水热预处理玉米秸秆与猪粪混合沼气发酵实验探究*

祝家盛， 武旋， 张无敌， 尹芳， 王昌梅， 赵兴玲

(云南师范大学 太阳能研究所，能源与环境科学学院，云南 昆明 650500)

1 引言

近年来，沼气发酵技术得到了快速发展，成为提高畜禽粪便和秸秆资源化利用率的有效途径[1].单一原料发酵得到了深入细致的研究，并形成了较成熟的技术体系而应用于实际生产生活[2].畜禽粪便或秸秆单独发酵时，粪便的发酵效果明显优于秸秆，且粪便中含有较多的易分解化合物，发酵周期较短，而农作物秸秆含木质纤维素较多，发酵周期长[3].经水热预处理的秸秆可以提高原料利用率和产气率，缩短发酵周期.粪便和水热预处理后的秸秆混合发酵不仅可以弥补单一原料的发酵缺陷，还能解决秸秆在发酵时易浮料结壳的缺点，提高发酵效率[4].

国内外大量关于混合原料沼气发酵的研究[5-6]表明混合原料发酵性能优于单一原料，并且多种粪便混合有助于平衡发酵体系内营养物质和丰富微生物多样性.王晓娇[7]和王永成[8]等研究表明猪粪和鸡粪以 2∶1 混合并辅以秸秆混合发酵性能较好.刘战广等[9]通过秸秆和畜禽粪便混合发酵产气实验以日产气量、累积产气量、TS(total solid)产气率、VS(volatile solid)产气率和甲烷含量等参数评估沼气发酵产气性能，发现混合干式厌氧发酵可明显提高产气速率，但对发酵原料的产气潜力没有明显影响.

本文以玉米秸秆和猪粪为原料，研究猪粪与经过水热预处理的玉米秸秆以不同比例混合在35 ℃下的沼气发酵特性，进而探究粪草比和水热预处理对秸秆产沼气及能源转化效率的影响，为玉米秸秆和猪粪混合发酵的工程应用提供一定的理论依据.

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

玉米秸秆取自云南省大理州南涧县当地农村，晾晒粉碎烘干备用(TS为92.54%，VS为87.52%)；猪粪取自于云南省昆明市官渡区张家坡养殖场(TS为50.01%，VS为27.20%)；接种物选用本实验室驯化的发酵菌种(TS为9.90%，VS为6.33%).

2.2 实验材料及方法

实验装置包括水热预处理装置和批量式沼气发酵装置，其中水热预处理装置采用威海正威机械设备有限公司的GS-1L型反应釜.在水秆比10∶1、2 Mpa和220 ℃条件下水热预处理30 min，得到TS为6.21%，VS为4.13%的预处理玉米秸秆.批量式发酵装置如图1，由发酵、集气和控温3个系统组成，发酵瓶、集气瓶和集水瓶均采用500 mL的塑料瓶，之间用橡胶管密封连接.将发酵装置经检漏后置于水槽内(35±1)℃加热控温.

图1 批量式厌氧发酵装置

实验发酵原料为不同粪草比混合物，总池容为500 mL，发酵体积为400 mL，接种量为30%.实验设置A-G共7组，其中A组为空白对照组，其他6组为不同粪草比实验组，每组3个平行.发酵前后分别测定原料以及发酵料液的TS和VS，以及发酵料液的有机酸、总有机碳(total organic carbon,TOC)及总氮(total nitrogen,TN)等指标.发酵过程中每天定时记录日产气量，每两天测一次CH4含量，根据发酵前后各指标[9]的变化对其进行综合分析.各组的配比和特性参数如表1所示.

表1 发酵实验各组原料特性

3 结果与讨论

3.1 产气量分析

发酵实验在(35±1)℃下共运行了44 d.A组为空白对照组，其他组产气均已扣除空白.从图2可以看出，猪粪含量越高，产气高峰越快出现；B组开始发酵后日产气量迅速上升，在第6天达到产气高峰，最高日产气量为697 mL；C组在整个发酵过程中产气较均衡，D组、E组、F组和G组在整个发酵过程中日产气量均低于300 mL.

从图3可以看出各实验组的累积产气量V总由高到低依次为B>C>E>D>F>G，B组和C组的V总相近，并明显高于其他实验组.B组和C组均在第27天达到V总的80%，G组则到第36天才达到V总的80%，说明与猪粪混合发酵可以显著缩短秸秆发酵周期.对比文献[10]，相同粪草比情况下，未经预处理的原料直接发酵最早于第32天,最晚于第41天达到累积产气量的80%.可见水热预处理秸秆能进一步缩短发酵时间；但预处理后G组的产气高峰出现后移，可能因为水热预处理使秸秆中的半纤维素部分水解成单糖，在中间产物酸的作用下进一步水解生成糠醛等抑制微生物活性的产物[11-12]，从而导致产气量降低.

图2 日产气量变化曲线

图3 累积产气曲线

假设猪粪与秸秆混合发酵无相互影响，以V计=V猪粪×C猪粪占比+V秸秆×C秸秆占比计算 C、D、E和F四组的总产气量分别为5 444、4 374、3 304 mL和2 702 mL;与各组的实际总产气量对比，C组的实际总产气量大于计算值，即C组的产气效果优于两种原料单独发酵，D组、E组和F组的实际总产气量小于计算值，即D组、E组和F组的产气效果则劣于两种原料单独发酵(如表2).

表2 混合发酵总产气量分析

3.2 能源转化率分析

由于实验测得产出的沼气中氢气含量基本低于1%，故忽略能源转化中的氢能.通过多功能热值测定仪测得实验所用的猪粪和玉米秸秆的低位热值分别为16 595 kJ/g和15 492 kJ/g.经查阅可燃气体热值表[13]可知CH4低位热值为35.822 kJ/mL.B-G组的CH4含量均值分别为41.26%、46.17%、40.65%、37.42%、32.68%和33.75%，计算出B-G各组的能源转化率如图5所示.C组和G组的能源转化率分别为56.51%和14.29%，预处理的秸秆与猪粪混合发酵在粪草比为2∶1时的能源转化率是预处理秸秆单独发酵的3.95倍，是猪粪单独发酵的1.15倍.数据说明在粪草比为2∶1时，猪粪与预处理的秸秆混合发酵可以显著提高秸秆的能源转化效率.

图4 各组能源转化率

3.3 原料降解效果分析

发酵前各实验组pH位于6.1～7.5，发酵后pH均升高，处于7.2～8.5，在正常发酵范围.从表3可以看出，实验原料经过发酵后，TS和VS均呈现降低趋势，VS降低较为明显.除F组和G组的外，各实验组的VS消减率(PVS)和TS消减率(PTS)都超过30%，最大分别可以达到34.07%和44.82%，说明发酵中原料的TS和VS均有不同程度的降解.从C组的PTS大于B组， B组的PVS大于C组，可推测粪草混合发酵对原料TS消除率的影响更大.从C组至G组，随着粪草比减小，PVS和PTS均依次减小，说明促进玉米秸秆降解的最优粪草比不小于2∶1.

表3 原料TS和VS消除率

3.4 产气效益及原因分析

从表4可知，B组的V总、日均产气量、TS产气率(CTS)、VS产气率(CVS)和单位体积原料产气率(CV)都是最高的.G组的各指标都是最低的.B组和C组的各指标值约是G组的7倍，差异明显.B组各项指标与C组较为接近，却高于其他组，说明在此发酵条件下混合发酵对猪粪在产气效果方面影响不大，但是对水热预处理秸秆发酵产沼气能起到促进作用，尤其是粪草比为2∶1时促进效果最明显.

表4 产气效益分析

表5中B-G组的发酵料液碳氮比也印证了B组和C组累积产气量较高的原因.因为碳氮比于14～30之间是较适宜的沼气发酵范围，碳氮比过高反而不利于发酵[14].

表5 碳氮比对累积产气量的影响

4 结语

(1)根据总产气量、能源转化率、TS产气率和VS产气率可以看出与猪粪混合发酵能有效提高水热预处理玉米秸秆的产气效率，缩短产气周期；但粪草比过低(实验中粪草比≤1∶1)则会抑制原料产气效果.

(2)粪草比为2∶1时，猪粪和水热预处理玉米秸秆混合发酵的产气量和能源转化率最大，分别为10 017 mL和56.51%，TS产气率和VS产气率可分别达到429 mL/g和515 mL/g.

(3)适当比例混合的粪草厌氧发酵能有效促进秸秆的降解.混合发酵的原料TS含量、VS含量、有机酸含量和TOC含量均有所降低，其中C组的TS消减率和B组的VS消减率最大，分别为34.07%和44.82%.