秸秆沼气发酵工艺参数优化实验

8 2015, V ol.35, No.19 农业与技术
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农业科学
秸秆沼气发酵工艺参数优化实验
张 重，张 苏，丁 伟
（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）
摘 要：为了更好地利用秸秆进行沼气发酵，进行了秸秆沼气发酵工艺参数优化实验。

TS 浓度为8%时产气量最高，TS 浓度为6%时产气量次之，TS 浓度为10%时产气量最低，说明TS 浓度为8%时产气效果最好，TS 浓度小于6%或大于10%时产气效果相对来说不好。

关键词：秸秆；发酵；工艺
中图分类号：X705 文献标识码：A DOI:10.11974/nyyjs.20151032003
据统计，2014年全国秸秆理论资源量接近9亿吨，可收集资源量约为7亿吨。

作为一种优质生物质原料，有近50％未得到有效利用，大部分在田间被烧掉或烂掉，造成很大的资源浪费和环境污染[1]。

富含碳木质纤维性原料的秸秆是农业生产的最大副产品，是重要的生物质能源，用于沼气生产，具有原料易收集、发酵周期长、产气潜力大、建设成本低、综合效益好、适合农村发展等特点[2]。

因此，发展农村户用秸秆沼气具有重要的意义。

温度是影响产气量的重要因素之一，沼气微生物只有在一定的温度条件下才能生长繁殖，进行正常的代谢活动。

合理的发酵温度可以使微生物代谢加快，分解原料的速度也相应提高，产气量和产气率都相应增高。

研究温度对秸秆沼气发酵产气量的影响，以确定合理的发酵温度，优化其工艺参数。

1
实验
1.1 实验装置
实验装置为自行设计的厌氧发酵装置，如图1。

图1 厌氧发酵装置图
1.2 实验材料
供试玉米秸秆取自吉林省农安县小合隆镇陈家店村。

供试接种物为取自陈家店村发酵3个月以上的沼气池的新排出的沼渣。

秸秆预处理用NaOH 为天津市津宏伟邦化工有限公司生产的片状固体氢氧化钠。

白腐菌剂为自制秸秆专用微生物菌剂。

1.3 实验方法
取等量的揉碎的玉米秸秆（揉碎长度1～3cm）4份，在保证原料的成分及配比、预处理方式、发酵料液的干物质浓度、接种物加入量、PH 值等发酵条件不变的情况下，分别在4种温度下进行厌氧发酵产气，对日产气量进行测定，通过比较分析，确定合理的厌氧发酵温度。

1.4 实验步骤1.4.1 备料
用揉搓机加工供试玉米秸秆若干，揉碎长度1～3cm。

1.4.2 秸秆预处理
取4份揉碎的玉米秸秆各80g，分别先用调配质量百分比浓度为6%的NaOH 喷淋至潮湿，无自由水流出，恒温（35±1）℃堆沤24h，然后再用相当于玉米秸秆干物质质量0.3%的白腐菌剂混合均匀，恒温（35±1）℃堆沤3d。

1.4.3 装料
将预处理后的4份秸秆分别装入4个发酵瓶中，再分别加入沼渣调配好的接种物320g（接种物浓度为1.45%），然后向3个发酵瓶中加水，料液浓度调至8%，PH 值调整为6.7～7.5，厌氧发酵温度分别设置为25±1℃、30±1℃、35±1℃、40±1℃，封瓶进入厌氧发酵。

1.5 产气量的测定
实验中日产气量采用排水法测量，反应期内每天上午10:00用量筒测量集水瓶中水的体积来统计产气量，
即得到日产气量。

1.6 实验数据
根据所得的实验数据绘制了不同发酵温度条件下日产气量情况表1。

表1 温度分别为25℃、30℃、35℃和40℃条件下
日产气量情况
发酵天数/d
25℃30℃35℃40℃第1天393.3427.5461.7444.6第2天397.8438.6545.7520.2第3天489.6535.5770.1668.1第4天535.5617.1805.8751.4第5天591.6693.6839.8778.6第6天652.8732.7868.7775.2第7天673.2727.6863.6790.5第8天657.9737.8861.9768.4第9天663739.5877.2778.6第10天666.4719.1868.7793.9第11天656.2722.5855.1766.7第12天651.1741.2870.4790.5第13天635.8725.9844.9778.6第14天657.9703.8858.5790.5第15天652.8725.9867793.9第16天639.2698.7863.6770.1第17天630.7703.8836.4763.3第18天625.6693.6858.5758.2第19天629698.7851.7741.2第20天615.4703.8843.2732.7第21天603.5693.6831.3720.8第22天600.1683.4838.1712.3第23天589.9673.2827.9702.1第24天588.2676.6819.4698.7第25天576.3664.7804.1693.6第26天566.1656.2771.8683.4第27天552.5622.2724.2668.1第28天520.2561688.5632.4第29天482.8525.3632.4601.8第30天464.1484.5586.5525.3第31天423.3443.7525.3494.7第32天402.9413.1462.4448.8第33天367.2382.5413.1397.8第34天351.9372.3387.6385.9第35天
341.7
362.1
382.5
377.4
1.7 数据分析与结论
图2 不同温度条件下日产气量随时间变化曲线
根据表1实验数据绘制了不同温度条件下日产气量随时间变化曲线（图2）。

从图中可以看出，从第一天到第35d，4个温度组的产气情况是大概相同的，在发酵的初期，4个温度组都产生了大量的气体。

在最高日产气量在35℃时达到，其次是40℃、30℃、25℃。

这就说明了，在25℃到40℃的范围内，产气量不随温度升高二增高，而是在35℃左右达到最高的产气量。

同时，由图可见，在第35d，日产气量达到最低，并且有继续下降的趋势。

那么到第36d 时，容积产气率将会变得极低。

因此，本实验合理沼气发酵温度确定为35±1℃，水力停留时间确定为35d。

2 TS 含量对秸秆沼气发酵产气量的影响
在秸秆沼气厌氧发酵过程中，物料干物质（TS）含量不仅影响厌氧微生物的生长、繁殖及其活性，而且适当的干物质含量，更能提高厌氧发酵的产气效率。

本实验对物料不同干物质浓度下产气情况进行了测定以优化该工艺参数。

研究TS 含量对秸秆沼气发酵产气量的影响，以确定合理的发酵原料干物质浓度。

2.1 实验装置
实验装置为实验组自行设计的厌氧发酵装置，如图1。

2.2 实验材料
供试玉米秸秆（含水率20%）取自吉林省农安县小合隆镇陈家店村。

供试接种物为取自陈家店村发酵3个月以上的沼气池新排出的沼渣。

秸秆预处理用NaOH 为天津市津宏伟邦化工有限公司生产的片状固体氢氧化钠。

白腐菌剂为自制秸秆专用微生物菌剂。

2.3 实验方法
取3份不同质量揉碎的玉米秸秆（揉碎长度1～3cm），在保证原料的成分及配比、预处理方式、接种物加入量、厌氧发酵温度、PH 值等发酵条件不变
日产气量/m L
天数/d
（下转第11页）
不同温度下日产气量/m 3
2结果与分析
从表1可以看出，土壤质地对产量的影响较明显，不同土壤质地间的花生小区平均产量差异极显著，顺序为壤土＞粘土＞沙壤土＞沙土，小区荚果个数、小区百果重与产量顺序一致，壤土地块最高，但与粘土地块差别不大，与沙土地及沙壤土地块差别较大；空秕果数与空秕率顺序由小到大为粘土<壤土<沙壤土<沙土，以粘土地为最低，空秕率为14.4%，壤土地为15.2%，与粘土地基本相仿，利用DPS数据处理系统进行方差分析，差异不显著。

沙壤土与沙土地空秕率较高，分别为27.6%和50.3%。

从本次试验结果可以得出，土壤质地对花生空秕果的形成有较大影响，土壤质地越肥厚空秕果率越低，反之空秕果率越高。

3小结与讨论
因2014年在花生生育期内，莒县降雨量严重偏少于往年，5～8月全县平均降雨量不足400mm，试验地块花生产量均较往年偏低，空秕果率较往年偏高，尤以沙质土壤地块为重。

经查阅有关资料了解，花生空秕果形成与土壤中的钙、硼等中微元素有关。

分析本次试验，土壤越肥沃有机质含量越高，能吸收利用的中微量元素也越多，空秕果发生就少。

因此生产中，要增施土杂肥及商品有机肥来提高土壤有机质的含量，土壤较瘠薄的地块同时增施钙、硼等中微量元素肥料，减轻空秕果的发生，保障花生稳产增产。

作者简介：阚积珍（1974年6月-），女，山东莒县人，莒县浮来山镇农业综合服务中心，农艺师，主要从事农业技术推广工作；门庆永（1974-），农艺师，山东省莒县文心中路五号莒县农业局农技中心。

的情况下，分别在3种干物质浓度下进行厌氧发酵产气，对日产气量进行测定，并测算出35天的累积产气量，通过比较分析，确定合理的发酵原料干物质浓度。

2.4 实验步骤
2.4.1 备料
用揉搓机加工供试玉米秸秆若干，揉碎长度1～3cm。

2.4.2 秸秆预处理
取3份揉碎的玉米秸秆分别为60g、80g、100g，再分别先用调配质量百分比浓度为6%的NaOH喷淋至潮湿，无自由水流出，恒温（35±1）℃堆沤24h，然后再用相当于玉米秸秆干物质质量0.3%的白腐菌剂混合均匀，恒温（35±1）℃堆沤3d。

2.4.3 装料
将预处理后的3份秸秆分别装入3个发酵瓶中，再分别加入沼渣调配好的接种物320g（接种物浓度为1.45%），然后向3个发酵瓶中加水至3个发酵瓶中料液质量均为800g，即料液温度分别调至6%，8%，10%，PH值调整为6.7～7.5，厌氧发酵设置为35±1℃，封瓶进入厌氧发酵。

2.5 产气量的测定
实验中日产气量采用排水法测量，反应期内每天上午10:00用量筒测量集水瓶中水的体积来统计产气量，即得到日产气量，通过测算得到25d的总产气量。

2.6 实验数据
根据所得的实验数据绘制了不同干物质浓度下产气情况表2。

表2 不同干物质（TS）浓度下产气量及容积产气率情况TS/%35d总产气量/mL
容积产气率/
[mL/（L·d）] 624850710
826250750
1023100660
2.7 数据分析与结论
从表2中能得出如下结论：秸秆沼气湿法发酵在TS 浓度为6%、8%和10% 3种情况时都能够产气。

TS浓度为8%时产气量最大，其次是6%，TS浓度为10%时产气量最低。

这就说明TS浓度为8%时产气的效果最好，TS 浓度小于6%或大于10%时产气效果相对来说不好。

TS 浓度大于10%时产气量最低，是因为其中固体物质的含量比较高，影响了厌氧菌的活性和繁殖活动，而且高浓度不利于料液的混合，影响了传质的效果，继而影响到产气。

TS浓度低于6%时产气量较低，是因为固体原料的含量比较少，不能提供足够有机物以分解消化，有机物的分解消化速度和产气速度达不到平衡，从而影响了产气。

因此，从多方面考虑，本实验发酵原料TS浓度取8%。

参考文献
[1]闫晶晶.我国生物质能开发利用的可持续发展评价与实证研
究[D] .中国地质大学.2010.
[2]蔡亚庆，仇焕广，徐志刚.中国各个区域秸秆资源可能源化
利用的潜力分析[J].自然资源学报，2013，（10）：1637-1646.
（上接第9页）。