農(nóng)村混合原料沼氣發(fā)酵新技術(shù)研究

邱建明，呂 兵

（重慶浩力環(huán)境影響評價有限公司，重慶 400015）

沼氣發(fā)酵（Biogas ferment），是指各種有機物在厭氧條件下，經(jīng)過多種沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終生成沼氣的過程［1－3］。把這一技術(shù)過程應(yīng)用于廣大農(nóng)村，不僅能有效地處理和利用多種有機廢棄物，保護生態(tài)環(huán)境，而且還能從中獲取沼氣、沼渣和沼液（簡稱“三沼”），若再通過綜合利用，所獲取的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益相當顯著［3－5］。

我國農(nóng)村的沼氣資源相當豐富，廣大農(nóng)民主要采用混合原料（農(nóng)作物秸稈、青雜草、人畜糞便、污泥、污水等）進行沼氣發(fā)酵。但在自然溫度條件下，采用混合原料發(fā)酵的池容產(chǎn)氣率，料容產(chǎn)氣率及原料產(chǎn)氣率，僅能達到0.1～0.15 m3／（m3·d）、0.18 m3／（m3·d）和0.2 m3／（kg·TS）左右［5］。由于產(chǎn)氣率偏低，在一定程度上影響了沼氣建設(shè)的發(fā)展速度和綜合效益的發(fā)揮。據(jù)了解，上述這種情況在我國廣大農(nóng)村普遍存在［3］。究其原因，一是普遍采用比重比水小的混合原料；二是投料盲目，一般不進行科學(xué)配料，更談不上糞草比、碳氮比、接種物的量化和原料預(yù)處理等，致使沼氣池內(nèi)浮渣結(jié)殼嚴重，料液分布不勻，既不能按照工藝設(shè)計的基質(zhì)濃度進行發(fā)酵，也不能充分保證全部入池原料應(yīng)有的滯留時間；三是目前推廣的中國水壓式沼氣池型結(jié)構(gòu)“先天不足”，僅有一層頂蓋，缺乏壓料設(shè)施，原料自然上浮結(jié)殼嚴重。而沼氣池中的產(chǎn)甲烷菌主要分布在中下部，與上部的浮渣原料接觸面減小，大量纖維素物質(zhì)難以徹底分解，因而產(chǎn)氣系數(shù)小，干物質(zhì)殘留量大；四是隨著沼氣發(fā)酵時間的延長，發(fā)酵原料中氮元素大量消耗，導(dǎo)致沼氣池內(nèi)發(fā)酵原料的C／N比失調(diào)，影響了發(fā)酵的正常進行［4，6］。具體如何解決上述問題，目前的相關(guān)研究報道甚為缺乏。為了進一步提高農(nóng)村沼氣發(fā)酵的技術(shù)水平和效益，我們開展了“農(nóng)村混合原料沼氣發(fā)酵新技術(shù)研究”［6－8］。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 發(fā)酵裝置

采用5 000mL小口玻璃瓶為發(fā)酵瓶，每個發(fā)酵瓶用Ф6 mm橡膠軟管與一套配有計氣尺的貯氣金屬活動浮罩相連接［6］，如圖1。

圖1 沼氣發(fā)酵裝置示意圖

1.1.2 藥品用具

33%KOH溶液、10%HCl溶液、10%NaOH溶液、飽和食鹽水、蒸餾水、廣泛p H試紙（上海試劑三廠）、最高最低溫度計（上海醫(yī)用儀表廠）、1mL醫(yī)用注射器、酒精燈、玻璃棒、沼氣氣樣采集瓶、石蠟。

1.1.3 接種物（菌種）

選用沼氣池底部污泥為接種物（即混合菌種）。

1.1.4 發(fā)酵原料種類及配比

采用鮮豬糞、牛糞、人糞，青雜草為發(fā)酵原料，總固體質(zhì)量濃度比（TS%）為6%，C／N質(zhì)量比為25∶1，糞草質(zhì)量比為2∶1，裝料容積80%，即料液量為4 000 mL，詳見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

針對目前農(nóng)村在沼氣發(fā)酵技術(shù)上存在的問題，選用L9（34）正交設(shè)計法［9］，開展了對沼氣發(fā)酵具有重要影響的原料預(yù)處理、浮渣壓沉、碳氮比（C／N）、接種物（混合菌種）［8］4個因子的綜合效應(yīng)研究。試驗設(shè)計見表2。

表1 原料配比及相關(guān)參數(shù)

表2 L9（34）正交試驗設(shè)計

續(xù)表2

1.2.2 試驗步驟

按照表1及表2設(shè)計，首先進行備料；然后對發(fā)酵原料中的稻草、青雜草進行切碎、接種、堆漚等預(yù)處理。稻草、青雜草采用不切碎、切碎為10cm、切碎為15～20 cm 3種處理；接種堆漚要求將秸稈軟化、體積縮小、呈淺黃色時裝料；緊接著對發(fā)酵瓶中的原料進行不同的壓沉處理；最后分別補足水份至4 000mL，調(diào)節(jié)p H值至中性后封瓶啟動。

1.2.3 測試項目與方法

（1）發(fā)酵料液p H值：盒式酸度計或p H試紙法，每半月測定1次；

（2）發(fā)酵溫度：最高最低溫度計測定，并同時測定室內(nèi)溫度，從中獲取料液發(fā)酵溫度參照值；

（3）原料利用率：按沼氣發(fā)酵常規(guī)烘干法測定原料總固體質(zhì)量濃度（TS%）及原料利用率［10］；

（4）沼氣日產(chǎn)量：采用與發(fā)酵裝置相匹配的金屬活動浮罩計量尺測定，每天1次；

（5）氣質(zhì)分析：采用色譜法（重慶環(huán)境科學(xué)研究院）和KOH溶液吸收法測定［11］；

（6）結(jié)果分析：采用DPS3.01專業(yè)版新復(fù)極差法進行正交試驗方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 本試驗采用的沼氣發(fā)酵溫度為常溫（自然溫度）發(fā)酵

本試驗共90 d。采用常溫（自然溫度）發(fā)酵，發(fā)酵溫度隨氣溫的變化而變化的測定結(jié)果是：在試驗期間的最高氣溫為36.50℃，日均最高氣溫為28.17℃；最低氣溫為21.1℃，日均最低氣溫為24.84℃。試驗期間的日均氣溫為26.51℃，這與目前農(nóng)村沼氣發(fā)酵溫度變化趨勢一致。

2.2 本試驗獲取的最佳組合對混合原料沼氣發(fā)酵的效果

在發(fā)酵溫度、原料總量、原料配比、料液p H值等都相同的條件下，各處理的原料利用率、產(chǎn)氣率、產(chǎn)沼氣量及甲烷含量見表3、表4、表5。

表3 L9（34）正交試驗設(shè)計及結(jié)果計算

續(xù)表3

表4 各處理發(fā)酵后的原料剩余量及原料利用率

表5 各處理產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣率及甲烷含量

從以上各表、圖的結(jié)果可以看出，各試驗因子的主次關(guān)系如下：（A）秸稈切碎為＜10 cm；（B）原料壓至底部；（C）添加氮素0.03%；（D）接種量為20%，其關(guān)系為A＞B＞C＞D。

2.2.1 采用混合原料沼氣發(fā)酵最佳組合的原料利用率明顯增加

發(fā)酵結(jié)束，采用沼氣發(fā)酵常規(guī)烘干法測得混合原料發(fā)酵后的剩余量及原料利用率見表6。

表6 各處理原料利用率新復(fù)極差法分析結(jié)果

從表6可以看出：采用最佳的第7組合的原料利用率平均值達到69.87%，與其他8個組合的原料利用率平均值59.84%相比，提高了16.76%；總產(chǎn)氣量平均值為85 699.9mL，與其他8個組合的總產(chǎn)氣量的平均值55 480.96mL相比，提高了54.47%，差異達到極顯著水平。

2.2.2 采用沼氣發(fā)酵最佳組合的日平均產(chǎn)氣量顯著提高

各試驗組合日平均產(chǎn)氣量均值的方差分析見表7。

表7 各組合日平均產(chǎn)氣量均值的新復(fù)極差法分析結(jié)果

從表7可以看出：采用最佳的第7實驗組合的日均產(chǎn)氣量平均值達到952.22mL與其他8個組合的日均產(chǎn)氣量的平均值616.46mL相比提高了54.47%，差異達到極顯著水平。

2.2.3 采用沼氣發(fā)酵最佳組合的甲烷含量增加顯著

各處理甲烷含量方差分析見表8。

表8 各處理甲烷含量新復(fù)極差法分析結(jié)果

從表8可以看出，第7實驗組合的甲烷體積分數(shù)平均值為72.2%，與其他8個組合的甲烷體積分數(shù)的平均值63.28% 相比提高14.10%，差異達到極顯著水平。這與重慶環(huán)境科學(xué)研究院氣相色譜儀測得的甲烷含量結(jié)果基本一致。

3 討論與結(jié)論

3.1 預(yù)處理對提高混合原料利用率、產(chǎn)沼氣量及甲烷含量的方法及效果

現(xiàn)階段在農(nóng)村推廣使用的水壓式沼氣池型無法消除原料上浮結(jié)殼的現(xiàn)象，即使采用近年來研究形成的沼氣發(fā)酵工藝也沒有從根本上解決這一難題。本試驗獲取的第7最佳效應(yīng)組合是：將秸稈切碎為＜10 cm、原料接種混合堆漚預(yù)處理比不進行預(yù)處理的效果好。原因是秸稈類原料通過預(yù)處理后，其蠟質(zhì)層破損、纖維軟化、體積縮小、比重加大、上浮結(jié)殼量減少、腐熟分解較充分。因此，原料利用率、沼氣產(chǎn)量及甲烷含量相應(yīng)提高。由此說明，發(fā)酵原料特別是秸稈類原料是否進行切碎、堆漚預(yù)處理，對混合原料的產(chǎn)氣量具有很大的影響。若要解決農(nóng)村混合原料沼氣發(fā)酵浮渣結(jié)殼嚴重、原料利用率及產(chǎn)沼氣量偏低等現(xiàn)實問題，在沼氣池投料前對秸稈類原料進行必要的預(yù)處理，然后與畜禽糞便、接種混合、堆漚，是一項提高沼氣產(chǎn)量及甲烷含量的有效技術(shù)措施［2，7，8，12］。

3.2 壓沉處理對混合原料上浮結(jié)殼的控制方法及效果

現(xiàn)階段在農(nóng)村推廣的水壓式沼氣池只有一層頂蓋，缺乏壓料設(shè)施，即使對秸稈類原料進行了預(yù)處理也無法避免浮渣結(jié)殼的產(chǎn)生，因而原料利用率及產(chǎn)沼氣量偏低［1，6］。本試驗第7組合將原料壓沉至發(fā)酵瓶底部，料液分層現(xiàn)象不明顯，液面無浮渣結(jié)殼產(chǎn)生，發(fā)酵啟動速度比秸稈沒有切碎的處理提前了2 d，其原料利用率、產(chǎn)沼氣量比不采用壓沉處理的其他8個組合都高。原因是產(chǎn)甲烷菌是一種嚴格厭氧菌，主要分布在沼氣池的中下部，將原料壓沉至發(fā)酵瓶底部，有效地增加了發(fā)酵原料與發(fā)酵瓶中下部產(chǎn)甲烷菌的接觸面，既能有效地消除發(fā)酵原料上浮結(jié)殼的現(xiàn)象，又能提高原料的分解利用率和產(chǎn)氣率。

3.3 添加氮素量對混合原料沼氣發(fā)酵C／N比調(diào)控的方法及效果

據(jù)有關(guān)研究表明［7－8］，沼氣發(fā)酵原料的 C／N 應(yīng)控制在（20～30）：1的范圍，但以25：1為宜。但是，無論C／N比控制在何種范圍，隨著發(fā)酵時間的增加，富含氮素的人畜糞便等發(fā)酵原料比富含碳素的秸稈類原料分解速度快，往往造成發(fā)酵料液的C／N比失調(diào)，碳素量相對較多，而氮素量相對較少，嚴重地影響了沼氣發(fā)酵的正常進行。因此，適量添加氮素有利于調(diào)整發(fā)酵料液的C／N比，進而提高發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣量。本試驗采用0.01%、0.03%、0.05%3種添加氮素量的試驗結(jié)果證明，添加氮素量為0.03%的第7試驗組合，對提高混合原料利用率、產(chǎn)沼氣量比其他8個試驗組合的效果好。從成本上來看，按添加氮素量為0.03% 計算，每立方米料液僅需添加氮素0.3 kg。若以1個有效池容為10 m3的沼氣池，料液量為85% （即8.5 m3）計，年產(chǎn)沼氣400 m3計算，僅需添加氮素量2.55 kg，產(chǎn)氣量即可提高12.67%，增加沼氣量60.68 m3。按尿素現(xiàn)行價1.70元／kg計，其投入成本不足5元。而所增加的沼氣量按單價0.8元／m3計，約增加48.5元左右。由此說明，僅采用添加氮素一項技術(shù)措施就能獲取比較顯著的經(jīng)濟效益。

3.4 接種量（厭氧活性污泥）對提高混合原料產(chǎn)氣速度和產(chǎn)沼氣量的效果

據(jù)相關(guān)研究報道［7］，沼氣發(fā)酵接種物應(yīng)控制在10%～30% 范圍。但在沼氣建設(shè)過程中，有的地方特別在少數(shù)民族地區(qū)，建了沼氣池的農(nóng)民在投料時對接種物種類的選擇及用量的重要性認識不足，有的很少添加甚至不添加接種物，難以保證沼氣發(fā)酵的正常進行。因此，有必要對沼氣發(fā)酵接種物進行量化研究。本試驗結(jié)果是：沼氣發(fā)酵接種物（厭氧活性污泥）相同而接種量不同，其原料利用率及產(chǎn)沼氣量也不同。由此說明，適當?shù)慕臃N量對提高混合原料利用率及產(chǎn)沼氣量具有一定作用，但其接種量并非越大越好，也不是越小越好。

3.5 本試驗獲取的最佳效應(yīng)組合及技術(shù)思路

通過上述4個供試因子的綜合效應(yīng)研究，獲取的最佳效應(yīng)組合及其方差分析結(jié)果說明，采用L9（34）正交設(shè)計法，對影響沼氣發(fā)酵的原料預(yù)處理、浮渣壓沉、C／N比、接種量等4個因子，開展“農(nóng)村混合原料沼氣發(fā)酵新技術(shù)研究”的效果比較顯著。其最佳效應(yīng)組合及作用程度依次為：原料切碎＜10 cm（池內(nèi)接種堆漚）—原料壓沉至底部—添加氮素0.03%—接種量20%。該組合的平均原料利用率、產(chǎn)沼氣量、甲烷含量分別達到63.67%、85 699.90mL和67.53%，比其他8個組合（對照）的平均值分別提高18.7%、95.1%和10.50%。

筆者認為，這一研究結(jié)果的技術(shù)性和實用性都比較強，在生產(chǎn)上進行示范應(yīng)用，對于改進農(nóng)村沼氣發(fā)酵技術(shù)特別是水壓式沼氣池型結(jié)構(gòu)的發(fā)酵技術(shù)、提高沼氣池綜合效益具有重要的指導(dǎo)意義。就此提出的技術(shù)思路是：在研究沼氣發(fā)酵技術(shù)的同時，應(yīng)當對現(xiàn)階段在農(nóng)村推廣的水壓式沼氣池型結(jié)構(gòu)進行改進和完善，如增加壓料和攪拌等設(shè)施，做到發(fā)酵裝置（沼氣池）與發(fā)酵工藝相配套，才能最大限度地發(fā)揮所建沼氣池的綜合效益。

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