农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术初探

张笑妹 王思明 杨宁

摘 要 秸秆是一种可再生资源，但是秸秆的难降解性与复杂的木质纤维素结构减少了对秸秆的应用，因此，对秸秆进行预处理是非常有必要的。

关键词 秸秆；厌氧发酵；沼气

中图分类号：X712；S216.4 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）36--02

随着环境的恶化程度越来越高，能源也越来越匮乏，利用农业废弃物再生资源是全世界都在研究的课题，沼气则是再生资源的一类，它为人类做出了巨大的贡献。发酵停留时间、启动性能、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、沼气产量的转化率与发酵底物浓度有关。目前，农业秸秆湿干两级厌氧发酵技术[1]中湿发酵的总固体浓度大约在10%以下，而干发酵总固体浓度大约在15%～35%。通常情况下，农业秸秆湿干两级厌氧发酵技术中湿发酵不仅传质相对均匀，而且具有十分良好的启动性。干式发酵启动性能尽管比不上湿法发酵，但是它的单位容积产气率较高，且无大量沼液排放。2种发酵方法各具优势。如果能将干法与湿法联合起来发酵沼气，其效果会更好，实验步骤如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料

目前，我国农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术主要运用厌氧活性污泥此类物质作为厌氧发酵的主要接种物。其关键环节是通过对常见的污水处理工厂的污泥经过离心加工处理之后，就能够得到厌氧发酵制沼气的污泥原料，其总固体（TS）为12，97%，挥发性固体（VS）为35.76%。实验的底物主要是风干的玉米秸秆，其总固体（TS）为81.69%，挥发性固体（VS）为88.39%。将玉米秸秆切碎备用。

1.2 实验方法

农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气实验过程主要分为湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵两级主要的发酵实验方式。在具体的发酵实验过程中，要通过发酵物的详细比例配置，使配置比例达到相关的实验标准，如湿式发酵底物作为实验的第一级主要发酵物要与第二级发酵物——干式厌氧发酵的比例控制在2∶1，然后將配置好的混合物置于发酵盒中，随后可以利用农业秸秆湿干两级厌氧发酵原理将农作物秸秆总固体（TS）的浓度配合比控制到4%左右，将其置于100 mL容积的厌氧发酵盒中，在其过程中要控制好混合物的酸碱平衡值，可以采用碱性溶液将pH值调至7.5，随后采用80%氮气与20%二氧化碳混合气，曝气5 min，再用铝制封口与橡胶塞密封，将密封物放置于37 ℃的水浴振荡培养箱中进行转速为150 r/min的培养。最重要的是将湿式发酵物的发酵周期设为3、5、10、15和25 d这5个不同的发酵周期，通过湿式发酵物的过滤处理，就可以进行接下来的干式发酵物实验处理，首先需要将其置于容积为250 mL的厌氧发酵盒内，通过第1次发酵物的滤除物来观测滤除液体与第2组发酵物料的实验反应情况，一直到发酵物产生氧气。随之可以把干式厌氧发酵物的发酵盒放置于温度为37 ℃发酵培养箱内，然后再测定甲烷含量与产气量。

1.3 测定项目与方法

气体的收集可以采取排水集气法[2]，通过不同时间段的随机检测来记录每天的厌氧发酵产气量。然后可以利用气相色谱仪分析其甲烷含量。运用Van Soest纤维素测定法测定木质素、纤维素与半纤维素的含量。

2 结果与分析

2.1 两级发酵过程中甲烷产气量变化

甲烷是最简单的有机物，是天然气、沼气、坑气的主要成分，在农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气实验中，沼气的来源主要为湿式厌氧发酵产沼气和干式厌氧发酵产沼气[3]，从发酵周期来看，约需50 d，从沼气的整个制造过程来看，前一阶段的甲烷产量比后一阶段的甲烷产量要相对较高。发酵后期沼气中的甲烷含量基本处于稳定状态，保持在50%～70%。湿式发酵阶段中3、5、10、15和25 d中的甲烷产量分别是12.76、16.40、13.25、13.82、16.19 mL。由于受干式发酵转换的影响，在第3天与第5天的甲烷变化有明显的下降趋势。湿式厌氧发酵的第10天以及第15和25天时出现了发酵高峰期外，其发酵产量都是由高向低的趋势运行着。两级发酵体系中的甲烷产量是第一级湿式与第二级干式的甲烷的总和。秸秆厌氧的发酵前期主要是微生物利用底物有机分子来通过化学反应降解转化为具有强挥发性的有机酸。所以在第3天和第5天的甲烷产量较其他组要低。

2.2 纤维素类的降解程度

秸秆的主要部分是木质纤维素[4]，因此，对木质纤维素降解程度与湿式发酵周期进行研究，对确定两级发酵中湿式发酵的周期有一定的参考意义。通过测定不同湿式发酵周期后发酵物料的纤维素含量，对此可以得知，农业秸秆湿干两级厌氧发酵过程中农作物秸秆中的纤维素和半纤维素有明显的降解现象。半纤维素在秸秆发酵制氧的过程中是最易降解的，其次是纤维素，而木质素在整个发酵过程中最难降解，其原因是由于降解的过程需要有氧的参与。

3 结论与讨论

在农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术实验中，干式厌氧发酵与湿式厌氧发酵相融合的两级发酵过程中，湿式厌氧发酵如果发酵周期太短就非常不利于甲烷菌群的聚集，如果发酵周期太长，也不能很好地突出干式厌氧发酵处理中的巨大优势。因此，在玉米等农作物秸秆的各种成分降解过程中，最容易降解的是半纤维素，其次是纤维素，最难降解的是木质纤维素。因此，在该研究过程中，湿式厌氧发酵时，农作物秸秆中挥发性固体（VS）的降解量[5]与甲烷产率之间呈现出一致的发展变化趋势。

参考文献

[1]陈广银，杜静，常志州，等.基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性[J].农业工程学报，2014，33（20）：244-251.

[2]袁志慧，尤朝阳，王磊，等.秸秆厌氧发酵产沼气技术现状进展[J].环保科技2015，20（2）：56-61.

[3]李布青，代学猛，代永志，等.农作物秸秆厌氧发酵制沼气工程设计研究[J].安徽农业科学，2015，13（9）：268-270.

[4]张仙梅，云斯宁，杜玉凤，等.沼气厌氧发酵生物催化剂研究进展与展望[J].农业机械学报，2015，10（5）：141-155.

[5]李砚飞，代树智，周勇，等.纯秸秆中高温高浓度厌氧发酵制取沼气工艺技术研究[J].中国沼气，2013，12（2）：15-20.

（责任编辑：刘昀）