不同秸稈厭氧發酵產沼氣潛力研究

李雪++張欣++葛長明++張本月++王偉東++崔宗均++趙洪顏

摘要：農作物秸稈沼氣資源的開發和利用可以有效緩解能源匱乏及環境污染等問題。在中溫（35 ℃）條件下，采用批式試驗，通過產氣量、甲烷含量、揮發性有機酸、Modified Gompertz方程等綜合評價水稻秸稈、干黃玉米秸稈、青貯玉米秸稈、煙草秸稈生產沼氣的潛力。結果表明：在處理24 d時，玉米青貯秸稈、玉米干黃秸稈、水稻秸稈、煙草秸稈的累積產氣量分別是774.72、628.77、669.99、577.53 mL；玉米青貯秸稈的日最高產氣量是118.75 mL，水稻秸稈的日最高產氣量是108.5 mL，其次是煙草秸稈和干黃玉米秸稈；4種秸稈的甲烷含量均超過60%，其中青貯玉米秸稈的甲烷含量最高值達到67.3%；4種秸稈的產沼氣潛力分別是青貯玉米秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈，其值分別為 140.08、125.08、106.80、76.49 mL。本研究為不同秸稈資源的清潔利用提供了理論基礎。

關鍵詞：秸稈；厭氧發酵；沼氣產業化；生物質能源

中圖分類號： X712；S216.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0496-04

收稿日期：2015-12-19

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2015BAD21B04）；吉林省教育廳項目（編號：201508013）；延邊大學項目（編號：952013012）。

作者簡介：李雪（1993—），女，碩士研究生，從事秸稈發酵研究。Tel：（0433）2435568；E-mail：446985913@qq.com。

通信作者：趙洪顏，博士，講師，從事生物質能源與廢棄物資源利用。Tel：（0433）2435568；E-mail：zhy@ybu.edu.cn。農作物秸稈是生物質能的重要組成部分，占生物質能的50%以上[1]。我國每年產生大量的農業廢棄物（秸稈等），大部分都沒有被合理利用，農作物廢棄秸稈通常可以還田、作為飼料、工業原料、薪柴等，但我國的秸稈數量過大，無法提高秸稈的整體利用率，出現秸稈胡亂堆放、焚燒等現象，增加了溫室氣體的排放并造成嚴重的空氣污染[2]。隨著后來國家頒布有關政策，胡亂焚燒秸稈得到了很大程度的遏制，所以對生物質的回收利用，不但可以減少秸稈的堆放空間，凈化并改善居住的環境條件，而且能更利于生物質能源的儲存和合理利用；因此，如何高效地利用秸稈已經成為了一個重要的熱點問題。

厭氧發酵技術是將農業廢棄物轉化為清潔能源（沼氣）的有效手段之一[3]。秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素的含量直接影響到秸稈厭氧發酵產氣的效果，不同種類秸稈厭氧發酵產沼氣的效果差別較大。Wang等采用響應面曲線法對牛糞、雞糞和玉米秸稈混合發酵參數優化，結果表明，當牛糞、雞糞和秸稈在1 ∶ 2 ∶ 1的配比下，其甲烷產氣量達到最大值[4]；Angelidaki等證明了利用秸稈和牛糞混合發酵產沼氣可提高產氣效率[5]；陳廣銀等分析了不同糞稈干物質質量比對中溫厭氧發酵的影響，研究結果表明，玉米稈與雞糞干物質質量比為1 ∶ 2時，沼氣產量最高，而稻草和豬糞質量比為 3 ∶ 1 時，產氣量達到最大值，較其他原料增加了 12%～16%[6]；Cuetos 等研究發現，將農作物秸稈與豬糞按照不同干物質比例混合后，其產氣效果明顯優于秸稈與糞便單獨的發酵效果[7]。但是不同作物秸稈之間的產沼氣潛力如何鮮有報道。

本研究主要針對不同作物秸稈產沼氣潛力進行探討。通過對產氣量、甲烷含量、pH值、VFA（揮發性有機酸）、COD（化學需氧量）等指標的研究秸稈的產氣特性，通過修正 Gompertz 模型分析了不同秸稈的產沼氣潛力，以期為秸稈資源的合理利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1發酵裝置

厭氧發酵裝置為500 mL藍口試劑瓶，發酵液有效體積為400 mL，瓶口用硅膠塞密封，集氣袋收集氣體，排水法測定產氣量（圖1）。

1.2樣品前處理

水稻秸桿、干黃玉米秸桿、青貯玉米秸桿和煙草秸桿取自延邊大學實驗基地，將4種秸稈切成段（5 cm），烘干后粉碎成粉末（100目篩）裝袋待用。反應器啟動的活性污泥為筆者所在實驗室長期在100 L厭氧反應器內以牛糞、玉米秸稈為原料馴化獲得，污泥的pH值為8.0，總固體（TS）為2.87%，發揮性固體（VS）為2.09%。發酵時間為50 d。緩沖溶液的配制：0.1 g MgCl2·6H2O、 0.075 g CaCl2·2 H2O、0.53 g NH4Cl、0.35 g K2HPO4、0.27 g KH2PO4定容至2 000 mL，調節pH值至7.0。

1.3發酵條件及試驗方法

采用批式發酵試驗，底物添加量為6%，各組添加200 mL活性污泥，通入5 min氮氣，以去除空氣，并連接500 mL的集氣袋，在恒溫（35±0.5） ℃培養，每天定時測定產氣量和氣體成分，每種秸稈5次重復。

1.4測定方法

1.4.1產氣量及甲烷含量測定本試驗采用排水法測定產氣量；采用英國Geotech公司的氣體分析儀（Biogas-5000）進行氣體成分的測量。

1.4.2測定化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法[8]來分析COD。取適當稀釋的出水2 mL，加入3 mL消解液（5 g Ag2SO4溶于500 mL濃H2SO4后，與 0.25 mol/L 的重鉻酸鉀溶液按3 ∶ 1比例混合），用COD快速消解儀（雷磁COD-571-1消解裝置進行消解）進行消解，待樣品完全冷卻后，使用雷磁COD-571化學需氧量測定儀測量COD。

1.4.3測定揮發性有機酸（VFA）所用器材：高效液相色譜儀（HPLC），色譜柱HITACHI LaChrom C18-AQ（5 μm），柱溫25 ℃，流動相1 mmol/L H2SO4和8 mmol/L Na2 SO4，流速 0.6 mL/min，進樣量10 μL，采集時間45 min；抽取待測樣品于2 mL離心管中，以12 000 r/min的轉速離心10 min，取離心后的上清液，過有機系濾膜，用于測定有機酸。首先配制5種標準酸液（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸）并繪制出標準曲線，然后對待測樣品進行定量分析[9]。

1.4.5秸稈厭氧消化性能評價采用Modified Gompertz方程擬合各處理樣品的沼氣及甲烷累積產氣曲線[10]。

B=B0·exp-expRm·eB0（λ-t）+1。

式中：B代表累積產氣量（mL/g），B0為原料產氣潛力（mL/g），Rm指最大日產氣速率[mL/（g·d）]，λ指原料厭氧反應的滯后期（d）。參數B0、Rm和λ用于評價原料的產氣性質。

1.6數據分析

采用Origin 8.0處理數據。

2結果與分析

2.1日產氣量和累計產氣量的變化

隨著反應器的運行微生物群落對環境的逐漸適應，日產氣量逐漸增加，青貯玉米秸稈的日產氣量最高值出現在處理10 d，為118.5 mL；水稻秸稈的最高值出現在處理12 d，為 108.5 mL；干黃玉米秸稈的最高值出現在處理10 d，為99.75 mL；煙草秸稈產氣量最高值出現在處理8 d，為80 mL。處理24 d 日產氣量下降到初期的水平，其值維持在20～26 mL 之間，說明隨著反應器的運行，反應器內難分解的半纖維、纖維素等物質在微生物的作用下逐漸被消耗殆盡，產酸細菌水解酸化速率逐漸降低，產甲烷菌的分解速率減慢，所以產氣量逐漸降低，直至下降到初始水平[17]。其中青貯玉米秸稈的產氣量最高，主要原因是因為青貯后秸稈中的有機酸可產生協同優勢，提高產氣量[11]，另外與其他3種干秸稈相比較，秸稈青貯能實現水分儲存以及糖分和纖維素等化學組分的良好保存[12]，因此，青貯玉米秸稈的產氣量高于水稻秸稈的產氣量，水稻秸稈的產氣量高于干黃玉米秸稈的產氣量，干黃玉米秸稈的產氣量高于煙草秸稈的產氣量。前人已經證實秸稈的木質纖維素含量水稻秸稈>新鮮玉米秸稈>干黃玉米秸稈[13]。干秸稈木質化程度高，復雜的木質纖維素結構影響了微生物的降解利用效率，但隨著分解過程中結構的分解，可持續積累代謝產物，使分解產酸過程持續但程度有限。相對于木質化程度較低的水稻秸稈和青貯玉米秸稈中還含有較多粗蛋白、粗脂肪等，易被體系微生物較快利用，積累為有機酸等，產氣量較高[14]（圖2-A）。累積產氣量，青貯玉米秸稈最高、水稻秸稈次之、干黃玉米秸稈再次、煙草秸稈最低，其值分別是774.72、669.88、628.77、577.53 mL（圖2-B）。

2.2甲烷含量的變化分析

甲烷的產生是反應器中產甲烷微生物代謝作用產生的。玉米青貯秸稈甲烷含量的最高值在處理后16 d，最高值為6783%；水稻秸稈甲烷含量的最高值出現在處理后14 d，最高值為63%；干黃玉米秸稈甲烷含量的最高值出現在處理后 16 d，最高值為 65.47%；煙草秸稈甲烷含量的最高值出現在處理后16 d，最高值為63.37% 。處理24 d時，4種秸稈的甲烷含量均已處于初始水平，說明秸稈本身可生產甲烷成分已經被利用完（圖3）。

2.3揮發性有機酸的變化

發揮性脂肪酸（VFA）是沼氣發酵微生物代謝過程中重要的中間化合物。高濃度的VFA會對厭氧微生物產生抑制，使pH 值降低，最終導致沼氣發酵失敗[15]。

4種不同秸稈的揮發性有機酸變化情況見圖4。6 d時，水稻秸稈和煙草秸稈中甲酸和乙酸含量較高，說明這2種秸稈更容易被微生物利用，能產生大量的脂肪酸等中間產物供甲烷菌利用。18 d時，青貯玉米秸稈的有機酸累積，說明青貯玉米秸稈的水解酸化有機物的速率高于產甲烷菌利用小分子有機酸的速率，所以有機酸出現累積現象。青貯玉米秸稈一直都有乙酸存在，而且青貯玉米秸稈VFA中甲酸和乙酸含

量較高，分別為1.39 g/L和1.18 g/L。主要原因是成分差異、木質化程度不同引起的轉化效率差異是導致酸化體系有機酸種類不同的最主要原因[16]。

2.4不同秸稈的厭氧消化性能評價

Modified Gompertz 模型可有效預測原料產甲烷的潛力、甲烷最大生成速率及原料發酵滯后期。各處理R2在093～1.0之間變化，說明該模型對所有處理均具有較好的擬合效果。不同種類秸稈，最大產沼氣速率由大到小排序：煙草秸稈>青貯玉米秸稈>干黃玉米秸稈>水稻秸稈；最大日甲烷潛力由大到小排序：水稻秸稈>青貯玉米秸稈>煙草秸稈>干黃玉米秸稈。產沼氣滯后期的數值：青貯玉米秸稈>煙草秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈；產甲烷滯后期的數值：青貯玉米秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈。但是產沼氣潛力由大到小：青貯玉米秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈；產甲烷潛力由大到小：青貯玉米秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈>水稻秸稈（表1）。總體分析表明：青貯玉米秸稈生產沼氣的潛力大、速率高，且滯后期大；干黃玉米秸稈玉米秸稈產沼氣潛力適中，滯后期最小，速率適中；水稻秸稈產甲烷的潛力最大；煙草秸稈產沼氣潛力最小，且滯后期又比較大。

3結論與討論

我國是能源短缺的國家，也是生物質資源豐富的國家，作物秸稈是生物質資源之一，占我國生物質資源總量近一半。因此，將作物秸稈通過厭氧消化技術轉化為高效、清潔的生物質能源——沼氣是解決能源短缺和秸稈資源利用的有效途徑之一，對社會經濟的可持續發展和生態環境的改善具有重要意義[18]。

本試驗對4種不同作物秸稈的產沼氣潛力進行了研究，24 d 的累積產氣量，青貯玉米秸稈最高，其次是水稻秸稈、干黃玉米秸稈、煙草秸稈，而且甲烷含量均在60%以上，其中青貯玉米秸稈的產甲烷含量最高，為67.3%。前人的研究表明，青貯秸稈的甲烷含量約53%，且青貯秸稈的甲烷含量高于風干秸稈的甲烷含量，主要原因是青貯提高了秸稈的降解性能，產甲烷菌更容易利用[12]。除此之外4種秸稈的產沼氣潛力分別是青貯玉米秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈。研究表明：秸稈原料的主要化學成分是半纖維素、纖維素和木質素，它們組成植物的細胞壁，其中一種成分的降解受到其他成分的制約，木質素的降解是生物轉化木質纖維素原料的首要步驟，因此以秸稈為原料進行厭氧發酵時產沼氣潛力與原料的性質有關[19]。前人研究證實煙草秸稈的木質素含量>干黃玉米秸稈>水稻秸稈>青貯玉米秸稈[20-21]。因此，產甲烷潛力為青貯玉米秸稈>水稻秸稈>干黃玉米秸稈>煙草秸稈。

秸稈通過厭氧發酵技術生產沼氣是我國沼氣發展的方向之一，但是針對不同的木質纖維材料如何通過接種物、反應器結構、發酵溫度等生產工藝以及前處理方式提高木質纖維素材料的產沼氣效率是將來產業化沼氣發展過程中必將考慮的問題。

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