4种生物质秸秆厌氧消化产甲烷特性研究

刘凡　陈冠英　张廷军　马宗虎　刘磊　梁雪　赵健

摘要以农村常见的大番茄秸秆、小番茄秸秆、油菜秸秆和油麦秸秆4种生物质秸秆作为研究对象，对秸秆的干物质、总有机质含量、灰分、酸碱度、电导率、元素含量以及产甲烷潜力（BMP）指标进行综合评价分析，为以植物秸秆为原料进行资源化利用提供理论依据和技术支撑。结果表明：油麦秸秆更适合作为沼气工程发酵原料，其总固体含量为88.0%，总有机质含量为83.6%，碳元素含量为38.1%，氮元素含量为1.16%，碳氮比为32.84，酸碱度偏向于中性为6.6，产气周期为50 d，产甲烷潜力为214.86 mL/g VS，远高于其他原料。

关键词生物质；秸秆；厌氧消化

中图分类号TE09文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）11-0163-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.039开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Methane Production Characteristics of Four Kinds of Biomass Straws by Anaerobic Digestion

LIU Fan1，2， CHEN Guan-ying1，2， ZHANG Ting-jun1，2 et al（1. China Huadian Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100160;2. National Energy Research and Development Center for Efficient Production and Comprehensive Utilization of Biomass Gas， Tianjin 301700）

AbstractFour kinds of biomass straw including big tomato straw， small tomato straw， rape straw and oil wheat straw， which are common in rural areas， were taken as the research objects. The dry matter， total organic matter content， ash content， pH， conductivity， element content and methanogenic potential （BMP） of straw were evaluated comprehensively. The results showed that： oleifera straw is more suitable as raw material for biogas engineering fermentation. The total solid content is 88.0%， the total organic matter content is 83.6%， the carbon element content is 38.1%， the nitrogen element content is 1.16%， the carbon-nitrogen ratio is 32.84， the pH is biased towards neutral， 6.6， and the gas production period is 50 days. The methane production potential is much higher than that of other feedstocks as 214.86 mL/g VS.

Key wordsBiomass;Straw;Anaerobic digestion

随着经济社会的高速发展，储存的化石能源逐渐减少，开发清洁可再生的生物质能源是有效解决能源危机和环境污染的有效方式之一［1］。而我国作为农业大国，每年产生各类秸秆约8.6亿t。秸秆作为我国大宗固体废弃物，推进其多元化综合利用是实现碳达峰碳中和的重要途径之一。《“十四五”可再生能源发展规划》提出，要稳步推进生物质能多元化开发，积极发展生物质清洁供暖，加快发展生物天然气［2］。现阶段，我国厌氧发酵工艺主要为引进的欧洲青储发酵工艺，我国的农业特色决定了我们的原料为干黄秸秆，青储原料与干黄秸秆原料之间差异较大，以引进的青储发酵工艺处理干黄秸秆不是很适用，这也导致了现阶段我们应用引进的发酵工艺处理干黄秸秆仍停留在实践阶段。因此，深入探究原料本身的性质能够为项目实现可靠稳定运行提供理论依据。

我国农村生物质秸秆资源丰富，种类繁多，但是研究传统的玉米秸秆资源化利用比较多［3-6］，如殷雨洋等［7］研究评价玉米秸秆的添加比例对鲜竹笋秸秆裹包青贮品质的影响，李秋实等［8］对玉米秸秆和市政污泥进行混合，研究不同发酵体系下酸碱度、甲烷产量随时间的变化，而对农村其他种类的生物质秸秆研究较少。笔者以河北省承德市丰宁满族自治县农村常见的4种典型生物质秸秆为例，具体包括大番茄秸秆、小番茄秸秆、油菜秸秆和油麦秸秆，通过测试干物质、总有机质含量、灰分、酸碱度、电导率、元素含量以及产甲烷潜力（BMP），对4种生物质秸秆进行综合评价分析，旨在为以生物质秸秆为原料进行资源化利用提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1样品。本试验共选用河北省4种常见的生物质秸秆为材料，分别为大番茄秸秆、小番茄秸秆、油菜秸秆和油麦秸秆。样品原料明细如表1所示。

1.1.2分析方法。总固体含量（TS）测试采用干燥重量法，烘干温度为105 ℃。总有机质含量测试采用灼烧法，灼烧温度设置为525 ℃。灰分含量测试采用灼烧法，灼烧温度设置为525 ℃。碳、氢、氮、硫元素含量测试采用灼烧还原法，其中燃烧管灼烧温度设置为1 150 ℃，還原管温度设置为750 ℃。酸碱度测试采用电位法以1 mol/L的氯化钾溶液为浸提剂。电导率测试采用电极法。产甲烷潜力（BMP）测试方法参考瑞典碧普厂家仪器说明书，水浴温度设置为40 ℃，接种物与物料有机质含量比例设置为2∶1。各检测参数依据标准如表2所示，试验使用的仪器设备如表3所示。

2结果与分析

2.14种生物质秸秆总固体、总有机质和灰分含量在沼气工程技术中，TS和总有机质含量是两项非常重要的基础性参数，用以衡量沼气发酵原料的基本性质，计算厌氧发酵的投料量和确定有机负荷等。原料TS含量对于厌氧发酵过程中的产气量具有重要影响［9］。在厌氧发酵过程中，微生物菌群的生长和繁殖需要合适的水分。发酵液中发酵原料过多，含水量小，会影响厌氧微生物的正常代谢活动，导致原料分解困难，脂肪酸累积，发酵过程会受到抑制；发酵液中原料过少，含水量大，供厌氧微生物利用的营养基质不足，影响产气量。因此，在利用生物质原料进行厌氧发酵时，要综合考虑原料的TS含量，使发酵料液保持适宜的TS含量。4种生物质秸秆总固体含量、总有机质含量和灰分数据如表5所示。由表5可知，小番茄秸秆的总固体含量最高，为91.6%；油菜秸秆的总有机质含量最高，为85.6%；小番茄秸秆的灰分含量最高，为11.6%。总体来看，4种生物质秸秆总固体含量、总有机质含量相差不大，其中总固体含量范围在88.0%～91.6%，总有机质含量范围在79.2%～85.6%。

2.24种生物质秸秆元素含量比较厌氧发酵对于碳氮比有一定的要求，合适的碳氮比有利于生物质原料充分利用［10］。碳氮比是影响厌氧发酵的一个重要因素。大量研究表明，碳氮比为30∶1最适合厌氧消化［9］。样品的碳、氢、氮、硫分析结果见表6。由表6可知，4种生物质秸秆碳元素含量在34.7%～40.8%，氮元素含量在0.83%～1.83%，碳氮比在19.39～49.16；油麦秸秆的碳氮比更接近30∶1的厌氧消化比例，在碳氮比这一参数上油麦秸秆作为原料更有优势。

2.34种生物质秸秆酸碱度和电导率比较酸碱度和电导率是原料发酵过程中的重要参数监控指标。4种生物质秸秆的酸碱度和电导率数据如表7所示。由表7可知，大番茄秸秆、油菜秸秆和小番茄秸秆酸碱度分别为5.7、5.3和5.3，相差不大；油麦秸秆更偏于中性，酸碱度为6.6；4种生物质秸秆的电导率在292～1 159 mS/m，其中小番茄秸秆的电导率最大为1 159 mS/m，油麦秸秆的电导率最小为292 mS/m。

2.44种生物质秸秆产甲烷潜力（BMP）比较接种物和4种生物质秸秆沼气累积产量曲线如图1所示，4种生物质产甲烷潜力数据如表8所示。由图1和表8可知，4种生物质秸秆产甲烷潜力在124.77～214.86 mL/g VS。其中油麦秸秆产甲烷潜力最大，为214.86 mL/g VS，这与物料的酸碱度分析和碳氮比分析是一致的；大番茄秸秆产甲烷潜力最小，为124.77 mL/g VS。物料的产气周期一致，为50 d。

3结论

以农村常见的大番茄秸秆、小番茄秸秆、油菜秸秆和油麦秸秆4种生物质秸秆作为研究对象，对秸秆的干物质、总有机质含量、灰分、酸碱度、电导率、元素含量以及产甲烷潜力（BMP）指标进行综合评价分析。结果表明：4种生物质秸秆总固体含量、总有机质含量相差不大，其中总固体含量范围在88.0%～91.6%，总有机质含量范围在79.2%～85.6%。4种生物质秸秆碳元素含量在34.7%～40.8%，氮元素含量在0.83%～1.83%，碳氮比在19.39～49.16；油麦秸秆的碳氮比更接近30∶1的厌氧消化比例，在碳氮比这一参数上油麦秸秆作为沼气工程发酵原料更有优势。大番茄秸秆、油菜秸秆和小番茄秸秆酸碱度分别为5.7、5.3和5.3，相差不大；油麦秸秆酸碱度为6.6，更偏于中性。4种生物质秸秆产甲烷潜力在124.77～214.86 mL/g VS，产气周期为50 d，其中油麦秸秆产甲烷潜力最大，为214.86 mL/g VS。通过综合分析评价，油麦秸秆更适合作为沼气工程发酵原料。

参考文献

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