玉米秸秆粒度对沼气发酵浮渣结壳层特性的影响

熊 霞， 施国中， 梅自力， 孔垂雪

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

玉米秸秆粒度对沼气发酵浮渣结壳层特性的影响

熊 霞1，2， 施国中1，2， 梅自力1，2， 孔垂雪1，2

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

秸秆沼气工程因原料的难降解性和特殊的物理性质，导致工程在运行中易出现原料上浮结壳，分解率低，出料困难等问题。文章以3种粒度玉米秸秆为原料，进行批式试验，研究秸秆粒度与发酵浮渣形成的相关性。结果表明：粒度与产气潜力呈负相关，与发酵物总厚度、结壳层厚度、结壳层失水厚度呈正相关，与破壳强度也呈正相关。综上，小粒度玉米秸秆是最优的发酵原料。

玉米秸秆； 沼气发酵； 浮渣结壳

据2016年《中国统计年鉴》数据分析，玉米秸秆是我国产量最丰富的农业废弃物，近十年秸秆产量逐年增加，到2015年已经达到 26955.84万吨。大量秸秆需要及时有效的处理，否则会造成环境的严重污染[1]。秸秆含有大量的有机物，利用沼气发酵技术能使其得到有效的降解，同时获得生物质能。由于秸秆密度小流动性差，在沼气发酵装置中易出现上浮结壳现象，不仅严重影响了产气效率，还会导致出料困难等一系列问题，严重制约了秸秆沼气工程的持续发展[2]。目前，一些学者对结壳的成因及危害进行了较多的研究[3-9]，还有一部分学者研究出一些结壳的处置方法[10-12]，但目前尚鲜见对结壳特性方面的研究，这导致已出现的破壳技术依据不足且具有较强的主观意识，只是定性的对破壳做出一定研究。因此本文对不同粒度玉米秸秆沼气发酵结壳层的特性进行了相关的研究，以期为秸秆的能源化利用和大中型秸秆沼气工程的建设提供理论依据和数据支持

1 材料与方法

1.1 试验材料

发酵原料取自成都市双流县附近农田风干玉米秸秆，接种物取自成都市附近某运行中的秸秆沼气工程厌氧发酵活性污泥。原料及接种物特性见表1。

表1 原料及接种物特性

1.2 试验装置

沼气发酵装置为总容积54.4 L的自制式有机玻璃发酵罐，发酵装置总高59 cm，内径34 cm，试验时控制有效容积21.78 L，有效高度24 cm；采用加热器在自制式钢化玻璃水浴缸内进行水浴加热；采用温控探头进行恒温35℃±1℃控制；采用LML-1湿式气体流量计计量产气量；实验装置如图1所示。

1.水俗缸； 2.发酵罐； 3.出气管； 4.湿式气体流量计； 5.加热器； 6.循环泵; 7.温控探头; 8.控制箱图1 厌氧发酵实验装置图

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

试验采用中温35℃±1℃批式发酵工艺，分别设3个试验组和1个空白对照组。试验组以不同粒度(5 cm，2 cm和过筛10目)玉米秸秆配制成总固体TS浓度为6%，接种物体积为50%，总有效体积为21.78 L的混合发酵物，空白对照组为仅加接种物，补加清水至21.78 L刻度线的混合发酵物。搅拌均匀后，在相同的环境下，进行为期60 d厌氧发酵试验。

1.3.2 测试项目

产气量测定：采用LML-1湿式气体流量计计量，每天定时记录。

TS(总固体含量)测定：采用烘干恒重法测定，将样品在105℃±5℃下烘至恒重，计算样品除水分后干物质的质量分数[13]。

VS(挥发性固体含量)测定：采用重量法测定，将TS测定后恒重的总固体在600℃下烧至恒重，计算挥发性物质的质量分数[13]。

甲烷含量测定: 采用BIOGAS 5000型沼气分析仪隔天定时测定。

pH 值:采用pHS-3C型pH计测定。

发酵物总厚度、结壳层厚度与结壳层失水厚度测定：采用发酵罐表面的米尺每日定时测定。

破壳强度测定：首先负荷加载，再调节好质量容瓶，然后匀速缓慢使之与结壳层中心位置靠拢，接触后松放细绳，之后不断对质量容瓶增加荷载，直至浮渣层被破坏，记录破坏荷载值，测算出破壳强度[14]。

破坏强度计算，破坏强度按公式(1)计算：

δ=P/F

(1)

式中：δ为破坏强度，kPa；P为破坏荷载，N；F为横截面积，cm2。

F=πb2

(2)

式中：b为质量容瓶半径，cm。

电镜观测：采用JSM-7500F型扫描电镜观测。

2 结果与讨论

2.1 不同粒度玉米秸秆沼气发酵产气潜力分析

从表2中可以看出，3种粒度玉米秸秆的平均甲烷含量非常相近，都在58%～59%之间，而甲烷含量(体积分数>50%)可作为沼气发酵试验稳定运行的标志，表明3组试验发酵运行良好，且所产生沼气的燃烧品质都较优。

表2 3种粒度玉米秸秆产气潜力指标

通过玉米秸秆的TS含量和VS含量、发酵罐有效容积和总产气量可以计算出原料的TS和VS 产气率、原料产气率，结果见表2。从表中可知，过筛10目的TS和VS产气率、原料产气率均最大，分别比5 cm和2 cm高27.10%，3.84%。由此可知，相同条件下，玉米秸秆粒度越小，产气效果越好。

2.2 结壳层的动态物理形态分析

实验过程中测定的发酵物总厚度、结壳层厚度与结壳层失水厚度3个指标用来评价结壳层的动态物理形态。静态厌氧发酵条件下的发酵料液，缺乏搅拌时会自然沉淀分层，从上往下分别为浮渣层、上清液层、活性层和沉淀层[5]。发酵物总厚度是指从发酵罐体底部至罐体中发酵物最顶部的高度，包括浮渣层、上清液层、活性层和沉淀层；结壳层厚度就是发酵罐体中悬浮秸秆的厚度，即浮渣层；结壳层失水厚度是结壳层厚度中，位于水位线上的部分。详见图2。

整个实验过程中测得的发酵物总厚度、结壳层厚度与结壳层失水厚度3个指标的数据见表3。

表3 3种粒度玉米秸秆结壳层的动态物理形态指标

图2 发酵物总厚度、结壳层厚度与结壳层失水厚度示意图

2.2.1 实验过程中发酵物总厚度的变化过程

在设计试验阶段，5 cm，2 cm和过筛10目组设计发酵物总厚度都是控制在24 cm；试验启动时，5 cm，2 cm和过筛10目组发酵物总厚度涨至31 cm，29 cm和25 cm，这可能是玉米秸秆漂浮在发酵液上增加了发酵总高度的原因；在试验第4天，第2天和第2天，5 cm，2 cm和过筛10目组发酵物总厚度逐步增加到最大值，为34 cm，32 cm和30 cm，比设计时分别增加了约41.67%，33.33%和25.00%，这可能是由玉米秸秆进一步上浮和吸水膨胀造成的；之后至试验结束，5 cm和2 cm组几乎无变化，但过筛10目组出现了较大幅度的减小，到第52天达到最小值(26 cm)，之后无变化。综上所述，玉米秸秆在总固体TS浓度为6%，接种物体积为50%，发酵罐有效径高比约1时，最大发酵物总厚度是设计发酵物总厚度的1.25～1.42倍。在实际的秸秆沼气工程或实验室中的秸秆厌氧实验中，往往会出现因预留发酵罐的有效容积不足，造成储气室的减小，甚至撑破发酵罐的现象，因此在实际秸秆工程中，罐体设计需要在一定范围内考虑秸秆的上浮体积。

2.2.2 实验过程中结壳层厚度的变化过程

在试验启动时，对发酵物进行充分的搅拌，使其混合均匀。在第1～2天，上浮过程中的秸秆颗粒处于相互干扰状态并在发酵罐内形成明显的浮渣界面层整体上浮，属于拥挤上浮阶段：发酵第1天，5 cm和2 cm组很快出现明显的浮渣层，厚度分别为19 cm和15 cm，而过筛10目组依然混合均匀，没有浮渣层，这可能是因为发酵物粒度较大者，所受浮力大于自身重力先上浮的原因；发酵第2天，5 cm组和2 cm组浮渣层厚度出现了一定的涨幅，厚度分别为20 cm和16 cm，而过筛10目组才出现明显浮渣层，厚度为19 cm，这可能是干玉米秸秆内部绒絮状物体吸水膨胀的原因。发酵第3天至结壳层稳定阶段，此时浮渣层整体不再上浮，而因沼气逸出产生的上浮力挤压出秸秆颗粒间的孔隙水而从下往上压缩浮渣层，属于压缩上浮阶段：5 cm组，2 cm组和过筛10目组浮渣结壳层厚度不断减小，分别在第14天，22天，53天达到最小值为19 cm，15 cm和10 cm，这可能是秸秆吸水膨胀达到最大值后在自身和反应所产沼气双重浮力作用下，被向上挤压所致。最后到发酵60 d，不再发生变化，这可能是结壳层在自身重力和浮力、发酵物与罐体内壁的摩擦力和沼气浮力四方作用力下达到一个平衡的状态。从上可以看出，5 cm组和2 cm组的浮渣层变化幅度很小，最大变化仅为7%，而过筛10 m组浮渣层变化幅度则较大，最大为47%，而且，说明玉米秸秆2 cm以上发酵者，浮渣层稳定时间快且变化小，而玉米秸秆过筛10目者，浮渣层稳定时间长且变化大；但是5 cm组和2 cm组的平均浮渣层厚度却是过筛10目的1.49倍和1.18倍，表明粒度越小，结壳层厚度越小，所占发酵罐的空间越小，利于发酵罐的有效使用。

2.2.3 实验过程中结壳层失水厚度的变化过程

实验过程中，5 cm组，2 cm组和过筛10目组结壳层分别在第1天，第3天，第3天开始失水，失水厚度分别为5cm，3 cm和2 cm；随后，分别在第 6 天，第 12 天和第 6 天失水厚度达到最大值，为 10cm，8 cm 和 2.5 cm；之后至发酵结束结壳层失水层厚度几乎无变化，但处理 3 在第 53 天出现了失水层厚度的减小变为 1.5cm，之后无变化。如表3，5 cm组，2 cm组和过筛10目组平均结壳层失水厚度是平均结壳层厚度的51.24%，50.55%和17.51%，5 cm组和2 cm组比值相近，但是分别是过筛10组的2.93倍和2.89倍，表明粒度越小，结壳层失水厚度越小。由表2和3可知，5 cm组，2 cm组和过筛10目组的累计产气量为过筛10目组>2 cm组>5 cm组，而平均结壳层失水厚度却是过筛10目组<2 cm组<5 cm组。对比发现两者存在反比关系，累计产气量随着平均结壳层失水厚度的减小而增加。这可能是因为结壳层失水厚度越大，原料与微生物的接触越差，产气效率就会越低。由上可知，结壳层失水厚度可以从另一个方面反映秸秆的产气情况。

2.3 结壳层静态的物理形态分析

玉米秸秆发酵结束后，因玉米秸秆原料的难降解性，绝大部分并未被消化掉，为了方便观察，我们随机选取结壳层最上部、水位线处和最下部的残渣进行电镜扫描，结果如图3～图6所示。

图3 发酵前玉米秸SEM图扫描电镜对比图(×25倍)

图4 5 cm组玉米秸秆结壳层最上层、水位线处和最下部SEM扫描电镜对比图(×25倍)

图5 2 cm组玉米秸秆结壳层最上层、水位线处和最下部SEM扫描电镜对比图(×25倍)

图6 过筛10目组玉米秸秆结壳层最上层、水位线处和最下部SEM扫描电镜对比图(×25倍)

玉米秸秆由下列组织所组成：表皮组织、维管束和基本薄壁组织。由图3～图6可直观的观察到玉米秸秆发酵后残渣在结壳层不同厚度处的表面形态。5 cm组，2 cm组和过筛10目组分别进行纵向对比，分解程度都为最上部<水位线处<最下部，5 cm组和2 cm组都是表层分解后，沿叶脉纵向断裂，然后进一步分解，过筛10目组是发酵颗粒被分解的越来越小。5 cm组，2 cm组和过筛10目组进行横向对比，可知分解程度是5 cm<2 cm<过筛10目。图3为发酵前玉米秸秆叶片的SEM图，可见其上表皮组织平整光滑；对比发酵后的5 cm组，2 cm组和过筛10目组结壳层最上部与图3，发现5 cm组和2 cm组几乎没变化，而过筛10目组因粉碎粒度较小，在破碎处更易于分解，出现基本薄壁组织表皮明显被分解现象，形成了较多孔洞；对比5 cm组，2 cm组和过筛10目组水位线处SEM图，可知5 cm组和2 cm组都是沿维管束处出现多处断裂，基本薄壁组织表皮也被分解，出现孔洞现象，过筛10目组发酵颗粒进一步断裂，基本薄壁组织进一步分解；对比5 cm组，2 cm组和过筛10目组最下部SEM图，可知5 cm组 出现纵向断裂，类似根毛结构基本被分解完毕，且部分表皮组织被分解，2 cm组只是分解程度比5 cm进一步，过筛10目组粒度进一步分解减小，只剩下一些较难分解的叶脉和表皮组织。综上所述，粒度越小，结壳层越靠近下部，碎裂化程度越严重，分解越充分，这个结果也和水稻的发酵结果一致[2]。而且也从另一个方面，验证了结壳层失水厚度可以反映秸秆产气情况的说法。

2.4 结壳层破壳能耗分析

从表4中可知，3种粒度玉米秸秆，粒度越小，破壳强度越小，5 cm组的破壳强度是2 cm组和过筛10目组的1.76和2.35倍；对比李幸芳的玉米秸秆试验，发现相近的结壳层厚度，反应器容积越大，破壳强度反而越小，这可能是因为反应器容积大，破壳时受到罐壁的附着力影响更小的原因；比较3种粒度玉米秸秆与水稻秸秆，发现同样重量的原料，两种原料的结壳层厚度比较相近，然而5 cm，2 cm和过筛10目水稻秸的破壳强度，分别是玉米秸的1.65，1.94和1.53倍之多。综上，从破壳能耗方面得出，大容器反应容器更适合秸秆原料发酵，小粒度玉米秸秆是更优的发酵原料。

表4 不同粒度玉米秸秆和水稻秸秆破壳强度对比

3 结论

(1)玉米秸秆厌氧发酵时，粒度与产气潜力呈负相关，但对甲烷含量几乎没有影响，过筛10目玉米秸秆TS产气率最大，为529.10 mL·g-1TS，分别比5 cm和2 cm高27.10%和3.84%。

(2)玉米秸秆粒度与发酵物总厚度、结壳层厚度、结壳层失水厚度呈正相关，发酵物总厚度反映了工程需考虑罐体的有效容积，罐体越小，经济成本越小；结壳层厚度反映了发酵罐的有效利用率，结壳层厚度越小，所占发酵罐的空间越小，利于发酵罐的有效利用；结壳层失水厚度能侧面反映产气率，失水厚度越小，产气越好。综上，3种粒度中，过筛10目为最好的发酵粒度。

(3)根据扫描电镜(SEM)图像可以直观的发现：3种粒度结壳层最上部、水位线处和最下部秸秆分解情况都是最上部<水位线处<最下部，且粒度越小，分解越充分。

(4)粒度与破壳强度成正相关，过筛10目破壳强度最小，为0.81 kPa，是5 cm和2 cm的42.63%和75%，对比李幸芳玉米试验[14]和水稻试验[2]可得，大容器反应罐更适合秸秆原料发酵，小粒度玉米秸秆是更优的发酵原料。

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InfluenceofDifferentCornstalkParticle-sizeonScumCrustinginAnaerobicFermentation

XIONGXia1,2,SHIGuo-zhong1,2，MEIZi-li1,2，KONGChui-xue1,2

(1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China; 2.MoAKeyLaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy，Chengdu610041，China)

In the anaerobic digestion of cornstalk, difficult to degrade and special physical properties of the material result in the raw material floating, low decomposition, difficult discharging. In this study, the influence of different particle sizes of corn straw on the crusting characteristics was investigated by batch experiments. Results showed that the particle size had a negative correlation with the gas production potential; and a positive correlation with the total thickness of the fermentation material, the thickness of scum crusting and the thickness of water lost scum; and a positive correlation with the breaking strength. In summary, small-sized corn straw was the optimal choice for anaerobic fermentation.

cornstalk; anaerobic digestion; scum

2017-10-26

项目来源： 国家国际科技合作项目(2011DFA62850)

熊 霞(1985-)，女，四川眉山人，硕士，主要从事农村能源的研究工作，E-mail:448396251@qq.com

施国中，E-mail:brtc666@163.com

S216.4

A

1000-1166(2017)06-0056-06