玉米秸稈連續厭氧發酵產甲烷研究

劉 雙 武 月 李經緯 董仁杰,2 曲 威

1.中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670；2.中國農業大學工學院 北京 100086

中國作為農作物種植大國，擁有豐富的農作物資源，每年所產生的農作物秸稈有8億～9億t，居世界之首[1]。目前農作物秸稈的主要處置方式有直接還田、用于養畜、能源化利用、用于食用菌種植、作為工業原料等。由于存在系列關鍵難題制約秸稈的可持續處理和利用，每年尚有大量秸稈被焚燒。秸稈燃燒熱值低，不僅造成資源浪費，而且污染環境，毀壞樹木和耕地[2]。將這些農作物秸稈作為能源物質加以利用，不僅可以改善農村秸稈堆積的環境狀態，而且能夠實現秸稈的合理利用。

近幾年來，隨著畜禽養殖業的快速發展，規模化養殖場年產畜禽糞污量高達38億t。大量的畜禽糞污未經處理而排放，使得其中含氮化合物在無氧條件下分解成氨氣、甲胺、硫化氫等物質。這些氣體會導致人和家畜感染呼吸道疾病，危害人體健康和畜禽產品的質量，同時嚴重污染了養殖場周邊環境。為解決大量閑置農作物秸稈和區域內養殖場糞污污染問題，采用厭氧發酵處理農作物秸稈和畜禽糞污水產沼氣是一條清潔高效的途徑。以農作物秸稈和畜禽養殖糞污水為主要原料進行濕式厭氧發酵產沼氣，不僅能解決農戶生活用能，而且可以改善農村衛生環境。

據調查，中國以秸稈類物質為主要原料進行厭氧發酵的沼氣工藝有多種，按照反應器類型及進出料方式，可分為覆膜槽式、完全混合式、推流式、一體化兩相等，其中利用完全混合式反應器進行厭氧發酵是秸稈沼氣工程推薦工藝之一。本研究擬采用連續攪拌釜式反應器完全混合式厭氧反應器（CSTR）進行玉米秸稈的濕式連續厭氧發酵產沼氣研究，分析不同物料的單位干物質（TS）濃度和固物滯留時間對玉米秸稈厭氧發酵產甲烷的影響，對秸稈沼氣工程或以秸稈為主要原料的沼氣工程運行具有很好的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈取自中國農業大學煙臺研究院內種植實驗基地。玉米秸稈在地里自然風干，整體呈暗黃色。實驗前，將玉米秸稈剪成小段后放入粉碎機，打成3～5 mm的顆粒，裝于透明密封袋中待用。豬糞水取自煙臺市牟平區養豬場，取回后置于4 ℃冷藏室中保存。接種物取自實驗室內正常運行的沼氣發酵罐的新鮮出料，該沼氣發酵罐運行溫度為37 ℃。

1.2 連續發酵試驗設計

采用連續攪拌釜式反應器（以下簡稱反應器）進行玉米秸稈連續發酵試驗。反應器總體積為5 L，有效體積為4 L，發酵溫度為37℃±1℃。反應器采用電熱絲纏繞外壁進行加熱，內置溫控探頭控制電熱絲加熱，同時反應器外包保溫棉進行保溫。反應器采用連續攪拌，轉速設置為30～60 rpm，反應器內物料能夠均勻混合。

秸稈發酵的物料停留時間（solid matter retention time，SRT）分別為30 d、20 d和15 d，通過梯度提高進料TS，分別為6%、8%和10%，每天定時進出料。反應器運行初期采用玉米秸稈與豬糞水混合進料。穩定運行后，出料料液采用100目網篩將發酵殘渣濾除，濾液用于配制進料料液并回用至發酵罐中，進料料液體積不足出料體積時采用豬糞水補足。

1.3 分析方法

干物質的測定采用105℃ 烘24 h，差重法測定。揮發性固體的測定采用550℃ 灼燒4 h，差重法測定。甲烷含量采用便攜式氣體分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 容積產氣率變化

容積產氣率是沼氣發酵重要的性能指標，在反應器容積相同的情況下，容積產氣率越高，產生的沼氣就越多，表示在工程設計和建設中達到沼氣需求量所設計的發酵系統規模越小，越能極大地節省建設面積及工程投資成本。玉米秸稈連續厭氧發酵過程中容積產氣率的變化情況如圖1所示。不同物料TS濃度的處理在不同HRT階段的容積產氣率變化趨勢基本相同，但處理間差異比較明顯，隨著物料濃度增加，容積產氣率呈上升趨勢。在厭氧反應器連續運轉過程中，當HRT為30 d時，不同物料濃度的容積產氣率均為先迅速增加，隨后趨于穩定。TS 10%處理的容積產氣率最高可以達到0.5 L/（L·d），TS 6%和TS 8%處理的容積產氣率基本相同，約為0.3～0.4L/（L·d），但低于TS 10%處理。當HRT為20 d時，各處理運行情況穩定，容積產氣率TS 10%＞TS 8%＞TS 6%，各處理與HRT 為30 d時的容積產氣率均有所增加。當HRT縮短為15 d時，物料濃度為10%反應器中容積產氣率變化幅度較大，容積產氣率在0.5～1.2 L/（L·d）之間變化，這主要是由于物料濃度過高，發酵系統有機負荷增加，物料不能完全被降解利用，隨著發酵時間的延長，產氣量有所下降。TS 8%和TS 6%處理的容積產氣率基本維持穩定，分別為0.7 L/（L·d）和0.5 L/（L·d）左右。

圖1 容積產氣率變化

2.2 物料產氣率變化

玉米秸稈連續厭氧發酵過程中原料產氣率的變化情況：不同濃度原料在HRT 30 d階段隨著發酵進行，物料產氣率逐漸增大，原料濃度TS為6%、8%和10%的最大原料產氣率分別達到250 ml/g、170 ml/g和217 ml/g。但是當HRT縮短為20 d后，原料產氣率波動較大，總體上看物料TS濃度為10%的處理原料產氣率比較穩定，基本維持在200 ml/g左右。當HRT縮短為15 d后，隨著發酵時間的延長，不同物料TS濃度處理均呈下降趨勢，主要是由于HRT縮短后，發酵系統有機負荷增加，大量原料不能被微生物降解，對沼氣產量影響較大。

2.3 沼氣中甲烷含量變化

玉米秸稈連續厭氧發酵過程中沼氣中甲烷含量如圖2所示。從結果上看，HRT為30 d和20 d兩個階段不同玉米秸稈濃度處理發酵產沼氣中，甲烷含量變化趨勢基本相似，甲烷含量基本維持在50%左右。玉米秸稈濃度為10%處理厭氧發酵產生沼氣中，甲烷含量隨著HRT的縮短有所下降，當HRT為15 d時，沼氣中甲烷低于40%。從結果上看，隨著物料濃度的提高和HRT的縮短，沼氣中甲烷含量有所下降，即不利于沼氣品質的提高。

圖2 沼氣中甲烷含量變化

3 結語

玉米秸稈連續厭氧發酵有助于提高發酵容積產氣率，同時連續攪拌方式加快發酵物料傳質，對高濃度物料處理容積產氣率的提高效果明顯。但是對于高濃度物料厭氧發酵，隨著SRT的縮短，沼氣中甲烷含量有所下降。綜合考慮產沼氣質量以及沼氣工程實際應用情況，建議玉米秸稈連續發酵工況參數為：發酵物料TS為10%時，物料滯留時間可設計為20 d，物料的產率可穩定在200 ml/g。由于秸稈類原料產沼氣中甲烷含量低于畜禽糞便類原料，因此在沼氣工程中可適量通入外源H2，提高沼氣中甲烷含量，使秸稈類原料的甲烷產率達到180 ml/g。