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摘 要

在当今快速发展的时代，各国都面临着能源和环境双重危机，此时绿色可再生能源的开发研究成为各国工作的重点。在能源方面，煤炭、石油、天然气等不可再生资源的消耗逐渐变大，在我国总能源使用中占到80﹪以上，而且我国的能源短缺情况越来越严重，因此开发以及利用新能源变得紧急而迫切^[1]。在环境方面，煤炭等能源所产生的废弃物如硫氧、碳氧、氮氧等多种化合物污染物的排放对环境的破坏很严重，因此需要开发生物质能尤为重要。

在生物质能的研究以及开发方向上，利用农业废弃物进行厌氧发酵是一种简单又经济的研究方法。然而不同种类的农业废弃物在发酵时产氢、产沼气的潜力都不同，要最大化的实现厌氧发酵并加以利用，就有必要对不同的农业废弃物进行研究，通过实验结果对他们的产气潜力有所了解，进而通过生物技术使沼气生产产业化，由此开发出一条清洁替代能源的有效途径^[2]。本试验是将番薯梗、黄豆梗、玉米桔梗三种农业废弃物作为厌氧发酵实验，测定其产气潜力。

关键词：生物质能，厌氧发酵，产气潜力，沼气

Abstract：In today"s era of rapid development，Countries are facing a double crisis of energy and the environment.At this time, green renewable energy research and development has become the focus of national efforts.In the energy sector,Coal, oil, gas and other non-renewable resource consumption becomes larger.They accounted for more than 80% of China"s total energy use.And China"s energy shortage is getting worse, so the development and utilization of new energy sources has become urgent and urgent.In environmental terms, coal and other energy waste generated a variety of compounds such as emissions of sulfur oxide, carbon and oxygen, nitrogen oxides and other pollutants damage to the environment very seriously, and therefore need to develop biomass energy is particularly important.

Research and development of biomass can be used in the anaerobic fermentation of agricultural waste.And different agricultural waste hydrogen fermentation, biogas production potential is different.If you want to maximize the potential of anaerobic fermentation to achieve, you need to use different types of agricultural waste as Fermentation raw material for anaerobic fermentation.And Study their potential fermentation.Reached using biotechnology to make biogas production industrialization.Thus the development of an effective way to clean alternative energy.This test takes sweet potato stems, stems soybeans, corn stover three kinds of agricultural wastes as anaerobic fermentation experiments, measured gas production potential.

Keywords： biomass, anaerobic fermentation,Gas production potential,biogas

1 前言

1.1 选题的目的及意义

在中国，自古以来都是以农业为根本，每年大量的农业废弃物随之产生，其中秸秆的产量居世界前列，而且大多数秸秆都没有充分被利用，都是被焚烧销毁，从而对环境造成了严重的污染。然而除了秸秆之外还有番薯梗黄豆梗等大量的农业废弃物，他们的存在超过农田环境自身消纳能力^[3]。我国又是一个迅速发展中的国家，人口激增和工业迅猛发展，煤炭电力资源越来越紧缺，煤炭等能源随之所带来的废弃物如硫氧、碳氧、氮氧等多种化合物污染物的排放对环境的破坏很严重。所以，无论从环境保护还是资源利用的角度，以上现象都需要改变。而大量的农业废弃物具有非常大的潜力在将来替代传统化石燃料。希望可以充分的利用农业废弃物生产出能再生无污染并且存在广泛的生物质能^[4]。

从原理上来看，沼气发酵是利用农业废弃物的厌氧发酵。 沼气是有机物通过厌氧发酵作用形成的一系列气体，其中有我们所需要的可燃性气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，他们作为可燃气体使沼气拥有了很好的提供能源的方式。沼气是一种新型清洁可持续能源，能够缓解能源的短缺和环境污染，并且资源丰富、卫生清洁、造造价低廉等特点。因此我国在将来沼气发酵发展的重点是利用农业废弃物制取沼气。

2 选题的相关概述

2.1沼气厌氧发酵的原理

沼气发酵是指在适宜的水分、温度以及绝对厌氧的环境下，各类发酵微生物分解有机物生成沼气这样的一个过程^[5]。然而实际上沼气发酵就是微生物物质代谢以及能量相互转换的一个过程，从分解代谢过程中获得物质以及能量，使得自身微生物能够得到一定的生长和繁殖 ，生成可燃性的气体（甲烷和二氧化碳）。

沼气厌氧发酵是由三个不同的过程共同完成的，即发酵过程的液化阶段、产酸阶段以及最终的产甲烷阶段[6]。作为沼气发酵原料的有机废弃物，如农作物秸秆、人畜粪便、垃圾等通常都是不溶态大分子有机物。这些物质主要包括蛋白质、多糖以及脂类，他们不能被微生物直接吸收利用，而是必须通过发酵菌所分泌的胞外酶（纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）进行酶解，继而水解成可以溶于水的氨基酸、乙醇甘油以及脂肪酸等小分子化合物。这些可溶于水的小分子化合物进入到微生物细胞内，产生的一系列的生物化学反应的过程称为液化过程。液化阶段结束之后，在发酵菌的发酵的作用下，将上述可溶性的小分子物质转化为两类物质，其中一类是由甲酸、甲醇、甲胺和乙酸组成，另一类是由丙酸、丁酸、乳酸以及乙醇组成，他们在产氢产乙酸菌的作用下又生成了二氧化碳、氢气以及乙酸，由于产生的主要产物是具有挥发性质的有机酸（以占80%的乙酸为主），故此阶段称为产酸阶段。产酸阶段结束后，在甲烷菌的作用下这类有机酸、醇和二氧化碳以及氢气等物质继而又被分解通过不同途径产生甲烷和二氧化碳，这个过程称之为产甲烷阶段。产生了一种以甲烷和二氧化碳为主的混合性气体，称之为沼气[7]。三个阶段连续进行，相互依赖，共同维持着发酵系统的动态。沼气发酵系统在初期的时候，主要起作用的是第一阶段和第二阶段，但同时第三阶段也有参与；而当沼气发酵系统到了后期的时候，第一、第二、第三三个阶段共同进行作用，一段时间之后就会产生系统的一个动态平衡，从而开始稳定的产生沼气。

2.2沼气厌氧发酵的所需原料

农业废弃物的厌氧发酵，原料不仅仅是沼气产生的基质，而且还是微生物沼气发酵的营养与养料的来源。自然界中的有机物质，大多都能被微生物发酵利用从而产生沼气，除了矿物油和木质素两种物质外。不同的物质有不同的处理方法，如果有些有机物质较难分解，那么在投料之前需要先进行切碎等物理预处理方法。而有些有机物不需要经过物理处理，因为他们已经经过了牲畜的肠胃消化、阴沟的厌氧消以及工业发酵的过程，所以入池以后很快便会开始产气。

2.3 沼气厌氧发酵的适应条件

沼气发酵微生物的生活条件的要求十分严谨。在温度、酸碱度、氧化还原势以及其他各种周围环境的因素都有一定的要求 。为了在生产中能够使发酵的速度以及产量在最大限度上提高，首先微生物的这些生活条件必须能够得到满足。无数的实践证明，往往会由于某一条件没有及时控制好而引起整个系统运行失败。由此就可以知道，想要维持一个正常的发酵产气，关键就是要控制好沼气发酵的基本条件。

2.3.1 严格的厌氧环境

沼气发酵微生物主要分为两大类，即产酸菌和产甲烷菌，他们都是厌氧性细菌，尤其产生是厌氧发酵过程中产甲烷的甲烷菌是一种十分严格的厌氧菌 。他们不能暴露在空气中，否则会对生命活动造成影响，甚至死亡。因此，一个密闭的沼气池是制取沼气的重中之重。沼气发酵会在开始或者原料入池的同时带进些许氧气， 从而会引起沼气池内氧化不还原势的升高。但是沼气的厌氧发酵是处在密闭的沼气池内，兼性厌氧菌（这类菌在有氧或无氧环境里都能够生存与活动）以及好氧菌的共同作用下，溶解氧会被快速的消耗，从而使沼气池内的刚才升高氧化还原势慢慢降低，为厌氧发酵创造一个良好的环境^[9]。

2.3.2 发酵温度

厌氧发酵进行代谢与活动需要相对应的温度范围，总的来说，8～65℃这个温度范围是可以产生沼气的，但是不同的温度下，微生物的产气速度也对应不同。 8～40℃范围，温度与产气速率的并没有线性关系，温度变高，产气速率变大。40～50℃的温度范围下，发酵过程中的高温菌以及中温菌并不能适应，因此产气的速率会相应的下降。50～55℃时，发酵过程中的高温菌开始活跃起来，所以产沼气的速率达到峰值。一般说来，产气峰值会有两个，一个发生在35℃左右，另一个发生在54℃左右。两个不同的微生物群在不同的温度下发挥作用。分别是中温发酵以及高温发酵。发酵温度如果因为某些原因大起大落，会严重影响产气量。在实验中有两种主要的方法，其中之一是指常温发酵，指的是在实验过程中不进行温度的控制，让发酵料液的温度自然进行变化，优点是设备简易，无需加温以及进行温度的控制，这样便于推广；缺点是会因为温度的变化不规律，产气效率会明显的降低，影响产气甚至停止运行。另一种是高温和中温发酵，他们的处理效率相对较高，处理时间短暂，产气量也高，但是他有明显的缺点，设备复杂性高，大量的能量需要用于加温和保温^[10]。

2.3.2 适宜的碳氮比

沼气发酵原料的碳氮比指的是厌氧发酵过程中原料碳素和氮素各自总量的比值。发酵过程中的碳氮比值如果不同，那么他们的发酵产气情况也会有很大的差异。若从营养学以及代谢作用两方面来看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度足足高出20-30倍。可知，要保证其他条件的情况下，维持碳氮比例20-30：1就可以让沼气发酵以合适的速度进行^[11]。

2.4本实验厌氧发酵的内容介绍

选择番薯梗、玉米秸秆和黄豆梗作为厌氧发酵产沼气的主要原料，并添加 适量的沼液（牛粪调整料液碳氮比（料液浓度20%，接种物浓度20%））进行试验，研究三种试验原料各自的产气潜力和产气潜力的比较，寻找出产气潜力最好的条件，为解决农业废弃物资源量利用打下理论基础。

不同材料的产气潜力通过日产气量的变化来研究，日产气量随着时间的变化呈现出一一定的趋势我们通过研究他的变化趋势找出产气潜力最好的时间点时间段并且加以利用，探索其产气规律^[20]。

3 实验材料与方法

3.1 实验材料

3.1.1 发酵原料

本实验所选的材料是番薯梗，黄豆梗，玉米秸秆。经测定番薯梗含水率为85.1％，Ts（干重物质）为14.9％，原料重量为121g；黄豆梗含水率为46.33％，Ts（干重物质）为53.67％，原料重量为56g；玉米梗含水率为57.44％，Ts（干重物质）为42.56％，原料重量为71g。

3.1.2 接种物

接种物取自江苏省生物质能与酶技术重点实验室自行驯化的厌氧发酵污泥，pH值7.2。

3.2 试验装置

试验装置为江苏省生物质能与酶技术重点实验室自行设计的简易厌氧发酵装置，主要由原料发酵罐（2L密封罐）、气体收集瓶（2 L玻璃瓶）、排水收集瓶、加热线（P=500 w）、温度传感器、温控仪、恒温水箱等部分组成（图1）^[12]

图1 厌氧发酵试验装置

Fig1. Anaerobic fermentation experiment device

3.3 实验方案

在试验前期，严格按照试验所需发酵原料配比将原料分别置入3个发酵瓶中分别为A、B、C三组。在入池前，原料要通过人为的剪碎处理，并且通过物理处理方法让其外部形态及物理组织改变。但考虑到能量的消耗，秸秆如果想粉碎的很细，那么消耗的能量就会很高，因此当沼气发酵的时候，需要考虑到秸秆粉碎颗粒大小适应厌氧发酵的后期需要，又能耗能适中。试验前将三种试验原料放入2L的密封罐中再继而放入不同原料所需的沼液，置与33℃±1恒温水池内。然后按照试验装置分别完成3组发酵系统的安装。然后开始厌氧发酵试验阶段，定时每天下午3点30，观察并测量每组发酵系统的各种气体的产气量，同时测量每组发酵瓶中料液的pH值。

4 实验测试方法与指标

气体成分检测采用Geotech沼气气体分析仪（Biogas5000），排水法收集。PH值测定采取定时用PH试纸测定方法

4.1 甲烷、二氧化碳

试验期间，定于每天的下午3点30分，用Geotech便携式沼气分析仪GEM5000CE测定发酵系统的甲烷含量和二氧化碳含量。

4.2 PH值

试验期间，定于每天的下午3电30分，采用pH试纸（广泛试纸和精确试纸）来测量发酵料液的pH值并记录。

4.3 日产气量

沼气厌氧发酵所产生的气体是不溶于水的，可以采用排水法进行气体的收集，于每天的下午3点30分定时收集，用量筒测量3组系统中排水瓶中排出的水的体积（排水体积=产生气体体积），并记录，由此得到每天每组发酵系统的产气量。

4.4 挥发性脂肪酸测定

挥发性脂肪酸，Volatile Fatty Acid, 简称VFA，是碳链为1-6 的有机脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、正丁酸等。它们的共同特点是具有较强的挥发性，故称挥发性脂肪酸。挥发性脂肪酸通过发酵产生，是厌氧消化过程的重要中间产物。挥发性脂肪酸可以通过多种方法测得，如蒸馏法、紫外分光光度计比色法、色谱法定，例如气相色谱法，高效液相色谱法等，本试验采用紫外光分光光度计比色法测定发酵原料料液中挥发性脂肪酸（VFA）含量^[13]。

4.4.1 紫外分光光度计比色法测定方法

采用紫外分光光度计比色法测定发酵料液中的挥发性脂肪酸，主要用到的试剂包括： 1：1硫酸，浓硫酸（相对密度1.84，C.P.）加到同体积蒸馏水中稀释配制；酸性乙二醇试剂（现用现配）：取30.0mL乙二醇(C.P.)与4.0mL配制的稀硫酸混合（以加入1.5mL己二醇和0.2mL稀硫酸来代替1.7mL酸性己二醇试剂）；4.5mol/L的氢氧化钠：称取180g氢氧化钠(C.P.)溶于水中，冷后以蒸馏水稀释至1L；10%硫酸羟胺溶液：称取硫酸羟胺(C.P.)10.0g，溶于100mL蒸馏水中；羟胺试剂（现用现配）：量取20.0 mL4.5mol/L的氢氧化钠，与5.0mL10%的硫酸羟胺相混合（以0.5mL硫酸羟胺和2.0mL4.5mol/L的氢氧化钠来代替2.5mL羟胺试剂）；酸性氯化铁试剂：将20.0g分析纯FeCl_{3 ·}6H₂O溶于500mL水中，准确加入20.0 mL浓硫酸，并以蒸馏水稀释至1L^[14]。

4.4.1.1乙酸标准液的配制

精确称取乙酸（AR. 相对密度1.045，含量99.0%）5.050g，以蒸馏水稀释至100mL，此溶液含乙酸50mg/mL。准确吸取10 mg/mL乙酸标准溶液1.0mL、5.0mL、10.0mL、15.0mL、20.0mL、30.0mL，分别置于100.0mL容量瓶内，以蒸馏水定容至刻度，摇匀，即得500mg/L、2500mg/L、5000mg/L、7500mg/L、10000mg/L、15000mg/L的乙酸标准系列液。

4.4.1.2 标准曲线的绘制

分别吸取0.5 mL上述乙酸标准液分置于试管中（12.5cm×1.5cm），同时吸取0.5ml蒸馏水作空白管，每瓶中准确加入1.7 mL酸性乙二醇试剂（即加入1.5mL己二醇和0.2mL稀硫酸），充分混合，于沸水浴中加热3min，然后立即以冷水冷却；再加入2.5mL羟胺试剂（0.5mL硫酸羟胺和2.0mL4.5mol/L的氢氧化钠），充分摇匀，放置1min，然后滴入10ml酸性氯化铁，用蒸馏水定容至25mL，充分摇匀，静置5min，用721型紫外光分光光度计在500nm波长下测定其吸光度，踢出差异性显著的浓度值，绘制乙酸标准曲线表，如表1所示。

表1 乙酸标准曲线图

Tab.Standard curve acetate

乙酸标准曲线图表 (单位:mg/L）
乙酸浓度	0	500	2500	10000	15000
吸光度/A	0	0.1317	0.3741	1.5838	2.297

对比表1，以横坐标表示浓度值，纵坐标表示光密度值，绘制乙酸标准曲线图如图2所示。

图2：乙酸标准曲线图

Fig 2: Acetic acid standard curve

样品的测定：从厌氧发酵罐中取沼气发酵液适量，以4000～10000r/min的离心条件高速离心15min，制取沼气发酵样品澄清液，吸取0.5mL样液置于试管中（12.5cm×1.5cm），准确加入1.7 mL酸性乙二醇试剂（即加入1.5mL己二醇和0.2mL稀硫酸），充分混合，于沸水浴中加热3min，应避免试管与加热器壁直接接触。然后立即将试管置于冷水中冷却。加入2.5mL羟胺试剂（0.5mL硫酸羟胺和2.0mL4.5mol/L的氢氧化钠），并混匀，放置1min，然后滴入10ml酸性氯化铁，用蒸馏水定容至25mL，用蒸馏水定容，并充分摇匀，静置5min，用分光光度计以500nm波长测定光密度。同样操作做空白试验1份。所得吸光度参比图1（乙酸标准曲线图），即可得出挥发性脂肪酸（乙酸计）的含量^[15]。

5 实验结果与分析

图3是三种实验原料厌氧发酵日产气量变化趋势。A、B、C分别代表番薯梗、黄豆梗、玉米桔梗三种实验原料。由图2可知，随着时间的变化，可以看出A和B厌氧发酵启动时间较短，在启动第一天就开始迅速产气，各自日产气量达到一个峰值。A在第一天达到峰值128ml/d之后其日产气量呈现出下降的趋势，但是在第5天开始回升，在第八天又出现了一个产气高峰，日产气量达到了102ml/d，随后日产气量下降直至趋于稳定，在18天开始停止产气，实验结束。B在第一天达到峰值375ml/d之后其日产气量迅速下降呈现不规则的上下波动直至到18天又产生了一个产气高峰，日产气量达到了310ml/d，之后产气量开始减少，在61天开始停止产气，实验结束。C在厌氧发酵过程中启动时间较慢，在启动第七天才开始缓慢产气，产气量逐渐升高，到15天的时候达到一个峰值，其产气量高达765ml/d，随后产气量开始降低在26天实验结束停止产气。但是C在发酵过程中可以明显看出在14天~17天这个范围内产气量处于比较旺盛的时期，日产气量都在450ml/d以上，产气效果很好。由图可以清晰的看出A和C的厌氧发酵周期仅仅只有短暂的18天和26天，一般的厌氧发酵产气周期都能达到70天左右。发酵周期短暂可能是由于实验原料易腐烂非常容易降解，而一般的周期长如B周期为61天的发酵是因为原料中的纤维含量较高，不太容易腐烂，较难降解，分解速度慢，同时微生物菌群很难将他们彻底分解，所以B在出现第二个产气高峰的时候需要一定的时间^[16]。

图3 厌氧发酵日产气量变化趋势

Fig3.Anaerobic fermentation nissan volume trends

图4是三种实验原料厌氧发酵甲烷浓度日变化趋势。A、B、C分别代表番薯梗、黄豆梗、玉米桔梗三种实验原料。由图3可知，随着时间的延长，A、B、C的甲烷浓度变化均大体呈现出上升达到一个高峰之后稍微下降但几乎处于稳定状态的变化趋势，直至实验结束。AB在刚开始甲烷含量只有2.2％，3.4％，从启动开始甲烷浓度每天持续增加，A在第8天甲烷浓度达到最大值22.3%，随后逐渐下降，但是几乎稳定在18%-19%左右。B在第22天甲烷浓度达到峰值30.7%，因为B发酵周期较长，之后四十几天呈现小幅度的无规则波动状态，总趋势是下降的，最终稳定在21%左右，直至实验结束。C在1-6天内甲烷含量为0，甲烷开始产气时间是第7天，仅仅只有0.2%，之后开始迅速攀升在17天的时候产生了最高值，甲烷含量为33.5%。并且在C中可以清晰的看出在15~23天范围内甲烷含量均在29%以上，在后期的检测中，甲烷量虽有波动，可是一直保持着较高的甲烷转化率，直至试验结束。数据统计A、B、C平均甲烷浓度分别达到16.0%、22.5%、17.2%

图4 厌氧发酵甲烷日变化趋势

Fig 4.Day change trend of methane anaerobic fermentation

图5是三种试验原料厌氧发酵二氧化碳变化趋势。A、B、C分别代表番薯梗、黄豆梗、玉米桔梗三种实验原料。由图4可知，它们的变化趋势在理论上与甲烷含量成反比，也就是说随着甲烷浓度的升高，气体成分中二氧化碳浓度逐渐降低。试验结果表明，A和B在试验启动的第一天就有了很高的二氧化碳浓度，分别是34.5%和44.5%，两种原料在第二天二氧化碳的浓度就达到了峰值43.2%和50.1%，随后A就呈现出下降趋势直到第18天试验终了二氧化碳含量为17.5%。B在达到峰值之后也开始下降，直到第20天达到最小值21.9%，之后缓慢回升趋于稳定。C在1~6天内二氧化碳含量值为0，第7天开始产生二氧化碳，含量为22.5%，之后上升到35.8%在第10天达到最高值，随后迅速减少最终就稳定在9%左右，直至第26天实验结束。统计试验数据，A、B、C平均二氧化碳含量分别达到25.0% 、28.9%、16.4%。

图5 厌氧发酵二氧化碳变化趋势

Fig 5.Anaerobic fermentation carbon dioxide change trend

图6为三种实验原料厌氧发酵过程中发酵料液pH值的变化趋势，A、B、C分别代表番薯梗、黄豆梗、玉米桔梗三种实验原料。从图中可以看出三种原料期初都是呈现出弱酸性。因为在发酵初期产酸细菌迅速活动产生大量的有机酸，所以发酵液也呈现出酸性。A的PH值大体趋势是先升高达到稳定。B在18天之前呈现出在PH6.0-6.7范围内上下波动现象，在18天之后趋于稳定。C的PH值变化幅度最为明显，在1~6天内，PH值从6.4下降到5.0左右，在在这个时间范围内原料并没有产生任何气体，说明这个范围不适合繁殖生存。在第6天之后PH值开始升高，直至稳定基本不再变化。在试验进行到结束的时候，三组试验原料的pH值大约都在稳定在7.0左右的正常范围内。

图6 厌氧发酵过程中pH变化趋势

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