS分解率的影响由表1可知,经厌氧消化处理后,各处理的VS含量均大幅降低,CK、氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素分别下降了24.03%,19.09%,25.31%,27.79%和35.29%,与产气的结果基本一致.结合VS产气量的数据来看