以农作物秸秆为原料进行厌氧发酵,使其转化为沼气与沼肥,是解决能源短缺、环境污染及生态修复的有效途径,具有重要的经济和社会效益。秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,其中木质素和半纤维素对纤维素具有屏障作用,在厌氧条件下降解十分缓慢。这不但影响反应器的容积效率,而且导致秸秆不能在较短的时间内获得较好的沉降性能,长期漂浮在厌氧发酵反应器液面上形成浮渣,一旦浮渣失水结壳将导致发酵失败。一般是采用搅拌的方式破坏浮渣层并防止结壳,但在秸秆不具备沉降性的情况下,搅拌只能在一定程度上促进沼气释放,搅拌一旦停止浮渣依然存在,很难从根本上破除浮渣层的影响。可见有效解决秸秆降解缓慢、易出现浮渣和结壳等问题对发展秸秆沼气至关重要。为了解决这样的问题,针对玉米秸秆各部位(髓、皮、叶)采用好氧水解和厌氧发酵两相工艺,分析好氧水解对秸秆各部位吸水特性、沉降特性和厌氧发酵产甲烷特性的影响;解析各部位的差异,确定适宜的水解时间和较优的秸秆粉碎粒度,探讨消除厌氧发酵浮渣层的途径,最大限度提高发酵系统的容积效率。同时以单因素试验结果为基础,通过响应曲面法考察水解时间、温度和粒度大小影响因子对秸秆各部位沉降比的交互作用,优化好氧水解工艺参数。通过Gompertz模型、甲烷发酵一级动力学模型、Design Expert数据处理软件对试验结果进行分析,所得结论为秸秆沼气发展提供理论和技术支撑。主要研究结果与结论如下:(1)在水解过程中,髓、皮、叶的吸水率及物质溶出率有着明显的差异,这也导致不同部位在相同时间内具有不同的沉降性能。在吸水16 h时,吸水率分别达到679%、160%、347%;物质溶出率与水解时间满足y=a-bcx指数函数关系,在24 h时,物质溶出率分别为 17.97%、7.83%、20.74%。(2)在单相厌氧发酵过程中,玉米秸秆及各部位能正常启动的底物浓度略有不同,其浮渣层厚度随底物浓度的增加呈逐渐增厚趋势变化,随发酵时间的延长逐渐变薄。玉米秸秆、皮和叶在发酵料液VS浓度为3.6%,髓的VS浓度为2.7%时,均能正常启动;当髓的VS浓度为3%时,其它部位VS浓度为4%时,均未正常启动;而皮在发酵后的第10 d,叶、秸秆和髓都在发酵第18 d浮渣层达到最低值,浮渣层厚度分别减少了 64.3%、73.7%、65.3%和59%;而玉米秸秆发酵初始浮渣层中髓、皮、叶的体积占比分别约为48%、18%、29%。(3)好氧水解可显著破坏秸秆木质素结构,提高木质素、纤维素降解率,髓、皮、叶在好氧水解处理16 h时木质素的降解率分别为4.20%、3.91%和4.90%,纤维素降解率分别为17.69%、14.49%和22.59%,可见玉米秸秆各部位组织结构及成分的不同直接影响纤维素的降解;同时产生的乙酸占挥发性脂肪酸(VFAs)和乙醇总量的60%以上。(4)玉米秸秆各部位在好氧厌氧两相发酵工艺中,好氧水解能有效提高甲烷产率、降低浮渣层厚度和缩短发酵周期。髓、皮好氧水解处理12 h和叶在好氧处理8 h时,甲烷产率达到最大值分别为323 mL/gVS、251 mL/gVS和264 mL/gVS,分别比对照组提高了35.0%、30.1%、8%;同时累积甲烷总产量达到90%的发酵周期都是8～9 d,比对照组提前了 4～5 d;同时好氧水解增加了秸秆的孔隙度和吸水能力,提高了沉降性能,有效降低厌氧发酵过程中浮渣层的厚度,髓、皮、叶好氧12 h处理组最厚浮渣层仅为对照组的45.8%、7.1%、13.6%,而玉米秸秆好氧水解12 h处理后,厌氧发酵初始时浮渣层的主要成分是髓,体积占比90%以上。(5)不同粒度的髓、皮、叶经过好氧水解处理在厌氧发酵过程中产生了良好的沉降性能,与未处理组相比,髓、皮、叶分别在发酵后的第14 d、7 d、14 d达到最佳的沉降状态,分别提前了 4 d、9 d、6 d;好氧水解处理后,粒度在40目以下的髓、皮、叶沉降率都达到了 100%,而5～10 目的髓、皮、叶的沉降率分别为32.7%～76.6%、82.6%～100%、66.2%～84.0%,分别提高了5.8%～31.9%、39.1%～50%、35.5%～24%,而 20～30 目的髓颗粒初始沉降率提高了 80.3%～87.4%,皮和叶的沉降率都达到了 100%。此外,好氧水解处理组VS甲烷产率、最大日产甲烷量、延滞期及水解常数均明显优于未处理组,甲烷产率随颗粒目数的增大大致呈增大趋势变化,髓、皮、叶甲烷产率分别在287.56～360.80 mL/gVS、194.80～298.94 mL/gVS、210.43～259.90 mL/gVS波动,分别提高了 37.37%～45.30%、18.27%～36.20%、2.50%～9.26%。(6)通过回归分析建立秸秆各部位沉降比与水解时间、温度、粒度参数间的数学模型,较好地预测玉米秸秆不同部位好氧水解处理在厌氧发酵初期阶段的沉降状态;最终确定优化的好氧水解工艺参数:时间12.25 h、温度42.7℃、粒度大小24目。经试验验证得到了与预测值相吻合的结果,髓、皮、叶沉降比平均值分别为68.6%、89.1%和95.8%。