不同農業有機廢棄物厭氧發酵產甲烷潛力研究

陸鳳成 霍明志 陳立東 王學武 馬艷明 王增偉

摘要：農業有機廢棄物通過厭氧技術生產沼氣是我國新能源開發與環境治理的重要方向之一。為評估農業有機物料直接作為沼氣發酵原料的可行性，選取其中產量大、分布廣的陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤、玉米芯及谷子秸稈6種原料，在中溫（37℃）條件下進行厭氧發酵產甲烷潛力（BMP）試驗。結果表明：6種農業有機物料單位VS累積產甲烷量（mL/gVS）從高到低的排序為：陳化玉米〉葵花盤〉玉米秸稈〉玉米芯〉葵花秸稈〉谷子秸稈，分別為280.9、244.6、225.5、176.6、167.7、128.6mLCH4/gVS。各個試驗組甲烷平均含量在55%～65%，其中陳化玉米的甲烷含量最高。

關鍵詞：農業有機廢棄物;厭氧發酵;甲烷;潛力

中圖分類號 X524 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）16-0174-04

在當前環境惡化、能源匱乏的背景下，利用農業廢棄物進行厭氧發酵產生清潔能源沼氣具有重要的現實意義[1-2]。中國是農業大國，農業生物質資源豐富，年產量超過10.4億t，規模化養殖場年糞便的產生量超過20.5億t，可用于沼氣生產的農業廢棄物14.04億t，可生產生物天然氣736億m3[3]。再加上城市污泥、餐廚垃圾和工業有機廢棄物等，可被利用并生產為沼氣或生物天然氣的資源量是巨大的。但目前國大部分有機廢棄物都未被合理利用，特別是農業秸稈類廢棄物，存在胡亂堆放、焚燒等現象，從而增加了溫室氣體的排放量，并造成了嚴重的空氣污染[4]。

農業廢棄物中的纖維素、半纖維素和木質素的含量直接影響到秸稈厭氧發酵產氣的效果，不同種類秸稈厭氧發酵產沼氣的效果差別較大[5]。常見的木質纖維素原料包括木材纖維和非木材纖維原料，玉米秸稈、稻草、麥草、甘蔗渣等屬于非木材禾草類纖維原料，這類原料尤為豐富且價格低廉，是生產沼氣和生物天然氣的主要原料[6]。

本試驗選取內蒙古東部具有代表性的農業廢棄物，包括陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤（收割完籽實的葵花盤）、玉米芯（收割完籽實的玉米芯）、谷子秸稈為材料，采用元素分析法對農業有機廢棄物進行理論甲烷產量計算，預測其產氣性能。通過批式厭氧發酵，研究其產氣規律和特性、測定其實際產甲烷潛力，得出其生物降解性，以期為厭氧發酵工程運行時原料的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和接種物 試驗所采用材料均取自于內蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗雙勝鎮，自然風干，使用實驗室粉碎機粉碎后過20目篩，封存干燥放置備用。試驗接種物取自阿魯科爾沁旗規模化生物天然氣與有機肥循環化綜合利用項目一期厭氧發酵出料，密封放入厭氧發酵裝置中直至幾乎不產氣，然后置于冰箱內封存備用，冰箱溫度設置為0℃。試驗材料和接種物理化性質如表1所示。

1.2 試驗裝置與試驗設計

1.2.1 試驗裝置 試驗采用批式厭氧發酵裝置，如圖1所示。反應器（藍蓋瓶），集氣瓶（廣口瓶），集水瓶（燒杯）容積都為1L，它們之間通過玻璃管、乳膠管連接組合。反應器在試驗過程中的有效工作容積為0.8L。用恒溫水浴箱（37±1）℃給反應器加熱保溫，保證試驗為中溫厭氧消化。集氣瓶上標有體積刻度，相當于氣體計量器，通過氣體進入集氣瓶將水排入集水瓶的排水法記錄每天沼氣的產量。

1.2.2 試驗設計 試驗設置6組，同時設置空白對照組。試驗組原料分別為陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤、玉米芯及谷子秸稈，空白對照組為接種污泥的空白對照。試驗組發酵濃度為10%，F/M （物料VS：接種物VS）為0.5，對照組為接種物+去離子水組成。試驗前，將分別計量原料和接種物重量，按比例加入1L厭氧發酵反應器內，用水定容至有效容積800mL，然后放人37℃恒溫水槽內，連接好試驗裝置，開始實驗。每個試驗設置3個平行實驗，所有反應器每日手動搖晃3次，每次約1min，以保證物料和接種微生物充分接觸，厭氧消化時間定為40d。

1.3 原料的理論甲烷產量 本試驗中原料的單位VS理論甲烷產量（Theoretical methane yield TMY）可以根據Buswell和Muellerl提供的公式進行計算[7]，公式包含CH0N4種元素：CnHaObNe+ （n-a/4 -b/2 +3c/4）H2O→（n/2+a/8-b/4-3c/4）ch4+（n/2-a/8+b/4+3c/8）CO2+cNH3

（1）TMY（mL4g-1vs）=22.4×1000×（n/2+a/8-b/4-3c/8）/12n+a+16b+14c （2）

1.4 生物降解性 根據試驗獲得的甲烷產量（Experi-mental methane yield，EMY）和通過理論計算獲得的理論甲烷產量（Theoretical methane yield，TMY），有機物料的厭氧消化性（Biodegradability，BD）可以通過公式（3）進行計算[7]。BD（%）=EMY/TMY100 （3）

1.5 數據分析 各項指標的分析方法和主要儀器如表2所示。

2結果與分析

2.1 日產氣量 試驗組的日產沼氣量變化情況如圖2所示。由圖2可知，在厭氧消化時間內，日產氣量整體上都經過了 2個高峰后逐漸趨于0，主要都是第1個峰值都達到日產氣最大值，主要出現在前1～3d。陳化玉米在第1天產氣量最大，為720mL，隨后產氣量急劇下降，在第4～?10天，幾乎不產生沼氣。其主要原因是陳化玉米含有大量淀粉類糖，比較容易降解，在試驗第1～2天，即會產生大量揮發酸，產甲烷菌無法隨即將其降解消化，導致消化體系pH下降，從而抑制部分產甲烷菌的活性。隨著時間進行體系內揮發酸被慢慢降解，體系pH上升，產甲烷菌恢復活性，在第15天產氣上升。相關資料表明，pH低值通常出現在日產氣量增加的前期，這是因為VFA積累造成pH下降，但VFA積累為產甲烷菌提供了充足的底物，促進產甲烷菌生長，增加產氣量[9]。葵花盤與陳化玉米類似，第1天產氣量即升為最大值，為575mL，隨后產氣量降低，在第3～8天產氣量又逐漸回升，在第8天產氣量達到第2個高峰為290mL。其他4個試驗組（玉米秸稈、玉米芯、葵花秸稈、谷子秸稈）日產氣情況波形相似，在前3d產氣量達到最大值，隨后產氣量逐漸降低。以上結果表明，陳化玉米較秸稈類廢棄物較容易降解，在秸稈類廢棄物中葵花盤厭氧消化速度比較快，產氣速度快，這與馮茵菲[10]研究的葵盤厭氧發酵特性與產氣潛力的試驗相符。

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（責編：張宏民）

作者簡介：陸鳳成（1966-），男，北京人，碩士，高級工程師，從事招標代理、工程項目管理、項目投資管理和戰略研究等工作。 *通訊作者收稿日期：2020-06-28