玉米秸稈—牛糞不同配比對沼氣產量的影響

楊貴運　周勛波　寧堂原

摘要：試驗設牛糞-玉米秸稈質量比2∶1（A）、牛糞（B）、玉米秸稈（C）、牛糞-玉米秸稈質量比1∶2（D）4個處理，在溫度為（30±1）℃、發酵液（TS）濃度為10%的條件下，研究糞稈比對沼氣厭氧發酵產氣量的影響。結果表明，試驗55 d各處理總產氣量大小依次為A>D>B>C。發酵過程中各處理日產氣量變化和日累積產氣量差異明顯，A處理產氣高峰主要在17～26 d，D處理主要在22～33 d，A和D處理總產氣量分別為6 997 mL和6 842 mL，高于B處理和C處理。因此，牛糞-秸稈混合發酵可明顯提高產氣速率，改善產氣狀況，提高發酵原料產氣潛力。

關鍵詞：沼氣；糞稈比；產氣量

中圖分類號：S216.4 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0076-04

Abstract Four treatments including cow manure-maize straw at the ratio of 2∶1 （A）， cow manure （B）， maize straw （C）， cow manure-maize straw at the ratio of 1∶2 （D） were set to study the effects of different proportions of cow manure and maize straw on biogas production under anaerobic fermentation with the total solid （TS） concentration as 10% at （30±1）℃. The duration of this test was 55 days. The results showed that the total biogas yield of the treatments was in the order of A>D>B>C. The change of daily biogas yield and daily cumulative biogas yield had great differences between different treatments. The biogas peak of treatment A was present during 17～26 days， while that of treatment D was present during 22～23 days. The total biogas yield of treatment A and D was 6 997 mL and 6 842 mL respectively， which were higher than that of treatment B and C. In conclusion， the mixture fermentation of cow manure and maize straw could accelerate biogas producing rate， improve biogas production status， and increase the biogas producing potential.

Key words Biogas； Proportion of cow manure and maize straw； Biogas yield

中國有豐富的生物質能源[1]，主要包括農作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾、工業有機廢水等，這些有機質經厭氧發酵均可產生沼氣。沼氣作為一種方便、清潔、高品位的能源，由于其原料豐富、技術簡單、造價低廉、環境友好的特點而受到國家的高度重視[2]。中國幅員遼闊，各地農作物、畜禽糞便種類和數量不同，沼氣發酵原料產氣數量和質量有很大差異[3]。山東省沼氣工程大部分采用常溫發酵，池容產氣率偏低[4]。本試驗旨在探索玉米秸稈-牛糞混合原料在不同質量配比條件下對沼氣發酵產氣量的變化、單位質量產氣量等的影響，以期為科學指導農戶進行沼氣生產和利用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

玉米秸稈和牛糞取自山東省平原縣張華鎮，玉米秸稈風干后粉碎成1～2 cm碎段。接種物為山東農業大學排污河底的淤泥，淤泥含水量為92%。

1.2 試驗方法和裝置

試驗設A、B、C、D 4個處理，以20 g污泥做空白對照，重復3次。將風干的玉米秸稈和牛糞分別用紙袋包好放入（105±2）℃烘箱烘干12 h至恒重備用，發酵原料總質量為80 g，其中接種污泥占25%（20 g），A處理牛糞-秸稈質量比為2∶1（40 g牛糞+20 g玉米秸稈），B處理牛糞（60 g），C處理玉米秸稈（60 g玉米秸稈+1 g尿素調節碳氮比），D處理牛糞-秸稈質量比為1∶2。反應溫度設置為（30±1）℃，各處理發酵液總固體（TS）濃度為10%（80 g物料+720 g水）。試驗采取排水集氣法，將稱量好的物料按各處理要求加入1 L三角瓶（圖1）中混勻，分別加入淤泥，再加入720 g自來水。

1.3 測試指標

試驗前，分別對風干的玉米秸稈和牛糞進行總固體（TS）測定，將含有樣品的坩堝放入烘箱，在（105±2）℃下烘干至恒重后測定。

發酵開始后，每天晚上21～22時用量筒量取集水瓶中排出水的體積，即為沼氣產量。試驗結束后，綜合試驗數據進行指標分析，計算日產氣量、日累積產氣量、總產氣量、發酵原料單位質量產氣量、單位體積產氣量等。

采用SigmaPlot軟件處理數據及作圖，采用DPS軟件進行統計分析，差異顯著性檢驗采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 日產氣量endprint

試驗測定結果表明，對照總產氣量為465 mL。由圖2看出， 4個處理在產氣初期均有一段小高峰，然后逐漸下降到一個極低的水平，甚至有2～3 d不產氣，然后再緩慢上升到一個最高峰，之后逐漸波浪式下降，到第45 d后產氣逐漸趨于停止。其中A處理的最大產氣量明顯高于其他處理，產氣高峰期在17～26 d，較其他3個處理明顯提前，且在35～40 d還能保持一定水平的產氣量；B處理產氣主要集中在21～29 d，最大產氣量（348 mL）明顯低于A處理（470 mL）和D處理（412 mL）。C處理用純玉米秸稈，產氣高峰明顯滯后，主要在34～41 d，第38 d達到產氣高峰值（376 mL）；D處理秸稈比例較大，產氣高峰相對推遲，在22～33 d，但仍然優于C處理。

2.2 日累積產氣量及其占總產氣量的百分比

由圖3看出，A、B、C、D處理產氣拐點分別出現在第26、30、42、35 d。A、B、D 3個處理日累積產氣量最高分別為6 997、6 752、6 842 mL；C處理為5 926 mL，顯著低于其他3個處理。從累積產氣量來看，A、D處理混合秸稈發酵的總產氣量大于純牛糞處理B和玉米秸稈，表明混合發酵優于牛糞或玉米秸的單獨發酵，而A處理總產氣量大于D處理，表明牛糞-玉米秸混合發酵2∶1優于1∶2的比例（圖3）。

由圖4可以看出，A、B、C、D累積產氣量達到總產氣量50%的時間分別在第23、25、34、27 d，累積產氣量達到總產氣量的80%分別在第34、33、39、33 d，累積產氣量達到總產氣量的90%分別在第39、38、42、38 d。產氣出現拐點時A、B、C、D各處理日累積產氣量占總產氣量的百分比分別為 67.8%、75.7%、91.0%、86.9%，A處理產氣主要集中在中前期，優于其它處理，符合沼氣發酵盡早啟動的要求。

2.3 單位質量產氣量和單位體積產氣量

發酵原料種類不同其池容率不同[5]，隨玉米秸稈比例的增加，整個發酵原料體積也在增加。A處理單位質量產氣量最高，為108.9 mL/g，然后依次是D、B、C處理。單位體積產氣量C處理最低，僅為6.8 mL/cm3，純牛糞B處理體積最小，其單位體積產氣量最大，為15.7 mL/cm3。由此得出，A處理牛糞和玉米秸稈混合單位質量產氣率明顯優于單獨玉米秸稈和單獨牛糞處理（圖5）。

2.4 理論產氣量和實際產氣量

根據B處理和C處理可計算出牛糞和玉米秸的單位質量產氣量以計算A、D混合發酵的理論產氣量。B、C單位質量產氣量分別為104.8、91.0 mL/g，A、D的理論產氣量則分別為6 011.6、5 736.4 mL，低于實測值（除去對照的產氣總量）6 532、6 377 mL（圖6）。表明秸稈-牛糞混合發酵產氣能明顯提高產氣速率和產氣潛力。

3 結論與討論

風干玉米秸稈含有大量的纖維素、半纖維素以及木質素，其中部分很難被沼氣微生物分解，這可能是C處理純玉米秸稈產氣滯后及產氣量少的主要原因。試驗初始階段產氣保持了相對一致性，可能是發酵初期，發酵原料還沒開始分解產生沼氣，主要是接種污泥產生的沼氣，隨著接種物產氣的逐漸下降停止，經歷了數天的產氣停滯，沼氣微生物的大量生長繁殖，發酵原料開始被分解產生沼氣，產氣逐漸恢復。

厭氧微生物的生長需要足夠的碳源和氮源，并能保持平衡[6]。適合沼氣微生物利用的發酵原料碳氮比為（20∶1）～（30∶1）[7]。本試驗測得牛糞的碳氮比為20.5∶1，與沼氣發酵原料最佳碳氮比十分接近，因此單獨牛糞的沼氣發酵是可行的。原料的結構特性也可以影響介質傳遞和微生物對原料的利用效率[8]。牛糞的結構較為致密，不利于產生氣體的及時釋放。通過與玉米秸稈的混合可以在一定程度上解決氣體的疏導問題。玉米秸結構疏松，可以保證所產氣體的及時排除，但是不利于介質的傳遞，所以產氣效率也很低。增加牛糞等細碎的原料，可以改善原料間的接觸面，增強介質傳遞。

玉米秸稈和牛糞混合發酵比單純秸稈或牛糞發酵總產氣量大，產氣高峰提前，并且顯示了一定的穩定性。因此，以一定比例混合可以明顯提高產氣速率，改善產氣狀況，提高發酵原料的產氣潛力。

參 考 文 獻：

[1]陳小華，朱洪光.農作物秸稈產沼氣研究進展與展望[J].農業工程學報， 2007， 23（3）：279-283.

[2]王飛，蔡亞慶，仇煥廣.中國沼氣發展的現狀、驅動及制約因素分析[J].農業工程學報， 2012，28（1）：184-189.

[3]汪士平，鄭軍.山東省農村戶用沼氣發展的現狀、問題與對策[J].農業科技管理， 2012（1）：50-53，73.

[4]王艷芹.山東省沼氣發展現狀及問題探討[J].科技致富向導， 2012（7）：4-5.

[5]周德金.淺析不同池容戶用沼氣池投資效益[J].農村新技術， 2006（5）：58-59.

[6]王曉嬌.混合原料沼氣厭氧發酵影響因素分析及工藝優化[D].楊凌：西北農林科技大學， 2013.

[7]陳斯，熊承永.再談秸稈沼氣發酵的碳氮比[J].中國沼氣， 2009， 27（2）：38-39.

[8]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， 25（4）：196-200.endprint