秸稈糞便混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性

曾李樂 周 飛 袁月祥 閆志英 劉曉風(fēng) 賀蓉娜 廖銀章

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 陜西 西安 710048；2.中國科學(xué)院成都生物研究所 四川 成都 610041）

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

本研究采用10L厭氧發(fā)酵裝置，以玉米秸稈和豬糞進(jìn)行混合發(fā)酵，并以單一玉米秸稈發(fā)酵和單一豬糞發(fā)酵作為對照，研究玉米秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性，為混合原料產(chǎn)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(fā)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(fā)酵富集馴化的發(fā)酵液，TS=6.4%。采用有機玻璃制作的厭氧發(fā)酵罐，容積10L。

1.2 方法

1.2.1 秸稈預(yù)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(fā)酵試驗分為三組，每組兩個厭氧發(fā)酵罐，各罐原料總TS為472g，加入2.4L接種物，發(fā)酵的有效容積為8L，發(fā)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(chǎn)氣量：氣袋法收集并用北京合百意燃?xì)庥嬃勘頊y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(guān)性分析用SPSS考察各組產(chǎn)氣特性和理化性質(zhì)間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 最高日產(chǎn)沼氣量比較

用預(yù)處理過的玉米秸稈、豬糞以及預(yù)處理過玉米秸稈與豬糞混合進(jìn)行批量發(fā)酵產(chǎn)沼氣，在厭氧發(fā)酵過程中，每日定時記錄沼氣產(chǎn)量。各組日產(chǎn)沼氣量如圖1所示，結(jié)果表明：最高日產(chǎn)沼氣量分別在3-4天，單一玉米秸稈組出現(xiàn)在第3天，平均產(chǎn)氣量為7.94L；單一豬糞組出現(xiàn)在第4天，平均產(chǎn)氣量為8.85L；玉米秸稈與豬糞混合試驗組出現(xiàn)在第3天，平均產(chǎn)氣量為11.70L。試驗組最高日產(chǎn)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(chǎn)沼氣量

2.2 產(chǎn)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(zhì)纖維素的緊密交聯(lián)體結(jié)構(gòu)及表面的蠟質(zhì)層阻礙發(fā)酵體系中微生物對原料的代謝利用，導(dǎo)致純秸稈系統(tǒng)中微生物可利用底物受到限制，最終影響該系統(tǒng)沼氣中甲烷含量。

2.3 pH值的變化

圖2 各組pH值的變化

發(fā)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(fā)酵到19-24天達(dá)到一個峰值，分別達(dá)到8.40、8.47和8.55，其中單一秸稈組pH相對較低。

相關(guān)性分析表明混合原料發(fā)酵液的pH與日產(chǎn)沼氣量呈極顯著負(fù)相關(guān)，且相關(guān)度很高。由此可知，pH對混合原料厭氧發(fā)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(chǎn)甲烷細(xì)菌適宜的pH值為6.5-8.5[6]，產(chǎn)甲烷菌對pH值較為敏感：當(dāng)pH值低于6.8時，其活性受到抑制。本研究中豬糞的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時間比其他組晚，此時對應(yīng)的沼液pH值雖然在適宜pH區(qū)間內(nèi)，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(chǎn)甲烷菌需要經(jīng)過一段時間來適應(yīng)，這可能對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生一定的抑制作用。因此，在適宜pH范圍內(nèi)較為穩(wěn)定的pH值對高效的厭氧發(fā)酵是非常重要的。

3 結(jié)論

3.1 秸稈和豬糞混合發(fā)酵可以加快原料降解并可大幅度提高產(chǎn)氣量，玉米秸稈與豬糞混合發(fā)酵試驗組最高日產(chǎn)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(fā)酵可以使厭氧發(fā)酵過程更加穩(wěn)定，厭氧發(fā)酵過程的pH值保持在8左右。

［1］國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計摘要[R].北京：中國統(tǒng)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(zhàn)廣，朱洪光，王彪，等.糞草比對干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xué)院成都生物研究所.沼氣發(fā)酵常規(guī)分析[M].北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1984：17-51.

［6］張全國.沼氣技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：29-42.