干物质浓度对玉米秸秆厌氧产气影响的研究

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　　摘要：本文综合分析了干物质浓度对玉米秸秆厌氧发酵产气的影响。通过对不同干物质浓度的优化分析发现， 在干物质浓度为8%的料液， 日进料量为60g时，有利于提高秸秆厌氧发酵产气量。
　　关键词：厌氧发酵;不同浓度;进料量
　　中图分类号：S-3文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115003
　　收稿日期：2019-11-15
　　基金项目：玉米秸秆-畜禽粪便沼气的产气规律研究（项目编号：20170101078JC）
　　作者简介：常帅（1992-），男，研究生。研究方向：农业废弃物资源化利用及农业机械装备;通讯作者赵国明（1973-），男，研究员，硕士。研究方向：农业废弃物无害化处理及资源化利用、生物质能技术。
　　据国家粮油信息网统计2019年玉米产量约为2.554亿t，折算玉米秸秆约为3.06亿t（2017年中国玉米秸秆的利用统计测算及成本估测）[1]。由于农耕要占用大量的土地，传统的处理方式大多为焚烧或者遗弃，造成了环境污染和能源的浪费。现代的处理方式是将秸杆作为饲料、基肥使用，浪费了大量的人力物力，如何提高秸秆的利用效率亟待解决[2-4]。
　　沼气发酵是处理秸秆的主要途径之一，沼气不仅能消除环境问题，还能提高秸秆的利用效率[5，6]。影响沼气发酵的因素很多，有TS浓度、水解时间、进料量等。TS浓度太高容易出现腐烂变质，搅拌困难，浓度太低易出现固液分层现象;水解时间过长，容易造成酸的积累增加，易造成酸化现象，水解时间过短，秸秆的有机成分无法完全分解;进料量越大，消化时间就越长，不宜于厌氧菌的分解。因此，本研究选取TS浓度、水解时间、进料量3个因素来研究秸秆厌氧发酵产气，以期为玉米秸秆进行厌氧发酵提供科学依据。
　　1材料与方法
　　1.1试验材料
　　试验所用的发酵原料为玉米秸秆，取自吉林省乾安县农作物种植基地的农田，挑选没有发霉变质的秸秆，去除根部后，自然风干。将没有发生霉变的秸秆使用粉碎机粉碎，利用标准筛筛取秸秆粒径为2mm的秸秆密封于阴凉处保存。菌种为新鲜牛粪连续发酵后的产物，为了更好地对秸秆厌氧发酵进行研究，对秸秆的基本性质进行测定，详情见表1。
　　1.2试验方法
　　根据不同干物质浓度的料液装料体积的变化及搅拌情况及以往试验分析选取干物质浓度为6%、8%、0%的料液作为研究对象，水解时间为24h，温度为35℃。优化出最佳干物质浓度的料液采用半连续式进料方式，每天进料量分别为60g和80g。记录每天产气量和累积产气量的变化。
　　2结果与分析
　　2.1不同浓度的水解pH值的变化
　　根据图1所示，同种玉米秸秆在中温条件下pH值变化分析：秸秆水解初始，由于干玉米秸秆含水率较低，故大部分秸秆漂浮在水面上方，摇匀后秸秆浸出液呈现不同程度的颜色，随着浓度的增加，棕黄色由浅变深，pH初始值维持在6.5～7.0之间。3种玉米秸秆干物质浓度在0～8h内，从图中可以看出干物质浓度为6%和10%产酸效果最为明显，干物质浓度为8%产酸效果较慢，但是pH值均呈现出不同程度的下降趋势，出现这种情况的原因是在中温条件下，反应物内分解了大量的产酸菌，加速了有机酸的迅速累积，而且在水解初期，摇晃瓶子在一定程度上提高了兼性厌氧菌的活性，使兼性厌氧菌能够利用小分子有机物进行产酸。在8～24h内，干物质浓度为10%出现上升趋势，出现这种情况的原因是蛋白质分解产生大量的氨基酸，氨基酸与水反应进一步生成氨气，氨气与水反应呈现碱性，使pH值变大。干物质浓度为6%出现先下降后上升，是因为兼性厌氧菌不够活跃，使得蛋白质含量低，分解产生的氨基酸与水反应生成的氨气量不佳，所以增长比较缓慢。干物质浓度为8%一直保持下降趋势，产生的主要原因是兼性厌氧菌比较活跃，纤维素含量较高被少量兼性厌氧菌所分泌的胞外酶水解成一部分的葡萄糖，葡萄糖在兼性厌氧菌的作用下进一步分解，产生大量的乙酸、丙酸、丁酸等挥发性酸，因而产酸效果最佳。
　　2.2产气情况分析
　　通过图2、图3所示，在前9d，每天进料量为80g比每天进料量为60g的日产气量略高，日进料80g在第5天达到产气高峰，而日进料60g在第5天和第13天达到产气高峰，日进料60g比日进料80g总产气量高出31%左右。出现这种情况是前期料液中有大量的产甲烷菌，当每天进入秸秆量比较大时，产甲烷菌能够迅速消耗掉大量的有机酸，随着时间的延长产甲烷菌的数量逐渐减少，料液中的有机酸含量逐渐升高，
　　抑制了产甲烷菌的生长，秸秆数量越多越不容易被消化，所以日进料80g产气量远远低于日进料60g。在第13天日进料为60g的秸秆厌氧发酵又一次达到了产气高峰，说明产甲烷菌分解的比较好，有机酸的含量在逐渐的减少，产甲烷菌能够完全分解有机酸，产生大量的沼气。
　　3结论
　　根据不同浓度的pH值变化，干物质浓度为8%比其它2种干物质浓度的料液产酸效果好。
　　厌氧发酵阶段，在干物质浓度为8%的料液条件下，日进料量为60g比日进料量80g的产气效果好。
　　参考文献
　　[1] 国家粮油信息中心.国家粮油信息中心：预计2019年我国玉米产量2.554亿吨[EB/OL].中国粮油信息网，2019-08-09.
　　[2]常华，李海红，闫志英.总固体浓度对猪粪中温连续厌氧发酵的影响[J].陕西科技大学学报，2017，35（04）：27-31.
　　[3]张少朋，陈玉保，肖庆超，张无敌，尹芳，赵兴玲，杨顺平，高燕妮，郝亚杰，王昌梅，杨红.柚子皮发酵产沼氣潜力的试验研究[J].中国沼气，2016，34（05）：47-49.
　　[4]徐泽敏，赵国明，牟莉.秸秆沼气工程湿法发酵工艺参数优化研究[J].农机化研究，2014，36（11）：218-221.
　　[5]邢向欣，赵国明，裴海林.东北地区沼气发酵技术现状研究[J].农业与技术，2017，37（19）：87-89，100.
　　[6]王晨.农作物秸秆产沼气研究进展与前景[J].农业工程技术，2018，38（11）：43.
　　（责任编辑贾灿）
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