王禹霄飛 孫云博 曲 威

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院 煙臺 264670

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，其中農(nóng)作物秸稈總量約8億～9億t。農(nóng)作物秸稈的處理主要以轉(zhuǎn)化為養(yǎng)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(nóng)作物秸稈被隨地堆棄和任意焚燒，造成嚴(yán)重的空氣污染和土壤污染，在秋冬季節(jié)還會引起火災(zāi)事故等生態(tài)和社會問題[1]。以農(nóng)作物秸稈為主要物料進行厭氧消化產(chǎn)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(fā)酵，也可以采用干法（總固體濃度為15%～35%）進行厭氧發(fā)酵[2]。干法厭氧發(fā)酵啟動性能盡管比不上濕法厭氧發(fā)酵，但是它的單位容積產(chǎn)氣率較高，發(fā)酵過程中需水量小或不需要水，發(fā)酵結(jié)束后無大量沼液外排，發(fā)酵后的處理費用較低。本文以玉米秸稈為發(fā)酵原料，研究同玉米秸稈干物質(zhì)濃度條件下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果，同時考察發(fā)酵過程中有機負(fù)荷率與池容產(chǎn)氣率，期望尋求合適的玉米秸稈干發(fā)酵的物料濃度，為實際沼氣工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院內(nèi)種植實驗基地。玉米秸稈在地里自然風(fēng)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(qū)養(yǎng)豬場，取回后置于4 ℃冷藏室中保存。

接種物取自實驗室內(nèi)正常運行的沼氣發(fā)酵罐的新鮮出料，該沼氣發(fā)酵罐運行溫度為37 ℃。

1.2 試驗裝置

厭氧發(fā)酵裝置采用自制沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，玻璃厭氧發(fā)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(fā)酵瓶置于水浴鍋（HH-60），發(fā)酵過程中保持37℃±1℃恒溫。

1.3 試驗設(shè)計

采用批次實驗分析高濃度玉米秸稈對產(chǎn)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(fā)酵瓶，充入氮氣2 min后，使發(fā)酵瓶內(nèi)部形成厭氧環(huán)境。試驗進行了50d，每天測定產(chǎn)氣量，每3d測定甲烷含量。表1中給出的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)均為去除對照后的結(jié)果。

表1 批次試驗設(shè)計

1.4 分析方法

干物質(zhì)含量（TS）的測定方法：105℃下烘干24 h，并利用差重法測定。揮發(fā)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(jié)果與分析

2.1 不同干物質(zhì)濃度玉米秸稈發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量變化

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

圖1 日產(chǎn)沼氣量

2.2 不同干物質(zhì)濃度玉米秸稈發(fā)酵累積產(chǎn)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(fā)酵，發(fā)酵反應(yīng)速度會隨底物濃度的升高而增大，產(chǎn)生的沼氣量也有一定程度的增加。由圖2可知，當(dāng)厭氧發(fā)酵瓶內(nèi)發(fā)酵原料玉米秸稈的干物質(zhì)濃度由10%增加到15%時，沼氣的產(chǎn)量提高18.43%，而玉米秸稈的單位干物質(zhì)產(chǎn)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(chǎn)量提高18.18%，單位產(chǎn)氣量由239 ml/g降到211.85 ml/g ，降低了27.15 ml/g。研究結(jié)果表明，在本沼氣發(fā)酵周期內(nèi)，雖然沼氣的產(chǎn)量隨發(fā)酵原料固體濃度的升高而提高，但是單位干物后的產(chǎn)氣量卻有所降低，這說明利用較高濃度干物質(zhì)原料進行干式發(fā)酵時，應(yīng)當(dāng)選擇較長的厭氧發(fā)酵時間，以利于發(fā)酵物料能夠被充分利用，降解轉(zhuǎn)化為沼氣。

圖2 累積沼氣量

2.3 不同干物質(zhì)濃度玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量的變化

在利用玉米秸稈進行厭氧發(fā)酵過程中，發(fā)酵原料的干物質(zhì)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(fā)酵所產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量也有一定程度的增加。由圖3可知，在厭氧發(fā)酵初期，隨著玉米秸稈被微生物水解，產(chǎn)甲烷微生物開始利用水解產(chǎn)物進行甲烷發(fā)酵，沼氣中的甲烷含量隨發(fā)酵時間的延長，濃度逐漸增大。不同玉米秸稈濃度的發(fā)酵組在發(fā)酵進行到13d左右時，沼氣中甲烷含量相對穩(wěn)定，維持在50%左右。

圖 3 沼氣中甲烷含量

2.4 有機負(fù)荷率和池容產(chǎn)氣率的影響

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

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

3 結(jié)論

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