進料濃度對玉米秸稈與牛糞全混式厭氧發酵特征影響研究

馮 晶，趙蘭蘭,2，趙立欣，姚宗路，于佳動，羅 娟，陳建坤

進料濃度對玉米秸稈與牛糞全混式厭氧發酵特征影響研究

馮 晶1，趙蘭蘭1,2，趙立欣1※，姚宗路1，于佳動1，羅 娟1，陳建坤1

（1.農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，農業部農業廢棄物能源化利用重點試驗室，北京 100125；2. 黑龍江八一農墾大學，大慶 163319）

目前，中國大多數沼氣工程均采用農作物秸稈與畜禽糞便為主要原料，但對于實際沼氣工程的工藝控制，尤其是對于沼氣工程進料混配及發酵濃度等控制工藝仍缺少參考和支撐。該研究采用玉米秸稈與牛糞原料，在中溫條件下，利用純牛糞、純秸稈以及秸稈與牛糞干物質比（S:CM）=1:1、1:3、3:1條件的混合原料，按照不同干物質濃度（total solid，TS）=3%、6%、8%，梯次啟動CSTR反應器，系統探討物料配比與發酵濃度對反應器產氣量、甲烷體積分數、pH值、氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）、揮發酸（volatile fatty acids，VFAs）含量等運行特征的影響。結果表明，正常運行時，純秸稈與純牛糞條件下厭氧發酵產氣效果顯著低于混合原料，且所有條件下反應器的產氣量基本都隨著發酵濃度升高而升高。在發酵濃度為8%條件下，S：CM=3:1和1:1的反應器容積產氣率在運行130 和150 d后分別達到峰值0.78和0.76 L/(L·d)。隨著反應器的持續運行，170 d后各反應器的產氣率與pH值降低，而VFAs與ORP升高。S:CM=3:1和1:1的反應器容積產氣率降低至0.6 L/(L·d)，pH值降低至6.5左右。這主要是由于恒定的攪拌功率條件下，隨著反應器內TS升高，攪拌轉速降低，進而在反應器內產生攪拌死區與浮渣等問題，導致反應器內局部酸化，造成系統整體失穩。在啟動期間，所有5個條件下反應器內ORP呈緩慢上升趨勢。運行172 d后，S:CM = 1:1條件下ORP迅速增加至高于–300 mV。總體而言，厭氧系統中VFA濃度隨著進料中秸稈比例增加而增加，且丙酸積累發生并變得更加嚴重。這也在一定程度上表明，與采用秸稈與糞便混合原料厭氧發酵相比，采用純秸稈原料厭氧發酵生產沼氣厭氧反應器的運行穩定性較差。

發酵；秸稈；糞；沼氣；進料濃度；產氣特性

0 引 言

通過厭氧發酵技術處理秸稈、牛糞等，在降低農業面源污染的同時，還可以生產可再生能源，同時有效應對能源和環境危機[1]。沼氣工程作為生成可再生能源的有效方法，正迅速在全球范圍內發展，并在能源生產和環境保護中發揮著越來越重要的作用。

在中國大多農村地區，農業現代化和社會發展水平較低，能源結構中化石能源占比較高，而可再生能源應用較少。一般在農村地區秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物產量較高[2]。2017年，中國農作物秸稈理論資源量為10.4億t，利用率不足80%；畜禽糞污近40億t，利用率僅50%左右[3]。因此，沼氣工程的開發將為中國的可再生能源生產和農業廢棄物處理提供一個必然的選擇。

目前，已有諸多報道采用不同物料混合配比進行混合發酵，多元原料混合發酵已成為沼氣工程建設的主流。在混合原料厭氧發酵的過程中，混合原料能夠顯著改善平衡厭氧發酵體系中的養分含量，有效提高厭氧發酵氣體產率，緩解抑制效應，保證厭氧發酵過程的穩定運行[4-7]。Wang等[5]的研究表明，玉米秸稈與畜禽糞便混合厭氧發酵產氣率是單獨發酵的1.27～3.46倍。劉琬瑜[6]對牛糞聯合玉米秸稈混合厭氧發酵工藝進行研究，指出混合原料厭氧發酵啟動更快，且能承受更高的發酵負荷。任海偉等[7]研究結果表明秸稈與牛糞混合發酵時，混合原料中秸稈占比越高則發酵過程越不穩定。目前，多數學者采用批式試驗，對混合原料一個發酵周期內的發酵效果進行分析，而對長期連續運行條件下混合原料的厭氧發酵特征仍缺少深入系統分析。

本文通過對玉米秸稈-牛糞混合原料共發酵的長期運行狀況進行分析，對全混式厭氧發酵條件下秸稈與牛糞的混合原料長期厭氧發酵特征進行分析，以期為今后的沼氣工程運行提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用規模化養殖場儲糞池牛糞與玉米風干秸稈。牛糞來自河北省廊坊市三河市內某養牛場，將牛糞于陰涼處置入不銹鋼桶密閉保存；玉米黃貯秸稈來自河北省張家口市，于2017年8月收獲，收獲后置于田間自然干燥40 d，取回實驗室處理為粒徑4～6 mm，并在室溫條件下用密封袋貯存，防止樣品降解或發生濕度變化；接種污泥取自北京市順義區趙全營鎮北郎中村沼氣工程。使用前，污泥在（38±0.5）℃的厭氧條件下培養至不再產氣。原料在105 ℃烘箱中烘24 h后測定有機干物質（total solid，TS）；將樣品烘干后粉碎測定碳氮比（C/N）；在550 ℃馬弗爐中灼燒1 h后測定揮發分（volatile solid, VS）。原料理化特性如表1所示。

表1 原料特性表

1.2 反應系統

試驗裝置由CSTR反應器、循環水浴裝置與氣體計量裝置以及氣袋等部件構成，見圖1。CSTR反應器由有機玻璃制成，容積為16 L，圓柱型，內部無擋板，高徑比為1.3，有效容積為12 L，進料口直徑為5 cm，出料口直徑為3 cm，反應器壁高度1/3處設有取樣口，取樣口直徑為2 cm。頂部安裝垂直攪拌器與電機連接，電機攪拌功率為30 W。反應器頂部設置進料口與溫度傳感器，反應器底部設置出料口，進、出料口均設有閥門以保證反應器內部無氧環境。反應器外部設有3 cm厚的保溫水循環夾層，采用循環水浴裝置調節試驗溫度。反應器頂部與U型壓力計連接，用于氣密性的測試。

1.進料口 2.密封裝置 3.混合原料 4.恒溫循環水浴鍋 5.出料口 6.發酵裝置 7.水浴加熱 8.溫度計傳熱管 9.攪拌槳 10.電機 11.沼氣管道 12.變頻調速器 13.沼氣流量計 14.氣袋

由于反應器內部物料液面較高，設計雙層攪拌，槳葉為直葉槳。攪拌器桿長為30 cm，桿徑為1 cm，槳葉間偏轉角為52°，槳間距18 cm，槳葉厚度2 mm。根據周富春[8]的報道，結合工程實踐經驗，采用間歇攪拌，攪拌頻率為每7.5 h停止0.5 h。試驗過程中，采用激光測速儀（UT372，上海優利德，中國）測試不同試驗條件下攪拌轉速。

循環水浴裝置溫度設定為45 ℃，循環速率為6 L/min，以確保反應裝置內溫度維持在中溫水平[9]。采用濕式氣體流量計對每日沼氣產量進行計量，同時采用氣袋收集沼氣后對產氣成分進行檢測。

在不同濃度梯度條件下，根據牛糞與黃貯秸稈的干物質量比例不同，共設計5組試驗，其中1#反應器為純牛糞原料（S:CM=0:1），2#反應器為純秸稈原料（S:CM=1:0），3#、4#、5#反應器的進料中秸稈：牛糞干物質比例（S:CM）分別為1:1、1:3和3:1。

反應器整個運行周期180 d，分3個濃度梯次啟動運行，每日進出料400 g，物料水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）維持在30 d。第1階段進料的干物質濃度（TS）=3%，運行60 d后，提升TS至6%，之后第2階段運行60 d，再提升TS至8%，之后再繼續運行60 d。

進料口與出料口均設置閥門。進料前將原料與自來水混合均勻。操作過程中，由進料口進料，密封裝置提供反應器內無氧環境，物料與接種物于反應器內在攪拌器的混合作用下進行厭氧發酵。每日出料后取樣測試相關指標。

1.3 測試指標

根據標準方法測定TS與VS（APHP，2005）。試驗運行過程中，每天對容積產氣率、pH值與氧化還原電位（oxidation reduction potential，ORP）進行檢測，每3d對氣體成分進行測定，記錄甲烷含量。待TS=8%時產氣穩定后，取樣進行化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、揮發性脂肪酸含量（volatile fatty acid，VFA）的測定。

采用LMP-1型濕式防腐氣體流量計（阿爾法儀器公司，長春）測定日產沼氣量（L）；采用BM12492型便攜式沼氣成分測定儀（Biogas check，Geotech，英國）測定甲烷含量；采用便攜式pH計（SX-610，上海三信，中國）和ORP計（SX-630，上海三信，中國）監測發酵過程的pH值和ORP；采用氣相色譜儀（Agilent 7820A）分析發酵周期結束時反應器內物料乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸共6種有機酸組分，測試前樣品需12 000 r/min離心10 min，取上清過0.45m濾膜，過濾后的液體與甲酸1:1混合后上機測試；采用5B-2C型COD快速測定儀（哈希，美國）測定COD。

利用Excel2016進行數據處理與圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 容積產氣率

如圖2所示，試驗3個階段內，階梯式提升混合原料濃度，容積產氣率也呈上升趨勢。TS=3%時，前30 d 5個反應器的容積產氣率均處于（0.2～0.4）L/(L·d)的范圍內，組間無明顯區別。這主要是由于在此階段，反應器內微生物濃度較低，且需要適應新物料構建新的微生物群落，反應器啟動后氣體產量較低[10]。之后，除純牛糞條件下，其余4個處理容積產氣率均逐漸上升。反應器啟動60 d后，S:CM=3:1條件下反應器容積產氣率最高，達到0.58 L/(L·d)，之后依次是S:CM=1:1、1:0和1:3，純牛糞條件下反應器容積產氣率最低，一直保持在0.20 L/(L·d)左右。這主要是由于在S:CM=3:1條件下，反應器進料秸稈與牛糞混合原料C/N比為22.1，混合原料養分均衡適宜產氣，而純牛糞條件下，牛糞在堆積儲存后損失部分有機物導致其原料產氣率較低，反應器容積產氣率也相應的低于其他條件。

第60天后，各反應器TS逐漸提高至6%，在此過程中除純秸稈條件外，其余4個條件下反應器容積產氣率呈升高趨勢，其中S:CM=3:1和S:CM=1:1條件下反應器容積產氣率升高速率最快，并最終達到0.78和0.76 L/(L·d)的產氣高峰，純牛糞條件下反應器容積產氣率緩慢升高至0.3 L/(L·d)左右。而純秸稈條件下在75 d左右出現峰值0.62 L/(L·d)，后期呈緩慢下降趨勢，降至0.4 L/(L·d)左右。

提升濃度至TS=8%時，純牛糞條件下反應器產氣率未發生明顯變化，始終保持在0.3 L/(L·d)左右，主要是由于牛糞中C/N較低所致[11]。純秸稈條件下的反應器容積產氣率由0.5 L/(L·d)降至0.4 L/(L·d)左右，直至試驗結束；S:CM=1:1條件下反應器產氣率快速升高至最高峰0.78 L/(L·d)左右，并基本保持穩定，之后于177 d開始逐漸下降至0.6 L/(L·d)；S:CM=1:3條件下反應器產氣率在0.5 L/(L·d)左右浮動變化；S:CM=3:1條件下反應器容積產氣率呈緩慢降低趨勢，從0.76 L/(L·d)降至0.6 L/(L·d)左右。本階段整體容積產氣率比前2個發酵濃度條件更高，5個處理產氣率排序為S:CM=1:1＞S:CM=3:1＞S:CM=1:3＞純秸稈＞純牛糞，這與劉德江等[12]的試驗結果是一致的。

圖2 CSTR反應器容積產氣率變化

試驗過程中5個反應器產沼氣的甲烷體積分數變化如圖3所示。整體而言，純牛糞條件下反應器產氣中甲烷體積分數始終保持15%左右，主要是由于畜禽糞便的高氮含量導致產甲烷活性的降低，產氣受到抑制[13]；純秸稈條件下產氣中甲烷體積分數始終在25%左右，主要是由于純秸稈厭氧發酵，反應體系易發生酸化導致厭氧發酵產氣受到影響，造成產氣中甲烷體積分數較低[14]。而在秸稈和牛糞混配后的幾個條件下，在TS=8%濃度條件下運行反應器產氣中甲烷體積分數均達到55%以上，厭氧發酵體系正常運行。

圖3 反應器產氣中甲烷體積分數變化

進料TS=3%時，純牛糞條件下反應器內產氣的甲烷體積分數始終保持在10%左右；純秸稈條件下反應器內產氣甲烷體積分數在20%~30%范圍內波動，而其余3個處理產氣中甲烷體積分數呈升高趨勢，其中S:CM=1:3由35%左右上升至45 %左右，而S:CM=1:1和3:1條件下產氣中甲烷體積分數在50 d后達到50%以上。

進料干物質濃度升高至6%以后，秸稈和牛糞混配條件下的3個反應器產氣中甲烷體積分數均呈升高趨勢，其中S:CM=3:1與S:CM=1:1反應器產氣中甲烷體積分數相差不大，分別為56%和54%。而S:CM=1:3產氣中甲烷體積分數在50%左右波動。純牛糞和純秸稈條件下反應器內產氣甲烷體積分數基本保持不變。

進料TS升高至8%時，秸稈和牛糞混配條件下的3個反應器產氣中甲烷體積分數變化趨勢類似，在172 d以前，基本維持不變，之后快速降低。而純牛糞條件下反應器產氣中甲烷體積分數則呈升高趨勢，并最終均達到32%。

2.2 pH值

反應器內厭氧發酵過程中pH值變化如圖4所示。隨著反應器內干物質濃度逐漸提升，發酵系統pH值呈降低趨勢。在反應器啟動初期（TS=3%），發酵系統內pH值為7.6左右。隨著反應器的持續運行，pH值在波動中降低，在反應器運行60 d后，反應器內pH值降低至6.8～7.2的范圍內，處于厭氧發酵最佳pH值范圍[15]。其中，純秸稈條件下反應器在運行42 d后，pH值降低至5.9，這主要是由于以純秸稈為原料，發酵啟動初期由于發酵體系內厭氧微生物數量不足，導致秸稈水解產酸未能及時利用產生甲烷所致，從而反應器內pH 值降低[16]。在此之后，隨著反應器的持續運行，反應器內厭氧微生物增殖，純秸稈條件下反應器內pH值在反應器運行51 d后恢復至6.5左右。其余幾個反應器內pH值除在反應器啟動初期發生波動外，在反應器啟動18 d后，pH值始終穩定在6.5～7.5之間。

在反應器內TS提升至6%以后，pH值持續保持穩定，5個反應器內pH值均處于6.5～7.5范圍之內，pH值排序為：純牛糞＞S:CM=1:3＞S:CM=1:1＞S:CM=3:1＞純秸稈。其中，純秸稈條件下反應器內pH值最低，主要是由于采用純秸稈原料厭氧發酵，反應器內發生酸積累所導致[17]。

隨著反應器內TS提升至8%，5個反應器內pH值在提升濃度后未有明顯變化，這表明在反應器內仍保有一定的緩沖能力。之后隨著反應器的持續運行，第170天左右反應器內pH值逐漸降低，到180 d 5個反應器內pH值均降低至6.5左右。發酵濃度提升至8%后，pH值降低，表明發酵系統出現酸化現象，系統穩定性遭到破壞。有研究表明，揮發性脂肪酸（VFA）的積累降低反應器內pH值，進而抑制產甲烷細菌的活性，進一步造成VFA的累積，導致pH值更低，形成惡性循環[18-19]。

圖4 pH值變化趨勢

2.3 氧化還原電位

厭氧發酵體系對環境的要求十分嚴格，一般要求ORP小于?300 mV以適應產甲烷細菌生長要求[20]。反應器運行過程中ORP變化如圖5所示。TS=3%時，5組反應器的ORP變化趨勢基本一致，運行30 d后各反應器內ORP排序基本保持穩定，且且各反應器之間的ORP差距不大，在?370到-270 mV范圍內波動，這與王世偉[21]等的研究結果基本一致。反應器內發酵濃度提高至6%，除S:CM=1:1反應器外，其他4個反應器內ORP均呈升高趨勢。在第2階段運行結束時，S:CM=1:1反應器內ORP仍保持在?350 mV左右，而純秸稈條件下反應器內ORP則在?150～?200 mV之間波動，5個反應器內ORP差距變大。反應器TS 為8%的條件下運行時，各反應器內ORP大小排序規律與TS=6%條件下運行時，保持一致。反應器內發酵濃度升高初期，S:CM=1:1條件下反應器內ORP值基本保持穩定，直至172 d后，S:CM=1:1反應器內ORP則快速升高至-300mV以上。在此期間，其余4個條件下反應器內ORP值呈緩慢升高趨勢。有研究表明，在一定范圍內ORP值低，則發酵系統產氣性能更優[22]。本研究的結果與上述文獻報道基本一致。

圖5 氧化還原電位變化

2.4 溶解性化學需氧量（sCOD）與揮發性有機酸（VFA）含量

5個反應器內混合物料在不同階段穩定后料液內sCOD變化如圖6所示。

圖6 不同階段CSTR反應器內sCOD值

隨著反應器內TS不斷提升，除純秸稈處理外，發酵穩定后料液內sCOD濃度基本呈升高趨勢。TS=3%時，各反應器內sCOD值在3 800～5 000 mg/L的范圍內，總體隨原料中秸稈占比增加而升高。反應器內干物質濃度至6%時，幾個反應器內sCOD均有大幅提升，其中S:CM=1:3條件下反應器內sCOD增幅最高，達到39.5%，最終升高至5 487.55 mg/L，而純牛糞條件下反應器內COD增幅最低，增加20%左右。在TS=6%階段穩定以后，純秸稈處理下，料液內sCOD最高，達到了6 115 mg/L，純牛糞處理下，料液sCOD最低為4 588.8 mg/L。TS=8%時，純秸稈和S:CM=3:1兩個條件下sCOD降低，其他幾個條件下反應器內sCOD呈升高趨勢，但變化幅度不大。

反應器TS提升至TS=8%后并穩定運行后，對反應器內VFAs濃度進行了測試，結果如表2。可見，除純秸稈條件外，其余反應器中VFAs質量濃度均在1 000 mg/L以下。整體而言，VFAs質量濃度隨著原料中秸稈比例越大，厭氧系統內VFAs濃度呈上升趨勢。并且，從丙酸濃度變化也可以看出，隨著原料中秸稈比例增大，丙酸的積累越嚴重，丙酸積累程度隨秸稈比例的增加而增加[23-24]。這主要是由于，牛糞的添加可在一定程度上平衡反應器內營養成分，從而保證反應器內微生物活性始終保持較優水平，加快反應器內VFAs降解，減輕了丙酸的積累程度，這與Axelle Degueurce等[25]的研究結果是一致的。

表2 TS=8%時各反應器內VFAs濃度

3 討 論

本研究的結果表明，純牛糞與純秸稈條件下厭氧發酵效果均較差。純秸稈條件下反應器內TS提升至8%以后，sCOD值高而產氣率低，VFA值高，這主要是由于純秸稈厭氧發酵過程中，物料易于降解，但往往容易導致酸化，抑制產氣過程。這與其他研究人員的相關報道是一致的[26]。純牛糞條件下，無論產氣率還是sCOD值均較低，這說明牛糞內溶解性物質及可降解性物質較少。大量文獻表明，新鮮牛糞具有較好的厭氧發酵產氣效果[27]。與之相比，本研究所采用的牛糞采自規模化牛場的儲糞池，可能是由于經過儲糞池儲存后，牛糞暴露在空氣內導致有機質被消耗，并且原料的C/N則降低至10.2，物料內養分更加失衡，從而導致其厭氧發酵效果降低。在實際沼氣工程中，以牛糞等畜禽糞便為原料，應盡量減少牛糞在儲糞池內的儲存時間，或采用密封的牛糞輸送方式，保證牛糞的發酵效果。

相比而言，秸稈:牛糞=1:1、1:3與3:1條件下反應器的sCOD值與VFA值均處于較低水平，且反應器產氣率較高，這主要是由于采用秸稈與牛糞混合原料，其C/N比較為適宜，反應器內厭氧發酵過程相對穩定，對有機物的降解能力較強[28]。

本研究結果表明，反應器運行170 d后，各個反應器在TS=8%條件下，反應器內pH值均降低，進而導致反應器的產氣率降低。本研究中反應器攪拌裝置的電機功率為30 W，在TS為3%、6%與8%條件下，對反應器的攪拌轉速進行了測試，分別為32、25、20 r/min。可見，隨反應器內原料含固率升高，反應器內攪拌轉速隨之下降。在TS=8%的條件下，反應器的攪拌轉速較低，無法保證高濃度物料完全混合，長期累積下反應器內逐漸產生攪拌死區與浮渣等問題，導致反應器內局部酸化，進而導致系統整體失穩[29-30]。本研究的結果為實際沼氣工程的運行提供了參考和借鑒。在實際工程運行中，對于牛糞原料應減少在儲糞池中的儲存時間，避免有機物質損失；采用混合原料厭氧發酵可有效提升厭氧發酵效率及穩定性，但應根據發酵原料濃度的提高對攪拌速率進行相應調整，過低的攪拌速率影響厭氧發酵效果。

4 結 論

1）本研究在中溫條件下對秸稈-牛糞混合原料體系的梯度啟動特征進行了研究，在本試驗條件下，隨著反應器內TS升高，反應器內的容積產氣率呈升高趨勢；純牛糞和純秸稈厭氧發酵效果低于牛糞與秸稈混合原料厭氧發酵效果。最終在TS提升至8%時，秸稈:牛糞=1:1條件下反應器的容積產氣率最高，達到了0.78 L/(L·d)，產氣中甲烷體積分數可達到55%以上。

2）在本研究試驗條件下，反應器內TS提升至8%以后，由于攪拌速率降低導致物料無法充分混合，最終各個反應器容積產氣率和pH值均降低，且揮發性脂肪酸與氧化還原電位升高，其中秸稈:牛糞=3:1和1:1條件下反應器容積產氣率均降至0.6 L/(L·d)左右，pH值降低至6.5左右。

3）在本研究的基礎上，下一步將在秸稈-牛糞優化配比和運行條件下，解析物料粘度等流變特性對于厭氧發酵過程的響應特征，對混合原料厭氧發酵的物料攪拌過程進行深入分析，探討攪拌對于厭氧發酵過程的影響規律，以期為規模化沼氣工程高效低成本運行提供支撐。

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Effect of feed concentration on continuous stirred anaerobic fermentation characteristics with mixed corn straw and cow manures

Feng Jing1, Zhao Lanlan1,2, Zhao Lixin1※, Yao Zonglu1, Yu Jiadong1, Luo Juan1, Chen Jiankun1

(1.100125,; 2.163319,)

At present, most biogas projects in China use crop straw and animal manures as the main raw materials, however, there is still a lack of reference and support for the process control of the actual biogas project, especially for the control of the feed mix of biogas plants. In this study, two kinds of common materials, corn stalk and cow dung, were used as the influent with different mixed ratio under the medium temperature conditions. The mixed ratio of straw and cow manure (S:CM, as TS ratio) was adjusted to 1:1, 1:3, 3:1, while the reactors with straw and cow manure were as the controls. The CSTR started at the condition of TS=3%, then the TS was increased to 6% and 8% sequentially. The effects of different feeds on the operation characteristics of biogas engineering such as gas production, methane content, pH value, ORP (oxidation reduction potential), volatile acids were systematically discussed. The results showed that the biogas production of the reactors with straw or cow manure was significantly lower than that with mixture. And the biogas production rate increased with the increasing of TS. Under the conditions of TS=8%, the reactor with influent of S:CM=3:1 got the peak biogas production rate of 0.78 L/(L·d) after 130 d running, and that with influent of S:CM=1:1 got its peak biogas production of 0.76 L/(L·d) after 150 d running. As the TS in the reactor was increased to 8%, the pH values in the five reactors did not change significantly after increasing the concentration, indicating that there was still a certain buffering capacity in the reactor. Then, with the continuous operation of the reactor, the pH value in the reactor gradually decreased on the 170th day, and the pH value in the five reactors decreased to about 6.5 in 180 days. The pH value decrease led to a decrease in the gas production rate of the reactors. The biogas production rate decreased to 0.6 L/(L·d) with a decreased pH value to 6.5. This was mainly because under the constant stirring power condition, as the concentration of the materials in the reactor increased, the stirring speed was reduced, and problems such as stirring dead zone and scum were occurred in the reactors, resulting in acidification in the reactor. This in turn caused the system to be unstable overall. During the startup, the ORP of all the five reactors showed a slowly rising trend. After 172 d running, the ORP in the reactor with S:CM=1:1 rapidly increased to above -300 mV. Overall, the concentration of VFAs in the anaerobic system increased with the increasing proportion of straw in the feed-in materials. Moreover, the accumulation of propionic acid occurred and became more serious as the proportion of straw in the feed-in material increased. This result showed that the biogas plants with more straw might ran at more unstable conditions, compared with those feeding in mixture of straw and manure.

fermentation; straw; manures; biogas; total solids; operation characteristics

2018-12-19

2019-06-28

現代農業產業技術體系專項資金資助CARS-02

馮 晶，高級工程師，博士，主要從事農業廢棄物資源化利用研究，Email：fengjing@sina.com

趙立欣，研究員，主要從事農業廢棄物能源化研究。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.028

X71, X72

A

1002-6819(2019)-14-0221-07

馮 晶，趙蘭蘭，趙立欣，姚宗路，于佳動，羅 娟，陳建坤. 進料濃度對玉米秸稈與牛糞全混式厭氧發酵特征影響研究[J]. 農業工程學報，2019，35(14)：221－227. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.028 http://www.tcsae.org

Feng Jing, Zhao Lanlan, Zhao Lixin, Yao Zonglu, Yu Jiadong, Luo Juan, Chen Jiankun. Effect of feed concentration on continuous stirred anaerobic fermentation characteristics with mixed corn straw and cow manures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 221－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.028 http://www.tcsae.org