玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響因子優(yōu)化

李金懷， 蒲小東， 魏世清， 葉勇衛(wèi)， 黃凌志， 李 勇

(1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

0 引言

【研究意義】中國(guó)農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)資源豐富，主要的農(nóng)作物秸稈有近20種，每年秸稈產(chǎn)量約7億t[1-3]，其中玉米秸稈的產(chǎn)量最大[4]。玉米秸稈資源化利用顯得十分重要，將秸稈轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)熱值的沼氣具有巨大的開發(fā)潛力和利用價(jià)值[5]。開展相關(guān)研究對(duì)資源化利用玉米秸稈具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈干發(fā)酵厭氧消化是有效實(shí)用技術(shù)之一，干發(fā)酵是指發(fā)酵原料的總固體濃度為20%以上[6-7]。農(nóng)作物秸稈的干發(fā)酵是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的微生物代謝過程，目前秸稈粉碎干發(fā)酵對(duì)比試驗(yàn)相對(duì)較少，盛東峰等[8-9]研究玉米秸稈粉碎粒度為0.5～10.0 cm的產(chǎn)氣潛力顯示，玉米秸稈的粉碎程度影響秸稈的發(fā)酵效果和最終產(chǎn)氣量；武少菁[10]開展了玉米秸稈干發(fā)酵接種量、料液濃度、促進(jìn)劑添加量工藝條件研究，魏世清等[11-12]研究了添加微生物菌劑、沼渣堆漚對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，但關(guān)于接種物比例、碳氮比及酸堿度對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣率影響的研究較少?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有研究中同時(shí)研究玉米秸稈干發(fā)酵因子的報(bào)道較少。該研究基于接種物比例、料液pH和碳氮比3個(gè)發(fā)酵影響因素篩選基礎(chǔ)上研究玉米秸稈不同形狀(短稈狀、細(xì)絲狀、粉末狀)處理干發(fā)酵的產(chǎn)氣特性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇玉米秸稈為發(fā)酵原料，采用正交試驗(yàn)研究接種物比例、碳氮比及料液pH等3個(gè)因子對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響；在此基礎(chǔ)上設(shè)置玉米秸稈短稈狀、細(xì)絲狀、粉末狀3種處理，研究不同形狀玉米秸稈對(duì)干發(fā)酵產(chǎn)氣量及甲烷含量的影響，探尋玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，為農(nóng)作物秸稈沼氣干發(fā)酵工程實(shí)施提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 玉米秸稈 采自廣西林業(yè)科學(xué)院附近農(nóng)村，均勻切成2～3 cm的短稈備用，使用粉碎設(shè)備將玉米秸稈粉碎，玉米秸稈用3 mm目篩過篩，細(xì)絲狀、粉末狀分別放置備用。

1.1.2 沼渣 取自廣西林科院附近沼氣工程，玉米秸稈、沼渣理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)材料的理化性質(zhì)

1.1.3 試驗(yàn)裝置 由厭氧發(fā)酵反應(yīng)瓶、簡(jiǎn)易儲(chǔ)氣裝置和簡(jiǎn)易儲(chǔ)水裝置組成(圖1)。

注：A，5 L廣口瓶，自制為厭氧發(fā)酵反應(yīng)瓶；B，5 L廣口瓶，內(nèi)裝飽和食鹽水，為簡(jiǎn)易儲(chǔ)氣裝置；C，2 L量筒，儲(chǔ)存B排出水的體積，該體積記為每天產(chǎn)氣量。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)以日產(chǎn)氣量、甲烷含量為檢測(cè)指標(biāo)，每日17：00記錄各指標(biāo)，室溫下進(jìn)行為期30 d的干發(fā)酵試驗(yàn)。試驗(yàn)期間環(huán)境溫度為24.0～31.5℃，平均溫度為28.0℃。

1) 不同影響因子對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響。試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表2)，選取接種物比例、碳氮比和料液pH 3個(gè)發(fā)酵影響因子，以正常產(chǎn)氣沼氣池的沼渣作為接種物，篩選玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的最佳影響因子組合。其中，接種物比例為質(zhì)量比(即沼渣在玉米秸稈和沼渣總質(zhì)量中所占比例)，添加微生物菌劑，料液pH調(diào)節(jié)采用鹽酸和氫氧化鈉稀釋液調(diào)節(jié)。

表2 玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣L9(34)正交試驗(yàn)的因素與水平

2) 不同形狀粉碎玉米秸稈對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣量及甲烷含量的影響。在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，試驗(yàn)根據(jù)玉米秸稈形狀設(shè)置3個(gè)處理，即玉米秸稈短稈狀、細(xì)絲狀和粉末狀各1個(gè)處理。試驗(yàn)材料添加微生物菌劑，接種物為正常產(chǎn)氣沼氣池的沼渣，比例為質(zhì)量比，同時(shí)加入一定量的尿素調(diào)節(jié)原料碳氮比為25∶1；試驗(yàn)材料堆漚6 d，厭氧發(fā)酵濃度為20%。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo) 在發(fā)酵進(jìn)行30 d時(shí)對(duì)各處理的產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。總固體、揮發(fā)性固體及灰分含量，采用質(zhì)量法測(cè)定；總碳含量采用K2Cr2O7外熱源法測(cè)定；總氮含量，采用凱氏定氮法測(cè)定；pH，精密pH試紙測(cè)定；產(chǎn)氣量，排水法收集沼氣，每天讀取量氣瓶中水的體積；CH4含量，采用GAS-BOARD-3200P 沼氣分析儀測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Spss 21.0和Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因子組合玉米秸稈干發(fā)酵的產(chǎn)氣量

2.1.1 影響因子的最佳組合 從表3看出，各處理玉米秸稈干發(fā)酵的日均產(chǎn)沼氣量為496～900 mL，表現(xiàn)為T4>T5>T6>T8>T2>T9>T7>T1>T3，其中，T4(A2B1C2)，即接種物比例為30%、碳氮比20∶1、料液pH 7.0時(shí)日均產(chǎn)氣量最高；T5(A2B2C3)，即接種物比例為30%、碳氮比25∶1、料液pH 7.5時(shí)日均產(chǎn)氣量其次，為887 mL。從表3和表4可知，各因素對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣日均產(chǎn)氣量的影響為A(接種物比例)>B(碳氮比)>C(料液pH)；接種物比例對(duì)日均產(chǎn)氣量有顯著影響(F接種物比例=37.085，F(xiàn)0.05=19.00，F(xiàn)接種物比例>F0.05)，碳氮比和料液pH對(duì)日均產(chǎn)氣量的影響不顯著(F碳氮比=10.657，F(xiàn)料液pH=5.523，均

表3 玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣L9(34)正交試驗(yàn)的日均產(chǎn)氣量

表4 玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣影響因子L9(34)正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果

2.1.2 各影響因子處理玉米秸稈干發(fā)酵的產(chǎn)沼氣量 從圖2看出，各影響因子對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響存在差異，接種物比例對(duì)日均產(chǎn)氣量的影響最大，碳氮比其次，料液pH次之。

圖2 各因素不同水平處理的沼氣日均產(chǎn)氣量

1) 接種物比例。隨著接種物比例增加，日均產(chǎn)氣量呈先升后降趨勢(shì)，即在接種物比例為30%時(shí)達(dá)最高，接種物比例繼續(xù)增加則日均產(chǎn)氣量反而下降。

2) 碳氮比。碳氮比對(duì)日均產(chǎn)氣量影響不顯著，說明，碳氮比為(20～30)∶1均可啟動(dòng)厭氧發(fā)酵，不會(huì)抑制干發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行，其中，碳氮比為25∶1時(shí)，日均產(chǎn)氣量最高，為900 mL；碳氮比上升至30∶1時(shí)，日均產(chǎn)氣量出現(xiàn)下降。

3) 料液pH。當(dāng)料液pH由6.5升至7.0時(shí)，日均產(chǎn)氣量提高100.1%；料液pH為7.0時(shí)達(dá)日均產(chǎn)氣量最高；料液pH由7.0升至7.5，日均產(chǎn)氣量下降111.8%?？梢?，發(fā)酵料液pH 7.0最適宜微生物復(fù)合菌群生長(zhǎng)。

2.2 不同影響因子組合的產(chǎn)氣特性

從表5看出，T4是秸稈干發(fā)酵條件最好的處理組合，即接種物比例30%、碳氮比為20∶1、料液pH為7.0。其中，總產(chǎn)氣量、日均產(chǎn)氣量、TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率均較其余處理高，分別高3 800～11 710 mL、13～431 mL、0.77～23.72 mL/g和0.84～25.81 mL/g，均呈T4>T5>T6>T8>T2>T9>T7>T1>T3；池容產(chǎn)氣率也較其余處理高0.03～0.08 mL/(mL·d)(除T5外)，呈T4=T5>T6>T8=T2=T9>T7=T1>T3。

表5 不同處理的產(chǎn)氣特性

2.3 不同形狀玉米秸稈干發(fā)酵處理的產(chǎn)氣特性

2.3.1 日產(chǎn)氣量 由圖3看出，在接種物比例為30%、碳氮比25∶1、料液pH 7.0的條件下，短稈狀、細(xì)絲狀和粉末狀玉米秸稈干發(fā)酵日均產(chǎn)氣量均呈下降趨勢(shì)，其日均產(chǎn)氣量分別為1 726 mL、2 132 mL和538 mL，細(xì)絲狀的玉米秸稈整個(gè)過程中表現(xiàn)出較穩(wěn)定的產(chǎn)氣能力。細(xì)絲狀玉米秸稈在前10天日產(chǎn)氣量平均為3 663 mL，第10天之后日產(chǎn)氣量略有下降，維持在2 000 mL以上，第18天日產(chǎn)氣量為1 840 mL，第18～30天日產(chǎn)氣量平均值為1 274 mL。短稈狀的玉米秸稈整個(gè)反應(yīng)過程日產(chǎn)氣能力前18天均在2 000 mL以上，第19天回落，之后與細(xì)絲狀日產(chǎn)氣能力相當(dāng)。粉末狀的玉米秸稈日產(chǎn)氣能力在第3天開始回落，之后逐漸減少，至第25天時(shí)幾乎不產(chǎn)氣。說明粉碎有利于玉米秸稈干發(fā)酵反應(yīng)，可以提高日產(chǎn)氣量。

圖3 不同形狀玉米秸稈干發(fā)酵處理的日產(chǎn)氣量

2.3.2 累積產(chǎn)氣量和甲烷含量 從圖4看出，玉米秸稈3種粉碎程度的累計(jì)產(chǎn)氣量存在差異，各處理累積產(chǎn)氣量為細(xì)絲狀(68 220 mL)>短稈狀(55 245 mL)>粉末狀(17 215 mL)。表明，細(xì)絲狀玉米秸稈累計(jì)產(chǎn)氣量最高，粉狀的累積產(chǎn)氣量最低。第3天時(shí)短稈狀、細(xì)絲狀和粉末狀玉米秸稈處理所產(chǎn)氣體甲烷含量分別為23.5%、18.4%和24.5%，之后短稈狀和細(xì)絲狀處理氣體的甲烷含量呈逐步上升趨勢(shì)，反應(yīng)后期細(xì)絲狀處理氣體的甲烷含量略高于短稈狀處理；二者從處理第7天起甲烷含量明顯高于粉狀秸稈處理。粉狀秸稈處理氣體的甲烷含量只監(jiān)測(cè)到第14天，之后該處理的日產(chǎn)氣量接近零，且未檢測(cè)到氣體中的甲烷成分。

圖4 不同粉碎程度玉米秸稈干發(fā)酵處理的累積產(chǎn)氣量和甲烷含量

3 討論

接種物中含有參與沼氣發(fā)酵每個(gè)環(huán)節(jié)的種類繁多、數(shù)量巨大的微生物菌群。接種物的質(zhì)量、數(shù)量是產(chǎn)沼氣的關(guān)鍵，可能接種物中甲烷菌群抑制纖維素分解菌和木質(zhì)素降解菌的生長(zhǎng)，反而導(dǎo)致日均產(chǎn)氣量的下降[13]。碳源是構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)、繁殖和運(yùn)動(dòng)所需要的能源，氮素是提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)，控制一定的碳氮比，利于沼氣發(fā)酵微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而提高沼氣的產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量。一般沼氣發(fā)酵原料的碳氮比在(13～60)∶1時(shí)均能產(chǎn)氣，其中以(20～30)∶1的發(fā)酵更好；其他范圍內(nèi)也可以發(fā)酵，但產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣速率很低[14]。甲烷菌最適宜的酸堿度(pH)是7.0，然而在沼氣厭氧發(fā)酵的第二階段為產(chǎn)酸階段，生產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌將雙糖和單糖、氨基酸、脂肪酸和甘油分解為乙酸、丙酸等揮發(fā)性酸，因此，pH隨著發(fā)酵進(jìn)程的延長(zhǎng)有所降低[15]。厭氧反應(yīng)前期原料經(jīng)產(chǎn)酸菌分解生成揮發(fā)性脂肪酸(主要是乙酸、丙酸和丁酸)、醇、酮、CO2和H2等。揮發(fā)性脂肪酸既是生成甲烷的前體物，又是抑制產(chǎn)甲烷反應(yīng)主要物質(zhì)[16]，可通過加大接種物比例解決該問題，一是中和部分酸根離子，提高料液pH；二是提高各種微生物數(shù)量，增強(qiáng)分解作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米秸稈沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣存在厭氧消化速率慢、消化率和產(chǎn)氣率低等問題，其中，pH過高或過低對(duì)產(chǎn)氣均有抑制作用；正常沼氣發(fā)酵要求合適的碳氮比，合理接種物的比例不僅決定微生物量及菌種富集的速度，同時(shí)還起到調(diào)節(jié)pH、緩沖酸性環(huán)境的作用。

農(nóng)作物秸稈細(xì)胞非常堅(jiān)實(shí)，細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)高度木質(zhì)化，且細(xì)胞壁構(gòu)成干物質(zhì)的80%。其中，木質(zhì)素作為秸稈細(xì)胞壁的主要成分，構(gòu)成木質(zhì)細(xì)胞壁的15%～30%。其在結(jié)構(gòu)中含有生物化學(xué)上十分穩(wěn)定的各種復(fù)雜結(jié)合形式，難于被一般微生物分解[17]。在使用前常采用切碎、粉碎、磨碎、高溫球磨等[18]方法碎化秸稈，可增加其與厭氧微生物的接觸面積，或通過破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)使之易于消化。但不同粉碎程度對(duì)日產(chǎn)氣量的影響較大。該研究將玉米秸稈粉碎成細(xì)絲狀可破壞其堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，增加微生物與其接觸的面積，有利于厭氧反應(yīng)進(jìn)行；而粉末狀玉米秸稈裝瓶后基質(zhì)縫隙變小，通透性差，易造成局部酸化，不利于厭氧反應(yīng)。熊霞[19]研究表明，玉米秸沼氣發(fā)酵時(shí)，在一定粒度范圍內(nèi)，相同發(fā)酵條件下，粒度越小越有利于提高消化效果，粉碎有利于玉米秸稈干發(fā)酵反應(yīng)，可以提高日產(chǎn)氣量；盛東峰等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈粉碎粒度為0.5～10 cm的產(chǎn)氣潛力最大，粉碎程度能夠影響秸稈的發(fā)酵效果和最終產(chǎn)氣量。該試驗(yàn)中不同粉碎度對(duì)產(chǎn)沼氣性能產(chǎn)生的影響，與前人研究相符。

4 結(jié)論

接種物比例對(duì)干發(fā)酵啟動(dòng)及整個(gè)厭氧反應(yīng)的影響顯著，玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣最優(yōu)工藝參數(shù)組合為反應(yīng)器內(nèi)原料碳氮比為20∶1，反應(yīng)器內(nèi)原料pH 7.0，接種物(沼渣)比例為30%；不同粉碎度對(duì)產(chǎn)沼氣性能的影響存在明顯差異，在接種物比例為30、碳氮比25∶1、料液pH 7.0條件下，細(xì)絲狀玉米秸稈日均產(chǎn)氣量為2 121 mL，累積產(chǎn)氣量為68 220 mL，沼氣甲烷含量高且穩(wěn)定；產(chǎn)氣效果為細(xì)絲狀>短稈狀>粉末狀。