1 前言
根据统计数值，中国2005年玉米秸秆的产量大约27万吨，占秸秆总种类的33.8%，这些中的大部分被遗弃在田野里或直接燃烧，这样不仅是能量资源的浪费，而且造成一些环境问题。因此研究秸秆的适当使用方法以达到它的资源最优化将是缓解“食物，能量，环境”三大危机最重要的方法之一。秸秆厌氧发酵沼气技术是利用秸秆能量最重要的方式之一。在较小规模和较少资金投资的条件下,它可以达到秸秆和其它生物量资源的高质量利用.那更适合于发展中国家的农村地区和城市或农村企业。
然而，目前发酵技术方法的预前处理技术要求更高，在中国北方很多秸秆资源需要更大的经济花费并且在农村地区发酵技术系统缺乏合理的技术指导和北方特定的气候特点(例如原材料比例、发酵条件等)。由于玉米秸秆发酵本身的特点，例如碳氮比和纤维木质素含量高且可利用的营养含量低，故它作为一种原料还没有被大多数农民所接受。
并且玉米秸秆表层有蜡状物，对微生物附着没有传导性，退化率低，厌氧降解要很长时间，倾向于流动层，有坚硬外壳，而且难于联营原料。粪和玉米秸秆混合发酵能够弥补作为原材料发酵的缺点，解决资源缺乏以改善玉米秸秆的利用。
在这项研究中,玉米秸秆和猪粪的状态作为研究主题,在中国北港农村地区刺激厌氧发酵条件来作厌氧发酵试验,没有人工搅拌或调节pH。运用正交试验L9(34)来分析玉米秸秆颗粒大小和温度，秸秆和粪的质量比例，秸杆供给比例对猪粪厌氧发酵产生沼气的影响。通过观察日积累气体产量来确定发酵的适宜条件，为北方农村地区获得关于发酵技术的一个科学根据和技术指导。
2 材料和方法
2.1 发酵材料
试验用玉米秸秆来自于辽宁省庆元镇沼气模型村，玉米秸秆C/N=37.5:1，试验用不完全干的玉米秸秆，切成大约10 cm的小段，有天然干的(湿度大约10%)储备支持;每次试验,试验用的颗粒大小需要进行手切或用机器切。试验用猪粪来自于沈阳建筑大学经济园的饲养场，水分含量为20%，猪粪C/N=13.97:1。
在发酵沉淀物后试验用的接种液来自于辽宁省庆元镇沼气模型村泥浆和实验室厌氧发酵罐，泥浆和沉淀物质量比5:3，接种液反应物量占总量的20%。
2.2 试验材料
试验用的厌氧发酵设备在实验室制造，主要包括两个2500 mL橡胶密封闭锁装置,宽嘴瓶和一个1000 mL烧杯，这些被用作发酵瓶，汽缸和记录收集瓶。发酵在有温度控制的保温箱中进行。根据试验期间的气体产量来确定发酵期，特定因素见图一示：
2.3 试验方法
玉米秸秆颗粒大小，温度，秸秆和粪便的质量比例，对四个主要因素的供给速度选择，根据一个普通的三个水平的正交设计[L9(34)]，研究各因素间的明显不同，每个因素有9个测验3个重复。
混合一定数量的预处理玉米秸秆和猪粪放在2500 mL的密封发酵瓶中，然后接种一批标准的厌氧发酵悬浮液和沉淀物发酵，占总接种量的20%，占总固体状态浓度的10%。这些因素在厌氧发酵气体产生的明显不同同时被研究。
在分析过正交设计结果后，结合每个因素的最佳水平，然后接种一批标准的厌氧发酵悬浮液和沉淀物发酵，占总接种量的20%，占总固体状态浓度的10%进行厌氧发酵。分别研究日积累气体产量来确认上述最佳的结合量。
在厌氧发酵过程每日和积累气体产量都是最重要的指标，排水法被用于这项研究中每日和积累气体产量的测量。为了测定气体生产量，水的体积等同于气体生产量，在反应期间每天上午10:30用量筒进行测量。
用SPSS 17.0软件进行方差分析和相关性分析，处理之间的明显不同通过多重比较方法（最低显著差异方法）分析，数据用Excel 2003处理。
3 结果和讨论
3.1 玉米秸秆和猪粪正交设计结果
通过不同条件下积累生成气体的观察来分析正交设计结果，然后结合最佳的水平。正交试验结果如表格2所示。
K1,K2,K3- 因素在适宜水平下保持在平均值
根据Ki(每个因素i水平的平均观察值）的分析，每个因素水平的最高值分别是K3 12296.7，K2 18736.7，K2 12773.3和K3 10116.7。因此最佳试验设计如下:秸秆颗粒大小为4~6 cm，发酵温度为35℃，秸秆和粪便质量比例为1.5:1，供给比例为90%。这种设计不包含在在上面正交设计中，因此需要进一步的试验来确定积累气体产量在这种新的设计下是否是最高的。
根据表格2知道在生成气体上各个因素的作用程度不同。R软件用于作用程度的测定，作用程度随R值而升高。
1-颗粒大小；2-温度；3-秸秆和猪粪质量比
4-供给比例；5-偏差
每个因素的P值小于0.05。通过表格3结果SPSS软件的分析，显示出全部四个因素对积累气体产量有明显和相似的影响。所以在实际中我们必须把四个因素全部考虑进去来提高气体产生速率。
3.2 在最适因素结合条件下的厌氧发酵
厌氧发酵的第十个处理条件是玉米秸秆保持在4~6 cm,温度为35℃，玉米秸秆和猪粪的质量比例是1.5:1，供给比例为90%。然后在第十个处理条件下进行厌氧发酵试验。当其他条件不改变时，气体产量的积累改变如图表2总结。
相同发酵条件下在30 d内的积累气体产量明显不同。从最高到最低依次是：第十个处理>第八个处理>第二个处理>第六个处理>第三个处理>第七个处理>第一个处理，第十个处理在沼气生产上的作用最好，第十个处理的积累沼气产量达到了24830 mL，这说明用最理想参数正交试验结果与实际需要相符。所以它能够用于实际中。
在厌氧发酵中日产气体量也是一个重要的因素。所以这项试验分析了第十个处理、第八个处理和第二个处理的积累气体产量和每日气体产量，这些处理的产气速率要高很多。从图表中可以看出，不同组的处理反映相同的趋势，但是在整个发酵中产气高峰不同。第十个处理的日产沼气量最高数是最好的，分别出现在第十一天、第十八天和第二十五天。日产沼气量最大值在第十一天达到了每天2040 mL并保持了五天。第八个处理日产沼气量最高数值出现在第七天并持续了八天。第二个处理日产沼气量最高数值分别出现在第十一天、第十七天和第二十七天。日产沼气量最大值在第十一天达到了每天2040 mL，但日产沼气量的最高数值没有持续多少天。通过日产沼气量的分析，说明在各因素最好水平下第十个处理对沼气产量有最大的影响。将实际和经济考虑进去，第十个处理是最好的结合。在发酵中出现三个峰值的原因是最初发酵通过利用细菌接种液猪粪持续地下降，而秸秆中的纤维素没有分解。因此在第一个峰值后发酵液逐渐地下降。但是随着反应继续进行，秸秆中的纤维素持续的分解。在最初发酵产生和积累的有机酸被氧化和通过产生酸和氢细菌分解为酸和分子氢。然后产烷生物生产甲烷，这导致了第二个峰值。随着反应进行，猪粪被用完，而木质素和纤维素的降解速率继续升高，秸秆的厌氧生物性转化效率升高，所以第三个峰值出现。然而峰值的持续时间是短的，因为玉米秸秆中容易分解的木质纤维素材料有限。
4 结论
通过研究玉米秸秆间隔尺寸、温度、猪粪和秸秆质量比例和供给比例在气体产生行为上的影响。显示出所有四种因素对产气速率有重要和相似的影响。厌氧发酵的最佳条件是玉米秸秆保持4~6 cm，温度35℃，玉米秸秆和猪粪质量比是1.5:1，供给比例为90%。在这些条件下，沼气生产比较其他好，产量达到的峰值也较高。日产沼气量的最高数值达到2120 mL。所以在实际中我们必须把四个因素全部考虑进去来提高气体产生速率。以前因素试验的显著条件是简单的造作且方便。在农村地区适于厌氧发酵，尤其是在北方，值得在实际中普遍。
