蒸汽爆破玉米秸秆厌氧消化产气特性研究*

廖澄， 魏丹丹,2， 刘健峰,2,， 王昌梅,2,， 赵兴玲,2,， 吴凯,2,,朴明国， 梁承月,2， 杨斌,2， 张无敌,2,， 尹芳,2,

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.云南省沼气工程技术研究中心，云南 昆明 650500；3.吉林东晟生物质能工程研究院，吉林 通化 134118)

1 引言

中国地大物博，秸秆资源非常丰富，2017年我国的秸秆累积产量为 9 亿吨，其中玉米秸秆所占比例超过了1/3[1-2]，且不断增加[3]，但有大部分玉米秸秆没有进行有效的回收利用，被遗弃在田间或者被直接烧毁，造成了严重的环境污染.

预处理是提高农业废弃物厌氧消化效率的有效方法之一，其中蒸汽爆破技术属于物理化学预处理方式，在高温高压环境下使秸秆中半纤维素部分降解，木质素软化且部分降解，能够明显改变木质素和纤维素的有效性和敏感性，并显著增加秸秆的营养相对含量[4]，同时秸秆中原本不能利用和较难利用的部分也能在蒸汽爆破条件下转化成可利用纤维[5];整个处理过程用时短，化学药品使用量少、无污染[6-7],使这项技术在纤维素乙醇生产和生物沼气生产等方面得到广泛应用.厌氧消化技术在降解有机废弃物的同时可生产甲烷等清洁能源，因此被广泛应用于农作物秸秆的无害化处理[8].目前，最新的厌氧消化技术可将玉米秸秆最大化地转化为清洁的沼气，避免露天焚烧导致的环境污染，实现废弃秸秆资源再利用[9].爆破玉米秸秆作为一种经过预处理后有机质含量更加丰富的生物质原料，可以通过厌氧消化技术实现其绿色处理[10].试验通过厌氧消化技术，研究蒸汽爆破处理后的玉米秸秆产甲烷特性及产甲烷潜力，以期为玉米秸秆资源的资源化回收利用提供理论依据.

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 发酵原料及接种物

将蒸汽爆破处理后的玉米秸秆磨成3～5 mm纤维粉末状颗粒，装于透明密封袋中，作为沼气发酵原料.经测定，原料总固体含量(TS)为91.75%，挥发性固体含量(VS)为75.79%.

接种物为云南师范大学农村能源重点实验室驯化处理废弃蔬菜的厌氧底层活性污泥，接种物总固体含量(TS)为12.64%，挥发性固体含量(VS)为52.61%.

2.1.2 试验装置

试验发酵装置为批量式厌氧消化反应装置，如图1所示.反应装置容积500 mL，主要由发酵瓶、集气瓶、计量瓶和恒温装置组成，发酵温度由恒温水浴控制，发酵瓶中产生的沼气通过导气管进入集气瓶中，集气瓶中由于气体进入压强增大，将集气瓶内原本的水压出通过导管进入计量瓶，读取计量瓶中水量即可得出当日产气量.

1-4.恒温装置；5.取样口；6.导气管；7.发酵瓶；8.集气瓶；9.取气口；10.导水管；11.计量瓶

2.2 试验方法

2.2.1 试验设计

设计接种物体积占总发酵液30%进行试验，设置一个试验组(三个平行)和一个空白对照组(只加入接种物)，发酵温度为中温(35±1)℃，具体物料体积占比如表1所示.试验过程中发酵产生的气体通过排水集气法收集，并记录日产气量.

表1 不同组别发酵液物质体积占比

2.2.2 测定项目及数据分析

(1)甲烷含量：气相色谱仪(GC979011)测定；

(2)发酵液的酸碱度(pH)：采用pH试纸测定发酵前后系统pH；

(3)总固体含量(TS)测定：烘干法，电热恒温鼓风干燥箱(GZX-9146MBE) 中在105 ℃下烘 4～6 h；

(4)挥发性固体含量(VS)测定：烘干法，马弗炉(SX-5-12)中在550 ℃下烘1 h；

(5)TS和VS产气率计算公式：

式中,W—原料质量，g；TS—原料总固体含量，%；VS—挥发性固体含量，%.

3 结果与分析

3.1 厌氧消化产气变化分析

3.1.1 日产气量的变化情况分析

蒸汽爆破玉米秸秆日产气量如图2所示，发酵过程总计运行25 d，发酵前期启动较快，但未完全形成适宜的厌氧消化环境，一些有产酸能力的细菌在发酵系统中通过利用糖类等有机物产生大量有机酸，导致发酵料液的pH值下降，接着氧气随着发酵的进行逐渐被消耗，而无氧环境能促进产甲烷菌的新陈代谢，使厌氧消化体系趋于稳定，蒸汽爆破玉米秸秆中纤维素和半纤维素被降解并在微生物作用下产生CH4，于是在前5 d日产气量逐渐增加并达到整个产气过程的最高峰值230 mL.第6 天产气量骤降后接着第7天产气量又骤升为175 mL，达到小高峰.第7天之后产气量在50～150 mL之间，日产气量从第18天开始逐渐减少直至停止产气.

图2 爆破玉米秸秆日产气量

3.1.2 累积产气量的变化分析

图3给出了蒸汽爆破玉米秸秆的累积产气量情况，第4-8天出现了整个产气过程中最高产气速率，但这一阶段反应体系内存在水解产酸现象，故产出气体中CO2含量占比较大.从第8天开始，厌氧消化环境平衡，随着反应器内氧气的减少，产酸受到抑制，产甲烷菌的代谢活动增强，开始将反应初期阶段产生的有机酸转化为CH4.第18天累积产气量达到2 000 mL以上，整个发酵过程一直持续到第20天后，原料与中间产物被消耗殆尽，产气速率下降并逐渐趋于0.整个厌氧消化过程蒸汽爆破玉米秸秆的累积产气量为2 239 mL，水力滞留时间(HRT)为18 d，此时累积产气量达到总产气量的80%.

图3 爆破玉米秸秆累积产气量

3.1.3 沼气中甲烷含量的变化分析

甲烷含量曲线如图4所示.从试验开始，甲烷含量逐渐上升；反应初期系统中尚未形成严格的厌氧环境，抑制了产甲烷菌的活性，这一阶段主要为后面甲烷生产阶段提供了大量的原料，同时不产甲烷细菌也为产甲烷菌去除有害物质，产生大量的有机酸和CO2，系统内仅产生了少量CH4，此时的气体成分以CO2为主[11]，故从第1天开始到第13天，所产沼气中甲烷含量不足40%;第6-8天甲烷含量迅速升高，在第15天后趋于平缓,第14天甲烷含量达到40%以上，第15天甲烷含量超过50%;第15天后甲烷含量在56%附近波动，此时系统内产甲烷菌繁殖代谢非常活跃，将前期水解产生的中间产物大量转化为CH4.综上可见，整个厌氧消化过程中日最高甲烷含量为56.88%，蒸汽爆破处理过的玉米秸秆，在没有加其他酶制剂处理时所含木质素较难降解，故蒸汽爆破玉米秸秆发酵前期启动快，日产气量多，但甲烷含量较低，发酵时间需要持续15 d甲烷含量才能达到50%以上，但在发酵末期甲烷含量依然很高，最终平均甲烷含量为41.47%.

图4 甲烷含量

3.2 TS和VS去除率分析

在厌氧消化过程中，TS和VS去除率可在一定程度上体现蒸汽爆破玉米秸秆厌氧消化产沼气

表2 沼气发酵前后pH、TS和VS含量及TS和VS去除率

的效果.发酵前后TS、VS、pH数据记录以及TS和VS去除率如表2所示，根据TS和VS去除率计算公式得到沼气发酵过程中TS和VS去除率分别为48.38%、3.03%.在一定酸碱条件下，pH会对体系内微生物活性造成影响，试验前后pH都在7～8之间正常范围内且变化不大，整个过程都是一个正常的发酵系统，没有由于过酸而导致停止产气，有较好的缓冲调节能力.TS组分含量消耗接近50%，VS组分含量消耗不到5%，TS去除率是VS去除率的15.97倍，说明系统内挥发性固体降解少，大多作为沼渣留存，而总固体含量为厌氧消化提供有机质的贡献较大，实际效率高.

3.3 蒸汽爆破玉米秸秆与其他秸秆产气特性对比

将刘红艳[12]对玉米、芦荟和棉花秸秆的产气特性研究结果与本试验蒸汽爆破玉米秸秆的产气特性进行对比，如表3.从整体来看，这四种秸秆的TS产气率排序为玉米>芦荟>汽爆玉米>棉花，蒸汽爆破玉米秸秆TS产气率仅比棉花秸秆高；VS产气率排序则是玉米>汽爆玉米>芦荟>棉花，蒸汽爆破玉米秸秆的VS产气率与油菜秸秆最为相近；但水力滞留时间(HRT)排序为汽爆玉米<玉米=芦荟<棉花，蒸汽爆破玉米秸秆的水力滞留时间明显比其他秸秆短.虽然蒸汽爆破玉米秸秆相比未处理玉米秸秆TS产气率有所下降，但二者VS产气率相近，而且未处理玉米秸秆的水力滞留时间是蒸汽爆破玉米秸秆的2.17倍，因此蒸汽爆破玉米秸秆在工程设计中设置发酵周期有巨大优势.

表3 爆破玉米秸秆与不同秸秆产气特性对比

4 结语

(1)通过批量式厌氧消化实验研究了蒸汽爆破玉米秸秆的厌氧消化产气特性.在中温(35±1)℃条件下，蒸汽爆破玉米秸秆原料产气率为361 mL/g，TS产气率为393 mL/g，VS产气率为519 mL/g.

(2)在接种物量为30%的情况下运行25 d后累积产沼气量为2 239 mL，TS去除率为48.38%，VS去除率为3.03%，TS去除率是VS去除率的15.97倍.

(3)蒸汽爆破预处理后的玉米秸秆在厌氧消化过程中能很快达到产气峰值，水力滞留时间(HRT)是18 d，可缩短蒸汽爆破玉米秸秆在沼气工程中发酵周期，提高厌氧消化的效率.