玉米秸秆连续厌氧发酵产甲烷研究

刘 双 武 月 李经纬 董仁杰,2 曲 威

1.中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670；2.中国农业大学工学院 北京 100086

中国作为农作物种植大国，拥有丰富的农作物资源，每年所产生的农作物秸秆有8亿～9亿t，居世界之首[1]。目前农作物秸秆的主要处置方式有直接还田、用于养畜、能源化利用、用于食用菌种植、作为工业原料等。由于存在系列关键难题制约秸秆的可持续处理和利用，每年尚有大量秸秆被焚烧。秸秆燃烧热值低，不仅造成资源浪费，而且污染环境，毁坏树木和耕地[2]。将这些农作物秸秆作为能源物质加以利用，不仅可以改善农村秸秆堆积的环境状态，而且能够实现秸秆的合理利用。

近几年来，随着畜禽养殖业的快速发展，规模化养殖场年产畜禽粪污量高达38亿t。大量的畜禽粪污未经处理而排放，使得其中含氮化合物在无氧条件下分解成氨气、甲胺、硫化氢等物质。这些气体会导致人和家畜感染呼吸道疾病，危害人体健康和畜禽产品的质量，同时严重污染了养殖场周边环境。为解决大量闲置农作物秸秆和区域内养殖场粪污污染问题，采用厌氧发酵处理农作物秸秆和畜禽粪污水产沼气是一条清洁高效的途径。以农作物秸秆和畜禽养殖粪污水为主要原料进行湿式厌氧发酵产沼气，不仅能解决农户生活用能，而且可以改善农村卫生环境。

据调查，中国以秸秆类物质为主要原料进行厌氧发酵的沼气工艺有多种，按照反应器类型及进出料方式，可分为覆膜槽式、完全混合式、推流式、一体化两相等，其中利用完全混合式反应器进行厌氧发酵是秸秆沼气工程推荐工艺之一。本研究拟采用连续搅拌釜式反应器完全混合式厌氧反应器（CSTR）进行玉米秸秆的湿式连续厌氧发酵产沼气研究，分析不同物料的单位干物质（TS）浓度和固物滞留时间对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷的影响，对秸秆沼气工程或以秸秆为主要原料的沼气工程运行具有很好的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米秸秆取自中国农业大学烟台研究院内种植实验基地。玉米秸秆在地里自然风干，整体呈暗黄色。实验前，将玉米秸秆剪成小段后放入粉碎机，打成3～5 mm的颗粒，装于透明密封袋中待用。猪粪水取自烟台市牟平区养猪场，取回后置于4 ℃冷藏室中保存。接种物取自实验室内正常运行的沼气发酵罐的新鲜出料，该沼气发酵罐运行温度为37 ℃。

1.2 连续发酵试验设计

采用连续搅拌釜式反应器（以下简称反应器）进行玉米秸秆连续发酵试验。反应器总体积为5 L，有效体积为4 L，发酵温度为37℃±1℃。反应器采用电热丝缠绕外壁进行加热，内置温控探头控制电热丝加热，同时反应器外包保温棉进行保温。反应器采用连续搅拌，转速设置为30～60 rpm，反应器内物料能够均匀混合。

秸秆发酵的物料停留时间（solid matter retention time，SRT）分别为30 d、20 d和15 d，通过梯度提高进料TS，分别为6%、8%和10%，每天定时进出料。反应器运行初期采用玉米秸秆与猪粪水混合进料。稳定运行后，出料料液采用100目网筛将发酵残渣滤除，滤液用于配制进料料液并回用至发酵罐中，进料料液体积不足出料体积时采用猪粪水补足。

1.3 分析方法

干物质的测定采用105℃ 烘24 h，差重法测定。挥发性固体的测定采用550℃ 灼烧4 h，差重法测定。甲烷含量采用便携式气体分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 容积产气率变化

容积产气率是沼气发酵重要的性能指标，在反应器容积相同的情况下，容积产气率越高，产生的沼气就越多，表示在工程设计和建设中达到沼气需求量所设计的发酵系统规模越小，越能极大地节省建设面积及工程投资成本。玉米秸秆连续厌氧发酵过程中容积产气率的变化情况如图1所示。不同物料TS浓度的处理在不同HRT阶段的容积产气率变化趋势基本相同，但处理间差异比较明显，随着物料浓度增加，容积产气率呈上升趋势。在厌氧反应器连续运转过程中，当HRT为30 d时，不同物料浓度的容积产气率均为先迅速增加，随后趋于稳定。TS 10%处理的容积产气率最高可以达到0.5 L/（L·d），TS 6%和TS 8%处理的容积产气率基本相同，约为0.3～0.4L/（L·d），但低于TS 10%处理。当HRT为20 d时，各处理运行情况稳定，容积产气率TS 10%＞TS 8%＞TS 6%，各处理与HRT 为30 d时的容积产气率均有所增加。当HRT缩短为15 d时，物料浓度为10%反应器中容积产气率变化幅度较大，容积产气率在0.5～1.2 L/（L·d）之间变化，这主要是由于物料浓度过高，发酵系统有机负荷增加，物料不能完全被降解利用，随着发酵时间的延长，产气量有所下降。TS 8%和TS 6%处理的容积产气率基本维持稳定，分别为0.7 L/（L·d）和0.5 L/（L·d）左右。

图1 容积产气率变化

2.2 物料产气率变化

玉米秸秆连续厌氧发酵过程中原料产气率的变化情况：不同浓度原料在HRT 30 d阶段随着发酵进行，物料产气率逐渐增大，原料浓度TS为6%、8%和10%的最大原料产气率分别达到250 ml/g、170 ml/g和217 ml/g。但是当HRT缩短为20 d后，原料产气率波动较大，总体上看物料TS浓度为10%的处理原料产气率比较稳定，基本维持在200 ml/g左右。当HRT缩短为15 d后，随着发酵时间的延长，不同物料TS浓度处理均呈下降趋势，主要是由于HRT缩短后，发酵系统有机负荷增加，大量原料不能被微生物降解，对沼气产量影响较大。

2.3 沼气中甲烷含量变化

玉米秸秆连续厌氧发酵过程中沼气中甲烷含量如图2所示。从结果上看，HRT为30 d和20 d两个阶段不同玉米秸秆浓度处理发酵产沼气中，甲烷含量变化趋势基本相似，甲烷含量基本维持在50%左右。玉米秸秆浓度为10%处理厌氧发酵产生沼气中，甲烷含量随着HRT的缩短有所下降，当HRT为15 d时，沼气中甲烷低于40%。从结果上看，随着物料浓度的提高和HRT的缩短，沼气中甲烷含量有所下降，即不利于沼气品质的提高。

图2 沼气中甲烷含量变化

3 结语

玉米秸秆连续厌氧发酵有助于提高发酵容积产气率，同时连续搅拌方式加快发酵物料传质，对高浓度物料处理容积产气率的提高效果明显。但是对于高浓度物料厌氧发酵，随着SRT的缩短，沼气中甲烷含量有所下降。综合考虑产沼气质量以及沼气工程实际应用情况，建议玉米秸秆连续发酵工况参数为：发酵物料TS为10%时，物料滞留时间可设计为20 d，物料的产率可稳定在200 ml/g。由于秸秆类原料产沼气中甲烷含量低于畜禽粪便类原料，因此在沼气工程中可适量通入外源H2，提高沼气中甲烷含量，使秸秆类原料的甲烷产率达到180 ml/g。