稻草秸秆干发酵产沼气工艺条件的优化

刘思颖，樊婷婷，陈 雄

(湖北工业大学 发酵工程省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430068)

我国是一个农业大国，农作物播种面积居世界第一位。据统计，目前我国秸秆年产量大约为7亿t[1]，若将其作为发酵原料来生产沼气，不仅可以改善农村生态环境，而且能在一定程度上解决农村能源紧缺的问题[2]。

为初步了解并优化秸秆干发酵产沼气的工艺条件，作者在此以稻草秸秆粉为原料，先进行堆沤预处理[3]5 d，再进行干发酵产沼气，通过单因素实验和正交实验对pH值、温度、污泥接种量、含水率等影响因素进行优化，以确定最优工艺条件。

1 实验

1.1 菌种与原料

菌种，自行保藏。

稻草秸秆，采自农村田间，先剪短至5 cm以下，再经粉碎机粉碎成20～40目的粉末，65℃烘干至恒重，备用。

1.2 接种物

接种物来自武汉市市郊的鱼塘污泥，除去其中的杂物后在实验室进行驯化及菌种的富集。

鱼塘污泥中总干物质(TS)含量、挥发性固形物(VS)含量及pH值参照文献[4]测定。结果表明，TS含量为15.36%、VS含量为69.54%、pH值为7.12。

1.3 装置

干发酵装置由一个500 mL抽滤瓶(作发酵反应器)和一个500 mL量筒(作集气瓶)组成。抽滤瓶用橡皮塞封口，抽滤瓶与量筒之间用硅胶管连接，接口处用保鲜膜密封。

1.4 方法

1.4.1 预处理

取100 g稻草秸秆粉加尿素0.5 g、复合菌剂0.2 g及80 mL水，搅拌均匀，收集后堆沤预处理5 d。

1.4.2 干发酵

将预处理后的秸秆与鱼塘污泥混合均匀，置于500 mL的发酵瓶中，在一定温度下采用排水集气法收集沼气[5]。发酵20 d，每日定时测定产气量，计算累积产气量。实验分为4组，分别考察pH值、温度(由恒温水浴锅控制)、污泥接种量(以原料总质量计，下同)及含水率(以原料总质量计，下同)等4个因素对稻草秸秆干发酵产沼气的影响，最后进行正交实验，确定稻草秸秆干发酵的最佳工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 pH值对沼气累积产气量的影响(图1)

图1 pH值对沼气累积产气量的影响

由图1可以看出，随着pH值的增大，沼气累积产气量先增加后减少。当pH值为6时，平均累积产气量为542.7 mL；pH值为7时，平均累积产气量为1062.7 mL；pH值为8时，平均累积产气量为852.3 mL。pH值为7时的沼气累积产气量比pH值为6和pH值为8时分别提高91.3%和21.9%。这说明当发酵培养基呈中性时，更适合菌的生长，从而使酶活提高，促进沼气的产生。

2.2 温度对沼气累积产气量的影响(图2)

图2 温度对沼气累积产气量的影响

由图2可以看出，当发酵温度为37℃时，沼气累积产气量比25℃时高出21.1%；发酵温度为50℃时，累积产气量非常少，几乎只有37℃时的1/3。这可能是由于稻草秸秆发酵所用的菌种属于细菌，其最适生长温度为37℃左右的缘故[6]。

2.3 污泥接种量对沼气累积产气量的影响(图3)

图3 污泥接种量对沼气累积产气量的影响

由图3可以看出，当污泥接种量为30%时，沼气累积产气量分别比20%、45%时高出约160%、52%。这是因为，污泥中含有丰富的甲烷菌群，当接种少量污泥(20%)于固体培养基时，秸秆粉得不到充分发酵，从而使产气量偏低；但接种过多污泥于固体培养基时，污泥中的甲烷菌群可抑制纤维素降解菌和木质素降解菌的生长，反而导致累积产气量的下降。因此，初步确定适宜的污泥接种量为30%，这与大多数报道的结果相一致[7]。

2.4 含水率对沼气累积产气量的影响(图4)

图4 含水率对沼气累积产气量的影响

由图4可以看出，当固体培养基含水率为80%时，沼气平均累积产气量(1260 mL)分别比含水率为60%(900 mL)、100%(1055 mL)时高出40.0%、19.4%。

2.5 L9(34)正交实验

基于单因素实验结果，以pH值、温度、污泥接种量、含水率为考察因素，以累积产气量为考核指标，进行4因素3水平正交实验，其结果与分析见表1，方差分析见表2。

表1 L9(34)正交实验结果与分析

表2 正交实验方差分析

由表1、表2可知，各因素对稻草秸秆干发酵产沼气的影响大小依次为：含水率>污泥接种量>温度>pH值。含水率对稻草秸秆干发酵产沼气的影响最为显著，其次是污泥接种量、温度、pH值。优化方案为A3B1C3D2，即pH值为7.5、温度为33℃、污泥接种量为35%、含水率为80%时，稻草秸秆干发酵产沼气的效果最好，100 g稻草秸秆粉干发酵20 d的累积产气量达到1250 mL。

2.6 发酵前后原料中木质纤维素含量的变化

用于秸秆预处理的复合菌剂由纤维素降解菌和木质素降解菌组成，该菌剂可以加快秸秆腐熟，使秸秆的内部结构发生变化，使之柔软、疏松，缩短了秸秆产沼气的启动时间，提高了产气量[8]。采用范氏测定纤维素含量法[9]测定秸秆中木质纤维素的含量，结果见表3。

表3 发酵前后木质纤维素的含量/%

由表3可知，预处理5 d后，纤维素降解率为38.0%、木质素降解率为32.0%、半纤维素降解率为31.1%，平均降解率为33.7%；发酵20 d后，沼渣纤维素降解率为48.0%、木质素降解率为40.0%、半纤维素降解率为39.5%，平均降解率为42.5%。这说明大分子物质的降解主要是在好氧的条件下进行，同时也验证了木质素这类较难降解的大分子物质在厌氧条件下也可以被降解。

3 结论

通过单因素实验和正交实验，确定稻草秸秆干发酵产沼气的最优工艺条件如下：pH值7.5、温度33℃、污泥接种量35%、含水率80%，在此条件下，100 g稻草秸秆粉干发酵20 d的累积产气量达到1250 mL。

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