楊貴運(yùn)　周勛波　寧堂原

摘要：試驗(yàn)設(shè)牛糞-玉米秸稈質(zhì)量比2∶1（A）、牛糞（B）、玉米秸稈（C）、牛糞-玉米秸稈質(zhì)量比1∶2（D）4個(gè)處理，在溫度為（30±1）℃、發(fā)酵液（TS）濃度為10%的條件下，研究糞稈比對(duì)沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。結(jié)果表明，試驗(yàn)55 d各處理總產(chǎn)氣量大小依次為A>D>B>C。發(fā)酵過程中各處理日產(chǎn)氣量變化和日累積產(chǎn)氣量差異明顯，A處理產(chǎn)氣高峰主要在17～26 d，D處理主要在22～33 d，A和D處理總產(chǎn)氣量分別為6 997 mL和6 842 mL，高于B處理和C處理。因此，牛糞-秸稈混合發(fā)酵可明顯提高產(chǎn)氣速率，改善產(chǎn)氣狀況，提高發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力。

關(guān)鍵詞：沼氣；糞稈比；產(chǎn)氣量

中圖分類號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）01-0076-04

Abstract Four treatments including cow manure-maize straw at the ratio of 2∶1 （A）， cow manure （B）， maize straw （C）， cow manure-maize straw at the ratio of 1∶2 （D） were set to study the effects of different proportions of cow manure and maize straw on biogas production under anaerobic fermentation with the total solid （TS） concentration as 10% at （30±1）℃. The duration of this test was 55 days. The results showed that the total biogas yield of the treatments was in the order of A>D>B>C. The change of daily biogas yield and daily cumulative biogas yield had great differences between different treatments. The biogas peak of treatment A was present during 17～26 days， while that of treatment D was present during 22～23 days. The total biogas yield of treatment A and D was 6 997 mL and 6 842 mL respectively， which were higher than that of treatment B and C. In conclusion， the mixture fermentation of cow manure and maize straw could accelerate biogas producing rate， improve biogas production status， and increase the biogas producing potential.

Key words Biogas； Proportion of cow manure and maize straw； Biogas yield

中國有豐富的生物質(zhì)能源[1]，主要包括農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢水等，這些有機(jī)質(zhì)經(jīng)厭氧發(fā)酵均可產(chǎn)生沼氣。沼氣作為一種方便、清潔、高品位的能源，由于其原料豐富、技術(shù)簡單、造價(jià)低廉、環(huán)境友好的特點(diǎn)而受到國家的高度重視[2]。中國幅員遼闊，各地農(nóng)作物、畜禽糞便種類和數(shù)量不同，沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣數(shù)量和質(zhì)量有很大差異[3]。山東省沼氣工程大部分采用常溫發(fā)酵，池容產(chǎn)氣率偏低[4]。本試驗(yàn)旨在探索玉米秸稈-牛糞混合原料在不同質(zhì)量配比條件下對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的變化、單位質(zhì)量產(chǎn)氣量等的影響，以期為科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行沼氣生產(chǎn)和利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

玉米秸稈和牛糞取自山東省平原縣張華鎮(zhèn)，玉米秸稈風(fēng)干后粉碎成1～2 cm碎段。接種物為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)排污河底的淤泥，淤泥含水量為92%。

1.2 試驗(yàn)方法和裝置

試驗(yàn)設(shè)A、B、C、D 4個(gè)處理，以20 g污泥做空白對(duì)照，重復(fù)3次。將風(fēng)干的玉米秸稈和牛糞分別用紙袋包好放入（105±2）℃烘箱烘干12 h至恒重備用，發(fā)酵原料總質(zhì)量為80 g，其中接種污泥占25%（20 g），A處理牛糞-秸稈質(zhì)量比為2∶1（40 g牛糞+20 g玉米秸稈），B處理牛糞（60 g），C處理玉米秸稈（60 g玉米秸稈+1 g尿素調(diào)節(jié)碳氮比），D處理牛糞-秸稈質(zhì)量比為1∶2。反應(yīng)溫度設(shè)置為（30±1）℃，各處理發(fā)酵液總固體（TS）濃度為10%（80 g物料+720 g水）。試驗(yàn)采取排水集氣法，將稱量好的物料按各處理要求加入1 L三角瓶（圖1）中混勻，分別加入淤泥，再加入720 g自來水。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)前，分別對(duì)風(fēng)干的玉米秸稈和牛糞進(jìn)行總固體（TS）測(cè)定，將含有樣品的坩堝放入烘箱，在（105±2）℃下烘干至恒重后測(cè)定。

發(fā)酵開始后，每天晚上21～22時(shí)用量筒量取集水瓶中排出水的體積，即為沼氣產(chǎn)量。試驗(yàn)結(jié)束后，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)分析，計(jì)算日產(chǎn)氣量、日累積產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量、發(fā)酵原料單位質(zhì)量產(chǎn)氣量、單位體積產(chǎn)氣量等。

采用SigmaPlot軟件處理數(shù)據(jù)及作圖，采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量endprint

試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，對(duì)照總產(chǎn)氣量為465 mL。由圖2看出， 4個(gè)處理在產(chǎn)氣初期均有一段小高峰，然后逐漸下降到一個(gè)極低的水平，甚至有2～3 d不產(chǎn)氣，然后再緩慢上升到一個(gè)最高峰，之后逐漸波浪式下降，到第45 d后產(chǎn)氣逐漸趨于停止。其中A處理的最大產(chǎn)氣量明顯高于其他處理，產(chǎn)氣高峰期在17～26 d，較其他3個(gè)處理明顯提前，且在35～40 d還能保持一定水平的產(chǎn)氣量；B處理產(chǎn)氣主要集中在21～29 d，最大產(chǎn)氣量（348 mL）明顯低于A處理（470 mL）和D處理（412 mL）。C處理用純玉米秸稈，產(chǎn)氣高峰明顯滯后，主要在34～41 d，第38 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰值（376 mL）；D處理秸稈比例較大，產(chǎn)氣高峰相對(duì)推遲，在22～33 d，但仍然優(yōu)于C處理。

2.2 日累積產(chǎn)氣量及其占總產(chǎn)氣量的百分比

由圖3看出，A、B、C、D處理產(chǎn)氣拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在第26、30、42、35 d。A、B、D 3個(gè)處理日累積產(chǎn)氣量最高分別為6 997、6 752、6 842 mL；C處理為5 926 mL，顯著低于其他3個(gè)處理。從累積產(chǎn)氣量來看，A、D處理混合秸稈發(fā)酵的總產(chǎn)氣量大于純牛糞處理B和玉米秸稈，表明混合發(fā)酵優(yōu)于牛糞或玉米秸的單獨(dú)發(fā)酵，而A處理總產(chǎn)氣量大于D處理，表明牛糞-玉米秸混合發(fā)酵2∶1優(yōu)于1∶2的比例（圖3）。

由圖4可以看出，A、B、C、D累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量50%的時(shí)間分別在第23、25、34、27 d，累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%分別在第34、33、39、33 d，累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%分別在第39、38、42、38 d。產(chǎn)氣出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)A、B、C、D各處理日累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比分別為 67.8%、75.7%、91.0%、86.9%，A處理產(chǎn)氣主要集中在中前期，優(yōu)于其它處理，符合沼氣發(fā)酵盡早啟動(dòng)的要求。

2.3 單位質(zhì)量產(chǎn)氣量和單位體積產(chǎn)氣量

發(fā)酵原料種類不同其池容率不同[5]，隨玉米秸稈比例的增加，整個(gè)發(fā)酵原料體積也在增加。A處理單位質(zhì)量產(chǎn)氣量最高，為108.9 mL/g，然后依次是D、B、C處理。單位體積產(chǎn)氣量C處理最低，僅為6.8 mL/cm3，純牛糞B處理體積最小，其單位體積產(chǎn)氣量最大，為15.7 mL/cm3。由此得出，A處理牛糞和玉米秸稈混合單位質(zhì)量產(chǎn)氣率明顯優(yōu)于單獨(dú)玉米秸稈和單獨(dú)牛糞處理（圖5）。

2.4 理論產(chǎn)氣量和實(shí)際產(chǎn)氣量

根據(jù)B處理和C處理可計(jì)算出牛糞和玉米秸的單位質(zhì)量產(chǎn)氣量以計(jì)算A、D混合發(fā)酵的理論產(chǎn)氣量。B、C單位質(zhì)量產(chǎn)氣量分別為104.8、91.0 mL/g，A、D的理論產(chǎn)氣量則分別為6 011.6、5 736.4 mL，低于實(shí)測(cè)值（除去對(duì)照的產(chǎn)氣總量）6 532、6 377 mL（圖6）。表明秸稈-牛糞混合發(fā)酵產(chǎn)氣能明顯提高產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣潛力。

3 結(jié)論與討論

風(fēng)干玉米秸稈含有大量的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素，其中部分很難被沼氣微生物分解，這可能是C處理純玉米秸稈產(chǎn)氣滯后及產(chǎn)氣量少的主要原因。試驗(yàn)初始階段產(chǎn)氣保持了相對(duì)一致性，可能是發(fā)酵初期，發(fā)酵原料還沒開始分解產(chǎn)生沼氣，主要是接種污泥產(chǎn)生的沼氣，隨著接種物產(chǎn)氣的逐漸下降停止，經(jīng)歷了數(shù)天的產(chǎn)氣停滯，沼氣微生物的大量生長繁殖，發(fā)酵原料開始被分解產(chǎn)生沼氣，產(chǎn)氣逐漸恢復(fù)。

厭氧微生物的生長需要足夠的碳源和氮源，并能保持平衡[6]。適合沼氣微生物利用的發(fā)酵原料碳氮比為（20∶1）～（30∶1）[7]。本試驗(yàn)測(cè)得牛糞的碳氮比為20.5∶1，與沼氣發(fā)酵原料最佳碳氮比十分接近，因此單獨(dú)牛糞的沼氣發(fā)酵是可行的。原料的結(jié)構(gòu)特性也可以影響介質(zhì)傳遞和微生物對(duì)原料的利用效率[8]。牛糞的結(jié)構(gòu)較為致密，不利于產(chǎn)生氣體的及時(shí)釋放。通過與玉米秸稈的混合可以在一定程度上解決氣體的疏導(dǎo)問題。玉米秸結(jié)構(gòu)疏松，可以保證所產(chǎn)氣體的及時(shí)排除，但是不利于介質(zhì)的傳遞，所以產(chǎn)氣效率也很低。增加牛糞等細(xì)碎的原料，可以改善原料間的接觸面，增強(qiáng)介質(zhì)傳遞。

玉米秸稈和牛糞混合發(fā)酵比單純秸稈或牛糞發(fā)酵總產(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣高峰提前，并且顯示了一定的穩(wěn)定性。因此，以一定比例混合可以明顯提高產(chǎn)氣速率，改善產(chǎn)氣狀況，提高發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力。

參 考 文 獻(xiàn)：

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