秸稈糞便混合厭氧發酵產沼氣特性

曾李樂 周 飛 袁月祥 閆志英 劉曉風 賀蓉娜 廖銀章

（1.西安工程大學環境與化學工程學院 陜西 西安 710048；2.中國科學院成都生物研究所 四川 成都 610041）

中國作為農業大國每年都產生多達7.2億噸秸稈，許多被丟棄、直接焚燒；畜禽糞便年產生量也達20.1億噸[1]，許多未經處理排放，造成了嚴重的環境污染問題。利用厭氧發酵技術將有機廢棄物轉化為沼氣，對于獲取新型能源和控制農村面源污染都有積極意義。隨著經濟發展，畜禽養殖已由過去的農戶分散養殖過渡為集中養殖，可能造成部分戶用發酵原料短缺；而秸稈存在一定季節性、降解率低、易出現漂浮分層結殼等問題，使純秸稈發酵較難被接受[2]。故沼氣發酵原料是亟待解決的問題。而將糞便秸稈混合發酵可以有效地彌補單一原料發酵的弊端，同時還可解決沼氣原料短缺的問題。劉戰廣等[3]研究了豬糞與稻稈的混合發酵，發現調節糞草比可以從原料轉化速率方面提高發酵效率。Xie等[4]研究了不同豬糞青貯飼料的配比厭氧發酵，結果表明當豬糞與青儲飼料的揮發性總固體的比例為1：1時產氣量最大。有關秸稈糞便混合厭氧發酵與產氣效果、發酵中pH關系的研究廣受關注。

本研究采用10L厭氧發酵裝置，以玉米秸稈和豬糞進行混合發酵，并以單一玉米秸稈發酵和單一豬糞發酵作為對照，研究玉米秸稈與豬糞混合厭氧發酵產沼氣特性，為混合原料產沼氣及實際工程運用提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 材料試驗裝置

玉米秸稈總固體含量（Total Solids，TS）：90.8%，揮發性固體含量（Volatile Solids，VS）：79.6%。豬糞（TS：24.5%、VS：18.2%）。接種物為本實驗室中溫厭氧發酵富集馴化的發酵液，TS=6.4%。采用有機玻璃制作的厭氧發酵罐，容積10L。

1.2 方法

1.2.1 秸稈預處理

玉米秸稈粉碎后加入0.5%的菌劑，加水拌勻使含水率為65%；堆漚6天后加入2%NaOH，并加水使含水80%，拌勻后室溫放置4天。

1.2.2 試驗方法

發酵試驗分為三組，每組兩個厭氧發酵罐，各罐原料總TS為472g，加入2.4L接種物，發酵的有效容積為8L，發酵溫度35℃。

1.2.3 測定方法

1）TS：105±5℃的烘箱中烘至恒重；VS：600±5℃馬弗爐中燒至恒重[5]。

2）產氣量：氣袋法收集并用北京合百意燃氣計量表測量。3）氣體成分：安捷倫7890A氣相色譜測定。

1.2.4 分析方法

相關性分析用SPSS考察各組產氣特性和理化性質間的關系。

2 結果與討論

2.1 最高日產沼氣量比較

用預處理過的玉米秸稈、豬糞以及預處理過玉米秸稈與豬糞混合進行批量發酵產沼氣，在厭氧發酵過程中，每日定時記錄沼氣產量。各組日產沼氣量如圖1所示，結果表明：最高日產沼氣量分別在3-4天，單一玉米秸稈組出現在第3天，平均產氣量為7.94L；單一豬糞組出現在第4天，平均產氣量為8.85L；玉米秸稈與豬糞混合試驗組出現在第3天，平均產氣量為11.70L。試驗組最高日產沼氣量最高，分別比單一玉米秸稈組和單一豬糞組高47.36%和32.22%。

圖1 各組日產沼氣量

2.2 產生沼氣中甲烷含量

實驗初期，各組甲烷含量均在50%以下，隨著時間的推移而逐漸升高；到第10天，各組的甲烷含量均超過60%。從第10天以后，含糞便的兩組的甲烷含量上升速度有明顯提高，單一玉米秸稈組的甲烷含量總體上低于另外兩組。秸稈木質纖維素的緊密交聯體結構及表面的蠟質層阻礙發酵體系中微生物對原料的代謝利用，導致純秸稈系統中微生物可利用底物受到限制，最終影響該系統沼氣中甲烷含量。

2.3 pH值的變化

圖2 各組pH值的變化

發酵過程中各組pH值的變化如圖所示。試驗初期，含有玉米秸稈的兩組的pH值均有小幅降低，隨后各組pH值均呈上升趨勢，在發酵到19-24天達到一個峰值，分別達到8.40、8.47和8.55，其中單一秸稈組pH相對較低。

相關性分析表明混合原料發酵液的pH與日產沼氣量呈極顯著負相關，且相關度很高。由此可知，pH對混合原料厭氧發酵性能有較大的影響。適宜的pH是沼氣微生物生長的必要條件，沼氣池中產甲烷細菌適宜的pH值為6.5-8.5[6]，產甲烷菌對pH值較為敏感：當pH值低于6.8時，其活性受到抑制。本研究中豬糞的產氣高峰出現的時間比其他組晚，此時對應的沼液pH值雖然在適宜pH區間內，但也或高或低與其他兩組有一定差距，且整體看來其pH變化速率是最快的，而對于較快的pH變化速率，產甲烷菌需要經過一段時間來適應，這可能對產甲烷菌活性產生一定的抑制作用。因此，在適宜pH范圍內較為穩定的pH值對高效的厭氧發酵是非常重要的。

3 結論

3.1 秸稈和豬糞混合發酵可以加快原料降解并可大幅度提高產氣量，玉米秸稈與豬糞混合發酵試驗組最高日產沼氣量分別比單一玉米秸組和單一豬糞組高47.36%和32.22%。

3.2 混合發酵可以使厭氧發酵過程更加穩定，厭氧發酵過程的pH值保持在8左右。

［1］國家統計局.中國統計摘要[R].北京：中國統計出版社，2006.

［2］熊承永，李健，黃利宏.戶用沼氣池秸稈利用淺析[J].可再生能源，2003（3）：44-45.

［3］劉戰廣，朱洪光，王彪，等.糞草比對干式厭氧發酵產沼氣效果的影響[J].農業工程學報，2009（4）：196-200.

［4］Xie S， Lawlor P G， Frost J P， et al.Effect of pig manure to grass silage ratio on methane production in batch anaerobic co-digestion of concentrated pig manure and grass silage[J].Bioresource Technology，2011，102（10）：5728-5733.

［5］中國科學院成都生物研究所.沼氣發酵常規分析[M].北京：北京科學技術出版社，1984：17-51.

［6］張全國.沼氣技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005：29-42.