秸秆粪便混合厌氧发酵产沼气特性

曾李乐 周 飞 袁月祥 闫志英 刘晓风 贺蓉娜 廖银章

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 陕西 西安 710048；2.中国科学院成都生物研究所 四川 成都 610041）

中国作为农业大国每年都产生多达7.2亿吨秸秆，许多被丢弃、直接焚烧；畜禽粪便年产生量也达20.1亿吨[1]，许多未经处理排放，造成了严重的环境污染问题。利用厌氧发酵技术将有机废弃物转化为沼气，对于获取新型能源和控制农村面源污染都有积极意义。随着经济发展，畜禽养殖已由过去的农户分散养殖过渡为集中养殖，可能造成部分户用发酵原料短缺；而秸秆存在一定季节性、降解率低、易出现漂浮分层结壳等问题，使纯秸秆发酵较难被接受[2]。故沼气发酵原料是亟待解决的问题。而将粪便秸秆混合发酵可以有效地弥补单一原料发酵的弊端，同时还可解决沼气原料短缺的问题。刘战广等[3]研究了猪粪与稻秆的混合发酵，发现调节粪草比可以从原料转化速率方面提高发酵效率。Xie等[4]研究了不同猪粪青贮饲料的配比厌氧发酵，结果表明当猪粪与青储饲料的挥发性总固体的比例为1：1时产气量最大。有关秸秆粪便混合厌氧发酵与产气效果、发酵中pH关系的研究广受关注。

本研究采用10L厌氧发酵装置，以玉米秸秆和猪粪进行混合发酵，并以单一玉米秸秆发酵和单一猪粪发酵作为对照，研究玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气特性，为混合原料产沼气及实际工程运用提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 材料试验装置

玉米秸秆总固体含量（Total Solids，TS）：90.8%，挥发性固体含量（Volatile Solids，VS）：79.6%。猪粪（TS：24.5%、VS：18.2%）。接种物为本实验室中温厌氧发酵富集驯化的发酵液，TS=6.4%。采用有机玻璃制作的厌氧发酵罐，容积10L。

1.2 方法

1.2.1 秸秆预处理

玉米秸秆粉碎后加入0.5%的菌剂，加水拌匀使含水率为65%；堆沤6天后加入2%NaOH，并加水使含水80%，拌匀后室温放置4天。

1.2.2 试验方法

发酵试验分为三组，每组两个厌氧发酵罐，各罐原料总TS为472g，加入2.4L接种物，发酵的有效容积为8L，发酵温度35℃。

1.2.3 测定方法

1）TS：105±5℃的烘箱中烘至恒重；VS：600±5℃马弗炉中烧至恒重[5]。

2）产气量：气袋法收集并用北京合百意燃气计量表测量。3）气体成分：安捷伦7890A气相色谱测定。

1.2.4 分析方法

相关性分析用SPSS考察各组产气特性和理化性质间的关系。

2 结果与讨论

2.1 最高日产沼气量比较

用预处理过的玉米秸秆、猪粪以及预处理过玉米秸秆与猪粪混合进行批量发酵产沼气，在厌氧发酵过程中，每日定时记录沼气产量。各组日产沼气量如图1所示，结果表明：最高日产沼气量分别在3-4天，单一玉米秸秆组出现在第3天，平均产气量为7.94L；单一猪粪组出现在第4天，平均产气量为8.85L；玉米秸秆与猪粪混合试验组出现在第3天，平均产气量为11.70L。试验组最高日产沼气量最高，分别比单一玉米秸秆组和单一猪粪组高47.36%和32.22%。

图1 各组日产沼气量

2.2 产生沼气中甲烷含量

实验初期，各组甲烷含量均在50%以下，随着时间的推移而逐渐升高；到第10天，各组的甲烷含量均超过60%。从第10天以后，含粪便的两组的甲烷含量上升速度有明显提高，单一玉米秸秆组的甲烷含量总体上低于另外两组。秸秆木质纤维素的紧密交联体结构及表面的蜡质层阻碍发酵体系中微生物对原料的代谢利用，导致纯秸秆系统中微生物可利用底物受到限制，最终影响该系统沼气中甲烷含量。

2.3 pH值的变化

图2 各组pH值的变化

发酵过程中各组pH值的变化如图所示。试验初期，含有玉米秸秆的两组的pH值均有小幅降低，随后各组pH值均呈上升趋势，在发酵到19-24天达到一个峰值，分别达到8.40、8.47和8.55，其中单一秸秆组pH相对较低。

相关性分析表明混合原料发酵液的pH与日产沼气量呈极显著负相关，且相关度很高。由此可知，pH对混合原料厌氧发酵性能有较大的影响。适宜的pH是沼气微生物生长的必要条件，沼气池中产甲烷细菌适宜的pH值为6.5-8.5[6]，产甲烷菌对pH值较为敏感：当pH值低于6.8时，其活性受到抑制。本研究中猪粪的产气高峰出现的时间比其他组晚，此时对应的沼液pH值虽然在适宜pH区间内，但也或高或低与其他两组有一定差距，且整体看来其pH变化速率是最快的，而对于较快的pH变化速率，产甲烷菌需要经过一段时间来适应，这可能对产甲烷菌活性产生一定的抑制作用。因此，在适宜pH范围内较为稳定的pH值对高效的厌氧发酵是非常重要的。

3 结论

3.1 秸秆和猪粪混合发酵可以加快原料降解并可大幅度提高产气量，玉米秸秆与猪粪混合发酵试验组最高日产沼气量分别比单一玉米秸组和单一猪粪组高47.36%和32.22%。

3.2 混合发酵可以使厌氧发酵过程更加稳定，厌氧发酵过程的pH值保持在8左右。

［1］国家统计局.中国统计摘要[R].北京：中国统计出版社，2006.

［2］熊承永，李健，黄利宏.户用沼气池秸秆利用浅析[J].可再生能源，2003（3）：44-45.

［3］刘战广，朱洪光，王彪，等.粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响[J].农业工程学报，2009（4）：196-200.

［4］Xie S， Lawlor P G， Frost J P， et al.Effect of pig manure to grass silage ratio on methane production in batch anaerobic co-digestion of concentrated pig manure and grass silage[J].Bioresource Technology，2011，102（10）：5728-5733.

［5］中国科学院成都生物研究所.沼气发酵常规分析[M].北京：北京科学技术出版社，1984：17-51.

［6］张全国.沼气技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005：29-42.