玉米芯發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究

葉節(jié)連，蘇有勇，張京景，陳 飛

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

目前，我國玉米種植面積已占我國糧食種植面積的26%，約占世界玉米種植面積的18%；我國玉米產(chǎn)量占我國糧食產(chǎn)量的30%，約占世界玉米產(chǎn)量的20%[1]。在玉米的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的玉米芯，雖然有報(bào)道將玉米芯微波輻射水解制木糖、生物發(fā)酵制氫、水解液發(fā)酵制木糖醇[2]、玉米芯栽培平菇[3]，但玉米芯的利用率仍然較低。將玉米芯進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，為處理玉米芯提供了一條可行的途徑[4，5]。

我國農(nóng)業(yè)當(dāng)前正處在有效利用新能源時(shí)期，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展越來越受到資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化的制約，沼氣作為再生清潔能源可以解決農(nóng)村能源、環(huán)境、畜牧發(fā)展及農(nóng)民增收的問題，在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中占有舉足輕重的地位[6]。

作者在此以玉米芯為原料，用自制的小型水壓式厭氧發(fā)酵裝置研究玉米芯發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，為玉米芯厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工程化、產(chǎn)業(yè)化提供了理論依據(jù)[7]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

玉米芯：新鮮玉米芯購于昆明市農(nóng)貿(mào)市場，粉碎至粒徑1～2 cm，置于恒溫干燥箱中烘10 h。

接種物：取自本實(shí)驗(yàn)室豬糞正常沼氣發(fā)酵后的活性污泥。

1.2 裝置

自制的1000 mL水壓式厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示。

圖1 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 方法

1.3.1 發(fā)酵料液的配制

實(shí)驗(yàn)組：240 mL接種物+16 g玉米芯+沼液=800 mL，設(shè)置3個平行。

對照組：240 mL接種物+沼液=800 mL，設(shè)置3個平行。

1.3.2 分析檢測

總固體含量(TS)：(105±5)℃的恒溫箱中烘至恒重，按常規(guī)分析法測定玉米芯、接種物、發(fā)酵前后料液的TS。

揮發(fā)性固體含量(VS)：(550±20)℃馬弗爐中灼燒至恒重，按常規(guī)分析法測定玉米芯、接種物、發(fā)酵前后料液的VS。

pH值：采用精密pH試紙測定接種物、發(fā)酵前后料液的pH值。

產(chǎn)氣量：采用水壓式法收集沼氣，從實(shí)驗(yàn)啟動的第2 d起，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣量。根據(jù)沼氣燃燒時(shí)的火焰顏色，采用火焰顏色光譜法[8]確定氣體中甲烷的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 固含量及pH值變化

采用常規(guī)分析法測定玉米芯的TS為93.70%、VS為97.85%，接種物的TS為9.86%、VS為61.28%。

采用精密pH試紙測定接種物的pH值為7.5。

發(fā)酵前后料液的TS、VS和pH值變化見表1。

表1 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值

由表1可以看出，玉米芯的TS降解率為40.90%、VS降解率為19.82%。

2.2 產(chǎn)氣量變化

以玉米芯為原料，在室溫(14～23℃)下厭氧發(fā)酵49 d，日產(chǎn)氣量的變化如圖2所示。

圖2 玉米芯發(fā)酵產(chǎn)沼氣曲線

由圖2可以看出，前20 d的日均產(chǎn)氣量基本保持在50 mL左右，且點(diǎn)不著火，說明這段時(shí)間產(chǎn)的沼氣主要以二氧化碳為主；21～40 d，沼氣產(chǎn)量達(dá)到高峰，產(chǎn)生的沼氣燃燒時(shí)呈淡藍(lán)色火焰。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，沼氣產(chǎn)量受溫度的影響比較顯著，而室溫狀態(tài)(14～23℃)的溫度變化較大，當(dāng)溫度低于17℃時(shí)，甲烷菌活性降低，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量降低。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)組和對照組的總產(chǎn)氣量分別為4105 mL、90 mL，玉米芯的凈產(chǎn)氣量為4015 mL。由此可計(jì)算得到玉米芯發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力為335 mL·(gTS)-1或342 mL·(gVS)-1。

3 結(jié)論

在室溫條件下，以玉米芯為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣潛力為335 mL·(gTS)-1或342 mL·(gVS)-1。表明玉米芯是一種良好的發(fā)酵產(chǎn)沼氣原料，采用批量發(fā)酵的方式可實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)氣。為玉米芯發(fā)酵產(chǎn)沼氣的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[1] 白人樸.我國玉米生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)入了快速發(fā)展期[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2008，(7)：6-7.

[2] 張飛偉，蘇艷秋，黃敏，等.利用玉米芯水解液發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，45(2)：451-454.

[3] 曹麗萍.玉米芯栽培平菇技術(shù)[J].中國農(nóng)村小康科技，2008，(4)：43-44.

[4] 何榮玉，閆志英，劉曉風(fēng)，等.秸稈干發(fā)酵沼氣增產(chǎn)研究[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2007，13(4)：583-585.

[5] 朱海春，張建萍，張無敵，等.香蕉皮干發(fā)酵試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008，(14)：21-22.

[6] 李權(quán)，陳小平.發(fā)展農(nóng)村再生清潔能源沼氣生產(chǎn)促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，32(3)：60-62.

[7] 邊義，劉慶玉，李金洋.玉米秸稈干發(fā)酵制取沼氣的試驗(yàn)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(3)：440-442.

[8] 江蘊(yùn)華，余曉華.利用火焰顏色判斷沼氣中甲烷含量[J].中國沼氣，1984，2(3)：28.