高浓度玉米秸秆厌氧发酵产沼气研究

王禹霄飞 孙云博 曲 威

中国农业大学烟台研究院 烟台 264670

我国是一个农业大国，每年产生大量的农业废弃物，其中农作物秸秆总量约8亿～9亿t。农作物秸秆的处理主要以转化为养殖饲料和堆肥还田为主，除此之外还有一大部分未充分利用。大量未处理的农作物秸秆被随地堆弃和任意焚烧，造成严重的空气污染和土壤污染，在秋冬季节还会引起火灾事故等生态和社会问题[1]。以农作物秸秆为主要物料进行厌氧消化产生再生能源沼气，不仅可以利用湿法（总固体浓度大约在10%以下）进行厌氧发酵，也可以采用干法（总固体浓度为15%～35%）进行厌氧发酵[2]。干法厌氧发酵启动性能尽管比不上湿法厌氧发酵，但是它的单位容积产气率较高，发酵过程中需水量小或不需要水，发酵结束后无大量沼液外排，发酵后的处理费用较低。本文以玉米秸秆为发酵原料，研究同玉米秸秆干物质浓度条件下的厌氧发酵产沼气效果，同时考察发酵过程中有机负荷率与池容产气率，期望寻求合适的玉米秸秆干发酵的物料浓度，为实际沼气工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米秸秆取自中国农业大学烟台研究院内种植实验基地。玉米秸秆在地里自然风干，整体呈暗黄色。实验前，将玉米秸秆剪成小段后放入粉碎机打成3～5 mm的颗粒，装于透明密封袋中待用。

猪粪水取自烟台市牟平区养猪场，取回后置于4 ℃冷藏室中保存。

接种物取自实验室内正常运行的沼气发酵罐的新鲜出料，该沼气发酵罐运行温度为37 ℃。

1.2 试验装置

厌氧发酵装置采用自制沼气发酵系统，玻璃厌氧发酵瓶有效容积为400 ml，用橡胶塞密封，橡胶塞上留有出气口，出气口由塑料管连接集气袋，用于收集沼气。发酵瓶置于水浴锅（HH-60），发酵过程中保持37℃±1℃恒温。

1.3 试验设计

采用批次实验分析高浓度玉米秸秆对产甲烷的影响，试验分为4组，原料玉米秸秆TS浓度分别为10%、15%和20%，以及对照组。原料和接种物加入到厌氧发酵瓶，充入氮气2 min后，使发酵瓶内部形成厌氧环境。试验进行了50d，每天测定产气量，每3d测定甲烷含量。表1中给出的产气数据均为去除对照后的结果。

表1 批次试验设计

1.4 分析方法

干物质含量（TS）的测定方法：105℃下烘干24 h，并利用差重法测定。挥发性固体含量（VS）的测定方法：550℃ 下灼烧4 h，并利用差重法测定。甲烷含量采用便携式气体分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 不同干物质浓度玉米秸秆发酵日产沼气量变化

以玉米秸秆为原料的厌氧发酵产气第1 d，各处理组所产气体不可燃，为废气。由图1可知，在厌氧发酵的前10 d阶段，各处理组日产气量随发酵时间的延长，逐渐增大。TS 10%、15%和20%的处理组分别在发酵的第20 d、第21 d和第21 d达到最大日产沼气量，分别为436 ml、523 ml和546 ml，随后各处理组产气量迅速下降。

图1 日产沼气量

2.2 不同干物质浓度玉米秸秆发酵累积产沼气量

在底物浓度适宜的条件下，微生物在厌氧条件下进行沼气发酵，发酵反应速度会随底物浓度的升高而增大，产生的沼气量也有一定程度的增加。由图2可知，当厌氧发酵瓶内发酵原料玉米秸秆的干物质浓度由10%增加到15%时，沼气的产量提高18.43%，而玉米秸秆的单位干物质产气量却由302.7 ml/g降到 239 ml/g，降低63.7 ml/g ；由15%变化到20%时，沼气产量提高18.18%，单位产气量由239 ml/g降到211.85 ml/g ，降低了27.15 ml/g。研究结果表明，在本沼气发酵周期内，虽然沼气的产量随发酵原料固体浓度的升高而提高，但是单位干物后的产气量却有所降低，这说明利用较高浓度干物质原料进行干式发酵时，应当选择较长的厌氧发酵时间，以利于发酵物料能够被充分利用，降解转化为沼气。

图2 累积沼气量

2.3 不同干物质浓度玉米秸秆发酵产沼气中甲烷含量的变化

在利用玉米秸秆进行厌氧发酵过程中，发酵原料的干物质浓度越高，其中含有的碳素含量越高，这将为微生物生长提供充足的原料，发酵所产生的甲烷产量也有一定程度的增加。由图3可知，在厌氧发酵初期，随着玉米秸秆被微生物水解，产甲烷微生物开始利用水解产物进行甲烷发酵，沼气中的甲烷含量随发酵时间的延长，浓度逐渐增大。不同玉米秸秆浓度的发酵组在发酵进行到13d左右时，沼气中甲烷含量相对稳定，维持在50%左右。

图 3 沼气中甲烷含量

2.4 有机负荷率和池容产气率的影响

沼气厌氧发酵过程中的有机负荷率［单位为kg /（m3·d）］是指单位反应器容积中单位时间内科处理的干物质的质量。在厌氧发酵时间和发酵原料添加数量相同的条件下，对高有机负荷率的发酵反应器需求越小，因此，在实际沼气工程建设过程中可以减少沼气工程投资建设费用。同时发酵有机负荷率还与发酵时间有关。在本研究中，整个厌氧发酵的50 d内，在发酵固体物料分别为10%、15%和20%三个浓度条件下，有机负荷率分别为2 kg /（m3·d）、3 kg /（m3·d）和4 kg/（m3·d）。研究结果表明，当厌氧发酵原料的干物质浓度较高时，单位容积厌氧发酵反应器中可以处理更多的发酵原料，因此干式发酵的有机负荷率要远高于湿式发酵。

对于沼气的厌氧发酵的效率评价，除了有机负荷率外池容产气率也是一个重要的评定指标。池容产气率是发酵装置容积利用效率的重要指标。一般户用沼气池的池容产气率约为0.132 m3/（m3·d）。在本研究中，发酵干物质浓度分别为10%、15%和20%条件下，在整个厌氧发酵的50 d内，池容产气率分别为0.484 m3/（m3·d）、0.574 m3/（m3·d）和0.678 m3/（m3·d），远高于户用沼气池，因此玉米秸秆适于高浓度的厌氧发酵。

3 结论

本研究以玉米秸秆为主要发酵原时进行为期50 d的厌氧发酵产沼气，当发酵干物质浓度为10%、15%和20%时的单位干物质产气量分别为302ml/g、239ml/g和211ml/g。而干物质浓度在15%和20%之间总产气量和有效容积利用率较高。厌氧发酵过程中玉米秸秆与畜禽粪水按质量比1:2混合后，进行高物料浓度的厌氧发酵，在处理大量农作物秸秆的同时，降低了区域内的畜禽养殖废水的排放，减少了环境污染。秸秆高浓度发酵产沼气技术作为秸秆资源化利用的一种新技术，具有潜在的研究空间，通过建立完善的秸秆高浓度厌氧发酵研发体系，快速发展沼气产业，将会是未来能源农业的重要发展方向之一。