1 前言
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)值，中國(guó)2005年玉米秸稈的產(chǎn)量大約27萬噸，占秸稈總種類的33.8%，這些中的大部分被遺棄在田野里或直接燃燒，這樣不僅是能量資源的浪費(fèi)，而且造成一些環(huán)境問題。因此研究秸稈的適當(dāng)使用方法以達(dá)到它的資源最優(yōu)化將是緩解“食物，能量，環(huán)境”三大危機(jī)最重要的方法之一。秸稈厭氧發(fā)酵沼氣技術(shù)是利用秸稈能量最重要的方式之一。在較小規(guī)模和較少資金投資的條件下,它可以達(dá)到秸稈和其它生物量資源的高質(zhì)量利用.那更適合于發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)村地區(qū)和城市或農(nóng)村企業(yè)。
然而，目前發(fā)酵技術(shù)方法的預(yù)前處理技術(shù)要求更高，在中國(guó)北方很多秸稈資源需要更大的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)并且在農(nóng)村地區(qū)發(fā)酵技術(shù)系統(tǒng)缺乏合理的技術(shù)指導(dǎo)和北方特定的氣候特點(diǎn)(例如原材料比例、發(fā)酵條件等)。由于玉米秸稈發(fā)酵本身的特點(diǎn)，例如碳氮比和纖維木質(zhì)素含量高且可利用的營(yíng)養(yǎng)含量低，故它作為一種原料還沒有被大多數(shù)農(nóng)民所接受。
并且玉米秸稈表層有蠟狀物，對(duì)微生物附著沒有傳導(dǎo)性，退化率低，厭氧降解要很長(zhǎng)時(shí)間，傾向于流動(dòng)層，有堅(jiān)硬外殼，而且難于聯(lián)營(yíng)原料。糞和玉米秸稈混合發(fā)酵能夠彌補(bǔ)作為原材料發(fā)酵的缺點(diǎn)，解決資源缺乏以改善玉米秸稈的利用。
在這項(xiàng)研究中,玉米秸稈和豬糞的狀態(tài)作為研究主題,在中國(guó)北港農(nóng)村地區(qū)刺激厭氧發(fā)酵條件來作厭氧發(fā)酵試驗(yàn),沒有人工攪拌或調(diào)節(jié)pH。運(yùn)用正交試驗(yàn)L9(34)來分析玉米秸稈顆粒大小和溫度，秸稈和糞的質(zhì)量比例，秸桿供給比例對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的影響。通過觀察日積累氣體產(chǎn)量來確定發(fā)酵的適宜條件，為北方農(nóng)村地區(qū)獲得關(guān)于發(fā)酵技術(shù)的一個(gè)科學(xué)根據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。
2 材料和方法
2.1 發(fā)酵材料
試驗(yàn)用玉米秸稈來自于遼寧省慶元鎮(zhèn)沼氣模型村，玉米秸稈C/N=37.5:1，試驗(yàn)用不完全干的玉米秸稈，切成大約10 cm的小段，有天然干的(濕度大約10%)儲(chǔ)備支持;每次試驗(yàn),試驗(yàn)用的顆粒大小需要進(jìn)行手切或用機(jī)器切。試驗(yàn)用豬糞來自于沈陽(yáng)建筑大學(xué)經(jīng)濟(jì)園的飼養(yǎng)場(chǎng)，水分含量為20%，豬糞C/N=13.97:1。
在發(fā)酵沉淀物后試驗(yàn)用的接種液來自于遼寧省慶元鎮(zhèn)沼氣模型村泥漿和實(shí)驗(yàn)室厭氧發(fā)酵罐，泥漿和沉淀物質(zhì)量比5:3，接種液反應(yīng)物量占總量的20%。
2.2 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用的厭氧發(fā)酵設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室制造，主要包括兩個(gè)2500 mL橡膠密封閉鎖裝置,寬嘴瓶和一個(gè)1000 mL燒杯，這些被用作發(fā)酵瓶，汽缸和記錄收集瓶。發(fā)酵在有溫度控制的保溫箱中進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)期間的氣體產(chǎn)量來確定發(fā)酵期，特定因素見圖一示：
2.3 試驗(yàn)方法
玉米秸稈顆粒大小，溫度，秸稈和糞便的質(zhì)量比例，對(duì)四個(gè)主要因素的供給速度選擇，根據(jù)一個(gè)普通的三個(gè)水平的正交設(shè)計(jì)[L9(34)]，研究各因素間的明顯不同，每個(gè)因素有9個(gè)測(cè)驗(yàn)3個(gè)重復(fù)。
混合一定數(shù)量的預(yù)處理玉米秸稈和豬糞放在2500 mL的密封發(fā)酵瓶中，然后接種一批標(biāo)準(zhǔn)的厭氧發(fā)酵懸浮液和沉淀物發(fā)酵，占總接種量的20%，占總固體狀態(tài)濃度的10%。這些因素在厭氧發(fā)酵氣體產(chǎn)生的明顯不同同時(shí)被研究。
在分析過正交設(shè)計(jì)結(jié)果后，結(jié)合每個(gè)因素的最佳水平，然后接種一批標(biāo)準(zhǔn)的厭氧發(fā)酵懸浮液和沉淀物發(fā)酵，占總接種量的20%，占總固體狀態(tài)濃度的10%進(jìn)行厭氧發(fā)酵。分別研究日積累氣體產(chǎn)量來確認(rèn)上述最佳的結(jié)合量。
在厭氧發(fā)酵過程每日和積累氣體產(chǎn)量都是最重要的指標(biāo)，排水法被用于這項(xiàng)研究中每日和積累氣體產(chǎn)量的測(cè)量。為了測(cè)定氣體生產(chǎn)量，水的體積等同于氣體生產(chǎn)量，在反應(yīng)期間每天上午10:30用量筒進(jìn)行測(cè)量。
用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，處理之間的明顯不同通過多重比較方法（最低顯著差異方法）分析，數(shù)據(jù)用Excel 2003處理。
3 結(jié)果和討論
3.1 玉米秸稈和豬糞正交設(shè)計(jì)結(jié)果
通過不同條件下積累生成氣體的觀察來分析正交設(shè)計(jì)結(jié)果，然后結(jié)合最佳的水平。正交試驗(yàn)結(jié)果如表格2所示。
K1,K2,K3- 因素在適宜水平下保持在平均值
根據(jù)Ki(每個(gè)因素i水平的平均觀察值）的分析，每個(gè)因素水平的最高值分別是K3 12296.7，K2 18736.7，K2 12773.3和K3 10116.7。因此最佳試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:秸稈顆粒大小為4~6 cm，發(fā)酵溫度為35℃，秸稈和糞便質(zhì)量比例為1.5:1，供給比例為90%。這種設(shè)計(jì)不包含在在上面正交設(shè)計(jì)中，因此需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來確定積累氣體產(chǎn)量在這種新的設(shè)計(jì)下是否是最高的。
根據(jù)表格2知道在生成氣體上各個(gè)因素的作用程度不同。R軟件用于作用程度的測(cè)定，作用程度隨R值而升高。
1-顆粒大??；2-溫度；3-秸稈和豬糞質(zhì)量比
4-供給比例；5-偏差
每個(gè)因素的P值小于0.05。通過表格3結(jié)果SPSS軟件的分析，顯示出全部四個(gè)因素對(duì)積累氣體產(chǎn)量有明顯和相似的影響。所以在實(shí)際中我們必須把四個(gè)因素全部考慮進(jìn)去來提高氣體產(chǎn)生速率。
3.2 在最適因素結(jié)合條件下的厭氧發(fā)酵
厭氧發(fā)酵的第十個(gè)處理?xiàng)l件是玉米秸稈保持在4~6 cm,溫度為35℃，玉米秸稈和豬糞的質(zhì)量比例是1.5:1，供給比例為90%。然后在第十個(gè)處理?xiàng)l件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。當(dāng)其他條件不改變時(shí)，氣體產(chǎn)量的積累改變?nèi)鐖D表2總結(jié)。
相同發(fā)酵條件下在30 d內(nèi)的積累氣體產(chǎn)量明顯不同。從最高到最低依次是：第十個(gè)處理>第八個(gè)處理>第二個(gè)處理>第六個(gè)處理>第三個(gè)處理>第七個(gè)處理>第一個(gè)處理，第十個(gè)處理在沼氣生產(chǎn)上的作用最好，第十個(gè)處理的積累沼氣產(chǎn)量達(dá)到了24830 mL，這說明用最理想?yún)?shù)正交試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際需要相符。所以它能夠用于實(shí)際中。
在厭氧發(fā)酵中日產(chǎn)氣體量也是一個(gè)重要的因素。所以這項(xiàng)試驗(yàn)分析了第十個(gè)處理、第八個(gè)處理和第二個(gè)處理的積累氣體產(chǎn)量和每日氣體產(chǎn)量，這些處理的產(chǎn)氣速率要高很多。從圖表中可以看出，不同組的處理反映相同的趨勢(shì)，但是在整個(gè)發(fā)酵中產(chǎn)氣高峰不同。第十個(gè)處理的日產(chǎn)沼氣量最高數(shù)是最好的，分別出現(xiàn)在第十一天、第十八天和第二十五天。日產(chǎn)沼氣量最大值在第十一天達(dá)到了每天2040 mL并保持了五天。第八個(gè)處理日產(chǎn)沼氣量最高數(shù)值出現(xiàn)在第七天并持續(xù)了八天。第二個(gè)處理日產(chǎn)沼氣量最高數(shù)值分別出現(xiàn)在第十一天、第十七天和第二十七天。日產(chǎn)沼氣量最大值在第十一天達(dá)到了每天2040 mL，但日產(chǎn)沼氣量的最高數(shù)值沒有持續(xù)多少天。通過日產(chǎn)沼氣量的分析，說明在各因素最好水平下第十個(gè)處理對(duì)沼氣產(chǎn)量有最大的影響。將實(shí)際和經(jīng)濟(jì)考慮進(jìn)去，第十個(gè)處理是最好的結(jié)合。在發(fā)酵中出現(xiàn)三個(gè)峰值的原因是最初發(fā)酵通過利用細(xì)菌接種液豬糞持續(xù)地下降，而秸稈中的纖維素沒有分解。因此在第一個(gè)峰值后發(fā)酵液逐漸地下降。但是隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，秸稈中的纖維素持續(xù)的分解。在最初發(fā)酵產(chǎn)生和積累的有機(jī)酸被氧化和通過產(chǎn)生酸和氫細(xì)菌分解為酸和分子氫。然后產(chǎn)烷生物生產(chǎn)甲烷，這導(dǎo)致了第二個(gè)峰值。隨著反應(yīng)進(jìn)行，豬糞被用完，而木質(zhì)素和纖維素的降解速率繼續(xù)升高，秸稈的厭氧生物性轉(zhuǎn)化效率升高，所以第三個(gè)峰值出現(xiàn)。然而峰值的持續(xù)時(shí)間是短的，因?yàn)橛衩捉斩捴腥菀追纸獾哪举|(zhì)纖維素材料有限。
4 結(jié)論
通過研究玉米秸稈間隔尺寸、溫度、豬糞和秸稈質(zhì)量比例和供給比例在氣體產(chǎn)生行為上的影響。顯示出所有四種因素對(duì)產(chǎn)氣速率有重要和相似的影響。厭氧發(fā)酵的最佳條件是玉米秸稈保持4~6 cm，溫度35℃，玉米秸稈和豬糞質(zhì)量比是1.5:1，供給比例為90%。在這些條件下，沼氣生產(chǎn)比較其他好，產(chǎn)量達(dá)到的峰值也較高。日產(chǎn)沼氣量的最高數(shù)值達(dá)到2120 mL。所以在實(shí)際中我們必須把四個(gè)因素全部考慮進(jìn)去來提高氣體產(chǎn)生速率。以前因素試驗(yàn)的顯著條件是簡(jiǎn)單的造作且方便。在農(nóng)村地區(qū)適于厭氧發(fā)酵，尤其是在北方，值得在實(shí)際中普遍。
