三種主要農村廢棄物混合產沼氣試驗研究

王艷芹+趙自超+付龍云+楊光+袁長波+姚利+張柏松

摘要：隨著我國農村經濟的發展，農村廢棄物越來越多，利用其生產沼氣，不僅可以為人們提供清潔能源，還能大力改善農村生活環境。本研究選取農村三種主要廢棄物（玉米秸稈、有機生活垃圾和牛糞）按照不同的質量比（1∶0∶0、1∶2∶0、1∶1.5∶0.5、1∶1∶1、1∶0.5∶1.5、1∶0∶2）混合進行產沼氣試驗。結果表明，相比單物料和雙物料，三物料混合厭氧發酵能顯著提高產氣率和減少發酵周期。玉米秸稈、有機生活垃圾和牛糞產沼氣性能最佳的配比為1∶0.5∶1.5。

關鍵詞：厭氧發酵；混合；玉米秸稈；農村有機生活垃圾；牛糞；沼氣

中圖分類號：S216.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）12-0068-04

Abstract Rural wastes have increased with the development of rural economy in China. Biogas technology can not only provide clean energy， but also improve the rural living environment. In this study， three major rural wastes （maize straw， domestic organic garbage and cow manure） were anaerobically co-digested at different ratios （1∶0∶0，1∶2∶0，1∶1.5∶0.5，1∶1∶1，1∶0.5∶1.5 and 1∶0∶2， by wet weight ratio）. The results revealed that ternary mixing of feedstocks significantly increased the biogas yield and reduced the digestion time compared with binary mixing of feedstocks and single feedstock. The optimal mixing ratio of the three feedstocks was 1∶0.5∶1.5 for anaerobic co-digestion.

Keywords Naerobic digestion； Mixture； Corn straw； Rural organic waste； Cow manure； Biogas

隨著農村居民生活水平的提高，農村廢棄物越來越多。其中較為常見的主要有作物秸稈、畜禽糞便和有機生活垃圾。據統計，每年我國這三種廢棄物產生量分別為：玉米秸稈約1.75億噸、畜禽養殖廢棄物38億噸和農村生活垃圾3億噸；其中約26%的玉米秸稈、50%的畜禽糞便和大部分生活垃圾得不到有效處理，這不僅污染環境還浪費資源[1-6]。因而，如何高效、合理處理這些廢棄物，是一個亟待解決的問題。

研究表明，將這些廢棄物進行單獨或混合厭氧發酵，不僅能解決環境問題，還能產生清潔能源——沼氣[3，7]。為了提高原料發酵和產氣效率，近幾年眾多國內外學者的研究焦點在混合物料厭氧發酵上[7]。相對于單一物料，多物料的厭氧發酵具有原料來源廣、能調節底物營養、優化發酵物碳氮比和減緩發酵物酸化等優勢[8]。馮亞君等[9]研究發現，玉米秸稈與雞糞混合比例為1∶2時厭氧發酵的甲烷產量分別高出單一玉米秸稈和單一雞糞發酵的32.6%和1.4%。張彬等[10]研究結果表明，豬糞與玉米秸稈配比為2∶1 時的累積產氣量最大。Wu 等[11]通過向豬糞中添加玉米秸稈、燕麥秸稈和水稻秸稈混合發酵，發現較豬糞單獨發酵，沼氣和CH4產量分別提高了11倍和16倍。

本試驗采用玉米秸稈、農村有機生活垃圾與牛糞進行混合厭氧發酵試驗，探討這三種物料不同配比對產沼氣性能的影響，以期為農村多種廢棄物集中處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗原料為玉米秸稈、農村有機生活垃圾和奶牛糞便。試驗原料理化性質如表1所示。

玉米秸稈：取自山東省章丘市普集鎮，用粉碎機粉碎至3～5 mm后自然風干；有機生活垃圾：取自章丘市普集鎮樂家村分類后的有機生活垃圾，主要包括蔬果廢棄物和極少量的剩飯剩菜等，用粉碎機打碎；奶牛糞便：取自山東省農業科學院畜牧獸醫研究所奶牛場的新鮮牛糞；接種物：取自山東省淄川區法家村正常運行沼氣工程沼渣，該工程原料為秸稈和牛糞。

1.2 試驗設置

試驗按照三種不同物料的配比（玉米秸稈、有機生活垃圾與牛糞的濕基質量比）共設置6個處理，見表2。每處理重復3次。設計接種率為41%（以接種污泥TS為發酵原料總TS的百分數計）。通過加入不同量的自來水調節各處理發酵濃度為12%。添加物料后，向發酵瓶（圖1）中吹氮氣1 min，以保證嚴格的厭氧環境。試驗期間，每天上午9∶00測定沼氣產量，每2～4 d測定沼氣成分，每3～8 d取樣測定pH值和揮發性脂肪酸。試驗裝置示意圖見圖1。

1.3 指標測定方法

TS、VS采用烘干失重法測定[12]；pH值采用pH計（上海Bante220）測定；沼氣產量通過沼氣流量計（德國Ritter，TG05-5）測定；氣體成分采用氣相色譜法測定（普析GC1100）；揮發性脂肪酸濃度采用氣相色譜法測定（島津GC-2014）；TOC用TOC測定儀（德國耶拿，multi N/C 3100）測定；TKN用凱氏定氮儀（瑞士BUCHI，Kje Master k-375）測定。

2 結果與分析

2.1 厭氧發酵中的pH值變化

多項研究表明，pH值在7左右時產甲烷菌比較活躍[13，14]。本試驗各處理pH值變化如圖2所示。6個處理pH值變化呈現先降低后升高，然后基本趨于穩定的趨勢，T3、T4、T5和T6處理基本維持在7左右，T1和T2處理的pH值在6以下。這表明玉米秸稈單一物料發酵易酸化，這與單位TS累積產氣量偏低吻合，玉米秸稈與有機生活垃圾混合發酵pH值也較低，也易發生酸化。endprint

2.2 厭氧發酵過程中揮發性脂肪酸的變化

揮發性脂肪酸的積累與消耗是厭氧反應進程指示性參數[15]。從圖3可以看出，6個不同處理揮發性脂肪酸的濃度趨勢基本一致，先升高后降低。各處理揮發性脂肪酸都在厭氧發酵第2～3 d達到峰值。T1處理在第3 d達到峰值2 712 mg/L，然后急劇下降，在發酵6 d后又開始上升，第34 d升高到1 376 mg/L，可見玉米秸稈單一物料發酵易形成酸累積；T2處理的揮發性脂肪酸在發酵第3 d達到最高值2 985 mg/L，第9 d又出現一高峰值1 165 mg/L，這與pH值的變化有很好的符合性。其它處理的揮發性脂肪酸變化較平穩。

2.3 產氣情況的變化

2.3.1 厭氧發酵產氣速率 從圖4可以看出，T3、T4和T5處理產氣速率較高，要高于T1、T2和T6處理的產氣速率。這表明相比單一物料發酵和兩種物料混合發酵，三種物料混合發酵可以提高產氣速率。各處理產氣高峰出現的時間排序是T2>T3>T4>T5>T6>T1，這表明在玉米秸稈投加比例為1的情況下，有機生活垃圾和牛糞配比的不同影響產氣高峰時間，產氣高峰會隨著有機生活垃圾配比的升高而提前，加入有機生活垃圾可以提高發酵效率。一般認為，產氣量達到總產氣量的90%以上即可認為發酵基本完成[16，17]。T1處理完成厭氧發酵的時間為46 d，T2、T3、T4、T5、T6處理完成厭氧發酵的時間分別為41、36、38、39、38 d，這表明玉米秸稈與有機生活垃圾和牛糞混合發酵能縮短厭氧完成時間。

2.3.2 單位TS累積產氣量 從圖5看出，各處理變化趨勢基本一致，均為先增加后基本不變。從厭氧發酵第6 d以后，甲烷濃度基本穩定在55%～65%之間。混合物料發酵（T2、T3、T4、T5和T6處理）的甲烷濃度高于玉米秸稈單一發酵（T1處理）。

2.3.3 沼氣累積產生量 從圖6可以看出，T1、T2、T3、T4、T5和T6處理單位TS累積產氣量（mL/g）大小順序是T5（294）>T4（279）>T3（250）>T6（216）>T2（188）>T1（157）。玉米秸稈單一物料厭氧發酵單位TS累積產氣量最低，僅為157 mL/g，玉米秸稈與有機生活垃圾、玉米秸稈與牛糞雙物料厭氧發酵單位TS累積產氣量高于玉米秸稈單獨發酵，玉米秸稈、有機生活垃圾和牛糞三者混合發酵單位TS累積產氣量高于單物料和雙物料，三者配比為1∶0.5∶1.5的處理最高，達到294 mL/g，比玉米秸稈單一物料發酵提高87.3%。

3 討論

（1）玉米秸稈具有木質纖維含量高、容重小易漂浮、表層含有蠟質不易降解等特點，如果不進行預處理直接厭氧發酵，會造成發酵難、產氣效率低等問題。玉米秸稈和農業、農村其他有機廢棄物如牛糞、有機生活垃圾、等物料混合厭氧發酵能提高原料產氣率，具有較好的效果。

（2）2014年農村大中型沼氣工程轉型升級，我國主要支持特大型沼氣工程（日產生物天然氣1×104 m3以上規模項目，厭氧消化器不低于1.67×104 m3），三種農村廢棄物混合物料厭氧發酵主要適用于缺乏燃料的農村建設的大中型沼氣工程，還適用于目前特大型沼氣工程，這不僅可以提供清潔能源還能改善居民生活環境，是農村廢棄物資源化利用的有效方式。

（3）玉米秸稈作為厭氧發酵原料，建議先進行微生物或酸堿預處理，可以提高發酵效率。

4 結論

4.1 合適的物料配比能改善原料的厭氧發酵性能，并促進產氣速率及單位TS累積產氣率。本研究玉米秸稈、有機生活垃圾和牛糞配比1∶0.5∶1.5時單位TS累積產氣量最高，達到294 mg/L。

4.2 玉米秸稈、有機生活垃圾和牛糞三物料混合發酵不同物料配比能影響系統中酸的濃度，合適的配比能防止系統酸化。

4.3 發酵原料的不同配比能影響厭氧發酵速率和厭氧發酵完成時間。三種農村廢棄物玉米秸稈和有機生活垃圾、牛糞混合發酵相比玉米秸稈單一發酵厭氧可以減少發酵周期。

參 考 文 獻：

[1] 崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報，2008，24（12）：291-296.

[2] 葛一洪，邱凌， Hassanein A A M，等.馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合厭氧消化工藝參數優化[J].農業機械學報，2016，47（4）：173-179.

[3] 吳楠，孔垂雪，劉景濤，等.農作物秸稈產沼氣技術研究進展[J]. 中國沼氣，2012，30（4）：14-20.

[4] 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，2014，30（20）：244-251.

[5] 羅娟，董保成，陳羚，等.畜禽糞便與玉米秸稈厭氧消化的產氣特性試驗[J].農業工程學報，2012，28（10）：219-224.

[6] 普錦成，袁進，李曉姣，等. 我國農村生活垃圾污染現狀與治理對策[J].現代農業科技，2012（4）：283-285.

[7] Wang X J，Yang G H，Feng Y Z，et al.Potential for biogas production from anaerobic co-digestion of dairy and chicken manure with corn stalks[J].Advanced Materials and Technologies，2012，347：2484-2492.

[8] Xie S，Lawlor P G ，Frost J P ，et al.Effect of pig manure to grass silage ratio on methane production in batch anaerobic co-digestion of concentrated pig manure and grass silage[J].Bioresource Technology，2011，102（10）：5728-5733.endprint

[9] 馮亞君，袁海榮，張良，等.玉米秸與雞糞混合厭氧消化產氣性能與協同作用[J].環境工程學報，2013，7（4）：1490-1494.

[10]張彬，蔣滔，高立洪，等.豬糞與玉米秸稈混合中溫發酵產氣效果[J].環境工程學報，2014，8（11）：4991-4997.

[11]Wu X， Yao W Y， Zhu J， et al. Biogas and CH4 productivity by co-digesting swine manure with three crop residues as an external carbon source[J]. Bioresource Technology， 2010，101：4042-4047.

[12]賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京：中國輕工業出版社，1998.

[13]Park S，Li Y.Evaluation of methane production and macronutrient degradation in the anaerobic co-digestion of alage biomass residue and lipid waste[J].Bioresource Technology，2012，111：42-48.

[14]Wang F，Hidaka T，Tsuno H，et al.Co-digestion of polylactide and kitchen garbage in hyperther mophilic and thermophilic continuous anaerobic process[J].Bioresource Technology，2012，112：67-74.

[15]王艷芹，付龍云，楊光，等.農村有機生活垃圾等混合物料厭氧發酵產沼氣性能[J].農業環境科學學報，2016，35（6）：1173-1179.

[16]康佳麗.稻草中溫高效厭氧消化生產生物氣的實驗研究[D].北京：北京化工大學，2007.

[17]Zhong W Z，Zhang Z Z，Luo Y J，et al.Effect of biological pretreatment in enhancing corn straw biogas production[J].Bioresource Technology，2011，102（24）：11177-11182.endprint