干物質(zhì)濃度對(duì)玉米秸稈厭氧產(chǎn)氣影響的研究

常帥　趙國(guó)明　邢向欣　孫京　裴海林

摘要：本文綜合分析了干物質(zhì)濃度對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。通過(guò)對(duì)不同干物質(zhì)濃度的優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)， 在干物質(zhì)濃度為8%的料液， 日進(jìn)料量為60g時(shí)，有利于提高秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵;不同濃度;進(jìn)料量

中圖分類號(hào)：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115003

收稿日期：2019-11-15

基金項(xiàng)目：玉米秸稈-畜禽糞便沼氣的產(chǎn)氣規(guī)律研究（項(xiàng)目編號(hào)：20170101078JC）

作者簡(jiǎn)介：常帥（1992-），男，研究生。研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用及農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備;通訊作者趙國(guó)明（1973-），男，研究員，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化處理及資源化利用、生物質(zhì)能技術(shù)。

據(jù)國(guó)家糧油信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)2019年玉米產(chǎn)量約為2.554億t，折算玉米秸稈約為3.06億t（2017年中國(guó)玉米秸稈的利用統(tǒng)計(jì)測(cè)算及成本估測(cè)）[1]。由于農(nóng)耕要占用大量的土地，傳統(tǒng)的處理方式大多為焚燒或者遺棄，造成了環(huán)境污染和能源的浪費(fèi)?，F(xiàn)代的處理方式是將秸桿作為飼料、基肥使用，浪費(fèi)了大量的人力物力，如何提高秸稈的利用效率亟待解決[2-4]。

沼氣發(fā)酵是處理秸稈的主要途徑之一，沼氣不僅能消除環(huán)境問(wèn)題，還能提高秸稈的利用效率[5，6]。影響沼氣發(fā)酵的因素很多，有TS濃度、水解時(shí)間、進(jìn)料量等。TS濃度太高容易出現(xiàn)腐爛變質(zhì)，攪拌困難，濃度太低易出現(xiàn)固液分層現(xiàn)象;水解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成酸的積累增加，易造成酸化現(xiàn)象，水解時(shí)間過(guò)短，秸稈的有機(jī)成分無(wú)法完全分解;進(jìn)料量越大，消化時(shí)間就越長(zhǎng)，不宜于厭氧菌的分解。因此，本研究選取TS濃度、水解時(shí)間、進(jìn)料量3個(gè)因素來(lái)研究秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，以期為玉米秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的發(fā)酵原料為玉米秸稈，取自吉林省乾安縣農(nóng)作物種植基地的農(nóng)田，挑選沒(méi)有發(fā)霉變質(zhì)的秸稈，去除根部后，自然風(fēng)干。將沒(méi)有發(fā)生霉變的秸稈使用粉碎機(jī)粉碎，利用標(biāo)準(zhǔn)篩篩取秸稈粒徑為2mm的秸稈密封于陰涼處保存。菌種為新鮮牛糞連續(xù)發(fā)酵后的產(chǎn)物，為了更好地對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵進(jìn)行研究，對(duì)秸稈的基本性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，詳情見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)不同干物質(zhì)濃度的料液裝料體積的變化及攪拌情況及以往試驗(yàn)分析選取干物質(zhì)濃度為6%、8%、0%的料液作為研究對(duì)象，水解時(shí)間為24h，溫度為35℃。優(yōu)化出最佳干物質(zhì)濃度的料液采用半連續(xù)式進(jìn)料方式，每天進(jìn)料量分別為60g和80g。記錄每天產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的變化。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度的水解pH值的變化

根據(jù)圖1所示，同種玉米秸稈在中溫條件下pH值變化分析：秸稈水解初始，由于干玉米秸稈含水率較低，故大部分秸稈漂浮在水面上方，搖勻后秸稈浸出液呈現(xiàn)不同程度的顏色，隨著濃度的增加，棕黃色由淺變深，pH初始值維持在6.5～7.0之間。3種玉米秸稈干物質(zhì)濃度在0～8h內(nèi)，從圖中可以看出干物質(zhì)濃度為6%和10%產(chǎn)酸效果最為明顯，干物質(zhì)濃度為8%產(chǎn)酸效果較慢，但是pH值均呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，出現(xiàn)這種情況的原因是在中溫條件下，反應(yīng)物內(nèi)分解了大量的產(chǎn)酸菌，加速了有機(jī)酸的迅速累積，而且在水解初期，搖晃瓶子在一定程度上提高了兼性厭氧菌的活性，使兼性厭氧菌能夠利用小分子有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)酸。在8～24h內(nèi)，干物質(zhì)濃度為10%出現(xiàn)上升趨勢(shì)，出現(xiàn)這種情況的原因是蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生大量的氨基酸，氨基酸與水反應(yīng)進(jìn)一步生成氨氣，氨氣與水反應(yīng)呈現(xiàn)堿性，使pH值變大。干物質(zhì)濃度為6%出現(xiàn)先下降后上升，是因?yàn)榧嫘詤捬蹙粔蚧钴S，使得蛋白質(zhì)含量低，分解產(chǎn)生的氨基酸與水反應(yīng)生成的氨氣量不佳，所以增長(zhǎng)比較緩慢。干物質(zhì)濃度為8%一直保持下降趨勢(shì)，產(chǎn)生的主要原因是兼性厭氧菌比較活躍，纖維素含量較高被少量兼性厭氧菌所分泌的胞外酶水解成一部分的葡萄糖，葡萄糖在兼性厭氧菌的作用下進(jìn)一步分解，產(chǎn)生大量的乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性酸，因而產(chǎn)酸效果最佳。

2.2產(chǎn)氣情況分析

通過(guò)圖2、圖3所示，在前9d，每天進(jìn)料量為80g比每天進(jìn)料量為60g的日產(chǎn)氣量略高，日進(jìn)料80g在第5天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，而日進(jìn)料60g在第5天和第13天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，日進(jìn)料60g比日進(jìn)料80g總產(chǎn)氣量高出31%左右。出現(xiàn)這種情況是前期料液中有大量的產(chǎn)甲烷菌，當(dāng)每天進(jìn)入秸稈量比較大時(shí)，產(chǎn)甲烷菌能夠迅速消耗掉大量的有機(jī)酸，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量逐漸減少，料液中的有機(jī)酸含量逐漸升高，

抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，秸稈數(shù)量越多越不容易被消化，所以日進(jìn)料80g產(chǎn)氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日進(jìn)料60g。在第13天日進(jìn)料為60g的秸稈厭氧發(fā)酵又一次達(dá)到了產(chǎn)氣高峰，說(shuō)明產(chǎn)甲烷菌分解的比較好，有機(jī)酸的含量在逐漸的減少，產(chǎn)甲烷菌能夠完全分解有機(jī)酸，產(chǎn)生大量的沼氣。

3結(jié)論

根據(jù)不同濃度的pH值變化，干物質(zhì)濃度為8%比其它2種干物質(zhì)濃度的料液產(chǎn)酸效果好。

厭氧發(fā)酵階段，在干物質(zhì)濃度為8%的料液條件下，日進(jìn)料量為60g比日進(jìn)料量80g的產(chǎn)氣效果好。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家糧油信息中心.國(guó)家糧油信息中心：預(yù)計(jì)2019年我國(guó)玉米產(chǎn)量2.554億噸[EB/OL].中國(guó)糧油信息網(wǎng)，2019-08-09.

[2]常華，李海紅，閆志英.總固體濃度對(duì)豬糞中溫連續(xù)厭氧發(fā)酵的影響[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，35（04）：27-31.

[3]張少朋，陳玉保，肖慶超，張無(wú)敵，尹芳，趙興玲，楊順平，高燕妮，郝亞杰，王昌梅，楊紅.柚子皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)沼氣，2016，34（05）：47-49.

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[6]王晨.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣研究進(jìn)展與前景[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2018，38（11）：43.

（責(zé)任編輯賈燦）