发酵温度对黄贮秸秆干发酵产气效果的影响

赵 娴，苏小红，王玉鹏，刘 伟

(黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150027)

秸秆沼气是以秸秆为原料，通过厌氧微生物代谢作用将有机废弃物产生转化为可燃气体CH4和CO2等的过程，因此秸秆的沼气利用在国内外得到较大的发展，也是目前秸秆资源化利用的主要方式之一[1-4]。厌氧发酵产沼气过程根据发酵底物的浓度可以分为湿法发酵和干发酵，尤其是干法发酵是一种比较特殊和新兴的厌氧发酵应用技术[5-6]。干法发酵技术显著的优势在于反应装置占地面积小，消化过程消耗少量的水，有机负荷高且产气量大，整个系统增温过程所需能耗低，工程成本造价低[7]。此外，由于消化过程含水量低，排放的沼液、沼渣极易处理，可直接作为生物有机肥或者经压缩制生物质燃料使用[8]。

在干发酵中，温度在整个发酵过程中发挥着非常重要的作用。温度直接决定着微生物的生长繁殖，影响干发酵产沼气的效果和干发酵的速率。厌氧发酵中的微生物对温度变化非常敏感，温度的突然变化对沼气产量会有明显影响，维持一个稳定的温度十分重要。

选择干法厌氧发酵方式并分别采用中温和高温进行厌氧发酵，优化发酵温度工艺参数的同时，为我国寒区沼气工程的建设及稳定运行提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

所用玉米秸秆采自黑龙江省能源环境研究院院内秋季收获后的秸秆，粉碎成1～3 cm小段，在55℃烘箱中烘5～6 h后取出备用，其总固体(TS)= 89.9%，挥发性固体(VS)=79.3%。采用黄贮预处理方法对秸秆进行预处理，即黄贮含水率控制在70%左右，黄贮90 d，备用。选择黑龙江省能源环境研究院中试平台厌氧发酵罐中发酵后的沼液作为微生物接种剂。

1.2 试验仪器与设备

药典标准筛，精密pH计(PHS-3C)，DHZ-DA型电热鼓风干燥机，马弗炉(天津中环试验电炉制造有限公司生产)，FA I 004精密电子天平(上海精科天平厂生产)。

1.3 试验方法

试验设计：预处理后的玉米秸秆通过两相厌氧发酵装置进行厌氧发酵产甲烷试验。温度为55℃，发酵pH为7.3，发酵浓度为15%。调节运行参数发酵温度，梯度设计为中温35℃，高温55℃，分别标记为35T、55T。同时，以传统批试秸秆干发酵作为对照试验组，标记为CK，其发酵温度为55℃，发酵浓度为15%，发酵pH为7.3。研究两相发酵装置运行过程中不同酸碱度下的产气效果，并对比分析两相发酵装置与传统批试秸秆干发酵产气特性。

试验装置及调试启动方法设计：传统批示干发酵装置采用排水集气法，具体装置连接如图1所示。

图1 传统批示干发酵装置Fig.1 Traditional dry fermentation unit 注：1.橡胶塞，2.排气口，3.气体收集管，4.排液管，5.厌氧发酵罐，6.排水集气瓶，7.液体收集器

采用两相厌氧发酵装置作为厌氧发酵反应器，产酸相与产甲烷相装置相同，容积为20 L，具体装置连接如图2所示。

图2 两相厌氧发酵实验装置Fig.2 Experimental unit of two-phase anaerobic fermentation

产酸相实现条件：加入1/3接种物启动酸化罐，稳定运行数日后加入发酵原料黄贮秸秆进行酸化调试，Eh要达到+50 mv以下，pH在5.0左右。降低pH，微生物以厌氧、兼氧菌产酸菌、水解菌为主，并采用常温兼性厌氧发酵工艺，连续发酵数日，不产气终止，即为酸化成功。

产甲烷相：加入1/3接种物启动甲烷罐，采用高温(55℃)厌氧发酵工艺，pH控制在7.0左右。在严格厌氧条件下，产甲烷菌群大量富集，接种物的挥发性固体消耗殆尽后，即为启动成功。待甲烷相启动成功后，加入酸化罐酸化好的原料，进行秸秆干法厌氧发酵产甲烷试验。

2 结果与分析

研究中温35℃、高温55℃两种常见的发酵温度对秸秆干发酵产沼气效果的影响。每日记录沼气产量和甲烷产量，发酵时间为28 d，结果如图3所示。

图3 不同发酵温度下日产沼气量Fig.3 Daily production of methane under different fermentation temperatures

由图3可知，温度对黄贮秸秆干发酵产沼气有显著的影响。在选取35℃、55℃两种常用的发酵温度及传统批试秸秆干发酵日产沼气量的对比试验中，三组试验组均出现了两个产气高峰，这与牛粪等厌氧发酵产沼气不同，本试验结果与杨倩等人的研究相同。

55T试验组和CK试验组即55℃高温两相厌氧发酵装置发酵系统较传统批试秸秆干发酵系统率先进入产气期，发酵第3 d就能进入第一个产气高峰，而35T试验组即35℃中温两相厌氧发酵装置发酵系统在第4 d进入产气高峰。进入高峰期相对高温发酵晚一些，可见中温发酵较高温发酵启动慢。三组试验组的第二个产气高峰分别出现在发酵第8 d和第9 d，出现峰值的时间也不相同。55℃试验组最大日产量达226 mL/g TS，35T试验组最大日产量达188.5 mL/g TS，产气效果较好，CK试验组最大日产量达168 mL/g TS。

在达到产气峰值后，三个试验组的沼气产量均呈下降趋势，其中55T试验组和CK试验组及传统批试秸秆干发酵系统在发酵进行到第20 d左右时产气基本结束，较35T试验组发酵时间缩短8 d左右，这是由于发酵前期高温试验组迅速启动，消耗底物营养较快，导致后期发酵原料尽早消耗殆尽，这也是高温发酵可以缩短发酵时间的原因，而两相厌氧发酵装置在此基础上还能在酸化装置内对发酵原料充分酸化后进入产甲烷系统，可增加发酵底物的可生化性，因而较传统批试秸秆干发酵系统产气效果好。

图4 不同发酵温度下甲烷累积产气量Fig.4 Cumulative methane gas production under different fermentation temperatures

从图4中可以看出，发酵温度不同，黄贮秸秆干发酵甲烷累积产气量相差较大，其中55T试验组甲烷累积产气量最大，可达130.7 L左右，CK试验组的甲烷累积产气量为86.26 L，提高了51%左右。35T试验组甲烷累积产气量为84.3 L，同一个装置的高温发酵甲烷累积产气量较其高出55.1%，可以看出，发酵温度为秸秆干发酵产气效果影响显著。

3 结语

通过研究不同发酵温度工艺参数对秸秆干发酵产气效果的影响，发现发酵温度对秸秆干发酵产气影响较大。相对于中温发酵系统，55℃高温厌氧发酵产气效果较好，发酵启动快，且缩短了发酵时间，高温发酵时间约为20 d以内。相对于传统批试秸秆干发酵系统，秸秆高温两相厌氧发酵产气效果提高了51%左右，可为寒区秸秆沼气工程温度工艺参数的优化提供一定的理论参考。