農村混合原料沼氣發酵新技術研究

邱建明，呂 兵

（重慶浩力環境影響評價有限公司，重慶 400015）

沼氣發酵（Biogas ferment），是指各種有機物在厭氧條件下，經過多種沼氣發酵微生物分解轉化，最終生成沼氣的過程［1－3］。把這一技術過程應用于廣大農村，不僅能有效地處理和利用多種有機廢棄物，保護生態環境，而且還能從中獲取沼氣、沼渣和沼液（簡稱“三沼”），若再通過綜合利用，所獲取的經濟效益、生態效益和社會效益相當顯著［3－5］。

我國農村的沼氣資源相當豐富，廣大農民主要采用混合原料（農作物秸稈、青雜草、人畜糞便、污泥、污水等）進行沼氣發酵。但在自然溫度條件下，采用混合原料發酵的池容產氣率，料容產氣率及原料產氣率，僅能達到0.1～0.15 m3／（m3·d）、0.18 m3／（m3·d）和0.2 m3／（kg·TS）左右［5］。由于產氣率偏低，在一定程度上影響了沼氣建設的發展速度和綜合效益的發揮。據了解，上述這種情況在我國廣大農村普遍存在［3］。究其原因，一是普遍采用比重比水小的混合原料；二是投料盲目，一般不進行科學配料，更談不上糞草比、碳氮比、接種物的量化和原料預處理等，致使沼氣池內浮渣結殼嚴重，料液分布不勻，既不能按照工藝設計的基質濃度進行發酵，也不能充分保證全部入池原料應有的滯留時間；三是目前推廣的中國水壓式沼氣池型結構“先天不足”，僅有一層頂蓋，缺乏壓料設施，原料自然上浮結殼嚴重。而沼氣池中的產甲烷菌主要分布在中下部，與上部的浮渣原料接觸面減小，大量纖維素物質難以徹底分解，因而產氣系數小，干物質殘留量大；四是隨著沼氣發酵時間的延長，發酵原料中氮元素大量消耗，導致沼氣池內發酵原料的C／N比失調，影響了發酵的正常進行［4，6］。具體如何解決上述問題，目前的相關研究報道甚為缺乏。為了進一步提高農村沼氣發酵的技術水平和效益，我們開展了“農村混合原料沼氣發酵新技術研究”［6－8］。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 發酵裝置

采用5 000mL小口玻璃瓶為發酵瓶，每個發酵瓶用Ф6 mm橡膠軟管與一套配有計氣尺的貯氣金屬活動浮罩相連接［6］，如圖1。

圖1 沼氣發酵裝置示意圖

1.1.2 藥品用具

33%KOH溶液、10%HCl溶液、10%NaOH溶液、飽和食鹽水、蒸餾水、廣泛p H試紙（上海試劑三廠）、最高最低溫度計（上海醫用儀表廠）、1mL醫用注射器、酒精燈、玻璃棒、沼氣氣樣采集瓶、石蠟。

1.1.3 接種物（菌種）

選用沼氣池底部污泥為接種物（即混合菌種）。

1.1.4 發酵原料種類及配比

采用鮮豬糞、牛糞、人糞，青雜草為發酵原料，總固體質量濃度比（TS%）為6%，C／N質量比為25∶1，糞草質量比為2∶1，裝料容積80%，即料液量為4 000 mL，詳見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

針對目前農村在沼氣發酵技術上存在的問題，選用L9（34）正交設計法［9］，開展了對沼氣發酵具有重要影響的原料預處理、浮渣壓沉、碳氮比（C／N）、接種物（混合菌種）［8］4個因子的綜合效應研究。試驗設計見表2。

表1 原料配比及相關參數

表2 L9（34）正交試驗設計

續表2

1.2.2 試驗步驟

按照表1及表2設計，首先進行備料；然后對發酵原料中的稻草、青雜草進行切碎、接種、堆漚等預處理。稻草、青雜草采用不切碎、切碎為10cm、切碎為15～20 cm 3種處理；接種堆漚要求將秸稈軟化、體積縮小、呈淺黃色時裝料；緊接著對發酵瓶中的原料進行不同的壓沉處理；最后分別補足水份至4 000mL，調節p H值至中性后封瓶啟動。

1.2.3 測試項目與方法

（1）發酵料液p H值：盒式酸度計或p H試紙法，每半月測定1次；

（2）發酵溫度：最高最低溫度計測定，并同時測定室內溫度，從中獲取料液發酵溫度參照值；

（3）原料利用率：按沼氣發酵常規烘干法測定原料總固體質量濃度（TS%）及原料利用率［10］；

（4）沼氣日產量：采用與發酵裝置相匹配的金屬活動浮罩計量尺測定，每天1次；

（5）氣質分析：采用色譜法（重慶環境科學研究院）和KOH溶液吸收法測定［11］；

（6）結果分析：采用DPS3.01專業版新復極差法進行正交試驗方差分析。

2 結果與分析

2.1 本試驗采用的沼氣發酵溫度為常溫（自然溫度）發酵

本試驗共90 d。采用常溫（自然溫度）發酵，發酵溫度隨氣溫的變化而變化的測定結果是：在試驗期間的最高氣溫為36.50℃，日均最高氣溫為28.17℃；最低氣溫為21.1℃，日均最低氣溫為24.84℃。試驗期間的日均氣溫為26.51℃，這與目前農村沼氣發酵溫度變化趨勢一致。

2.2 本試驗獲取的最佳組合對混合原料沼氣發酵的效果

在發酵溫度、原料總量、原料配比、料液p H值等都相同的條件下，各處理的原料利用率、產氣率、產沼氣量及甲烷含量見表3、表4、表5。

表3 L9（34）正交試驗設計及結果計算

續表3

表4 各處理發酵后的原料剩余量及原料利用率

表5 各處理產氣量、產氣率及甲烷含量

從以上各表、圖的結果可以看出，各試驗因子的主次關系如下：（A）秸稈切碎為＜10 cm；（B）原料壓至底部；（C）添加氮素0.03%；（D）接種量為20%，其關系為A＞B＞C＞D。

2.2.1 采用混合原料沼氣發酵最佳組合的原料利用率明顯增加

發酵結束，采用沼氣發酵常規烘干法測得混合原料發酵后的剩余量及原料利用率見表6。

表6 各處理原料利用率新復極差法分析結果

從表6可以看出：采用最佳的第7組合的原料利用率平均值達到69.87%，與其他8個組合的原料利用率平均值59.84%相比，提高了16.76%；總產氣量平均值為85 699.9mL，與其他8個組合的總產氣量的平均值55 480.96mL相比，提高了54.47%，差異達到極顯著水平。

2.2.2 采用沼氣發酵最佳組合的日平均產氣量顯著提高

各試驗組合日平均產氣量均值的方差分析見表7。

表7 各組合日平均產氣量均值的新復極差法分析結果

從表7可以看出：采用最佳的第7實驗組合的日均產氣量平均值達到952.22mL與其他8個組合的日均產氣量的平均值616.46mL相比提高了54.47%，差異達到極顯著水平。

2.2.3 采用沼氣發酵最佳組合的甲烷含量增加顯著

各處理甲烷含量方差分析見表8。

表8 各處理甲烷含量新復極差法分析結果

從表8可以看出，第7實驗組合的甲烷體積分數平均值為72.2%，與其他8個組合的甲烷體積分數的平均值63.28% 相比提高14.10%，差異達到極顯著水平。這與重慶環境科學研究院氣相色譜儀測得的甲烷含量結果基本一致。

3 討論與結論

3.1 預處理對提高混合原料利用率、產沼氣量及甲烷含量的方法及效果

現階段在農村推廣使用的水壓式沼氣池型無法消除原料上浮結殼的現象，即使采用近年來研究形成的沼氣發酵工藝也沒有從根本上解決這一難題。本試驗獲取的第7最佳效應組合是：將秸稈切碎為＜10 cm、原料接種混合堆漚預處理比不進行預處理的效果好。原因是秸稈類原料通過預處理后，其蠟質層破損、纖維軟化、體積縮小、比重加大、上浮結殼量減少、腐熟分解較充分。因此，原料利用率、沼氣產量及甲烷含量相應提高。由此說明，發酵原料特別是秸稈類原料是否進行切碎、堆漚預處理，對混合原料的產氣量具有很大的影響。若要解決農村混合原料沼氣發酵浮渣結殼嚴重、原料利用率及產沼氣量偏低等現實問題，在沼氣池投料前對秸稈類原料進行必要的預處理，然后與畜禽糞便、接種混合、堆漚，是一項提高沼氣產量及甲烷含量的有效技術措施［2，7，8，12］。

3.2 壓沉處理對混合原料上浮結殼的控制方法及效果

現階段在農村推廣的水壓式沼氣池只有一層頂蓋，缺乏壓料設施，即使對秸稈類原料進行了預處理也無法避免浮渣結殼的產生，因而原料利用率及產沼氣量偏低［1，6］。本試驗第7組合將原料壓沉至發酵瓶底部，料液分層現象不明顯，液面無浮渣結殼產生，發酵啟動速度比秸稈沒有切碎的處理提前了2 d，其原料利用率、產沼氣量比不采用壓沉處理的其他8個組合都高。原因是產甲烷菌是一種嚴格厭氧菌，主要分布在沼氣池的中下部，將原料壓沉至發酵瓶底部，有效地增加了發酵原料與發酵瓶中下部產甲烷菌的接觸面，既能有效地消除發酵原料上浮結殼的現象，又能提高原料的分解利用率和產氣率。

3.3 添加氮素量對混合原料沼氣發酵C／N比調控的方法及效果

據有關研究表明［7－8］，沼氣發酵原料的 C／N 應控制在（20～30）：1的范圍，但以25：1為宜。但是，無論C／N比控制在何種范圍，隨著發酵時間的增加，富含氮素的人畜糞便等發酵原料比富含碳素的秸稈類原料分解速度快，往往造成發酵料液的C／N比失調，碳素量相對較多，而氮素量相對較少，嚴重地影響了沼氣發酵的正常進行。因此，適量添加氮素有利于調整發酵料液的C／N比，進而提高發酵原料的產沼氣量。本試驗采用0.01%、0.03%、0.05%3種添加氮素量的試驗結果證明，添加氮素量為0.03%的第7試驗組合，對提高混合原料利用率、產沼氣量比其他8個試驗組合的效果好。從成本上來看，按添加氮素量為0.03% 計算，每立方米料液僅需添加氮素0.3 kg。若以1個有效池容為10 m3的沼氣池，料液量為85% （即8.5 m3）計，年產沼氣400 m3計算，僅需添加氮素量2.55 kg，產氣量即可提高12.67%，增加沼氣量60.68 m3。按尿素現行價1.70元／kg計，其投入成本不足5元。而所增加的沼氣量按單價0.8元／m3計，約增加48.5元左右。由此說明，僅采用添加氮素一項技術措施就能獲取比較顯著的經濟效益。

3.4 接種量（厭氧活性污泥）對提高混合原料產氣速度和產沼氣量的效果

據相關研究報道［7］，沼氣發酵接種物應控制在10%～30% 范圍。但在沼氣建設過程中，有的地方特別在少數民族地區，建了沼氣池的農民在投料時對接種物種類的選擇及用量的重要性認識不足，有的很少添加甚至不添加接種物，難以保證沼氣發酵的正常進行。因此，有必要對沼氣發酵接種物進行量化研究。本試驗結果是：沼氣發酵接種物（厭氧活性污泥）相同而接種量不同，其原料利用率及產沼氣量也不同。由此說明，適當的接種量對提高混合原料利用率及產沼氣量具有一定作用，但其接種量并非越大越好，也不是越小越好。

3.5 本試驗獲取的最佳效應組合及技術思路

通過上述4個供試因子的綜合效應研究，獲取的最佳效應組合及其方差分析結果說明，采用L9（34）正交設計法，對影響沼氣發酵的原料預處理、浮渣壓沉、C／N比、接種量等4個因子，開展“農村混合原料沼氣發酵新技術研究”的效果比較顯著。其最佳效應組合及作用程度依次為：原料切碎＜10 cm（池內接種堆漚）—原料壓沉至底部—添加氮素0.03%—接種量20%。該組合的平均原料利用率、產沼氣量、甲烷含量分別達到63.67%、85 699.90mL和67.53%，比其他8個組合（對照）的平均值分別提高18.7%、95.1%和10.50%。

筆者認為，這一研究結果的技術性和實用性都比較強，在生產上進行示范應用，對于改進農村沼氣發酵技術特別是水壓式沼氣池型結構的發酵技術、提高沼氣池綜合效益具有重要的指導意義。就此提出的技術思路是：在研究沼氣發酵技術的同時，應當對現階段在農村推廣的水壓式沼氣池型結構進行改進和完善，如增加壓料和攪拌等設施，做到發酵裝置（沼氣池）與發酵工藝相配套，才能最大限度地發揮所建沼氣池的綜合效益。

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