北京盈和瑞环境科技股份有限公司 102412
摘要：文章以某农场为实验基地，通过静态实验的方式以玉米秸秆和牛粪为原料，优化发酵底物碳氮比（C/N）、发酵温度和总固体质量浓度（TS），通过响应面优化，得到最佳的中低温环境下厌氧发酵条件。在混合底物发酵过程中，得到中低温环境下发酵的最佳C/N为25：1。在温度和TS的影响试验中得到中温环境下，产甲烷效率会受到较高TS的影响，最高累计产气量在35℃，TS为15%时获得，为14030.95mL。最终通过响应面优化得到符合某农场的最佳产气条件为温度25℃，TS为17.6%，累计产气量为8665.5mL。结果表明，在北方地区，通过优化C/N、温度以及TS，仍然可以获得较好的厌氧发酵效果。
关键词：中低温；牛粪；玉米秸秆；碳氮比；总固体质量浓度
引言
温度是影响沼气发酵的重要因素。自20世纪30年代以来，众多学者对厌氧微生物和产气条件之间的关系进行了系统研究，但大多数研究都是基于恒温条件下，而在实际发酵过程中，很多地区的小型户用沼气池并没有设计恒温装置，发酵温度随外界温度在不断变化，故研究在自然温度情况下牲畜粪便和秸秆混合原料的发酵情况，可以为推广沼气发酵工程提供理论依据，也是沼气发酵研究的重点。
1材料与方法
1.1试验原料
1）猪粪、牛粪。猪粪、牛粪取自某市郊某养猪场鲜粪。2）玉米秸。秆玉米秸秆取自某市郊某玉米地，将玉米秸秆置于实验室阳光间进行晾晒，除去水分后备用。3）接种物。接种物取自某市郊某养猪场新鲜猪粪，新鲜猪粪取回后在室温下自行驯化。经过2个月的堆沤，达到腐熟状态。
1.2试验方法
试验分为两个部分，第一部分探究混合发酵的最佳C/N。共设置了4个实验组，通过调节牛粪与玉米秸秆的比例使C/N分别为23∶1、25∶1、27∶1和30∶1，发酵温度为35℃，总固体质量分数为12%，发酵时间为32d。第二部分研究了最佳C/N条件下，发酵温度和初始总固体质量浓度（TS）对于沼气产量的影响。共设置了16个实验组，在发酵温度分别为20、25、30和35℃初始TS分别为8%、12%、15%和20%的条件下进行了正交试验，进行为期35d的厌氧发酵。
2结果与分析
2.1混合底物不同的C/N对厌氧发酵效果的影响
从表1发现，牛粪和秸秆两种原料，C/N上有明显的不同。牛粪C/N为17∶6，而秸秆C/N为41∶1。通过不同的原料配比，配制出不同C/N的发酵底物进行实验，试验结果见图1。4种C/N的条件下，发酵日产气量在整体趋势上均为先上升后下降且最初的日沼气产量并没有明显的区别。发酵进行到第7d时，C/N为25∶1试验组日产气量达到546mL，而23∶1的试验组仅有227mL。C/N为25∶1的试验组日产气量在发酵的第11d到达最大值（672mL），30∶1、27∶1、23∶1的试验组的日产气量最大值分别为566、574和561mL。4个试验组的累计沼气产量也在图1中反应，其中25∶1的试验组有着最高的累计沼气产量，为10134mL，30∶1和27∶1的试验组累计产气量相似，分别为8961和9049mL。结果表明，C/N为25∶1的条件下牛粪和玉米秸秆混合发酵不仅有着最高的累积产气量，还可以使发酵更快的达到最高速率。研究显示C/N在20～30∶1的范围内更适合于厌氧发酵过程，可得到理想的产气量。微生物细胞往往以C5N7O2H描述，其自身的C/N大约为5∶1，因而微生物进行同化作用所需的碳氮比约为5∶1。微生物同化1份有机碳的过程需要异化作用代谢4份有机碳以获取能量，故微生物同化1份氮，共需要25份有机碳，这与实验结果相符合。该试验与众多学者认为的厌氧发酵最佳C/N25∶1相吻合，例如在（37±1）℃下用CSTＲ反应器进行厌氧发酵，在原料C/N25∶1时得到最佳产甲烷效率。在37℃的条件下混合发酵牛粪与高粱秸秆，在25∶1的C/N时得到最高产甲烷效率。研究了水果和蔬菜残留物的厌氧混合发酵，发现最佳C/N为22∶1～25∶1。但也有报道与该文研究成果不同，在35℃下将小麦秸秆与鸡粪和牛粪混合发酵，使用响应面法优化后得到牛粪∶鸡粪=40.3∶59.7，C/N为27.2∶1的条件下，达到最大的产甲烷性能。
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表1不同原料理化性质分
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图1不同C/N条件下混合发酵的日产气量
2.2不同混合原料之间的产气比较
前期（前50天）温度较低情况下（11～30℃），平均温度为20.5℃，猪粪与秸秆混合原料的产气量很低，6个处理在前50天最高累积产气量为3008mL；牛粪则受温度的影响较低，6个处理前50天最高累计产气量为28296mL，产气量和产气稳定性均高于猪粪与秸秆混合发酵。在后期（后34天）温度较高时（18～39℃），平均温度为28.2℃，猪粪与秸秆混合的发酵原料产气量迅速回升，出现产期高峰，并且超过牛粪与秸秆混合的原料，最高累积产气量为23415mL。综合来说，建议温度较低情况下，用牛粪和秸秆混合进行发酵，温度较高的情况下，采用猪粪与秸秆混合进行发酵，这样可以合理的利用发酵原料，提高产气效率。
结语
此次试验结合我国北方地区气候特点，以当地玉米秸秆和牛粪为发酵原料，探究了C/N、温度及TS对于发酵效果的影响。（1）玉米秸秆和牛粪不同配比混合和可得到更合适C/N的发酵底物。当混合底物的C/N为25∶1时，厌氧发酵可以得到最佳累计产气量，为10134mL。（2）35℃，TS为20%，发酵后期由于系统有机酸积累，pH下降而使产气效率迅速下降，最终累积产气量为10952mL。最佳产气条件为35℃，TS为15%，此时的累积产气量为14030mL。（3）结合实际情况，通过响应面分析优化中低温厌氧发酵条件，得到最佳的发酵条件为温度25℃，TS为17.6%，模拟的厌氧发酵总产气量为8665mL。
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