不同农业有机废弃物厌氧发酵产甲烷潜力研究

陆凤成 霍明志 陈立东 王学武 马艳明 王增伟

摘要：农业有机废弃物通过厌氧技术生产沼气是我国新能源开发与环境治理的重要方向之一。为评估农业有机物料直接作为沼气发酵原料的可行性，选取其中产量大、分布广的陈化玉米、玉米秸秆、葵花秸秆、葵花盘、玉米芯及谷子秸秆6种原料，在中温（37℃）条件下进行厌氧发酵产甲烷潜力（BMP）试验。结果表明：6种农业有机物料单位VS累积产甲烷量（mL/gVS）从高到低的排序为：陈化玉米〉葵花盘〉玉米秸秆〉玉米芯〉葵花秸秆〉谷子秸秆，分别为280.9、244.6、225.5、176.6、167.7、128.6mLCH4/gVS。各个试验组甲烷平均含量在55%～65%，其中陈化玉米的甲烷含量最高。

关键词：农业有机废弃物;厌氧发酵;甲烷;潜力

中图分类号 X524 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）16-0174-04

在当前环境恶化、能源匮乏的背景下，利用农业废弃物进行厌氧发酵产生清洁能源沼气具有重要的现实意义[1-2]。中国是农业大国，农业生物质资源丰富，年产量超过10.4亿t，规模化养殖场年粪便的产生量超过20.5亿t，可用于沼气生产的农业废弃物14.04亿t，可生产生物天然气736亿m3[3]。再加上城市污泥、餐厨垃圾和工业有机废弃物等，可被利用并生产为沼气或生物天然气的资源量是巨大的。但目前国大部分有机废弃物都未被合理利用，特别是农业秸秆类废弃物，存在胡乱堆放、焚烧等现象，从而增加了温室气体的排放量，并造成了严重的空气污染[4]。

农业废弃物中的纤维素、半纤维素和木质素的含量直接影响到秸秆厌氧发酵产气的效果，不同种类秸秆厌氧发酵产沼气的效果差别较大[5]。常见的木质纤维素原料包括木材纤维和非木材纤维原料，玉米秸秆、稻草、麦草、甘蔗渣等属于非木材禾草类纤维原料，这类原料尤为丰富且价格低廉，是生产沼气和生物天然气的主要原料[6]。

本试验选取内蒙古东部具有代表性的农业废弃物，包括陈化玉米、玉米秸秆、葵花秸秆、葵花盘（收割完籽实的葵花盘）、玉米芯（收割完籽实的玉米芯）、谷子秸秆为材料，采用元素分析法对农业有机废弃物进行理论甲烷产量计算，预测其产气性能。通过批式厌氧发酵，研究其产气规律和特性、测定其实际产甲烷潜力，得出其生物降解性，以期为厌氧发酵工程运行时原料的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和接种物 试验所采用材料均取自于内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁旗双胜镇，自然风干，使用实验室粉碎机粉碎后过20目筛，封存干燥放置备用。试验接种物取自阿鲁科尔沁旗规模化生物天然气与有机肥循环化综合利用项目一期厌氧发酵出料，密封放入厌氧发酵装置中直至几乎不产气，然后置于冰箱内封存备用，冰箱温度设置为0℃。试验材料和接种物理化性质如表1所示。

1.2 试验装置与试验设计

1.2.1 试验装置 试验采用批式厌氧发酵装置，如图1所示。反应器（蓝盖瓶），集气瓶（广口瓶），集水瓶（烧杯）容积都为1L，它们之间通过玻璃管、乳胶管连接组合。反应器在试验过程中的有效工作容积为0.8L。用恒温水浴箱（37±1）℃给反应器加热保温，保证试验为中温厌氧消化。集气瓶上标有体积刻度，相当于气体计量器，通过气体进入集气瓶将水排入集水瓶的排水法记录每天沼气的产量。

1.2.2 试验设计 试验设置6组，同时设置空白对照组。试验组原料分别为陈化玉米、玉米秸秆、葵花秸秆、葵花盘、玉米芯及谷子秸秆，空白对照组为接种污泥的空白对照。试验组发酵浓度为10%，F/M （物料VS：接种物VS）为0.5，对照组为接种物+去离子水组成。试验前，将分别计量原料和接种物重量，按比例加入1L厌氧发酵反应器内，用水定容至有效容积800mL，然后放人37℃恒温水槽内，连接好试验装置，开始实验。每个试验设置3个平行实验，所有反应器每日手动摇晃3次，每次约1min，以保证物料和接种微生物充分接触，厌氧消化时间定为40d。

1.3 原料的理论甲烷产量 本试验中原料的单位VS理论甲烷产量（Theoretical methane yield TMY）可以根据Buswell和Muellerl提供的公式进行计算[7]，公式包含CH0N4种元素：CnHaObNe+ （n-a/4 -b/2 +3c/4）H2O→（n/2+a/8-b/4-3c/4）ch4+（n/2-a/8+b/4+3c/8）CO2+cNH3

（1）TMY（mL4g-1vs）=22.4×1000×（n/2+a/8-b/4-3c/8）/12n+a+16b+14c （2）

1.4 生物降解性 根据试验获得的甲烷产量（Experi-mental methane yield，EMY）和通过理论计算获得的理论甲烷产量（Theoretical methane yield，TMY），有机物料的厌氧消化性（Biodegradability，BD）可以通过公式（3）进行计算[7]。BD（%）=EMY/TMY100 （3）

1.5 数据分析 各项指标的分析方法和主要仪器如表2所示。

2结果与分析

2.1 日产气量 试验组的日产沼气量变化情況如图2所示。由图2可知，在厌氧消化时间内，日产气量整体上都经过了 2个高峰后逐渐趋于0，主要都是第1个峰值都达到日产气最大值，主要出现在前1～3d。陈化玉米在第1天产气量最大，为720mL，随后产气量急剧下降，在第4～?10天，几乎不产生沼气。其主要原因是陈化玉米含有大量淀粉类糖，比较容易降解，在试验第1～2天，即会产生大量挥发酸，产甲烷菌无法随即将其降解消化，导致消化体系pH下降，从而抑制部分产甲烷菌的活性。随着时间进行体系内挥发酸被慢慢降解，体系pH上升，产甲烷菌恢复活性，在第15天产气上升。相关资料表明，pH低值通常出现在日产气量增加的前期，这是因为VFA积累造成pH下降，但VFA积累为产甲烷菌提供了充足的底物，促进产甲烷菌生长，增加产气量[9]。葵花盘与陈化玉米类似，第1天产气量即升为最大值，为575mL，随后产气量降低，在第3～8天产气量又逐渐回升，在第8天产气量达到第2个高峰为290mL。其他4个试验组（玉米秸秆、玉米芯、葵花秸秆、谷子秸秆）日产气情况波形相似，在前3d产气量达到最大值，随后产气量逐渐降低。以上结果表明，陈化玉米较秸秆类废弃物较容易降解，在秸秆类废弃物中葵花盘厌氧消化速度比较快，产气速度快，这与冯茵菲[10]研究的葵盘厌氧发酵特性与产气潜力的试验相符。

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（责编：张宏民）

作者简介：陆凤成（1966-），男，北京人，碩士，高级工程师，从事招标代理、工程项目管理、项目投资管理和战略研究等工作。 *通讯作者收稿日期：2020-06-28