三种主要农村废弃物混合产沼气试验研究

王艳芹+赵自超+付龙云+杨光+袁长波+姚利+张柏松

摘要：随着我国农村经济的发展，农村废弃物越来越多，利用其生產沼气，不仅可以为人们提供清洁能源，还能大力改善农村生活环境。本研究选取农村三种主要废弃物（玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪）按照不同的质量比（1∶0∶0、1∶2∶0、1∶1.5∶0.5、1∶1∶1、1∶0.5∶1.5、1∶0∶2）混合进行产沼气试验。结果表明，相比单物料和双物料，三物料混合厌氧发酵能显著提高产气率和减少发酵周期。玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪产沼气性能最佳的配比为1∶0.5∶1.5。

关键词：厌氧发酵；混合；玉米秸秆；农村有机生活垃圾；牛粪；沼气

中图分类号：S216.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）12-0068-04

Abstract Rural wastes have increased with the development of rural economy in China. Biogas technology can not only provide clean energy， but also improve the rural living environment. In this study， three major rural wastes （maize straw， domestic organic garbage and cow manure） were anaerobically co-digested at different ratios （1∶0∶0，1∶2∶0，1∶1.5∶0.5，1∶1∶1，1∶0.5∶1.5 and 1∶0∶2， by wet weight ratio）. The results revealed that ternary mixing of feedstocks significantly increased the biogas yield and reduced the digestion time compared with binary mixing of feedstocks and single feedstock. The optimal mixing ratio of the three feedstocks was 1∶0.5∶1.5 for anaerobic co-digestion.

Keywords Naerobic digestion； Mixture； Corn straw； Rural organic waste； Cow manure； Biogas

随着农村居民生活水平的提高，农村废弃物越来越多。其中较为常见的主要有作物秸秆、畜禽粪便和有机生活垃圾。据统计，每年我国这三种废弃物产生量分别为：玉米秸秆约1.75亿吨、畜禽养殖废弃物38亿吨和农村生活垃圾3亿吨；其中约26%的玉米秸秆、50%的畜禽粪便和大部分生活垃圾得不到有效处理，这不仅污染环境还浪费资源[1-6]。因而，如何高效、合理处理这些废弃物，是一个亟待解决的问题。

研究表明，将这些废弃物进行单独或混合厌氧发酵，不仅能解决环境问题，还能产生清洁能源——沼气[3，7]。为了提高原料发酵和产气效率，近几年众多国内外学者的研究焦点在混合物料厌氧发酵上[7]。相对于单一物料，多物料的厌氧发酵具有原料来源广、能调节底物营养、优化发酵物碳氮比和减缓发酵物酸化等优势[8]。冯亚君等[9]研究发现，玉米秸秆与鸡粪混合比例为1∶2时厌氧发酵的甲烷产量分别高出单一玉米秸秆和单一鸡粪发酵的32.6%和1.4%。张彬等[10]研究结果表明，猪粪与玉米秸秆配比为2∶1 时的累积产气量最大。Wu 等[11]通过向猪粪中添加玉米秸秆、燕麦秸秆和水稻秸秆混合发酵，发现较猪粪单独发酵，沼气和CH4产量分别提高了11倍和16倍。

本试验采用玉米秸秆、农村有机生活垃圾与牛粪进行混合厌氧发酵试验，探讨这三种物料不同配比对产沼气性能的影响，以期为农村多种废弃物集中处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验原料为玉米秸秆、农村有机生活垃圾和奶牛粪便。试验原料理化性质如表1所示。

玉米秸秆：取自山东省章丘市普集镇，用粉碎机粉碎至3～5 mm后自然风干；有机生活垃圾：取自章丘市普集镇乐家村分类后的有机生活垃圾，主要包括蔬果废弃物和极少量的剩饭剩菜等，用粉碎机打碎；奶牛粪便：取自山东省农业科学院畜牧兽医研究所奶牛场的新鲜牛粪；接种物：取自山东省淄川区法家村正常运行沼气工程沼渣，该工程原料为秸秆和牛粪。

1.2 试验设置

试验按照三种不同物料的配比（玉米秸秆、有机生活垃圾与牛粪的湿基质量比）共设置6个处理，见表2。每处理重复3次。设计接种率为41%（以接种污泥TS为发酵原料总TS的百分数计）。通过加入不同量的自来水调节各处理发酵浓度为12%。添加物料后，向发酵瓶（图1）中吹氮气1 min，以保证严格的厌氧环境。试验期间，每天上午9∶00测定沼气产量，每2～4 d测定沼气成分，每3～8 d取样测定pH值和挥发性脂肪酸。试验装置示意图见图1。

1.3 指标测定方法

TS、VS采用烘干失重法测定[12]；pH值采用pH计（上海Bante220）测定；沼气产量通过沼气流量计（德国Ritter，TG05-5）测定；气体成分采用气相色谱法测定（普析GC1100）；挥发性脂肪酸浓度采用气相色谱法测定（岛津GC-2014）；TOC用TOC测定仪（德国耶拿，multi N/C 3100）测定；TKN用凯氏定氮仪（瑞士BUCHI，Kje Master k-375）测定。

2 结果与分析

2.1 厌氧发酵中的pH值变化

多项研究表明，pH值在7左右时产甲烷菌比较活跃[13，14]。本试验各处理pH值变化如图2所示。6个处理pH值变化呈现先降低后升高，然后基本趋于稳定的趋势，T3、T4、T5和T6处理基本维持在7左右，T1和T2处理的pH值在6以下。这表明玉米秸秆单一物料发酵易酸化，这与单位TS累积产气量偏低吻合，玉米秸秆与有机生活垃圾混合发酵pH值也较低，也易发生酸化。endprint

2.2 厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸的变化

揮发性脂肪酸的积累与消耗是厌氧反应进程指示性参数[15]。从图3可以看出，6个不同处理挥发性脂肪酸的浓度趋势基本一致，先升高后降低。各处理挥发性脂肪酸都在厌氧发酵第2～3 d达到峰值。T1处理在第3 d达到峰值2 712 mg/L，然后急剧下降，在发酵6 d后又开始上升，第34 d升高到1 376 mg/L，可见玉米秸秆单一物料发酵易形成酸累积；T2处理的挥发性脂肪酸在发酵第3 d达到最高值2 985 mg/L，第9 d又出现一高峰值1 165 mg/L，这与pH值的变化有很好的符合性。其它处理的挥发性脂肪酸变化较平稳。

2.3 产气情况的变化

2.3.1 厌氧发酵产气速率 从图4可以看出，T3、T4和T5处理产气速率较高，要高于T1、T2和T6处理的产气速率。这表明相比单一物料发酵和两种物料混合发酵，三种物料混合发酵可以提高产气速率。各处理产气高峰出现的时间排序是T2>T3>T4>T5>T6>T1，这表明在玉米秸秆投加比例为1的情况下，有机生活垃圾和牛粪配比的不同影响产气高峰时间，产气高峰会随着有机生活垃圾配比的升高而提前，加入有机生活垃圾可以提高发酵效率。一般认为，产气量达到总产气量的90%以上即可认为发酵基本完成[16，17]。T1处理完成厌氧发酵的时间为46 d，T2、T3、T4、T5、T6处理完成厌氧发酵的时间分别为41、36、38、39、38 d，这表明玉米秸秆与有机生活垃圾和牛粪混合发酵能缩短厌氧完成时间。

2.3.2 单位TS累积产气量 从图5看出，各处理变化趋势基本一致，均为先增加后基本不变。从厌氧发酵第6 d以后，甲烷浓度基本稳定在55%～65%之间。混合物料发酵（T2、T3、T4、T5和T6处理）的甲烷浓度高于玉米秸秆单一发酵（T1处理）。

2.3.3 沼气累积产生量 从图6可以看出，T1、T2、T3、T4、T5和T6处理单位TS累积产气量（mL/g）大小顺序是T5（294）>T4（279）>T3（250）>T6（216）>T2（188）>T1（157）。玉米秸秆单一物料厌氧发酵单位TS累积产气量最低，仅为157 mL/g，玉米秸秆与有机生活垃圾、玉米秸秆与牛粪双物料厌氧发酵单位TS累积产气量高于玉米秸秆单独发酵，玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪三者混合发酵单位TS累积产气量高于单物料和双物料，三者配比为1∶0.5∶1.5的处理最高，达到294 mL/g，比玉米秸秆单一物料发酵提高87.3%。

3 讨论

（1）玉米秸秆具有木质纤维含量高、容重小易漂浮、表层含有蜡质不易降解等特点，如果不进行预处理直接厌氧发酵，会造成发酵难、产气效率低等问题。玉米秸秆和农业、农村其他有机废弃物如牛粪、有机生活垃圾、等物料混合厌氧发酵能提高原料产气率，具有较好的效果。

（2）2014年农村大中型沼气工程转型升级，我国主要支持特大型沼气工程（日产生物天然气1×104 m3以上规模项目，厌氧消化器不低于1.67×104 m3），三种农村废弃物混合物料厌氧发酵主要适用于缺乏燃料的农村建设的大中型沼气工程，还适用于目前特大型沼气工程，这不仅可以提供清洁能源还能改善居民生活环境，是农村废弃物资源化利用的有效方式。

（3）玉米秸秆作为厌氧发酵原料，建议先进行微生物或酸碱预处理，可以提高发酵效率。

4 结论

4.1 合适的物料配比能改善原料的厌氧发酵性能，并促进产气速率及单位TS累积产气率。本研究玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪配比1∶0.5∶1.5时单位TS累积产气量最高，达到294 mg/L。

4.2 玉米秸秆、有机生活垃圾和牛粪三物料混合发酵不同物料配比能影响系统中酸的浓度，合适的配比能防止系统酸化。

4.3 发酵原料的不同配比能影响厌氧发酵速率和厌氧发酵完成时间。三种农村废弃物玉米秸秆和有机生活垃圾、牛粪混合发酵相比玉米秸秆单一发酵厌氧可以减少发酵周期。

参 考 文 献：

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