秸秆厌氧发酵特性研究

赵国明　常帅　邢向欣　裴海林　孙京

摘 要：我国秸秆资源十分丰富，但利用率不高，给自然环境和公共安全造成一定危害。秸秆厌氧发酵技术可将秸秆转化成清洁能源——沼气，并得到优质秸秆沼渣，能改善农村环境及能源消费结构，秸秆沼渣还田利用或开发成高附加值的有机肥和蔬菜栽培基质，可促进农业高质量发展。为优化秸秆厌氧发酵工艺，针对秸秆的质轻易上浮结壳、木质纤维素含量高不易厌氧消化等特性，结合工程实际中存在的一些问题，对秸秆的发酵浓度、预处理方式及其对厌氧产气的影响进行研究。结果发现，秸秆发酵浓度控制在6%～8%，温度控制在35℃，厌氧发酵之前进行兼氧水解预处理，且水解剂利用出料回流的沼液，大大提高了沼气的产量，优化了秸秆厌氧发酵工艺，对指导工程实践具有重大意义。

关键词：秸秆;浓度;兼氧水解;厌氧发酵;沼气

中图分类号：S-3

文献标识码：A

我国农作物秸秆资源丰富，产量高，但处理和利用的现状不好。秸秆的乱堆乱放十分普遍，既造成一定的环境污染，也对安全造成一定的隐患[1]。因此，解决秸秆的终端利用问题，是政府、企业、农民必须面对的一项严峻挑战。秸秆沼气技术是以秸秆为原料，通过厌氧发酵处理得到沼气能源和秸秆沼渣，秸秆沼气是清洁的优质能源[2]，既可用作生活燃料，也可提纯为高值的生物天然气;秸秆沼渣可还田利用修复土壤生态，也可用来开发高附加值的有机肥和蔬菜栽培基质，能大大提高农产品的品质和经济价值，促进农业高质量发展。秸秆沼气技术目前存在原料质轻易上浮结壳、木质纤维素含量高难厌氧消化等问题尚未很好解决，导致秸秆的处理效率和沼气产量都很低[3]。因此，本文对秸秆厌氧发酵特性关键问题进行研究，探索一种高效合理的秸秆厌氧发酵工艺，以提高秸秆厌氧发酵的效率和经济性。

1 相同池容条件下不同进料浓度对装料质量的影响

1.1 实验目的

依據畜禽粪污的规律，本研究认为一定体积情况下，畜禽粪便的浓度越高，一定有效容积内容纳干物质的质量越大。而秸秆随着进料浓度的增大，物料的状态会由溶液状态转变成固体状态，物料体积的影响因素会发生变化，秸秆料液浓度对一定有效容积内容纳物料质量的影响规律较粪便有所不同，通过对反应器有效容积内容纳不同浓度秸秆物料干物质质量的研究，确定适宜的秸秆进料浓度，以达到反应器较高的利用率。

1.2 实验方法与步骤

测定秸秆干物质含量，利用电子天平、热风干燥箱等测得秸秆TS值为90%。

调配6种不同浓度的秸秆料液，分别称取40g秸秆加入到6个1000mL锥形瓶中，根据浓度公式：C=m×TS/m+v，计算出调配浓度为4%、6%、8%、10%、15%、20%的料液时需添加水的体积，用量筒量取对应体积的纯净水分别加入到6个锥形瓶中，按浓度由小到大对应标记为1～6号，用玻璃棒充分搅拌均匀至不分层的状态，测量1～6号瓶内料液的体积（V1～V6）。

根据测得料液的体积（V1～V6）以及对应装入秸秆的质量40g，换算成有效容积800mL反应器装入秸秆的质量M1=35.56g，M2=53.33g，M3=64g，M4=53.33g，M5=53.33g，M6=45.71g。将换算得到的装料质量与对应浓度变化形成如下曲线（如图1）。

1.3 结果与分析

从得到的曲线（图1）可以看出，当秸秆料液浓度小于8%时，玉米秸秆装料质量随着干物质浓度的增大而增大;而当浓度大于8%时，玉米秸秆装料质量随着干物质浓度的增大反而减小。这是因为浓度小于8%时，物料主要以溶液状态存在，料液的体积主要取决于加入水的体积，浓度越大加入水的体积越小，料液的体积也越小，有效容积内装入秸秆的质量越大;浓度大于8%时，秸秆颗粒不能充分吸收水分，物料主要以固体形态存在，只是在烧杯底部有少量液体，装料体积主要取决于秸秆颗粒的堆积密度，浓度越大，秸秆吸水软化效果越差，秸秆颗粒的间隙越大，堆积密度越小，有效容积内装入秸秆的质量越小。浓度小于8%时利用玻璃棒搅拌料液较为容易，而浓度大于8%以后利用玻璃棒搅拌料液变得较为困难。因此，在实际工程中综合考虑搅拌、进料量等因素，选取进料浓度为6%～8%比较适宜。

2 水解剂对兼氧水解的影响

2.1 实验目的

兼氧水解是指秸秆物料在兼氧条件下，为多样化的微生物菌群创造一个兼氧的生存环境，支持大量的兼氧微生物快速地分泌出大量的纤维素和半纤维素水解酶，可以将秸秆中大分子的纤维素半纤维素分解成为小分子的单糖，为下一步厌氧产气创造良好条件。选择不同的水解剂进行水解，水解效果不同，并且关系到节约资源以及沼液消纳等重要问题。因此，研究明确以水还是出料回流的沼液为水解剂，对工程应用具有重要的意义。

2.2 实验方法与步骤

设定发酵温度、兼氧状态、浓度、时间等水解条件不变，研究以沼液和水为水解剂，秸秆的纤维素和半纤维素含量随水解时间的变化规律。为获得较高的能效比以及水解过程要为后续中温厌氧发酵预热增温，水解温度选择中温35℃;兼氧状态选择同在厌氧条件下;进料浓度考虑装料质量和搅拌要求，设定为6%;因为随水解时间的延长会需要增大水解池体积，从而增加建造成本，还会对碳素营养造成一定损失影响后续产气，所以设定水解时间为48h。

测定秸秆TS为90%，分别称取60g秸秆加入到2个1000mL的锥形瓶中，按6%浓度计算加入水解剂的体积，分别量取纯净水和沼液调配好料液，标记为“水水解”和“沼液水解”。封好锥形瓶瓶塞，连接好导气管，放入到秸秆水解装置（如图2）的恒温水浴锅中，水浴锅温度设定为35℃，开始计时。

取10g未水解的秸秆，在105℃的热风条件下烘至恒重，装袋密封保存，标记为初始参照样;计时开始后，每隔8h，从2个锥形瓶中均匀取料10g，热风烘至恒重后装袋密封保存，并对应标记好水解剂和水解时间，按同样方法直至完成48h的水解取样和封存。