傅國志，馬宗虎，葉 駿，田 立，馮小清

(中國華電工程(集團)有限公司，北京100160)

秸稈主要來自農業(yè)廢棄物，是一種產量豐富的可再生能源，稱為“第四大能源”，即煤炭、石油和天然氣三大傳統(tǒng)能源后，當今消耗量最高的生物質能源，約占全球總能源消耗量的14%［1］。我國是世界上最大的農業(yè)生產國，有豐富的玉米秸稈資源，年產總量達12億t以上;但是秸稈資源在我國的利用率很低，農村秸稈綜合利用率僅達到28．7%［2］。玉米秸稈有多種用途，比如有較為傳統(tǒng)的作為燃料、牲畜飼料、漚肥，也可作為生物發(fā)酵過程底物和工業(yè)生產的原料［3－4］。厭氧消化技術處理玉米秸稈，可產生清潔能源——沼氣，同時發(fā)酵后的沼液沼渣是一種優(yōu)質的有機肥，因此是一種有效的、低能耗的處理技術［5］。

有機負荷是影響玉米秸稈厭氧發(fā)酵的關鍵因素之一，較高的有機負荷易導致厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的酸敗，而較低的有機負荷不利于反應器的高效利用，經濟不合理［6］。筆者通過試驗研究了不同濃度新鮮玉米秸稈厭氧發(fā)酵的產氣潛力，以期為我國玉米秸稈厭氧處理提供依據。

1 材料與方法

1．1 試驗裝置及方法 新鮮秸稈批式潛力試驗所用試驗裝置采用帶有丁基膠塞的250 ml厭氧發(fā)酵瓶，有效發(fā)酵體積為150 ml，試驗接種污泥為實驗室長期穩(wěn)定運行的厭氧發(fā)酵罐的出液。污泥接種量為100 ml;玉米秸稈分別設置10、20和30 gVS/L 3組不同發(fā)酵濃度梯度。厭氧發(fā)酵瓶放置于恒溫發(fā)酵室中，發(fā)酵溫度(37±1)℃，調節(jié)發(fā)酵液初始pH 7．0，每天手動搖晃3次，每組試驗設置3個平行，使用史氏發(fā)酵管排飽和食鹽水法測定沼氣日產氣量。

1．2 試驗材料 玉米秸稈取自山東省禹城市某擬建大型沼氣工程發(fā)酵原料。經過粉碎處理，新鮮秸稈與接種污泥的理化性質見表1。新鮮玉米秸稈中纖維素含量:中性洗滌纖維NDF為(52．7±0．8)%TS;酸性洗滌纖維 ADF 為(24．4±0．8)%TS;酸性洗滌木素 ADL 為(2．5 ±0．3)%TS;半纖維素(NDF-ADF)為(28．2 ±0)%TS;纖維素(ADF-ADL-ASH)為(21．3 ±1．3)%TS。

表1 玉米秸稈與接種物的基本性質

1．3 試驗分析方法 試驗原料總固體含量、揮發(fā)性固體含量采用美國水和廢水監(jiān)測標準方法測定，pH采用玻璃電極法(Orion 3－Star，美國，±0．01)。纖維素測定使用半自動纖維素分析儀(美國ANKOM A200i)進行測定)。碳酸氫鹽堿度(TIC)和揮發(fā)性有機酸(VFAs)含量采用兩點滴定法［7］。沼氣成分采用氣相色譜法測定(GC，SP-2100，北京北分，中國)，測定條件:熱導檢測器(TCD)，不銹鋼填充柱(2 m×3 mm)，進樣器、柱溫箱和檢測器溫度分別為120、80和150℃，載氣為 N2，流速為 30 ml/min，沼氣標氣為甲烷 59．7%

(V/V)、二氧化碳 40．3%(V/V)。

2 結果與分析

2．1 不同濃度新鮮玉米秸稈產氣情況分析 由圖1可知，經過35 d的產氣，不同初始發(fā)酵濃度的玉米秸稈均得到了較為徹底的降解。厭氧發(fā)酵初始階段(1～6 d)，隨著發(fā)酵原料濃度的提高，產氣率呈下降趨勢，有機濃度為10、20、30 gVS/L的玉米秸稈厭氧發(fā)酵第6天的累積產氣量分別為426．0、402．3、326．7 ml/g(VSadded)。而隨著厭氧發(fā)酵時間的延長，隨著玉米秸稈有機濃度的提高，厭氧發(fā)酵持續(xù)周期延長。10、20、30 gVS/L的玉米秸稈的最大產沼氣量分別為654．3、662．3、651．3 ml/g(VSadded)。通過產氣情況分析，可知3個濃度的玉米秸稈的產氣率差別不大，20 gVS/L玉米秸稈的最終累積產沼氣量最大。

2．2 新鮮玉米秸稈厭氧發(fā)酵甲烷濃度變化分析 圖2可以反映出不同濃度秸稈厭氧消化沼氣中甲烷濃度的變化情況，呈現(xiàn)基本一致的趨勢，發(fā)酵初期(1～6 d)逐漸升高，由15%提高到了55%;而20 gVS/L濃度的玉米秸稈甲烷濃度上升速度最快，30 gVS/L濃度的玉米秸稈甲烷濃度上升速度次之，10 gVS/L濃度的玉米秸稈甲烷濃度上升速度相對最慢。從第7天開始，沼氣中甲烷濃度均基本趨于穩(wěn)定，維持在53%左右，表明厭氧消化過程未受到抑制影響。

Callaghan等［8］指出，VFAs與TIC的比例關系可反映沼氣厭氧發(fā)酵過程的緩沖能力和運行穩(wěn)定性，當VFAs/TIC＜0．4時，表示反應器緩沖能力強，發(fā)酵過程運行穩(wěn)定，當VFAs/TIC介于0．4～0．8時，表示反應器緩沖能力減弱，發(fā)酵過程運行可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，需及時調控進料量及pH，當VFAs/TIC＞0．4時，表示反應器發(fā)酵過程運行不穩(wěn)定，產氣量及產氣率下降，有明顯抑制產氣現(xiàn)象。由表3可知，各處理組的VFAs/TIC均＜0．3，這說明不同濃度玉米秸稈原料的厭氧消化過程均維持了較高的緩沖能力。

表3 發(fā)酵液碳酸氫鹽堿度及揮發(fā)性有機酸含量

2．3 發(fā)酵液中氨氮(NH3-N)、堿度、揮發(fā)性有機酸含量 從表2可知，不同原料在初始發(fā)酵濃度為10、20和30 gVS/L的條件下，均未出現(xiàn)明顯的pH下降趨勢，反而pH略高于初始pH，同時各試驗處理組的氨氮濃度均低于3 000 mg/L，也沒有達到氨氮抑制的程度。這說明這一特定的發(fā)酵特性保證了不同濃度玉米秸稈的充分消化，不至于消化系統(tǒng)酸化。

表2 發(fā)酵液p H及氨氮含量

圖3為不同濃度玉米秸稈厭氧發(fā)酵過程總固體和揮發(fā)性固體的降解情況，TS和VS降解率均在75% ～90%之間，表明初始濃度為10～20 gVS/L范圍內的玉米秸稈厭氧發(fā)酵均進行了良好的消化。20 gVS/L濃度的玉米秸稈的TS、VS降解率最高，10 gVS/L濃度的玉米秸稈的TS、VS降解率次之，30 gVS/L濃度的玉米秸稈的TS、VS降解率相對明顯較低，該結果與圖1所示產氣量趨勢基本一致。降解率一定程度反映了發(fā)酵原料被微生物利用的水平，由此說明玉米秸稈在20 gVS/L濃度條件下的厭氧發(fā)酵較為徹底。

3 結論與討論

(1)玉米秸稈厭氧發(fā)酵在初始有機濃度為10、20、30 gVS/L 的條件下，最終累積產氣量分別為654．3、662．3、651．3 ml/g(VSadded)。通過分析可知，3個濃度條件下的玉米秸稈的產氣率差別并不大，20 gVS/L玉米秸稈的最終累積產沼氣量最大。

(2)厭氧發(fā)酵持續(xù)到第6天，初始有機濃度為10、20、30 gVS/L的條件下玉米秸稈厭氧發(fā)酵沼氣中甲烷濃度均由15%提高到了55%;且20 gVS/L濃度的玉米秸稈甲烷濃度上升速度最快。

(3)玉米秸稈厭氧發(fā)酵在初始有機濃度為10～30 gVS/L之間的條件下，試驗結束后發(fā)酵液pH、氨氮濃度、VFAs和TIC均在正常范圍內，說明均未發(fā)生抑制現(xiàn)象，有機濃度在此范圍內均可進行良好的厭氧發(fā)酵。

(4)TS和VS降解率均在75% ～90%之間，表明初始濃度為10～20 gVS/L范圍內的玉米秸稈厭氧發(fā)酵均進行了良好的消化。而20 gVS/L濃度的玉米秸稈的TS、VS降解率最高。

在試驗設定的初始有機濃度為10、20、30 gVS/L的條件下，均未出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。通過產氣和降解率綜合分析，玉米秸稈初始有機濃度20 gVS/L條件下的厭氧發(fā)酵效果最佳。

［1］王宏立，張祖立，白曉虎．秸稈飼料資源開發(fā)利用的研究進展［J］．沈陽農業(yè)大學學報，2006，34(3):228 －231．

［2］封莉，劉俊峰．秸稈生物質資源利用途徑及相應技術［J］．農機化研究，2004(6):193－194．

［3］ZHANG D Q，TAN SK，GERSBERGR M．Municipal solid waste management in China:Status，problems and challenges［J］．Journal of environmental management，2010，91(8):1623 －1633．

［4］任連海．城市典型固體廢棄物資源化工程［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2009．

［5］成喜雨，莊國強，蘇志國，等．沼氣發(fā)酵過程研究進展［J］．過程工程學報，2008，8(3):607 －615．

［6］何麗紅．畜禽糞便高溫厭氧干發(fā)酵關鍵參數(shù)優(yōu)化研究［D］．武漢:華中農業(yè)大學，2004．

［7］RIEGER C，WEILAND P．Prozessstrungen frühzeitig erkennen［J］．Biogas Journal，2006，4:18 －20．

［8］CALLAGHAN F J，WASEA D A J，THAYANITHYA K，et al．Continuous co-digestion of cattle slurry with fruit andvegetable wastes and chicken manure［J］．Biomass and bioenergy，2002，22(1):71 －77．