農業秸稈濕干兩級厭氧發酵制沼氣技術初探

張笑妹 王思明 楊寧

摘 要 秸稈是一種可再生資源，但是秸稈的難降解性與復雜的木質纖維素結構減少了對秸稈的應用，因此，對秸稈進行預處理是非常有必要的。

關鍵詞 秸稈；厭氧發酵；沼氣

中圖分類號：X712；S216.4 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2015）36--02

隨著環境的惡化程度越來越高，能源也越來越匱乏，利用農業廢棄物再生資源是全世界都在研究的課題，沼氣則是再生資源的一類，它為人類做出了巨大的貢獻。發酵停留時間、啟動性能、總固體（TS）、揮發性固體（VS）、沼氣產量的轉化率與發酵底物濃度有關。目前，農業秸稈濕干兩級厭氧發酵技術[1]中濕發酵的總固體濃度大約在10%以下，而干發酵總固體濃度大約在15%～35%。通常情況下，農業秸稈濕干兩級厭氧發酵技術中濕發酵不僅傳質相對均勻，而且具有十分良好的啟動性。干式發酵啟動性能盡管比不上濕法發酵，但是它的單位容積產氣率較高，且無大量沼液排放。2種發酵方法各具優勢。如果能將干法與濕法聯合起來發酵沼氣，其效果會更好，實驗步驟如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

目前，我國農業秸稈濕干兩級厭氧發酵制沼氣技術主要運用厭氧活性污泥此類物質作為厭氧發酵的主要接種物。其關鍵環節是通過對常見的污水處理工廠的污泥經過離心加工處理之后，就能夠得到厭氧發酵制沼氣的污泥原料，其總固體（TS）為12，97%，揮發性固體（VS）為35.76%。實驗的底物主要是風干的玉米秸稈，其總固體（TS）為81.69%，揮發性固體（VS）為88.39%。將玉米秸稈切碎備用。

1.2 實驗方法

農業秸稈濕干兩級厭氧發酵制沼氣實驗過程主要分為濕式厭氧發酵和干式厭氧發酵兩級主要的發酵實驗方式。在具體的發酵實驗過程中，要通過發酵物的詳細比例配置，使配置比例達到相關的實驗標準，如濕式發酵底物作為實驗的第一級主要發酵物要與第二級發酵物——干式厭氧發酵的比例控制在2∶1，然后將配置好的混合物置于發酵盒中，隨后可以利用農業秸稈濕干兩級厭氧發酵原理將農作物秸稈總固體（TS）的濃度配合比控制到4%左右，將其置于100 mL容積的厭氧發酵盒中，在其過程中要控制好混合物的酸堿平衡值，可以采用堿性溶液將pH值調至7.5，隨后采用80%氮氣與20%二氧化碳混合氣，曝氣5 min，再用鋁制封口與橡膠塞密封，將密封物放置于37 ℃的水浴振蕩培養箱中進行轉速為150 r/min的培養。最重要的是將濕式發酵物的發酵周期設為3、5、10、15和25 d這5個不同的發酵周期，通過濕式發酵物的過濾處理，就可以進行接下來的干式發酵物實驗處理，首先需要將其置于容積為250 mL的厭氧發酵盒內，通過第1次發酵物的濾除物來觀測濾除液體與第2組發酵物料的實驗反應情況，一直到發酵物產生氧氣。隨之可以把干式厭氧發酵物的發酵盒放置于溫度為37 ℃發酵培養箱內，然后再測定甲烷含量與產氣量。

1.3 測定項目與方法

氣體的收集可以采取排水集氣法[2]，通過不同時間段的隨機檢測來記錄每天的厭氧發酵產氣量。然后可以利用氣相色譜儀分析其甲烷含量。運用Van Soest纖維素測定法測定木質素、纖維素與半纖維素的含量。

2 結果與分析

2.1 兩級發酵過程中甲烷產氣量變化

甲烷是最簡單的有機物，是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分，在農業秸稈濕干兩級厭氧發酵制沼氣實驗中，沼氣的來源主要為濕式厭氧發酵產沼氣和干式厭氧發酵產沼氣[3]，從發酵周期來看，約需50 d，從沼氣的整個制造過程來看，前一階段的甲烷產量比后一階段的甲烷產量要相對較高。發酵后期沼氣中的甲烷含量基本處于穩定狀態，保持在50%～70%。濕式發酵階段中3、5、10、15和25 d中的甲烷產量分別是12.76、16.40、13.25、13.82、16.19 mL。由于受干式發酵轉換的影響，在第3天與第5天的甲烷變化有明顯的下降趨勢。濕式厭氧發酵的第10天以及第15和25天時出現了發酵高峰期外，其發酵產量都是由高向低的趨勢運行著。兩級發酵體系中的甲烷產量是第一級濕式與第二級干式的甲烷的總和。秸稈厭氧的發酵前期主要是微生物利用底物有機分子來通過化學反應降解轉化為具有強揮發性的有機酸。所以在第3天和第5天的甲烷產量較其他組要低。

2.2 纖維素類的降解程度

秸稈的主要部分是木質纖維素[4]，因此，對木質纖維素降解程度與濕式發酵周期進行研究，對確定兩級發酵中濕式發酵的周期有一定的參考意義。通過測定不同濕式發酵周期后發酵物料的纖維素含量，對此可以得知，農業秸稈濕干兩級厭氧發酵過程中農作物秸稈中的纖維素和半纖維素有明顯的降解現象。半纖維素在秸稈發酵制氧的過程中是最易降解的，其次是纖維素，而木質素在整個發酵過程中最難降解，其原因是由于降解的過程需要有氧的參與。

3 結論與討論

在農業秸稈濕干兩級厭氧發酵制沼氣技術實驗中，干式厭氧發酵與濕式厭氧發酵相融合的兩級發酵過程中，濕式厭氧發酵如果發酵周期太短就非常不利于甲烷菌群的聚集，如果發酵周期太長，也不能很好地突出干式厭氧發酵處理中的巨大優勢。因此，在玉米等農作物秸稈的各種成分降解過程中，最容易降解的是半纖維素，其次是纖維素，最難降解的是木質纖維素。因此，在該研究過程中，濕式厭氧發酵時，農作物秸稈中揮發性固體（VS）的降解量[5]與甲烷產率之間呈現出一致的發展變化趨勢。

參考文獻

[1]陳廣銀，杜靜，常志州，等.基于改進秸稈床發酵系統的厭氧發酵產沼氣特性[J].農業工程學報，2014，33（20）：244-251.

[2]袁志慧，尤朝陽，王磊，等.秸稈厭氧發酵產沼氣技術現狀進展[J].環保科技2015，20（2）：56-61.

[3]李布青，代學猛，代永志，等.農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程設計研究[J].安徽農業科學，2015，13（9）：268-270.

[4]張仙梅，云斯寧，杜玉鳳，等.沼氣厭氧發酵生物催化劑研究進展與展望[J].農業機械學報，2015，10（5）：141-155.

[5]李硯飛，代樹智，周勇，等.純秸稈中高溫高濃度厭氧發酵制取沼氣工藝技術研究[J].中國沼氣，2013，12（2）：15-20.

（責任編輯：劉昀）