牛糞與蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣工藝優(yōu)化

龐震鵬 ，李永平 ，朱教寧 ，籍增順 ，焦光月

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031；2.山西省生態(tài)畜牧產(chǎn)業(yè)管理站，山西太原030031）

我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，規(guī)模日益擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖量每10 a增加1～2倍[1-3]。目前，我國畜禽糞污每年總排放量達(dá)38億t，預(yù)計(jì)到2020年會(huì)超過40億t[4-5]。畜禽糞便雖然是農(nóng)業(yè)環(huán)境的主要污染源，但也是蘊(yùn)含巨大能量的可再生能源，若能進(jìn)行合理開發(fā)利用，可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。但是，畜禽糞便和作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用程度普遍較低，以山西為例，山西規(guī)模化養(yǎng)殖場累計(jì)達(dá)2.5萬個(gè)，年產(chǎn)畜禽糞便2 055.7萬t，其中，牛糞為1 106.3萬t，占53.82%。在畜禽糞污利用中，其中有20%未經(jīng)過處理直接施入農(nóng)田，15%通過堆肥及化糞池處理后施入農(nóng)田，65%長期露天堆放直至施入農(nóng)田。此外，隨著我國蔬菜種植面積及產(chǎn)量的增加，蔬菜廢棄物的處理問題同樣突出，2013年我國蔬菜廢棄物產(chǎn)量約2.7億t，可進(jìn)行資源化利用的蔬菜廢棄物達(dá)2.15億t[10]，而露天焚燒和還田利用是較為常見的處理方式，這樣處理不但會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)造成作物病蟲害。因此，畜禽糞污及蔬菜廢棄物等農(nóng)業(yè)廢棄物在資源化利用方面還存在較大不足。

厭氧發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要途徑之一。將秸稈經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，可使每千克秸稈的有效熱值提升到60%以上[11]，同時(shí)可以有效解決因秸稈焚燒帶來的環(huán)境問題；畜禽糞便經(jīng)過厭氧發(fā)酵后可有效殺滅糞便中的病原微生物，發(fā)酵產(chǎn)物沼液和沼渣是有機(jī)肥的重要生產(chǎn)來源。此外，諸多研究發(fā)現(xiàn)，混合原料發(fā)酵比單一原料發(fā)酵更具優(yōu)勢，具有較高的產(chǎn)氣效率，與單一原料發(fā)酵相比，能更好地避免發(fā)酵系統(tǒng)酸化，保持系統(tǒng)穩(wěn)定[12-14]。

本試驗(yàn)以牛糞和番茄秸稈作為厭氧發(fā)酵原料，對不同物料混合厭氧發(fā)酵配混比例、適宜發(fā)酵濃度與進(jìn)料量及頻率進(jìn)行研究，旨在提高牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵效率和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，為快速處理牛糞和番茄秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物、提高沼氣產(chǎn)量提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)原料

供試番茄秸稈取自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)示范基地，粉碎打磨成5 mm左右的粉末；牛糞取自東陽鎮(zhèn)養(yǎng)殖場的新鮮牛糞；接種物取自東陽試驗(yàn)示范基地沼氣池正常運(yùn)行60 d以上沼氣池中的沼液。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心沼氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自制1 L厭氧發(fā)生器：瓶體由上下2部分組成，下部為帶有進(jìn)料口的厭氧反應(yīng)區(qū)，進(jìn)料口可用帶有橡膠管的瓶蓋密閉；上部為注水區(qū)，下部所產(chǎn)沼氣進(jìn)入上部將水經(jīng)導(dǎo)水管排到集水瓶內(nèi)，排出水量即為每日產(chǎn)氣量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 配混比例研究 牛糞與番茄秸稈按干物質(zhì)量比設(shè)置T1～T11共11個(gè)處理，各處理詳細(xì)情況如表1所示。反應(yīng)在1 L厭氧發(fā)生器中進(jìn)行，發(fā)酵物料濃度8%，發(fā)酵溫度（35±1）℃，發(fā)酵時(shí)長40 d，各處理設(shè)3次重復(fù)。每天記錄各處理產(chǎn)氣量并測定氣體組分。

表1 處理設(shè)置

1.3.2 混合厭氧發(fā)酵濃度研究 物料濃度設(shè)6%，8%，10%，12%，14%共5個(gè)處理，分別計(jì)為N1～N5。將牛糞與番茄秸稈按干物質(zhì)量比1∶1配混，反應(yīng)在1 L厭氧發(fā)生器中進(jìn)行，發(fā)酵溫度（35±1）℃，發(fā)酵時(shí)長40 d，各處理設(shè)3次重復(fù)。每天記錄各處理產(chǎn)氣量并測定氣體組分。

1.3.3 混合厭氧發(fā)酵適宜進(jìn)料頻率研究 按照不同進(jìn)料頻率設(shè)置8，10，12 d共3個(gè)處理，分別計(jì)為M1，M2，M3。每次進(jìn)出料量為 175 g/L。反應(yīng)在自制1 L厭氧發(fā)酵瓶中進(jìn)行，在室溫條件下進(jìn)行，設(shè)3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)分2個(gè)階段，啟動(dòng)階段和進(jìn)出料階段，其中，啟動(dòng)階段發(fā)酵進(jìn)行15 d后進(jìn)入進(jìn)出料階段。進(jìn)出料階段發(fā)酵70 d，分別按各處理頻率進(jìn)出料。各處理啟動(dòng)階段牛糞與番茄秸稈干物質(zhì)量比1∶1，物料濃度8%（接種物30%）；進(jìn)出料階段牛糞與番茄秸稈干物質(zhì)量比1∶1，物料濃度8%（不添加接種物），進(jìn)料的同時(shí)排出相同質(zhì)量的舊料液。每天記錄各處理產(chǎn)氣量并測定氣體組分。

1.3.4 混合厭氧發(fā)酵適宜進(jìn)料量研究 進(jìn)料量設(shè)75，125，175，225 g/L 共 4 個(gè)處理，分別計(jì)為 Q1，Q2，Q3，Q4。每10 d進(jìn)出料一次。反應(yīng)在1 L厭氧發(fā)生器中進(jìn)行，在室溫條件下進(jìn)行，各處理設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)分2個(gè)階段：啟動(dòng)階段和進(jìn)出料階段。其中，啟動(dòng)階段為批式發(fā)酵反應(yīng)，先發(fā)酵15 d，第16天進(jìn)入進(jìn)出料階段。進(jìn)出料階段為連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)，各處理分別反應(yīng)70 d，分8次進(jìn)行進(jìn)料與出料。各處理啟動(dòng)階段牛糞與番茄秸稈干物質(zhì)量比1∶1，物料濃度8%（接種物30%）；進(jìn)出料階段牛糞與番茄秸稈干物質(zhì)量比1∶1，物料濃度8%（不添加接種物），進(jìn)料的同時(shí)排出相同質(zhì)量的舊料液。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定，每日定時(shí)測定一次。將原料置于恒溫烘箱中烘干（溫度為105℃）至恒質(zhì)量，采用差重法測定干物質(zhì)量（TS）。

采用安捷倫公司生產(chǎn)的7890B氣相色譜儀測定氣體組分。色譜條件：色譜柱HP-INNOWAX，40～240 ℃，60 μm×530 μm×1 μm，載氣為氫氣，流量5 mL/min，壓力 7.244 3 psi，平均線速度 35.701 cm/s，滯留時(shí)間2.801 1 min；FID檢測器設(shè)置溫度300℃，空氣流量400 mL/min，氫氣燃?xì)饬髁?0 mL/min，尾吹氣流量（N2）25 mL/min；TCD檢測器設(shè)置溫度為250℃，參比流量 40 mL/min，尾吹氣流量（H2）2 mL/min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均重復(fù)測定3次，數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Microsoft Excel及SPSS分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表編輯及分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 配混比例研究

多種原料混合厭氧發(fā)酵較單一原料發(fā)酵不僅有利于增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、平衡底物營養(yǎng)、提高原料利用率和產(chǎn)氣效率，還可以降低發(fā)酵過程中產(chǎn)生的銨態(tài)氮等抑制類物質(zhì)對消化過程的抑制作用[15-17]。從圖1可以看出，牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵，T5和T6處理產(chǎn)氣量分別達(dá)8 843.94，8 680.93 mL，顯著高于其他處理，較T11單一牛糞處理分別提高165.48%和160.59%。因此，可以認(rèn)為番茄秸稈與牛糞進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵的適宜配比（TS）為6∶4或5∶5。

2.2 混合厭氧發(fā)酵濃度研究

在1%～30%的濃度范圍內(nèi)，厭氧發(fā)酵均可進(jìn)行。底物濃度對混合原料厭氧發(fā)酵效果具有顯著影響[18-19]。番茄秸稈與牛糞混合物在不同物料濃度下，產(chǎn)氣潛力不同，在濕式發(fā)酵條件下，適當(dāng)提高物料濃度，有利于提高產(chǎn)氣量。從圖2可以看出，不同發(fā)酵濃度的容積產(chǎn)氣率不同，總體上隨著濃度的增加產(chǎn)氣率也在增加，當(dāng)濃度達(dá)到12%時(shí)，產(chǎn)氣率不再增加，這可能與反應(yīng)物中干物質(zhì)量較大時(shí)容易產(chǎn)生酸化現(xiàn)象有關(guān)，仍需進(jìn)一步探討。因此，當(dāng)濃度為12%時(shí)，可以作為牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵的適宜發(fā)酵濃度。

2.3 混合厭氧發(fā)酵適宜進(jìn)料頻率研究

適當(dāng)提高進(jìn)料頻率，保證發(fā)酵物料的及時(shí)供給，可以提高番茄秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率，增加產(chǎn)氣量。由圖3可知，不同進(jìn)料頻率下的平均容積產(chǎn)氣率不同，當(dāng)每10 d進(jìn)一次料時(shí)，平均容積產(chǎn)氣率較高，為0.289 L/（L·d）；大于或小于10 d時(shí)，產(chǎn)氣量呈下降趨勢，可能是由于進(jìn)料頻率過低時(shí)，反應(yīng)體系中底物補(bǔ)充不及時(shí)，微生物繁殖放緩，產(chǎn)氣效率降低；進(jìn)料過于頻繁，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)酸會(huì)大量積累，pH值下降，微生物代謝活動(dòng)受到抑制，產(chǎn)氣緩慢。綜上所述，牛糞與番茄秸稈適宜的進(jìn)料頻率為每10 d進(jìn)一次料。

2.4 混合厭氧發(fā)酵適宜進(jìn)料量研究

對發(fā)酵體系補(bǔ)充發(fā)酵物料，適當(dāng)提高進(jìn)料量，可以提高混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率，增加產(chǎn)氣量。由圖4可知，各處理平均容積產(chǎn)氣率隨進(jìn)料量的增加而增加，其中，Q4的平均容積產(chǎn)氣率較高，為0.271 L/（L·d），顯著高于Q1，Q2處理，但與Q3間無顯著差異。說明當(dāng)進(jìn)料量高于175 g/L時(shí)，對產(chǎn)氣效率的提升效果較小，這可能是由于當(dāng)進(jìn)料量過大時(shí)，發(fā)酵體系發(fā)生酸化現(xiàn)象，抑制了甲烷菌的活性，產(chǎn)氣效率降低。因此，175 g/L可以作為牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵的適宜進(jìn)料量。

3 結(jié)論與討論

本研究利用1 L厭氧發(fā)生器，在35℃條件下，以牛糞與番茄秸稈的混合物作為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，二者適宜配混比例為4∶6或5∶5、發(fā)酵濃度為12%；對于未配備增溫措施的中小型沼氣工程，適宜進(jìn)料頻率為每10 d進(jìn)一次料，每次進(jìn)料量為175 g/L為宜。

將牛糞和番茄秸稈混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，不僅避免了牛糞單獨(dú)發(fā)酵時(shí)系統(tǒng)易酸化的問題，還提高了系統(tǒng)的緩沖能力和產(chǎn)氣量。通過監(jiān)測厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)處理在厭氧發(fā)酵穩(wěn)定期（7～30 d），甲烷含量均能維持在50%以上，表明發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，未發(fā)生過酸或過堿的現(xiàn)象。牛糞和番茄秸稈適宜的干物質(zhì)量比為4∶6或5∶5，與單一牛糞發(fā)酵相比，產(chǎn)氣量提升了165.48%和160.59%。陳廣銀等[20]利用互花米草與牛糞作為發(fā)酵原料，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配比為3∶1時(shí)發(fā)酵效果較好，累積產(chǎn)氣量較牛糞單獨(dú)發(fā)酵提升了38.83%；姜宗姍等[17]研究認(rèn)為，牛糞與玉米秸稈按2∶1配比時(shí)，產(chǎn)氣效率較高，甲烷量較牛糞單獨(dú)發(fā)酵提高了21.45%。這些結(jié)果與本研究結(jié)果基本一致。

不同料液濃度不同，沼氣產(chǎn)量與甲烷含量均不相同，在6%～14%的濕式發(fā)酵階段，隨著濃度的增大，產(chǎn)氣量也在增大，但濃度較高時(shí)容易出現(xiàn)酸化，致使系統(tǒng)癱瘓。牛糞與番茄秸稈混合物料液濃度為12%時(shí)，產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣量均達(dá)到最優(yōu)；當(dāng)料液濃度高于12%時(shí)，料液水解酸化時(shí)間延長，pH值下降，產(chǎn)甲烷菌活性降低，這可能是導(dǎo)致甲烷含量在發(fā)酵前期處于較低水平的主要原因。

此外，在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵存在一些問題，首先，秸稈中含有難以降解的木質(zhì)纖維素和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在與牛糞配混前需經(jīng)過預(yù)處理；其次，番茄秸稈易漂浮在料液頂端形成結(jié)殼，需要利用攪拌措施將其防止或破除。