玉米秸秆—牛粪不同配比对沼气产量的影响

杨贵运　周勋波　宁堂原

摘要：试验设牛粪-玉米秸秆质量比2∶1（A）、牛粪（B）、玉米秸秆（C）、牛粪-玉米秸秆质量比1∶2（D）4个处理，在温度为（30±1）℃、发酵液（TS）浓度为10%的条件下，研究粪秆比对沼气厌氧发酵产气量的影响。结果表明，试验55 d各处理总产气量大小依次为A>D>B>C。发酵过程中各处理日产气量变化和日累积产气量差异明显，A处理产气高峰主要在17～26 d，D处理主要在22～33 d，A和D处理总产气量分别为6 997 mL和6 842 mL，高于B处理和C处理。因此，牛粪-秸秆混合发酵可明显提高产气速率，改善产气状况，提高发酵原料产气潜力。

关键词：沼气；粪秆比；产气量

中图分类号：S216.4 文献标识号：A 文章编号：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

中国有丰富的生物质能源[1]，主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、生活垃圾、工业有机废水等，这些有机质经厌氧发酵均可产生沼气。沼气作为一种方便、清洁、高品位的能源，由于其原料丰富、技术简单、造价低廉、环境友好的特点而受到国家的高度重视[2]。中国幅员辽阔，各地农作物、畜禽粪便种类和数量不同，沼气发酵原料产气数量和质量有很大差异[3]。山东省沼气工程大部分采用常温发酵，池容产气率偏低[4]。本试验旨在探索玉米秸秆-牛粪混合原料在不同质量配比条件下对沼气发酵产气量的变化、单位质量产气量等的影响，以期为科学指导农户进行沼气生产和利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

玉米秸秆和牛粪取自山东省平原县张华镇，玉米秸秆风干后粉碎成1～2 cm碎段。接种物为山东农业大学排污河底的淤泥，淤泥含水量为92%。

1.2 试验方法和装置

试验设A、B、C、D 4个处理，以20 g污泥做空白对照，重复3次。将风干的玉米秸秆和牛粪分别用纸袋包好放入（105±2）℃烘箱烘干12 h至恒重备用，发酵原料总质量为80 g，其中接种污泥占25%（20 g），A处理牛粪-秸秆质量比为2∶1（40 g牛粪+20 g玉米秸秆），B处理牛粪（60 g），C处理玉米秸秆（60 g玉米秸秆+1 g尿素调节碳氮比），D处理牛粪-秸秆质量比为1∶2。反应温度设置为（30±1）℃，各处理发酵液总固体（TS）浓度为10%（80 g物料+720 g水）。试验采取排水集气法，将称量好的物料按各处理要求加入1 L三角瓶（图1）中混匀，分别加入淤泥，再加入720 g自来水。

1.3 测试指标

试验前，分别对风干的玉米秸秆和牛粪进行总固体（TS）测定，将含有样品的坩埚放入烘箱，在（105±2）℃下烘干至恒重后测定。

发酵开始后，每天晚上21～22时用量筒量取集水瓶中排出水的体积，即为沼气产量。试验结束后，综合试验数据进行指标分析，计算日产气量、日累积产气量、总产气量、发酵原料单位质量产气量、单位体积产气量等。

采用SigmaPlot软件处理数据及作图，采用DPS软件进行统计分析，差异显著性检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 日产气量endprint

试验测定结果表明，对照总产气量为465 mL。由图2看出， 4个处理在产气初期均有一段小高峰，然后逐渐下降到一个极低的水平，甚至有2～3 d不产气，然后再缓慢上升到一个最高峰，之后逐渐波浪式下降，到第45 d后产气逐渐趋于停止。其中A处理的最大产气量明显高于其他处理，产气高峰期在17～26 d，较其他3个处理明显提前，且在35～40 d还能保持一定水平的产气量；B处理产气主要集中在21～29 d，最大产气量（348 mL）明显低于A处理（470 mL）和D处理（412 mL）。C处理用纯玉米秸秆，产气高峰明显滞后，主要在34～41 d，第38 d达到产气高峰值（376 mL）；D处理秸秆比例较大，产气高峰相对推迟，在22～33 d，但仍然优于C处理。

2.2 日累积产气量及其占总产气量的百分比

由图3看出，A、B、C、D处理产气拐点分别出现在第26、30、42、35 d。A、B、D 3个处理日累积产气量最高分别为6 997、6 752、6 842 mL；C处理为5 926 mL，显著低于其他3个处理。从累积产气量来看，A、D处理混合秸秆发酵的总产气量大于纯牛粪处理B和玉米秸秆，表明混合发酵优于牛粪或玉米秸的单独发酵，而A处理总产气量大于D处理，表明牛粪-玉米秸混合发酵2∶1优于1∶2的比例（图3）。

由图4可以看出，A、B、C、D累积产气量达到总产气量50%的时间分别在第23、25、34、27 d，累积产气量达到总产气量的80%分别在第34、33、39、33 d，累积产气量达到总产气量的90%分别在第39、38、42、38 d。产气出现拐点时A、B、C、D各处理日累积产气量占总产气量的百分比分别为 67.8%、75.7%、91.0%、86.9%，A处理产气主要集中在中前期，优于其它处理，符合沼气发酵尽早启动的要求。

2.3 单位质量产气量和单位体积产气量

发酵原料种类不同其池容率不同[5]，随玉米秸秆比例的增加，整个发酵原料体积也在增加。A处理单位质量产气量最高，为108.9 mL/g，然后依次是D、B、C处理。单位体积产气量C处理最低，仅为6.8 mL/cm3，纯牛粪B处理体积最小，其单位体积产气量最大，为15.7 mL/cm3。由此得出，A处理牛粪和玉米秸秆混合单位质量产气率明显优于单独玉米秸秆和单独牛粪处理（图5）。

2.4 理论产气量和实际产气量

根据B处理和C处理可计算出牛粪和玉米秸的单位质量产气量以计算A、D混合发酵的理论产气量。B、C单位质量产气量分别为104.8、91.0 mL/g，A、D的理论产气量则分别为6 011.6、5 736.4 mL，低于实测值（除去对照的产气总量）6 532、6 377 mL（图6）。表明秸秆-牛粪混合发酵产气能明显提高产气速率和产气潜力。

3 结论与讨论

风干玉米秸秆含有大量的纤维素、半纤维素以及木质素，其中部分很难被沼气微生物分解，这可能是C处理纯玉米秸秆产气滞后及产气量少的主要原因。试验初始阶段产气保持了相对一致性，可能是发酵初期，发酵原料还没开始分解产生沼气，主要是接种污泥产生的沼气，随着接种物产气的逐渐下降停止，经历了数天的产气停滞，沼气微生物的大量生长繁殖，发酵原料开始被分解产生沼气，产气逐渐恢复。

厌氧微生物的生长需要足够的碳源和氮源，并能保持平衡[6]。适合沼气微生物利用的发酵原料碳氮比为（20∶1）～（30∶1）[7]。本试验测得牛粪的碳氮比为20.5∶1，与沼气发酵原料最佳碳氮比十分接近，因此单独牛粪的沼气发酵是可行的。原料的结构特性也可以影响介质传递和微生物对原料的利用效率[8]。牛粪的结构较为致密，不利于产生气体的及时释放。通过与玉米秸秆的混合可以在一定程度上解决气体的疏导问题。玉米秸结构疏松，可以保证所产气体的及时排除，但是不利于介质的传递，所以产气效率也很低。增加牛粪等细碎的原料，可以改善原料间的接触面，增强介质传递。

玉米秸秆和牛粪混合发酵比单纯秸秆或牛粪发酵总产气量大，产气高峰提前，并且显示了一定的稳定性。因此，以一定比例混合可以明显提高产气速率，改善产气状况，提高发酵原料的产气潜力。

参 考 文 献：

[1]陈小华，朱洪光.农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J].农业工程学报， 2007， 23（3）：279-283.

[2]王飞，蔡亚庆，仇焕广.中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J].农业工程学报， 2012，28（1）：184-189.

[3]汪士平，郑军.山东省农村户用沼气发展的现状、问题与对策[J].农业科技管理， 2012（1）：50-53，73.

[4]王艳芹.山东省沼气发展现状及问题探讨[J].科技致富向导， 2012（7）：4-5.

[5]周德金.浅析不同池容户用沼气池投资效益[J].农村新技术， 2006（5）：58-59.

[6]王晓娇.混合原料沼气厌氧发酵影响因素分析及工艺优化[D].杨凌：西北农林科技大学， 2013.

[7]陈斯，熊承永.再谈秸秆沼气发酵的碳氮比[J].中国沼气， 2009， 27（2）：38-39.

[8]刘战广，朱洪光，王彪，等.粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响[J].农业工程学报， 2009， 25（4）：196-200.endprint