玉米秸秆干发酵产沼气的影响因子优化

李金怀， 蒲小东， 魏世清， 叶勇卫， 黄凌志， 李 勇

(1. 广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002； 2.农业农村部沼气科学研究所，四川 成都 610041)

0 引言

【研究意义】中国农作物秸秆等生物质资源丰富，主要的农作物秸秆有近20种，每年秸秆产量约7亿t[1-3]，其中玉米秸秆的产量最大[4]。玉米秸秆资源化利用显得十分重要，将秸秆转化为高产热值的沼气具有巨大的开发潜力和利用价值[5]。开展相关研究对资源化利用玉米秸秆具有重要意义。【前人研究进展】秸秆干发酵厌氧消化是有效实用技术之一，干发酵是指发酵原料的总固体浓度为20%以上[6-7]。农作物秸秆的干发酵是一个错综复杂的微生物代谢过程，目前秸秆粉碎干发酵对比试验相对较少，盛东峰等[8-9]研究玉米秸秆粉碎粒度为0.5～10.0 cm的产气潜力显示，玉米秸秆的粉碎程度影响秸秆的发酵效果和最终产气量；武少菁[10]开展了玉米秸秆干发酵接种量、料液浓度、促进剂添加量工艺条件研究，魏世清等[11-12]研究了添加微生物菌剂、沼渣堆沤对玉米秸秆干发酵产沼气的影响，但关于接种物比例、碳氮比及酸碱度对厌氧消化产气率影响的研究较少。【研究切入点】已有研究中同时研究玉米秸秆干发酵因子的报道较少。该研究基于接种物比例、料液pH和碳氮比3个发酵影响因素筛选基础上研究玉米秸秆不同形状(短秆状、细丝状、粉末状)处理干发酵的产气特性。【拟解决的关键问题】选择玉米秸秆为发酵原料，采用正交试验研究接种物比例、碳氮比及料液pH等3个因子对玉米秸秆干发酵产沼气的影响；在此基础上设置玉米秸秆短秆状、细丝状、粉末状3种处理，研究不同形状玉米秸秆对干发酵产气量及甲烷含量的影响，探寻玉米秸秆干发酵产沼气的最优工艺参数组合，为农作物秸秆沼气干发酵工程实施提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 玉米秸秆 采自广西林业科学院附近农村，均匀切成2～3 cm的短秆备用，使用粉碎设备将玉米秸秆粉碎，玉米秸秆用3 mm目筛过筛，细丝状、粉末状分别放置备用。

1.1.2 沼渣 取自广西林科院附近沼气工程，玉米秸秆、沼渣理化性质见表1。

表1 试验材料的理化性质

1.1.3 试验装置 由厌氧发酵反应瓶、简易储气装置和简易储水装置组成(图1)。

注：A，5 L广口瓶，自制为厌氧发酵反应瓶；B，5 L广口瓶，内装饱和食盐水，为简易储气装置；C，2 L量筒，储存B排出水的体积，该体积记为每天产气量。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验以日产气量、甲烷含量为检测指标，每日17：00记录各指标，室温下进行为期30 d的干发酵试验。试验期间环境温度为24.0～31.5℃，平均温度为28.0℃。

1) 不同影响因子对玉米秸秆干发酵产沼气的影响。试验采用L9(34)正交试验设计(表2)，选取接种物比例、碳氮比和料液pH 3个发酵影响因子，以正常产气沼气池的沼渣作为接种物，筛选玉米秸秆干发酵产沼气的最佳影响因子组合。其中，接种物比例为质量比(即沼渣在玉米秸秆和沼渣总质量中所占比例)，添加微生物菌剂，料液pH调节采用盐酸和氢氧化钠稀释液调节。

表2 玉米秸秆干发酵产沼气L9(34)正交试验的因素与水平

2) 不同形状粉碎玉米秸秆对玉米秸秆干发酵产沼气量及甲烷含量的影响。在上述试验基础上，试验根据玉米秸秆形状设置3个处理，即玉米秸秆短秆状、细丝状和粉末状各1个处理。试验材料添加微生物菌剂，接种物为正常产气沼气池的沼渣，比例为质量比，同时加入一定量的尿素调节原料碳氮比为25∶1；试验材料堆沤6 d，厌氧发酵浓度为20%。

1.2.2 测定指标 在发酵进行30 d时对各处理的产气量进行统计。总固体、挥发性固体及灰分含量，采用质量法测定；总碳含量采用K2Cr2O7外热源法测定；总氮含量，采用凯氏定氮法测定；pH，精密pH试纸测定；产气量，排水法收集沼气，每天读取量气瓶中水的体积；CH4含量，采用GAS-BOARD-3200P 沼气分析仪测定。

1.3 数据统计与分析

利用Spss 21.0和Excel 2010对试验数据进行统计分析与制图。

2 结果与分析

2.1 不同因子组合玉米秸秆干发酵的产气量

2.1.1 影响因子的最佳组合 从表3看出，各处理玉米秸秆干发酵的日均产沼气量为496～900 mL，表现为T4>T5>T6>T8>T2>T9>T7>T1>T3，其中，T4(A2B1C2)，即接种物比例为30%、碳氮比20∶1、料液pH 7.0时日均产气量最高；T5(A2B2C3)，即接种物比例为30%、碳氮比25∶1、料液pH 7.5时日均产气量其次，为887 mL。从表3和表4可知，各因素对玉米秸秆干发酵产沼气日均产气量的影响为A(接种物比例)>B(碳氮比)>C(料液pH)；接种物比例对日均产气量有显著影响(F接种物比例=37.085，F0.05=19.00，F接种物比例>F0.05)，碳氮比和料液pH对日均产气量的影响不显著(F碳氮比=10.657，F料液pH=5.523，均

表3 玉米秸秆干发酵产沼气L9(34)正交试验的日均产气量

表4 玉米秸秆干发酵产沼气影响因子L9(34)正交试验的极差分析结果

2.1.2 各影响因子处理玉米秸秆干发酵的产沼气量 从图2看出，各影响因子对玉米秸秆干发酵产沼气的影响存在差异，接种物比例对日均产气量的影响最大，碳氮比其次，料液pH次之。

图2 各因素不同水平处理的沼气日均产气量

1) 接种物比例。随着接种物比例增加，日均产气量呈先升后降趋势，即在接种物比例为30%时达最高，接种物比例继续增加则日均产气量反而下降。

2) 碳氮比。碳氮比对日均产气量影响不显著，说明，碳氮比为(20～30)∶1均可启动厌氧发酵，不会抑制干发酵反应进行，其中，碳氮比为25∶1时，日均产气量最高，为900 mL；碳氮比上升至30∶1时，日均产气量出现下降。

3) 料液pH。当料液pH由6.5升至7.0时，日均产气量提高100.1%；料液pH为7.0时达日均产气量最高；料液pH由7.0升至7.5，日均产气量下降111.8%。可见，发酵料液pH 7.0最适宜微生物复合菌群生长。

2.2 不同影响因子组合的产气特性

从表5看出，T4是秸秆干发酵条件最好的处理组合，即接种物比例30%、碳氮比为20∶1、料液pH为7.0。其中，总产气量、日均产气量、TS产气率和VS产气率均较其余处理高，分别高3 800～11 710 mL、13～431 mL、0.77～23.72 mL/g和0.84～25.81 mL/g，均呈T4>T5>T6>T8>T2>T9>T7>T1>T3；池容产气率也较其余处理高0.03～0.08 mL/(mL·d)(除T5外)，呈T4=T5>T6>T8=T2=T9>T7=T1>T3。

表5 不同处理的产气特性

2.3 不同形状玉米秸秆干发酵处理的产气特性

2.3.1 日产气量 由图3看出，在接种物比例为30%、碳氮比25∶1、料液pH 7.0的条件下，短秆状、细丝状和粉末状玉米秸秆干发酵日均产气量均呈下降趋势，其日均产气量分别为1 726 mL、2 132 mL和538 mL，细丝状的玉米秸秆整个过程中表现出较稳定的产气能力。细丝状玉米秸秆在前10天日产气量平均为3 663 mL，第10天之后日产气量略有下降，维持在2 000 mL以上，第18天日产气量为1 840 mL，第18～30天日产气量平均值为1 274 mL。短秆状的玉米秸秆整个反应过程日产气能力前18天均在2 000 mL以上，第19天回落，之后与细丝状日产气能力相当。粉末状的玉米秸秆日产气能力在第3天开始回落，之后逐渐减少，至第25天时几乎不产气。说明粉碎有利于玉米秸秆干发酵反应，可以提高日产气量。

图3 不同形状玉米秸秆干发酵处理的日产气量

2.3.2 累积产气量和甲烷含量 从图4看出，玉米秸秆3种粉碎程度的累计产气量存在差异，各处理累积产气量为细丝状(68 220 mL)>短秆状(55 245 mL)>粉末状(17 215 mL)。表明，细丝状玉米秸秆累计产气量最高，粉状的累积产气量最低。第3天时短秆状、细丝状和粉末状玉米秸秆处理所产气体甲烷含量分别为23.5%、18.4%和24.5%，之后短秆状和细丝状处理气体的甲烷含量呈逐步上升趋势，反应后期细丝状处理气体的甲烷含量略高于短秆状处理；二者从处理第7天起甲烷含量明显高于粉状秸秆处理。粉状秸秆处理气体的甲烷含量只监测到第14天，之后该处理的日产气量接近零，且未检测到气体中的甲烷成分。

图4 不同粉碎程度玉米秸秆干发酵处理的累积产气量和甲烷含量

3 讨论

接种物中含有参与沼气发酵每个环节的种类繁多、数量巨大的微生物菌群。接种物的质量、数量是产沼气的关键，可能接种物中甲烷菌群抑制纤维素分解菌和木质素降解菌的生长，反而导致日均产气量的下降[13]。碳源是构成微生物细胞的含碳物质和供给微生物生长、繁殖和运动所需要的能源，氮素是提供微生物合成细胞蛋白质的物质，控制一定的碳氮比，利于沼气发酵微生物的生长繁殖，从而提高沼气的产气量和甲烷产量。一般沼气发酵原料的碳氮比在(13～60)∶1时均能产气，其中以(20～30)∶1的发酵更好；其他范围内也可以发酵，但产气量及产气速率很低[14]。甲烷菌最适宜的酸碱度(pH)是7.0，然而在沼气厌氧发酵的第二阶段为产酸阶段，生产甲烷细菌和产甲烷细菌将双糖和单糖、氨基酸、脂肪酸和甘油分解为乙酸、丙酸等挥发性酸，因此，pH随着发酵进程的延长有所降低[15]。厌氧反应前期原料经产酸菌分解生成挥发性脂肪酸(主要是乙酸、丙酸和丁酸)、醇、酮、CO2和H2等。挥发性脂肪酸既是生成甲烷的前体物，又是抑制产甲烷反应主要物质[16]，可通过加大接种物比例解决该问题，一是中和部分酸根离子，提高料液pH；二是提高各种微生物数量，增强分解作用。

试验结果表明，玉米秸秆沼气发酵原料产沼气存在厌氧消化速率慢、消化率和产气率低等问题，其中，pH过高或过低对产气均有抑制作用；正常沼气发酵要求合适的碳氮比，合理接种物的比例不仅决定微生物量及菌种富集的速度，同时还起到调节pH、缓冲酸性环境的作用。

农作物秸秆细胞非常坚实，细胞壁的结构高度木质化，且细胞壁构成干物质的80%。其中，木质素作为秸秆细胞壁的主要成分，构成木质细胞壁的15%～30%。其在结构中含有生物化学上十分稳定的各种复杂结合形式，难于被一般微生物分解[17]。在使用前常采用切碎、粉碎、磨碎、高温球磨等[18]方法碎化秸秆，可增加其与厌氧微生物的接触面积，或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。但不同粉碎程度对日产气量的影响较大。该研究将玉米秸秆粉碎成细丝状可破坏其坚硬的细胞壁，增加微生物与其接触的面积，有利于厌氧反应进行；而粉末状玉米秸秆装瓶后基质缝隙变小，通透性差，易造成局部酸化，不利于厌氧反应。熊霞[19]研究表明，玉米秸沼气发酵时，在一定粒度范围内，相同发酵条件下，粒度越小越有利于提高消化效果，粉碎有利于玉米秸秆干发酵反应，可以提高日产气量；盛东峰等[8-9]研究发现，玉米秸秆粉碎粒度为0.5～10 cm的产气潜力最大，粉碎程度能够影响秸秆的发酵效果和最终产气量。该试验中不同粉碎度对产沼气性能产生的影响，与前人研究相符。

4 结论

接种物比例对干发酵启动及整个厌氧反应的影响显著，玉米秸秆干发酵产沼气最优工艺参数组合为反应器内原料碳氮比为20∶1，反应器内原料pH 7.0，接种物(沼渣)比例为30%；不同粉碎度对产沼气性能的影响存在明显差异，在接种物比例为30、碳氮比25∶1、料液pH 7.0条件下，细丝状玉米秸秆日均产气量为2 121 mL，累积产气量为68 220 mL，沼气甲烷含量高且稳定；产气效果为细丝状>短秆状>粉末状。