秸秆高效发酵沼气新技术研究

陈蔷+赵立伟+苏亚勋+魏立颖

摘    要：研究了一种既省时省力，又节约成本的高效益的秸秆沼气发酵技术，探讨了3种接种物浓度、4种物料配比以及5种发酵原料对发酵效果的影响。结果表明：接种物的最适含水量为85%;秸秆与接种物的最佳质量比例是1∶30;5种发酵原料中玉米秸秆发酵效果最好;粉碎秸秆在发酵前无需堆沤、调节碳氮比等处理，直接与接种物混合均匀即可快速发酵。

关键词：秸秆;厌氧发酵;沼气;接种物浓度;物料配比

中图分类号：216.4        文献标识码：A            DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.007

Research on New Technology of High Efficient Biogas Fermentation

CHEN Qiang1，ZHAO Li-wei2，SU Ya-xun2，WEI Li-ying3

（1.Tianjin Green Power and Plant Nutrition Technology Development Company Limited， Tianjin 300300，China;2. Tianjin North Garden Ecological Environmental Engineering Research Institute， Tianjin 300300，China;3. Tianjin Yuan Lin Productivity Promotion Company Limited， Tianjin 300300，China）

Abstract： This paper aims to study both a time-saving and cost-effective straw biogas technology， the main research focus on effect of three kinds of inoculum concentration， four kinds of material ratio and five kinds of fermentation material on the fermentation. The results showed that the optimum moisture content of inoculum was 85%; the best quality straw and inoculum ratio was 1∶30; Among 5 kinds of fermentation feedstock corn stover fermentation was the best; Crushed straw directly mixed with the inoculums can evenly rapid fermentation without retting， carbon and nitrogen ratio adjustment process before fermentation.

Key words： straw; anaerobic fermentation; biogas; inoculum concentration; material ratio

随着沼气工程大规模发展，原有的沼气发酵原料渐显不足，迫切需要开发新的原料来源。据统计，我国每年产生的农作物秸秆总量约7亿t，除去用于造纸、饲料以及沤肥还田外，还有约3.7亿t秸秆可作为能源物质加以利用[1]。农作物秸秆是一种重要的富含有机物（80%～90%）的生物质能源[2]，具有资源量丰富，来源方便等特点，利用厌氧发酵技术处理秸秆不仅为我国秸秆的综合利用开辟了一条重要的途径，打破了农村沼气建设对畜禽养殖的依赖，而且有效地促进了农村可再生能源发展的进程。这既有助于提高秸秆资源化利用率，又能够促进我国沼气事业的发展。因此，秸秆发酵沼气在中国新农村建设中有着广阔的前景[3-4]。

近年来，秸秆沼气技术在国内外均有研究。世界上沼气行业最先进的德国，均采用鲜秸秆进行发酵，而干秸秆的发酵至今没有突破。我国的传统秸秆沼气，虽干、鲜秸秆都有使用，但是为了达到快速降解的目的，均需对秸秆进行预处理，常见的预处理方法包括物理、化学和生物方法[5-6]。这些方法不仅工艺复杂而且成本较高，很难推广。因此，纯秸秆的降解一直是国内外难题。

综上所述，笔者通过对比3种接种物浓度、4种物料配比以及5种发酵原料对发酵沼气效果的影响，最终得到一种既省时省力，又节约成本的高效益的秸秆沼气发酵技术，可为纯秸秆发酵技术在大中型沼气工程中的推广应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 原料和接种物

发酵原料为玉米秸秆、稻草、花生皮、玉米芯和棉秆等5种发酵原料，均采自天津市静海县，已自然风干3个月。试验前将秸秆利用底部筛网8 mm的锤片式揉搓机进行粉碎处理，粉碎后的玉米秸秆、稻草、花生皮和棉秆呈纤维状，玉米芯呈颗粒状。

接种物为河北省青县正常使用的沼气池中的沼渣（底泥），颜色呈黑褐色，含水量为85%。根据试验需要，将此接种物通过沥水和加水处理，最终得到含水量分别为80%，85%和90%的3种接种物。

1.2 试验装置

发酵装置主要由水浴恒温装置、发酵瓶、集气瓶、集水瓶和管路组成。发酵瓶由500 mL广口瓶制成，发酵瓶口由橡胶塞密封，橡胶塞打孔连接玻璃管，发酵瓶与集气瓶之间以胶皮管连接，利用排水法计量产气量。将发酵瓶置于39 ℃水浴恒温箱中以保持发酵温度恒定。

1.3 试验方法

试验均在39 ℃条件下开展，采用500 mL广口瓶作为发酵容器，利用排水法计量产气量，观察时间为一周期共计20 d，每个处理重复3次。

1.3.1 发酵接种物浓度的优选 将含水量分别为80%，85%和90%的3种接种物，与粉碎的玉米秸秆以5 g秸秆拌入200 g接种物的比例混合后，加入发酵容器进行发酵试验。

1.3.2 物料适宜配比的优选 沼气发酵必须有大量菌种，而且接种物的大小与发酵产气有直接的关系[7]。使用较多的秸秆作为发酵原料时，需加大接种物数量[8]。根据以往经验，在秸秆沼气工程中，秸秆与接种物的质量比一般为1∶20左右时产气效果较好，尤其接种物越多发酵效果越好，因此，本试验选择4个梯度物料配比进行发酵试验，即秸秆与接种物的质量比为1∶10、1∶20、1∶30和1∶40。选用粉碎的风干玉米秸秆和含水量为85%的接种物以4种不同质量配比进行混合发酵试验，具体如表1所示。

1.3.3 不同发酵原料的对比发酵试验 选择稻草、花生皮、玉米芯、棉秆作为发酵原料，以玉米秸秆作为对照，分别对它们进行粉碎处理，然后与含水量为85%的接种物以配比为5 g∶150 g的比例混合后加入容器中进行发酵试验。

1.4 测量参数

日产气量：通过每天测量集水瓶中自来水的量，来间接测量每个反应装置中气体产生的多少，这可用来反映每天产气量的变化。

累积产气量：从试验开始到试验结束日（一周期20 d）产气量的总和。

2  结果与分析

2.1 不同浓度接种物的发酵效果

不同含水量的接种物每日和累积产气量变化如图1所示。由图1可见，利用3种含水量的接种物进行发酵，3种含水量的接种物基本在最初的7 d产气量较高，此后产气量逐渐降低，其原因在于秸秆中的易降解有机物首先快速分解。

从累计产气量来看，3种含水量的接种物中，以85%含水量的接种物产气量为最高，其平均日产气量和20 d累积量分别为95.7 mL和1 914 mL，比90%含水量的接种物提高产气量159%，比80%含水量的接种物提高产气量322%。分析其原因在于含水量为80%的接种物由于过干，秸秆很难吸收接种物中的水分而只发生少量水溶，导致降解受抑制;含水量为90%的接种物，虽然水分含量多，秸秆吸收水分易发生水溶，但菌群的含量相对较少，因此秸秆降解缓慢。

2.2 不同物料配比的发酵效果

不同物料配比总产气量情况如表2所示，根据方差分析（表3）可知，各物料配比间产气量差异显著。进一步进行多重比较发现（表4），5∶100、5∶150和5∶200三种物料配比的产气量与物料配比为5∶50的产气量存在极显著差异，即物料配比为5∶50的产气量发酵效果最差，原因是接种物太少，无法完全降解秸秆产生的酸性物质。5∶100、5∶150和5∶200三种物料配比中，配比为5∶150和5∶200的产气量显著高于配比为5∶100的产气量，考虑节省成本、菌料少占空间，最终选择更为经济的物料配比5∶150，即秸秆与接种物的质量比为1∶30。

2.3 不同发酵原料的发酵效果

如图2所示，玉米秸秆、稻草、花生皮、玉米芯和棉秆每日产气量均基本呈现随时间变化逐渐降低的趋势。经发酵后的总产气量差异显著，以利用玉米秸秆进行发酵的总产气量为最大，其产气量为1 993 mL，稻草次之，其他依次为玉米芯、花生皮和棉秆。

3 结  论

（1）接种物的最适含水量为85%。操作时，接种物呈稀泥状，以不能流动为宜。

（2）秸秆与接种物的最适质量比例是1∶30。由于这种比例的甲烷菌的菌群数量多，能快速消化秸秆水溶后的酸性物质，所以产气率比传统发酵方式显著提高。

（3）在不同发酵原料对比中，以玉米秸秆产气量最大，稻草次之，其他依次为玉米芯、花生皮和棉秆。

（4）粉碎秸秆无需堆沤、无需调节碳氮比、无需使用碱水等处理，只需与接种物混匀即可进行快速发酵。

参考文献：

[1] 边炳鑫，赵由才.农业固体废物的处理与综合利用[M].北京：化学工业出版社，2005：6-7.

[2] Ralph P. Biomass，bio-energy and biotechnology：a futuristic perspective[M]. New York： Development Plenum Press：1985：1-16.

[3] 李世密，魏雅洁，张晓健，等.秸秆木质纤维素原料厌氧发酵产沼气研究[J].可再生能源，2008，26（1）：50-54.

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[7] 周孟津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术[M].北京：化学工业出版社，2009：134.

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