湿贮存对玉米秸秆厌氧消化性能的影响

崔 宪， 郭建斌， 温啸宇， 赵 倩， 董仁杰

(中国农业大学 工学院， 农业部可再生能源清洁化利用技术重点实验室， 北京 100083)

农作物秸秆是农业生产的副产物，是一种可多元化利用的可再生生物资源。我国作为农业大国，每年产生的农作物秸秆总量约占全球秸秆总量的20%[1]。全国可用于沼气的农业废弃物资源潜力巨大。2016年国家能源局印发《生物质能发展“十三五”规划》提出到2020年我国农村沼气年新增秸秆处理能力864万吨，这将有力促进秸秆的综合利用产业的发展。

秸秆的生产具有季节性，所以秸秆贮存是保证沼气工程全年连续运营的关键环节。我国的秸秆沼气工程由于原料收获方式、输送方式和资源分配等原因[2]，造成原料特性复杂，且多以风干玉米秸秆为主。因而在贮存方式上，也存在多种技术选择。国外研究者Shinners对比了玉米秸秆的干贮存与湿贮存，发现将收获的水分含量44%玉米秸秆青贮8个月其干物质损失为3.9%，而干秸秆(初始平均含水量26%)的户外贮存的干物质损失可高达30%以上[3]。最大程度的降低原料贮存过程的干物质损失，可保证后续甲烷发酵阶段的原料产气率，提高沼气工程的经济效益。而我国关于沼气工程生物质原料的保护与贮存的研究正处于起步阶段。

湿贮存是依靠原料附生的微生物主要是乳酸菌进行乳酸发酵产生小分子有机物迅速降低原料中pH值来抑制微生物活性，防止干物质大量损失的一种贮存技术[4]。具有贮存过程中干物质损失低；水分含量稳定，贮存后原料均一性好；发生火灾的危险小等优点。同时有研究表明，湿贮存的酸性环境可以促进木质纤维素的水解，提高原料产气率[5]。Herrmann研究表明[6]，全株玉米经过湿贮存90天和180天，单位千克ODMadd甲烷产量分别提高9%和14%。Neureiter[7]研究表明，全株玉米经过44天和119天湿贮存后，单位VS甲烷产量分别降低了11%和提高了25%。周玮[8]研究表明，产气性能高低为青贮秸秆>新鲜秸秆>干黄秸秆，张本月研究表明[9]，产气性能高低为新鲜秸秆>青贮秸秆>干黄秸秆。从以上研究可以看到湿贮存对秸秆产气性能的影响存在较大差异，这与原料理化性质、贮存环境、接种物等有关系。

因此，本研究以华北和东北地区的玉米秸秆为原料，对其原料特性及沼气发酵潜力进行对比研究。由于东北地区在实现秸秆沼气工程原料的规模化湿贮存方面具有地区适宜性，所以本研究针对两个地区的秸秆分别进行实验室规模和工业规模湿贮存，然后对贮存后物料特性及产气潜力进行分析。

1 材料与方法

1.1 试验原料

秸秆分别取自于北京市中国农业大学上庄试验站试验田和黑龙江省齐齐哈尔市某农场自然条件下风干后的玉米秸秆。取自中国农业大学的玉米秸秆，将其切断至1～2 cm后，将含水量调整到65%～70%，在聚乙烯包装内进行真空贮存60天，贮存温度28℃。齐齐哈尔的玉米秸秆粉碎至1～2 cm后，在当地沼气工程配套的100 m×40 m×4 m的青贮壕内进行常规贮存长达365天，并在贮存60天和365天进行取样测试。玉米秸秆湿贮存前后的理化性质如表1所示。

表1 玉米秸秆的理化性质

注：总固形物(TS)已修正

进行发酵原料产气潜力测试的接种污泥取自北京顺义猪粪沼气工程正常运行的发酵罐，取回后过筛除去沙粒，置于37℃的恒温水浴锅中，保持污泥活性，接种污泥的性质见表2。

表2 接种污泥的理化性质 (%)

1.2 厌氧消化实验设计

厌氧消化试验采用5组玉米秸秆研究，每组3个平行共计15个： 1)华北地区的玉米秸秆和湿贮存60天玉米秸秆； 2)东北地区的玉米秸秆、湿贮存60天玉米秸秆和湿贮存365天玉米秸秆。空白对照组为只接种污泥，用于计算污泥产气量和秸秆产气净产量。

该批次厌氧发酵试验于带有一次性铝盖的120 mL玻璃发酵瓶中进行。污泥添加量与玉米秸秆添加量为2∶1(基于挥发性固体质量浓度)，将秸秆与污泥加入发酵瓶中，充分混匀后，充入氮气，随后立即盖好硅胶塞，标号后置于37℃恒温水浴锅中。试验期间使用玻璃注射器测量日均产气量，并分析计算累积产气量。产气潜能用修正的Gompertz模型进行拟合，如下式所示：

式中:P为扣除空白的t时刻的积累气体产量，mL·g-1VS；p0为最大产能潜能，mL·g-1VS；Rmax为最大产甲烷速率，mL·g-1VS·d-1；λ为迟滞期，d；t为实验持续的时间，d；e为自然常数，e=2.7813。

1.3 分析方法

总固体(TS)、挥发性固体(VS)、悬浮固体(SS)、挥发性悬浮固体(VSS)采用重量法分析[10]。原料湿贮存后会产生大量有机酸，在105℃条件下进行干物质测定时有机酸挥发会引起测定结果偏低。因而，本研究根据kreuger[11]等报道的湿贮存原料在100℃下干燥时不同有机酸的挥发系数，根据以下公式进行修正：

修正的TS=TS(105℃)+DM乙醇+0.375×DM乳酸+0.892×(DM乙酸+DM丙酸+DM丁酸)

pH值测定采用pH计(Orin 5-Star 梅特勒-托利多仪器有限公司)。半纤维素、纤维素、木质素的含量采用Van Soest Fiber分析方法[11]，并使用ANKOM A200型纤维分析仪(USA)进行测定。沼气成分(CH4和CO2)由气相色谱仪(SP-2100，北瑞利分析仪器有限公司，中国)测出，挥发性脂肪酸和乳酸分别采用日本岛津公司生产的GC-2010Plus型气相色谱仪和美国戴安公司生产的Dionex Ultimate U3000型高效液相色谱仪测定，测定方法详见柳珊研究方法[12]。

1.4 试验方法

数据用origin 8.5软件制图并进行修正的Gompertz方程拟合累积产气曲线。

2 结果与讨论

2.1 华北地区湿贮存玉米秸秆厌氧消化性能分析

以华北玉米秸秆为原料，在聚乙烯袋中湿贮存第60天后进行厌氧消化试验。由图1日均甲烷净产量可以看出，玉米秸秆在第5和8 天有产甲烷高峰，峰值为16.50 mL·g-1VS·d-1和 19.97 mL·g-1VS·d-1；湿贮存后的玉米秸秆在第3 天有产甲烷高峰，峰值为21.89 mL·g-1VS·d-1。产气高峰过后，两组秸秆的日均甲烷净产量均迅速下降，在第16 天日均甲烷产量下降至5 mL·g-1VS·d-1。由图2日均沼气净产量可以看出，玉米秸秆在第5，7 天出现产沼气高峰，峰值为28.91 mL·g-1VS·d-1，34.15 mL·g-1VS·d-1；湿贮存后的玉米秸秆在第6 天有产气高峰，峰值为38.27 mL·g-1VS·d-1。产沼气高峰过后，两组秸秆的日均沼气净产量均迅速下降，但在第14天又出现产气小高峰。

图1 华北地区玉米秸秆湿贮存前后日均甲烷产量的变化

图2 华北地区玉米秸秆湿贮存前后日均沼气产量的变化

由图3,图4可知，玉米秸秆湿贮存60天前后的累积甲烷净产量为228.69 mL·g-1VS，254.13 mL·g-1VS，Gao[13]等人研究不同地区，不同时期的玉米秸秆和青贮玉米秸秆累积甲烷净产量为213.94～313.63，195.88～334.81 mL·g-1VS，本研究结果合理，累积沼气净产量分别为395.16 mL·g-1VS，424.81 mL·g-1VS。华北地区玉米秸秆在聚乙烯袋中湿贮存60天累积甲烷和沼气净产量分别提高11.1%和7.5%。宋成军经试验证明裹包青贮可提高风干玉米秸秆的单位干物质累积产气量[14]，与本研究结果相似。

沼气中主要成分是甲烷和二氧化碳。为便于分析，将沼气中甲烷和二氧化碳含量归一化。由图5可知，湿贮存后，厌氧消化前期甲烷占沼气含量增加迅速，在消化第3 天时已超过50%，并维持至发酵结束。而玉米秸秆在消化第5天时甲烷占沼气含量50% 以上。在消化第13天以后，两种秸秆甲烷含量无显著性差异，均在57%左右。可见湿贮存主要影响玉米秸秆厌氧发酵前期的甲烷占沼气含量。在整个反应阶段，经过湿贮存的玉米秸秆平均甲烷含量高于未贮存玉米秸秆，这与井良霄[15]等人研究一致。

图3 华北地区玉米秸秆湿贮存前后累积甲烷产量的变化

图4 华北地区玉米秸秆湿贮存前后累积沼气产量的变化

图5 华北地区玉米秸秆湿贮存前后产气成分的变化

由华北地区湿贮存前后的玉米秸秆厌氧消化试验结果分析如下： 1)日均产气峰值增加，达到产气最大峰值时间缩短。这主要是由于玉米秸秆在湿贮存过程中，依靠附生的微生物进行发酵产生乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、乙醇等小分子化合物[4]，如表3，玉米秸秆湿贮存后，乳酸浓度由3.848 g·kg-1DM增加至15.377 g·kg-1DM；乙酸浓度由1.287 g·kg-1DM增加至21.442 g·kg-1DM。这些都是厌氧发酵过程中的中间产物，可以直接被产氢产乙酸菌或产甲烷菌利用，提高了甲烷的日均产气峰值和产气速率[16]。2)玉米秸秆经过湿贮存后可提高厌氧发酵前期甲烷占沼气含量，这是因为经过湿贮存后，产生大量有机酸，这些均是甲烷的前提物质，尤其较高的乙酸浓度能促进甲烷的形成[17]。 3)累积产气量的增加，一部分是挥发性脂肪酸含量增加，提高产气量[17]，另一部分可能是湿贮存过程中的酸性环境使玉米秸秆的半纤维得到部分的降解[18]，从而提高累积产气量，由表1可知，玉米秸秆经湿贮存后半纤维素含量明显降低。

注：ND为未测到。

2.2 东北地区规模化湿贮存玉米秸秆厌氧消化性能分析

华北地区玉米秸秆厌氧消化试验证明，在实验室条件下湿贮存技术可以提高玉米秸秆产沼气潜力。所以本部分以实际工程中湿贮存后玉米秸秆进行了厌氧消化试验，同时以玉米秸秆为对照组。由图6日均甲烷净产量可以看出，玉米秸秆在第8天有产甲烷高峰，峰值为17.97 mL·g-1VS·d-1；湿贮存60天秸秆在第3，7 天有产甲烷高峰，峰值为15.23 mL·g-1VS·d-1，23.57 mL·g-1VS·d-1；湿贮存365天秸秆在第5天有产甲烷高峰，峰值为14.81 mL·g-1VS·d-1。产气高峰过后，3组实验的日产气量均呈逐渐下降趋势，在第26 天后趋于稳定，但湿贮存60天秸秆又在发酵中期出现了产甲烷小高峰。由图7日均沼气净产量可以看出，玉米秸秆在第3，6天出现产沼气高峰，峰值为26.15 mL·g-1VS·d-1，38.19 mL·g-1VS·d-1；湿贮存60天秸秆在第3，7 天有产气高峰，峰值为35.36 mL·g-1VS·d-1，36.62 mL·g-1VS·d-1，；湿贮存365天秸秆在第6，8 天有产气高峰，峰值为26.89 mL·g-1VS·d-1，19.92 mL·g-1VS·d-1。产沼气高峰过后，3组实验的日产沼气量均呈逐渐下降趋势，且均在第14天出现产沼气小高峰，在第26天后趋于稳定。

由图8和图9可知，玉米秸秆、湿贮存60天玉米秸秆和湿贮存365天玉米秸秆的累积甲烷净产量为226.31 mL·g-1VS，265.92 mL·g-1VS，176.42 mL·g-1VS；累积沼气净产量396.68 mL·g-1VS，455.31 mL·g-1VS，302.78 mL·g-1VS。东北地区玉米秸秆在青贮壕内经过湿贮存60天累积甲烷和沼气净产量提高了17.0%和14.7%；湿贮存360天累积甲烷和沼气净产量下降了22%和23%。

由图10可知，经过湿贮存的玉米秸秆发酵前期，甲烷占沼气含量增加迅速，在消化第5天时达到50%，而未贮存的玉米秸秆在消化第7天时达到50%。湿贮存60天的玉米秸秆相比于其他两组，在消化过程中甲烷含量一致都保持较高的增加速度；而湿贮存365天的玉米秸秆，在消化过程后期速度明显降低。

东北地区在青贮壕内湿贮存的玉米秸秆厌氧消化过程部分试验分析与华北地区一致，但东北地区湿贮存365天玉米秸秆累积沼气净产量显著下降。由表4可知，与湿贮存60天相比pH值明显回升，乳酸和乙酸含量显著下降，同时发生丁酸发酵，秸秆湿贮存品质变差[19]，这种现象可能是在地上大型青贮壕内长时间贮存，大量雨水渗透，导致有机物的流失，密封性变差，一些腐败性微生物恢复活性，消耗乳酸和有机物，导致秸秆品质变差，单位干物质内可被产甲烷菌利用的有机物变少，最终累积沼气产量下降。Pakarinen[20]等人研究也表明秸秆在地窖湿贮存6个月后，pH值回升导致秸秆发生二次发酵，腐败微生物恢复活性消耗有机物，导致最大累积产甲烷量下降。

图6 东北地区玉米秸秆湿贮存前后日均甲烷产量的变化

图7 东北地区玉米秸秆湿贮存前后日均沼气产量的变化

图8 东北地区玉米秸秆湿贮存前后累积甲烷产量的变化

图9 东北地区玉米秸秆湿贮存前后累积沼气产量的变化

图10 东北地区玉米秸秆湿贮存前后产气成分的变化

表4 东北地区湿贮存前后玉米秸秆有机酸及乙醇的变化

注：ND为未测到。

2.3 产气动力学分析

在厌氧消化过程中，甲烷或沼气产量在一定程度上是微生物生长的函数[21]。日均产气量、累积产气量以及延滞期(λ)是反映厌氧消化效率的重要指标。可采用修正Gompertz方程对五组玉米秸秆厌氧消化过程进行拟合预测，结果如表5和表6所示，其相关系数R2均在0.98以上，表明方程对五组试验的厌氧消化过程有较好的拟合。与两地区未贮存玉米秸秆相比，经过60天湿贮存处理后，最大产甲烷和产沼气速率均略有提高，最大甲烷和沼气潜能提高，延滞期均明显缩短，而经过湿贮存365天玉米秸秆最大产甲烷和产沼气速率降低，最大甲烷和沼气潜能降低，延滞期几乎无变化，修正Gompertz方程预测结果与实际试验中日均产气量和累积产气量所得出结论相一致，表明修正Gompertz方程可以很好模拟玉米秸秆湿贮存前后的厌氧消化过程。

表5 修正Gompertz方程预测的玉米秸秆厌氧发酵的产甲烷动力学参数

表6 修正Gompertz方程预测的玉米秸秆厌氧发酵的产沼气动力学参数

3 结论

(1)通过对华北地区和东北地区的玉米秸秆的厌氧消化试验结果分析，消化时间50 d，两地秸秆累积甲烷净产量为228 mL·g-1VS和226 mL·g-1VS，累积沼气净产量为395 mL·g-1VS和396 mL·g-1VS，表明两地秸秆厌氧消化性能差异性较小。

(2)华北地区和东北地区的玉米秸秆分别在实验室条件聚乙烯袋中和在实际工程青贮壕内经过湿贮存60天后，日均甲烷和沼气净产量峰值均升高，并缩短了达到峰值的时间；发酵前期甲烷占沼气含量增加迅速，发酵后期无明显差异。累积甲烷和沼气净产量均显著升高；东北地区玉米秸秆在青贮壕内湿贮存365天后秸秆品质降低，导致玉米秸秆厌氧消化性能的降低。

(3)修正Gompertz模型对玉米秸秆和湿贮存后的玉米秸秆的厌氧消化过程拟合较好，R2均大于0.98，与玉米秸秆相比，经过湿贮存60天玉米秸秆厌氧消化过程中的最大产气速率升高，延滞期(λ)明显缩短，最大产气产能潜能升高。动力学参数分析均与实际日均和累积产量结果相一致，表明修正Gompertz模型可以很好的模拟湿贮存前后玉米秸秆的厌氧消化过程。