高濃度玉米秸稈厭氧發酵產沼氣研究

王禹霄飛 孫云博 曲 威

中國農業大學煙臺研究院 煙臺 264670

我國是一個農業大國，每年產生大量的農業廢棄物，其中農作物秸稈總量約8億～9億t。農作物秸稈的處理主要以轉化為養殖飼料和堆肥還田為主，除此之外還有一大部分未充分利用。大量未處理的農作物秸稈被隨地堆棄和任意焚燒，造成嚴重的空氣污染和土壤污染，在秋冬季節還會引起火災事故等生態和社會問題[1]。以農作物秸稈為主要物料進行厭氧消化產生再生能源沼氣，不僅可以利用濕法（總固體濃度大約在10%以下）進行厭氧發酵，也可以采用干法（總固體濃度為15%～35%）進行厭氧發酵[2]。干法厭氧發酵啟動性能盡管比不上濕法厭氧發酵，但是它的單位容積產氣率較高，發酵過程中需水量小或不需要水，發酵結束后無大量沼液外排，發酵后的處理費用較低。本文以玉米秸稈為發酵原料，研究同玉米秸稈干物質濃度條件下的厭氧發酵產沼氣效果，同時考察發酵過程中有機負荷率與池容產氣率，期望尋求合適的玉米秸稈干發酵的物料濃度，為實際沼氣工程應用提供參考。

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 試驗裝置

厭氧發酵裝置采用自制沼氣發酵系統，玻璃厭氧發酵瓶有效容積為400 ml，用橡膠塞密封，橡膠塞上留有出氣口，出氣口由塑料管連接集氣袋，用于收集沼氣。發酵瓶置于水浴鍋（HH-60），發酵過程中保持37℃±1℃恒溫。

1.3 試驗設計

采用批次實驗分析高濃度玉米秸稈對產甲烷的影響，試驗分為4組，原料玉米秸稈TS濃度分別為10%、15%和20%，以及對照組。原料和接種物加入到厭氧發酵瓶，充入氮氣2 min后，使發酵瓶內部形成厭氧環境。試驗進行了50d，每天測定產氣量，每3d測定甲烷含量。表1中給出的產氣數據均為去除對照后的結果。

表1 批次試驗設計

1.4 分析方法

干物質含量（TS）的測定方法：105℃下烘干24 h，并利用差重法測定。揮發性固體含量（VS）的測定方法：550℃ 下灼燒4 h，并利用差重法測定。甲烷含量采用便攜式氣體分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 不同干物質濃度玉米秸稈發酵日產沼氣量變化

以玉米秸稈為原料的厭氧發酵產氣第1 d，各處理組所產氣體不可燃，為廢氣。由圖1可知，在厭氧發酵的前10 d階段，各處理組日產氣量隨發酵時間的延長，逐漸增大。TS 10%、15%和20%的處理組分別在發酵的第20 d、第21 d和第21 d達到最大日產沼氣量，分別為436 ml、523 ml和546 ml，隨后各處理組產氣量迅速下降。

圖1 日產沼氣量

2.2 不同干物質濃度玉米秸稈發酵累積產沼氣量

在底物濃度適宜的條件下，微生物在厭氧條件下進行沼氣發酵，發酵反應速度會隨底物濃度的升高而增大，產生的沼氣量也有一定程度的增加。由圖2可知，當厭氧發酵瓶內發酵原料玉米秸稈的干物質濃度由10%增加到15%時，沼氣的產量提高18.43%，而玉米秸稈的單位干物質產氣量卻由302.7 ml/g降到 239 ml/g，降低63.7 ml/g ；由15%變化到20%時，沼氣產量提高18.18%，單位產氣量由239 ml/g降到211.85 ml/g ，降低了27.15 ml/g。研究結果表明，在本沼氣發酵周期內，雖然沼氣的產量隨發酵原料固體濃度的升高而提高，但是單位干物后的產氣量卻有所降低，這說明利用較高濃度干物質原料進行干式發酵時，應當選擇較長的厭氧發酵時間，以利于發酵物料能夠被充分利用，降解轉化為沼氣。

圖2 累積沼氣量

2.3 不同干物質濃度玉米秸稈發酵產沼氣中甲烷含量的變化

在利用玉米秸稈進行厭氧發酵過程中，發酵原料的干物質濃度越高，其中含有的碳素含量越高，這將為微生物生長提供充足的原料，發酵所產生的甲烷產量也有一定程度的增加。由圖3可知，在厭氧發酵初期，隨著玉米秸稈被微生物水解，產甲烷微生物開始利用水解產物進行甲烷發酵，沼氣中的甲烷含量隨發酵時間的延長，濃度逐漸增大。不同玉米秸稈濃度的發酵組在發酵進行到13d左右時，沼氣中甲烷含量相對穩定，維持在50%左右。

圖 3 沼氣中甲烷含量

2.4 有機負荷率和池容產氣率的影響

沼氣厭氧發酵過程中的有機負荷率［單位為kg /（m3·d）］是指單位反應器容積中單位時間內科處理的干物質的質量。在厭氧發酵時間和發酵原料添加數量相同的條件下，對高有機負荷率的發酵反應器需求越小，因此，在實際沼氣工程建設過程中可以減少沼氣工程投資建設費用。同時發酵有機負荷率還與發酵時間有關。在本研究中，整個厭氧發酵的50 d內，在發酵固體物料分別為10%、15%和20%三個濃度條件下，有機負荷率分別為2 kg /（m3·d）、3 kg /（m3·d）和4 kg/（m3·d）。研究結果表明，當厭氧發酵原料的干物質濃度較高時，單位容積厭氧發酵反應器中可以處理更多的發酵原料，因此干式發酵的有機負荷率要遠高于濕式發酵。

對于沼氣的厭氧發酵的效率評價，除了有機負荷率外池容產氣率也是一個重要的評定指標。池容產氣率是發酵裝置容積利用效率的重要指標。一般戶用沼氣池的池容產氣率約為0.132 m3/（m3·d）。在本研究中，發酵干物質濃度分別為10%、15%和20%條件下，在整個厭氧發酵的50 d內，池容產氣率分別為0.484 m3/（m3·d）、0.574 m3/（m3·d）和0.678 m3/（m3·d），遠高于戶用沼氣池，因此玉米秸稈適于高濃度的厭氧發酵。

3 結論

本研究以玉米秸稈為主要發酵原時進行為期50 d的厭氧發酵產沼氣，當發酵干物質濃度為10%、15%和20%時的單位干物質產氣量分別為302ml/g、239ml/g和211ml/g。而干物質濃度在15%和20%之間總產氣量和有效容積利用率較高。厭氧發酵過程中玉米秸稈與畜禽糞水按質量比1:2混合后，進行高物料濃度的厭氧發酵，在處理大量農作物秸稈的同時，降低了區域內的畜禽養殖廢水的排放，減少了環境污染。秸稈高濃度發酵產沼氣技術作為秸稈資源化利用的一種新技術，具有潛在的研究空間，通過建立完善的秸稈高濃度厭氧發酵研發體系，快速發展沼氣產業，將會是未來能源農業的重要發展方向之一。