不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响

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,添加硝酸钾的处理最低,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,以添加尿素的效果最好. 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)01-0073-05

Effects of nitrogen sources on anaerobic digestion process of wheat straw. CHEN Guang-yin1,2, ZHENG Zheng3*, CHANG Zhi-zhou1, YE Xiao-mei1, LUO Yan2 (Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；3.Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China). China Environmental Science, 2011,31(1)：73~77

Abstract：Effects of nitrogen sources on anaerobic digestion process of wheat straw were investigated by batch model at (35±1)℃. The results indicated that, the biogas productivity of wheat straw without nitrogen recourse was slow and the biogas yield was 323.97mL/g VS with 64.38% of methane content. Various forms of nitrogen and total nitrogen increased dramatically and ammonium nitrogen and organic nitrogen were dominant after anaerobic digestion. Lignin content increased with the degradation of cellulose, semi-cellulose and other organic matter. Addition of nitrogen sources improved the biodegradability of wheat straw and the biogas yield by 35.37%~50.20%, but didn’t affect the methane content. Compared with control, ammonium nitrogen was the mainly form in the fermentation liquid of all treatments after anaerobic digestion and the ratio of ammonium nitrogen to total nitrogen were up to 70% except potassium nitrate (only 54.60%). There was no significant difference of nitrate nitrogen content of fermentation liquid between nitrogen sources added and control. With nitrogen sources added, the decomposition of cellulose and semi-cellulose was improved, but didn’t affect the destruction of crystalline of cellulose. The best efficacy to anaerobic digestion of wheat straw was obtained by adding urea.

Key words：wheat straw；nitrogen sources；anaerobic digestion；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[13].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, zzhenghj@fudan.edu.cn

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%,pH 7.23.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 (METER 6219) 测定;分别取发酵前后的发酵液用于测定NHNO--3-N、3-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达到最大值,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,高于厌氧微生物最适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,最高日产气量达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,以添加尿素的效果最好,氯化铵的效果最差.

1000

800CK )L氯化铵 m(量600

硝酸铵 硝酸钾 气尿素 产日400200

00510152025 30 35 40 45

时间(d)

图1 不同氮源对秸杆厌氧消化产气量的影响 Fig.1 Daily biogas yield during anaerobic digestion of

wheat straw with different nitrogen source addition 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 75

35.37%,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

Table 1 Characteristics of biogas production and changes

of VS content before and after anaerobic digestion

处理

VS含量(%) 发酵前 发酵后 分解率

VS产气量(mL/g)甲烷含量(%)

CK 89.40 67.92 24.03323.97 64.38 氯化铵 89.40 72.33 19.09438.57 63.57 硝酸铵 89.40 66.77 25.31468.53 59.85 硝酸钾 89.40 64.56 27.79442.63 62.06 尿素 89.40 57.85 35.29

486.60

60.18

实验中,氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素分

别代表了NH-N、NO-、NH-4+3-N4+-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最好,

NO-3-N次之,NH4+-N最差.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,氯化铵的VS分解率低于CK,但VS产气量却明显高于CK,这可能是因为添加氮源提高了厌氧微生物的活性,促进了麦秆

中有机物向沼气的转化,CK则由于较高的C/N,不利于厌氧微生物生存,从而导致大量有机物被微生物用来维持自身生存和繁殖,结果出现VS分解率较高、VS产气量较低的结果. 2.3 对发酵液理化性质的影响

发酵前后各处理发酵液的理化特性见表2.厌氧发酵前,各处理的pH值均在7.30~7.60之间,其中以添加硝酸钾的pH值最高,硝酸铵次之,添加氯化铵和尿素的pH值略低于CK,但各处理间相差不大,这与添加的氮源种类以及添加量较少有关.经45d的厌氧发酵处理后,各处理的pH值均降低,且均处于6.80~6.95之间,表明不同氮源对发酵后发酵液的pH值无明显影响.

厌氧发酵过程是厌氧微生物将发酵基质中的有机物通过复杂的生物化学反应转化为甲烷和二氧化碳的过程,其中,发酵原料中的一些不能为厌氧微生物分解的有机物溶出进入发酵液中,使厌氧消化后的发酵液TOC大幅增加.厌氧发酵后,CK的TOC增幅低于其它处理,这与其较低的VS分解率一致.添加氯化铵的TOC最大,可能是因为较高含量的铵态氮对微生物利用某些可分解的有机物产生抑制,这与其最低的VS分解率吻合.

厌氧消化过程伴随着各种形态氮素相互转化的过程.厌氧微生物分解有机物的同时,将有机物中的有机氮转化为无机氮,与此同时,微生物利用系统中的无机氮转化为自身成分(有机氮).由表2可知,厌氧发酵后,各处理发酵液中的

NH--4+-N、NO3-N、NO2-N和TN均大幅增加,这与麦秆中的有机物被大量分解有关.经厌氧处

理后,发酵液中的NH-N、NO-4+3-N、TN和有机氮含量均大幅增加,表明麦秆中的有机氮被大量分解转化为无机氮溶入发酵液中,其中某些小分子的有机氮也进入发酵液中.厌氧消化过程中不仅发生了氨化作用,同时也发生了硝化作用,以氨化作用为主.与CK相比,添加尿素的处理发酵后的发酵液中NH4+-N含量明显增加,而有机氮含量低于CK,表明添加尿素有利于提高厌氧系统中氨化细菌的活性,利于有机氮向NH3-N的转化;添加硝态氮源对发酵过程中氨化作用和硝化作用均无明显影响;添加铵态氮源对氨化作用有利,

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对硝化作用未表现出影响;添加氮源促进了有机氮向无机氮的转化,但对硝态氮的含量影响不大,厌氧发酵后各处理发酵液中有机氮的含量均低于CK.

表2 发酵前后发酵液的理化特性变化

Table 2 Physico-chemical properties of the anaerobic fermentation liquid

处理

pH值 TOC(mg/L) NH4+-N(mg/L) NO3-N(mg/L) NO2-N(mg/L) TN(mg/L)

--

发酵前 发酵后 发酵前发酵后 发酵前发酵后发酵前发酵后发酵前发酵后 发酵前 发酵后

CK 7.42 6.86 10022 32731 13.20 50.37 0.00 28.39 0.11 0.43 17.31 130.85 氯化铵 7.34 6.85 10820 57263 21.80 261.30 0.00 30.53 0.10 0.42 25.49 331.56 硝酸铵 7.50 6.90 10590 35475 17.41 148.60 0.00 28.87 0.09 0.41 20.56 215.12 硝酸钾 7.60 6.95 10109 44094 14.91 63.53 4.06 34.45 0.08 0.46 24.05 116.35 尿素 7.34 6.91 11082 43200 15.86 152.69 0.00 31.72 0.09 0.41 20.95 229.40

2.4 红外光谱的变化

-由图2可知,厌氧发酵后,1509~1515cm1和--1462cm1吸收峰强度明显增强,1509~1515cm1

-是木质素中苯环的骨架伸缩振动峰,1462 cm1是

-木质素中—CH3的C—H不对称变形振动峰[911],表明厌氧处理后麦秆中的木质素含量增加,各处理间相差不大.由于木质素的分解是需要分子氧的[12],因此,厌氧发酵过程中木质素几乎不被分解,发酵后木质素含量增加的程度可作为间接评价秸秆中有机物被分解的程度.结合VS分解情

a. 红外光谱的变化

况的数据可以看出,添加尿素促进了麦秆中有机物的分解,使其中的木质素溶入到发酵液中.

-1375cm1是纤维素中C—H的变形振动峰,

-1322cm1是纤维素C—H振动峰和丁香基衍生物

-中C—O振动峰,1162cm1是纤维素和半纤维素

-中C—O—C振动峰;895cm1是纤维素中C—H弯曲振动峰,厌氧发酵后,这些峰的强度均大幅降低,尤以添加尿素的处理峰强最低,表明厌氧发酵后麦秆中的纤维素和半纤维素含量大幅降低,以添加尿素的处理效果最好,这与产气的结果一致.

11621462132215121375b.指纹区的变化

未处理

895 CK 氯化铵 硝酸铵 硝酸钾 尿素

未处理

透射比 CK氯化铵硝酸铵硝酸钾尿素

4000 3500 3000 25002000

波数(cm)

1500

1000 500

透射比 1600150014001300120011001000 900 800 700 600 500

波数(cm)

图2 发酵前后麦秆红外光谱图及其指纹区的变化

Fig.2 FTIR spectra and fingerprint spectral region of wheat straw obtained before and after anaerobic digestion

2.5 XRD谱图分析

由图3可知,各处理均在2θ＝22°附近有一极大峰,这是002晶面的衍射峰,单从图谱来说,衍射峰越明锐,晶体结晶程度越高[13].厌氧发酵后,各

处理在该处的衍射峰强度均减弱,表明厌氧处理可以一定程度上破坏麦秆纤维素中的结晶区,但这种破坏作用不大.添加不同氮源对纤维素结晶区的破坏作用相差不大.结晶度指数(CrI)可以反

1期 陈广银等：不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响 77

映麦秆中纤维素结晶区被破坏的程度.未处理麦参考文献：

秆、CK、氯化铵、硝酸铵、硝酸钾和尿素的CrI[1] 张翠丽,李轶冰,卜东升,等.牲畜粪便与麦秆混合厌氧发酵的产

气量、发酵时间及最优温度 [J]. 应用生态学报, 2008,19(8): 分别为0.6758,0.5070,0.4964,0.5036,0.4847和

1817-1822.

0.5201,可以看出,厌氧发酵可以较大程度上破坏

[2] Kaparaju P, Serrano M, Angelidaki I. Effect of reactor [6,8]

纤维素的结晶区,这与前期的研究结果一致. configuration on biogas production from wheat straw hydrolysate

[J]. Bioresource Technology, 2009,100:6317-6323.

尿素

衍射强度 硝酸钾硝酸铵氯化铵CK未处理5 10 15 20

25

2θ (°)

30

35

[3] Wang G, Gaval H N, Skiadas I V, et al. Wet explosion of wheat

straw and codigestion with swine manure: Effect on the methane productivity [J]. Waste Management, 2009,29:2830-2835. [4] Zhang R H, Zhang Z Q. Biogasification of rice straw with an

anaerobic-phased solids digester system [J]. Bioresource Technology, 1999, 68:235-245.

[5] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废

水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社, 2005: 254-284.

40 [6] 陈广银,郑 正,邹星星,等.互花米草厌氧消化产沼气的实验研

究 [J]. 中国环境科学, 2009,29(8):861-866.

[7] 陈广银,郑 正,邹星星,等.添加猪粪对凤眼莲中温厌氧消化过

程的影响 [J]. 中国环境科学, 2008,28(10):898-903.

[8] 陈广银,郑 正,邹星星,等.牛粪与互花米草混合厌氧消化产沼

气的试验 [J]. 农业工程学报, 2009,25(3):179-183.

[9] 吴景贵,曾广赋,汪冬梅,等.玉米叶片残体腐解过程的傅里叶变

图3 厌氧发酵处理前后麦秆的X射线衍射谱 Fig.3 X-ray diffraction patterns of wheat straw obtained

before and after anaerobic digestion

3 结论

换红外光谱研究 [J]. 分析化学, 1997,25(12):1395-1400. [10] Pandey K K, Pitman A J. FTIR studies of the changes in wood

3.1 在TS负荷为5.00%,温度为(35±1)℃条件下,chemistry following decay by brown-rot and white-rot fungi [J].

International Biodeterioration and Biodegradation, 2003,52:151- 麦秆切碎后直接厌氧消化可以正常进行,但日产

160. 气量较低,最高日产气量仅为565mL,VS累积产

[11] Schultz T P, Glasser W G. Quantitative structural analysis of

气量为323.97mL/g.麦秆经厌氧发酵后,发酵液的

lignin by diffuse reflectance Fourier transform spectrometry [J].

氮素中主要以铵态氮和有机氮的形式存在,铵态Holzforschung, 1986,40(Suppl.):37-44．

氮占总氮的38.49%.发酵后的麦秆中木质素含量[12] Komilis D P, Ham R K. The effect of lignin and sugars to the 增加,纤维素结晶区也受到一定程度的破坏. anaerobic decomposition of solid waste [J]. Waste Management,

2003, 23:419-423. 3.2 添加氮源改善了微生物的生存环境,提高

了厌氧微生物的活性,产气速率大幅提高,VS产[13] 刘粤惠,刘平安.X射线衍射分析原理与应用 [M]. 北京:化学工

业出版社, 2003.

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

作者简介：陈广银(1981-),男,助理研究员,博士,主要研究方向为固

均以铵态氮为主,占总氮的70%以上,添加硝酸钾体废物资源化利用.发表论文20余篇. 的处理最低,仅为54.60%,均远高于对照的38.49%,添加铵态氮和有机氮有利于麦秆中氮素向铵态氮转化,但对发酵液中硝态氮含量的影响不大.

3.3 添加氮源促进了微生物对麦秆中纤维素和半纤维的破坏,但对纤维素结晶区以及木质素的影响不大.在各种氮源中,以添加尿素的效果最好.