秸稈高效發(fā)酵沼氣新技術(shù)研究

陳薔+趙立偉+蘇亞勛+魏立穎

摘 ? ?要：研究了一種既省時(shí)省力，又節(jié)約成本的高效益的秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)，探討了3種接種物濃度、4種物料配比以及5種發(fā)酵原料對(duì)發(fā)酵效果的影響。結(jié)果表明：接種物的最適含水量為85%;秸稈與接種物的最佳質(zhì)量比例是1∶30;5種發(fā)酵原料中玉米秸稈發(fā)酵效果最好;粉碎秸稈在發(fā)酵前無(wú)需堆漚、調(diào)節(jié)碳氮比等處理，直接與接種物混合均勻即可快速發(fā)酵。

關(guān)鍵詞：秸稈;厭氧發(fā)酵;沼氣;接種物濃度;物料配比

中圖分類號(hào)：216.4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.007

Research on New Technology of High Efficient Biogas Fermentation

CHEN Qiang1，ZHAO Li-wei2，SU Ya-xun2，WEI Li-ying3

（1.Tianjin Green Power and Plant Nutrition Technology Development Company Limited， Tianjin 300300，China;2. Tianjin North Garden Ecological Environmental Engineering Research Institute， Tianjin 300300，China;3. Tianjin Yuan Lin Productivity Promotion Company Limited， Tianjin 300300，China）

Abstract： This paper aims to study both a time-saving and cost-effective straw biogas technology， the main research focus on effect of three kinds of inoculum concentration， four kinds of material ratio and five kinds of fermentation material on the fermentation. The results showed that the optimum moisture content of inoculum was 85%; the best quality straw and inoculum ratio was 1∶30; Among 5 kinds of fermentation feedstock corn stover fermentation was the best; Crushed straw directly mixed with the inoculums can evenly rapid fermentation without retting， carbon and nitrogen ratio adjustment process before fermentation.

Key words： straw; anaerobic fermentation; biogas; inoculum concentration; material ratio

隨著沼氣工程大規(guī)模發(fā)展，原有的沼氣發(fā)酵原料漸顯不足，迫切需要開發(fā)新的原料來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈總量約7億t，除去用于造紙、飼料以及漚肥還田外，還有約3.7億t秸稈可作為能源物質(zhì)加以利用[1]。農(nóng)作物秸稈是一種重要的富含有機(jī)物（80%～90%）的生物質(zhì)能源[2]，具有資源量豐富，來(lái)源方便等特點(diǎn)，利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理秸稈不僅為我國(guó)秸稈的綜合利用開辟了一條重要的途徑，打破了農(nóng)村沼氣建設(shè)對(duì)畜禽養(yǎng)殖的依賴，而且有效地促進(jìn)了農(nóng)村可再生能源發(fā)展的進(jìn)程。這既有助于提高秸稈資源化利用率，又能夠促進(jìn)我國(guó)沼氣事業(yè)的發(fā)展。因此，秸稈發(fā)酵沼氣在中國(guó)新農(nóng)村建設(shè)中有著廣闊的前景[3-4]。

近年來(lái)，秸稈沼氣技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均有研究。世界上沼氣行業(yè)最先進(jìn)的德國(guó)，均采用鮮秸稈進(jìn)行發(fā)酵，而干秸稈的發(fā)酵至今沒(méi)有突破。我國(guó)的傳統(tǒng)秸稈沼氣，雖干、鮮秸稈都有使用，但是為了達(dá)到快速降解的目的，均需對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，常見(jiàn)的預(yù)處理方法包括物理、化學(xué)和生物方法[5-6]。這些方法不僅工藝復(fù)雜而且成本較高，很難推廣。因此，純秸稈的降解一直是國(guó)內(nèi)外難題。

綜上所述，筆者通過(guò)對(duì)比3種接種物濃度、4種物料配比以及5種發(fā)酵原料對(duì)發(fā)酵沼氣效果的影響，最終得到一種既省時(shí)省力，又節(jié)約成本的高效益的秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)，可為純秸稈發(fā)酵技術(shù)在大中型沼氣工程中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 原料和接種物

發(fā)酵原料為玉米秸稈、稻草、花生皮、玉米芯和棉稈等5種發(fā)酵原料，均采自天津市靜?？h，已自然風(fēng)干3個(gè)月。試驗(yàn)前將秸稈利用底部篩網(wǎng)8 mm的錘片式揉搓機(jī)進(jìn)行粉碎處理，粉碎后的玉米秸稈、稻草、花生皮和棉稈呈纖維狀，玉米芯呈顆粒狀。

接種物為河北省青縣正常使用的沼氣池中的沼渣（底泥），顏色呈黑褐色，含水量為85%。根據(jù)試驗(yàn)需要，將此接種物通過(guò)瀝水和加水處理，最終得到含水量分別為80%，85%和90%的3種接種物。

1.2 試驗(yàn)裝置

發(fā)酵裝置主要由水浴恒溫裝置、發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶和管路組成。發(fā)酵瓶由500 mL廣口瓶制成，發(fā)酵瓶口由橡膠塞密封，橡膠塞打孔連接玻璃管，發(fā)酵瓶與集氣瓶之間以膠皮管連接，利用排水法計(jì)量產(chǎn)氣量。將發(fā)酵瓶置于39 ℃水浴恒溫箱中以保持發(fā)酵溫度恒定。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)均在39 ℃條件下開展，采用500 mL廣口瓶作為發(fā)酵容器，利用排水法計(jì)量產(chǎn)氣量，觀察時(shí)間為一周期共計(jì)20 d，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.1 發(fā)酵接種物濃度的優(yōu)選 將含水量分別為80%，85%和90%的3種接種物，與粉碎的玉米秸稈以5 g秸稈拌入200 g接種物的比例混合后，加入發(fā)酵容器進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)。

1.3.2 物料適宜配比的優(yōu)選 沼氣發(fā)酵必須有大量菌種，而且接種物的大小與發(fā)酵產(chǎn)氣有直接的關(guān)系[7]。使用較多的秸稈作為發(fā)酵原料時(shí)，需加大接種物數(shù)量[8]。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在秸稈沼氣工程中，秸稈與接種物的質(zhì)量比一般為1∶20左右時(shí)產(chǎn)氣效果較好，尤其接種物越多發(fā)酵效果越好，因此，本試驗(yàn)選擇4個(gè)梯度物料配比進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，即秸稈與接種物的質(zhì)量比為1∶10、1∶20、1∶30和1∶40。選用粉碎的風(fēng)干玉米秸稈和含水量為85%的接種物以4種不同質(zhì)量配比進(jìn)行混合發(fā)酵試驗(yàn)，具體如表1所示。

1.3.3 不同發(fā)酵原料的對(duì)比發(fā)酵試驗(yàn) 選擇稻草、花生皮、玉米芯、棉稈作為發(fā)酵原料，以玉米秸稈作為對(duì)照，分別對(duì)它們進(jìn)行粉碎處理，然后與含水量為85%的接種物以配比為5 g∶150 g的比例混合后加入容器中進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)。

1.4 測(cè)量參數(shù)

日產(chǎn)氣量：通過(guò)每天測(cè)量集水瓶中自來(lái)水的量，來(lái)間接測(cè)量每個(gè)反應(yīng)裝置中氣體產(chǎn)生的多少，這可用來(lái)反映每天產(chǎn)氣量的變化。

累積產(chǎn)氣量：從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束日（一周期20 d）產(chǎn)氣量的總和。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 不同濃度接種物的發(fā)酵效果

不同含水量的接種物每日和累積產(chǎn)氣量變化如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，利用3種含水量的接種物進(jìn)行發(fā)酵，3種含水量的接種物基本在最初的7 d產(chǎn)氣量較高，此后產(chǎn)氣量逐漸降低，其原因在于秸稈中的易降解有機(jī)物首先快速分解。

從累計(jì)產(chǎn)氣量來(lái)看，3種含水量的接種物中，以85%含水量的接種物產(chǎn)氣量為最高，其平均日產(chǎn)氣量和20 d累積量分別為95.7 mL和1 914 mL，比90%含水量的接種物提高產(chǎn)氣量159%，比80%含水量的接種物提高產(chǎn)氣量322%。分析其原因在于含水量為80%的接種物由于過(guò)干，秸稈很難吸收接種物中的水分而只發(fā)生少量水溶，導(dǎo)致降解受抑制;含水量為90%的接種物，雖然水分含量多，秸稈吸收水分易發(fā)生水溶，但菌群的含量相對(duì)較少，因此秸稈降解緩慢。

2.2 不同物料配比的發(fā)酵效果

不同物料配比總產(chǎn)氣量情況如表2所示，根據(jù)方差分析（表3）可知，各物料配比間產(chǎn)氣量差異顯著。進(jìn)一步進(jìn)行多重比較發(fā)現(xiàn)（表4），5∶100、5∶150和5∶200三種物料配比的產(chǎn)氣量與物料配比為5∶50的產(chǎn)氣量存在極顯著差異，即物料配比為5∶50的產(chǎn)氣量發(fā)酵效果最差，原因是接種物太少，無(wú)法完全降解秸稈產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。5∶100、5∶150和5∶200三種物料配比中，配比為5∶150和5∶200的產(chǎn)氣量顯著高于配比為5∶100的產(chǎn)氣量，考慮節(jié)省成本、菌料少占空間，最終選擇更為經(jīng)濟(jì)的物料配比5∶150，即秸稈與接種物的質(zhì)量比為1∶30。

2.3 不同發(fā)酵原料的發(fā)酵效果

如圖2所示，玉米秸稈、稻草、花生皮、玉米芯和棉稈每日產(chǎn)氣量均基本呈現(xiàn)隨時(shí)間變化逐漸降低的趨勢(shì)。經(jīng)發(fā)酵后的總產(chǎn)氣量差異顯著，以利用玉米秸稈進(jìn)行發(fā)酵的總產(chǎn)氣量為最大，其產(chǎn)氣量為1 993 mL，稻草次之，其他依次為玉米芯、花生皮和棉稈。

3 結(jié) ?論

（1）接種物的最適含水量為85%。操作時(shí)，接種物呈稀泥狀，以不能流動(dòng)為宜。

（2）秸稈與接種物的最適質(zhì)量比例是1∶30。由于這種比例的甲烷菌的菌群數(shù)量多，能快速消化秸稈水溶后的酸性物質(zhì)，所以產(chǎn)氣率比傳統(tǒng)發(fā)酵方式顯著提高。

（3）在不同發(fā)酵原料對(duì)比中，以玉米秸稈產(chǎn)氣量最大，稻草次之，其他依次為玉米芯、花生皮和棉稈。

（4）粉碎秸稈無(wú)需堆漚、無(wú)需調(diào)節(jié)碳氮比、無(wú)需使用堿水等處理，只需與接種物混勻即可進(jìn)行快速發(fā)酵。

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