玉米秸稈粒度對沼氣發酵浮渣結殼層特性的影響

熊 霞， 施國中， 梅自力， 孔垂雪

(1.農業部沼氣科學研究所， 成都 610041； 2.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

玉米秸稈粒度對沼氣發酵浮渣結殼層特性的影響

熊 霞1，2， 施國中1，2， 梅自力1，2， 孔垂雪1，2

(1.農業部沼氣科學研究所， 成都 610041； 2.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

秸稈沼氣工程因原料的難降解性和特殊的物理性質，導致工程在運行中易出現原料上浮結殼，分解率低，出料困難等問題。文章以3種粒度玉米秸稈為原料，進行批式試驗，研究秸稈粒度與發酵浮渣形成的相關性。結果表明：粒度與產氣潛力呈負相關，與發酵物總厚度、結殼層厚度、結殼層失水厚度呈正相關，與破殼強度也呈正相關。綜上，小粒度玉米秸稈是最優的發酵原料。

玉米秸稈； 沼氣發酵； 浮渣結殼

據2016年《中國統計年鑒》數據分析，玉米秸稈是我國產量最豐富的農業廢棄物，近十年秸稈產量逐年增加，到2015年已經達到 26955.84萬噸。大量秸稈需要及時有效的處理，否則會造成環境的嚴重污染[1]。秸稈含有大量的有機物，利用沼氣發酵技術能使其得到有效的降解，同時獲得生物質能。由于秸稈密度小流動性差，在沼氣發酵裝置中易出現上浮結殼現象，不僅嚴重影響了產氣效率，還會導致出料困難等一系列問題，嚴重制約了秸稈沼氣工程的持續發展[2]。目前，一些學者對結殼的成因及危害進行了較多的研究[3-9]，還有一部分學者研究出一些結殼的處置方法[10-12]，但目前尚鮮見對結殼特性方面的研究，這導致已出現的破殼技術依據不足且具有較強的主觀意識，只是定性的對破殼做出一定研究。因此本文對不同粒度玉米秸稈沼氣發酵結殼層的特性進行了相關的研究，以期為秸稈的能源化利用和大中型秸稈沼氣工程的建設提供理論依據和數據支持

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發酵原料取自成都市雙流縣附近農田風干玉米秸稈，接種物取自成都市附近某運行中的秸稈沼氣工程厭氧發酵活性污泥。原料及接種物特性見表1。

表1 原料及接種物特性

1.2 試驗裝置

沼氣發酵裝置為總容積54.4 L的自制式有機玻璃發酵罐，發酵裝置總高59 cm，內徑34 cm，試驗時控制有效容積21.78 L，有效高度24 cm；采用加熱器在自制式鋼化玻璃水浴缸內進行水浴加熱；采用溫控探頭進行恒溫35℃±1℃控制；采用LML-1濕式氣體流量計計量產氣量；實驗裝置如圖1所示。

1.水俗缸； 2.發酵罐； 3.出氣管； 4.濕式氣體流量計； 5.加熱器； 6.循環泵; 7.溫控探頭; 8.控制箱圖1 厭氧發酵實驗裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

試驗采用中溫35℃±1℃批式發酵工藝，分別設3個試驗組和1個空白對照組。試驗組以不同粒度(5 cm，2 cm和過篩10目)玉米秸稈配制成總固體TS濃度為6%，接種物體積為50%，總有效體積為21.78 L的混合發酵物，空白對照組為僅加接種物，補加清水至21.78 L刻度線的混合發酵物。攪拌均勻后，在相同的環境下，進行為期60 d厭氧發酵試驗。

1.3.2 測試項目

產氣量測定：采用LML-1濕式氣體流量計計量，每天定時記錄。

TS(總固體含量)測定：采用烘干恒重法測定，將樣品在105℃±5℃下烘至恒重，計算樣品除水分后干物質的質量分數[13]。

VS(揮發性固體含量)測定：采用重量法測定，將TS測定后恒重的總固體在600℃下燒至恒重，計算揮發性物質的質量分數[13]。

甲烷含量測定: 采用BIOGAS 5000型沼氣分析儀隔天定時測定。

pH 值:采用pHS-3C型pH計測定。

發酵物總厚度、結殼層厚度與結殼層失水厚度測定：采用發酵罐表面的米尺每日定時測定。

破殼強度測定：首先負荷加載，再調節好質量容瓶，然后勻速緩慢使之與結殼層中心位置靠攏，接觸后松放細繩，之后不斷對質量容瓶增加荷載，直至浮渣層被破壞，記錄破壞荷載值，測算出破殼強度[14]。

破壞強度計算，破壞強度按公式(1)計算：

δ=P/F

(1)

式中：δ為破壞強度，kPa；P為破壞荷載，N；F為橫截面積，cm2。

F=πb2

(2)

式中：b為質量容瓶半徑，cm。

電鏡觀測：采用JSM-7500F型掃描電鏡觀測。

2 結果與討論

2.1 不同粒度玉米秸稈沼氣發酵產氣潛力分析

從表2中可以看出，3種粒度玉米秸稈的平均甲烷含量非常相近，都在58%～59%之間，而甲烷含量(體積分數>50%)可作為沼氣發酵試驗穩定運行的標志，表明3組試驗發酵運行良好，且所產生沼氣的燃燒品質都較優。

表2 3種粒度玉米秸稈產氣潛力指標

通過玉米秸稈的TS含量和VS含量、發酵罐有效容積和總產氣量可以計算出原料的TS和VS 產氣率、原料產氣率，結果見表2。從表中可知，過篩10目的TS和VS產氣率、原料產氣率均最大，分別比5 cm和2 cm高27.10%，3.84%。由此可知，相同條件下，玉米秸稈粒度越小，產氣效果越好。

2.2 結殼層的動態物理形態分析

實驗過程中測定的發酵物總厚度、結殼層厚度與結殼層失水厚度3個指標用來評價結殼層的動態物理形態。靜態厭氧發酵條件下的發酵料液，缺乏攪拌時會自然沉淀分層，從上往下分別為浮渣層、上清液層、活性層和沉淀層[5]。發酵物總厚度是指從發酵罐體底部至罐體中發酵物最頂部的高度，包括浮渣層、上清液層、活性層和沉淀層；結殼層厚度就是發酵罐體中懸浮秸稈的厚度，即浮渣層；結殼層失水厚度是結殼層厚度中，位于水位線上的部分。詳見圖2。

整個實驗過程中測得的發酵物總厚度、結殼層厚度與結殼層失水厚度3個指標的數據見表3。

表3 3種粒度玉米秸稈結殼層的動態物理形態指標

圖2 發酵物總厚度、結殼層厚度與結殼層失水厚度示意圖

2.2.1 實驗過程中發酵物總厚度的變化過程

在設計試驗階段，5 cm，2 cm和過篩10目組設計發酵物總厚度都是控制在24 cm；試驗啟動時，5 cm，2 cm和過篩10目組發酵物總厚度漲至31 cm，29 cm和25 cm，這可能是玉米秸稈漂浮在發酵液上增加了發酵總高度的原因；在試驗第4天，第2天和第2天，5 cm，2 cm和過篩10目組發酵物總厚度逐步增加到最大值，為34 cm，32 cm和30 cm，比設計時分別增加了約41.67%，33.33%和25.00%，這可能是由玉米秸稈進一步上浮和吸水膨脹造成的；之后至試驗結束，5 cm和2 cm組幾乎無變化，但過篩10目組出現了較大幅度的減小，到第52天達到最小值(26 cm)，之后無變化。綜上所述，玉米秸稈在總固體TS濃度為6%，接種物體積為50%，發酵罐有效徑高比約1時，最大發酵物總厚度是設計發酵物總厚度的1.25～1.42倍。在實際的秸稈沼氣工程或實驗室中的秸稈厭氧實驗中，往往會出現因預留發酵罐的有效容積不足，造成儲氣室的減小，甚至撐破發酵罐的現象，因此在實際秸稈工程中，罐體設計需要在一定范圍內考慮秸稈的上浮體積。

2.2.2 實驗過程中結殼層厚度的變化過程

在試驗啟動時，對發酵物進行充分的攪拌，使其混合均勻。在第1～2天，上浮過程中的秸稈顆粒處于相互干擾狀態并在發酵罐內形成明顯的浮渣界面層整體上浮，屬于擁擠上浮階段：發酵第1天，5 cm和2 cm組很快出現明顯的浮渣層，厚度分別為19 cm和15 cm，而過篩10目組依然混合均勻，沒有浮渣層，這可能是因為發酵物粒度較大者，所受浮力大于自身重力先上浮的原因；發酵第2天，5 cm組和2 cm組浮渣層厚度出現了一定的漲幅，厚度分別為20 cm和16 cm，而過篩10目組才出現明顯浮渣層，厚度為19 cm，這可能是干玉米秸稈內部絨絮狀物體吸水膨脹的原因。發酵第3天至結殼層穩定階段，此時浮渣層整體不再上浮，而因沼氣逸出產生的上浮力擠壓出秸稈顆粒間的孔隙水而從下往上壓縮浮渣層，屬于壓縮上浮階段：5 cm組，2 cm組和過篩10目組浮渣結殼層厚度不斷減小，分別在第14天，22天，53天達到最小值為19 cm，15 cm和10 cm，這可能是秸稈吸水膨脹達到最大值后在自身和反應所產沼氣雙重浮力作用下，被向上擠壓所致。最后到發酵60 d，不再發生變化，這可能是結殼層在自身重力和浮力、發酵物與罐體內壁的摩擦力和沼氣浮力四方作用力下達到一個平衡的狀態。從上可以看出，5 cm組和2 cm組的浮渣層變化幅度很小，最大變化僅為7%，而過篩10 m組浮渣層變化幅度則較大，最大為47%，而且，說明玉米秸稈2 cm以上發酵者，浮渣層穩定時間快且變化小，而玉米秸稈過篩10目者，浮渣層穩定時間長且變化大；但是5 cm組和2 cm組的平均浮渣層厚度卻是過篩10目的1.49倍和1.18倍，表明粒度越小，結殼層厚度越小，所占發酵罐的空間越小，利于發酵罐的有效使用。

2.2.3 實驗過程中結殼層失水厚度的變化過程

實驗過程中，5 cm組，2 cm組和過篩10目組結殼層分別在第1天，第3天，第3天開始失水，失水厚度分別為5cm，3 cm和2 cm；隨后，分別在第 6 天，第 12 天和第 6 天失水厚度達到最大值，為 10cm，8 cm 和 2.5 cm；之后至發酵結束結殼層失水層厚度幾乎無變化，但處理 3 在第 53 天出現了失水層厚度的減小變為 1.5cm，之后無變化。如表3，5 cm組，2 cm組和過篩10目組平均結殼層失水厚度是平均結殼層厚度的51.24%，50.55%和17.51%，5 cm組和2 cm組比值相近，但是分別是過篩10組的2.93倍和2.89倍，表明粒度越小，結殼層失水厚度越小。由表2和3可知，5 cm組，2 cm組和過篩10目組的累計產氣量為過篩10目組>2 cm組>5 cm組，而平均結殼層失水厚度卻是過篩10目組<2 cm組<5 cm組。對比發現兩者存在反比關系，累計產氣量隨著平均結殼層失水厚度的減小而增加。這可能是因為結殼層失水厚度越大，原料與微生物的接觸越差，產氣效率就會越低。由上可知，結殼層失水厚度可以從另一個方面反映秸稈的產氣情況。

2.3 結殼層靜態的物理形態分析

玉米秸稈發酵結束后，因玉米秸稈原料的難降解性，絕大部分并未被消化掉，為了方便觀察，我們隨機選取結殼層最上部、水位線處和最下部的殘渣進行電鏡掃描，結果如圖3～圖6所示。

圖3 發酵前玉米秸SEM圖掃描電鏡對比圖(×25倍)

圖4 5 cm組玉米秸稈結殼層最上層、水位線處和最下部SEM掃描電鏡對比圖(×25倍)

圖5 2 cm組玉米秸稈結殼層最上層、水位線處和最下部SEM掃描電鏡對比圖(×25倍)

圖6 過篩10目組玉米秸稈結殼層最上層、水位線處和最下部SEM掃描電鏡對比圖(×25倍)

玉米秸稈由下列組織所組成：表皮組織、維管束和基本薄壁組織。由圖3～圖6可直觀的觀察到玉米秸稈發酵后殘渣在結殼層不同厚度處的表面形態。5 cm組，2 cm組和過篩10目組分別進行縱向對比，分解程度都為最上部<水位線處<最下部，5 cm組和2 cm組都是表層分解后，沿葉脈縱向斷裂，然后進一步分解，過篩10目組是發酵顆粒被分解的越來越小。5 cm組，2 cm組和過篩10目組進行橫向對比，可知分解程度是5 cm<2 cm<過篩10目。圖3為發酵前玉米秸稈葉片的SEM圖，可見其上表皮組織平整光滑；對比發酵后的5 cm組，2 cm組和過篩10目組結殼層最上部與圖3，發現5 cm組和2 cm組幾乎沒變化，而過篩10目組因粉碎粒度較小，在破碎處更易于分解，出現基本薄壁組織表皮明顯被分解現象，形成了較多孔洞；對比5 cm組，2 cm組和過篩10目組水位線處SEM圖，可知5 cm組和2 cm組都是沿維管束處出現多處斷裂，基本薄壁組織表皮也被分解，出現孔洞現象，過篩10目組發酵顆粒進一步斷裂，基本薄壁組織進一步分解；對比5 cm組，2 cm組和過篩10目組最下部SEM圖，可知5 cm組 出現縱向斷裂，類似根毛結構基本被分解完畢，且部分表皮組織被分解，2 cm組只是分解程度比5 cm進一步，過篩10目組粒度進一步分解減小，只剩下一些較難分解的葉脈和表皮組織。綜上所述，粒度越小，結殼層越靠近下部，碎裂化程度越嚴重，分解越充分，這個結果也和水稻的發酵結果一致[2]。而且也從另一個方面，驗證了結殼層失水厚度可以反映秸稈產氣情況的說法。

2.4 結殼層破殼能耗分析

從表4中可知，3種粒度玉米秸稈，粒度越小，破殼強度越小，5 cm組的破殼強度是2 cm組和過篩10目組的1.76和2.35倍；對比李幸芳的玉米秸稈試驗，發現相近的結殼層厚度，反應器容積越大，破殼強度反而越小，這可能是因為反應器容積大，破殼時受到罐壁的附著力影響更小的原因；比較3種粒度玉米秸稈與水稻秸稈，發現同樣重量的原料，兩種原料的結殼層厚度比較相近，然而5 cm，2 cm和過篩10目水稻秸的破殼強度，分別是玉米秸的1.65，1.94和1.53倍之多。綜上，從破殼能耗方面得出，大容器反應容器更適合秸稈原料發酵，小粒度玉米秸稈是更優的發酵原料。

表4 不同粒度玉米秸稈和水稻秸稈破殼強度對比

3 結論

(1)玉米秸稈厭氧發酵時，粒度與產氣潛力呈負相關，但對甲烷含量幾乎沒有影響，過篩10目玉米秸稈TS產氣率最大，為529.10 mL·g-1TS，分別比5 cm和2 cm高27.10%和3.84%。

(2)玉米秸稈粒度與發酵物總厚度、結殼層厚度、結殼層失水厚度呈正相關，發酵物總厚度反映了工程需考慮罐體的有效容積，罐體越小，經濟成本越小；結殼層厚度反映了發酵罐的有效利用率，結殼層厚度越小，所占發酵罐的空間越小，利于發酵罐的有效利用；結殼層失水厚度能側面反映產氣率，失水厚度越小，產氣越好。綜上，3種粒度中，過篩10目為最好的發酵粒度。

(3)根據掃描電鏡(SEM)圖像可以直觀的發現：3種粒度結殼層最上部、水位線處和最下部秸稈分解情況都是最上部<水位線處<最下部，且粒度越小，分解越充分。

(4)粒度與破殼強度成正相關，過篩10目破殼強度最小，為0.81 kPa，是5 cm和2 cm的42.63%和75%，對比李幸芳玉米試驗[14]和水稻試驗[2]可得，大容器反應罐更適合秸稈原料發酵，小粒度玉米秸稈是更優的發酵原料。

[1] 韓魯佳，閆巧娟．中國農作物秸稈資源及其利用現狀[J]．農業工程學報，2002，18( 03) : 8-13．

[2] 熊 霞，施國中，等．稻秸不同粒度對沼氣發酵浮渣結殼層的影響[J]．中國沼氣，2015，33(3) :56-60．

[3] 鮑安紅．水壓式沼氣產生器的破殼裝置[J]．農機化研究， 2009,31(4):212-213.

[4] 方德華,張信偉.農村混合原料沼氣發酵條件研究[J].西南農業大學學報, 1997,19(3):298-303.

[5] 蘇宜虎,陳曉東,馬洪儒.攪拌對沼氣發酵的影響[J].安徽農業科學, 2007,35(28):8961-8962.

[6] 彭 震,王永忠，等.新型抗結殼沼氣反應器產氣特性研究[J].太陽能學報, 2012,33(004):705-710.

[7] Appels L,Baeyens J,Degrève J,et al.Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge[J]. Progress in energy and combustion science, 2008,34(6):755-781.

[8] Parawira W, Murto M, Zvauya R, et al. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone and in combination with sugar beet leaves[J]. Renewable Energy, 2004,29(11):1811-1823.

[9] Chanakya H N, Sharma I, Ramachandra T V. Micro-scale anaerobic digestion of point source components of organic fraction of municipal solid waste[J].Waste management,2009,29(4):1306-1312.

[10] 陳 俊.新型實用破殼沼氣池[J].中國沼氣, 1997,15(2):21.

[11] 宋 波,王奕陽.解決牛糞厭氧發酵中浮渣結殼的幾種方法[J].可再生能源, 2009,27(3):110-112.

[12] 吳仁召,羅繼衛.一種新型沼氣池全自動破殼裝置[J].中國沼氣, 2008,26(3):49.

[13] 國家環保局．水和廢水監測分析方法[M]．北京: 中國環境科學出版社，1989．

[14] 李幸芳．秸稈厭氧發酵產沼氣及其結殼特性研究[D]．鄭州: 河南農業大學，2013:5．

InfluenceofDifferentCornstalkParticle-sizeonScumCrustinginAnaerobicFermentation

XIONGXia1,2,SHIGuo-zhong1,2，MEIZi-li1,2，KONGChui-xue1,2

(1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China; 2.MoAKeyLaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy，Chengdu610041，China)

In the anaerobic digestion of cornstalk, difficult to degrade and special physical properties of the material result in the raw material floating, low decomposition, difficult discharging. In this study, the influence of different particle sizes of corn straw on the crusting characteristics was investigated by batch experiments. Results showed that the particle size had a negative correlation with the gas production potential; and a positive correlation with the total thickness of the fermentation material, the thickness of scum crusting and the thickness of water lost scum; and a positive correlation with the breaking strength. In summary, small-sized corn straw was the optimal choice for anaerobic fermentation.

cornstalk; anaerobic digestion; scum

2017-10-26

項目來源： 國家國際科技合作項目(2011DFA62850)

熊 霞(1985-)，女，四川眉山人，碩士，主要從事農村能源的研究工作，E-mail:448396251@qq.com

施國中，E-mail:brtc666@163.com

S216.4

A

1000-1166(2017)06-0056-06