尾菜與小麥秸稈兩級聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝的研究

馬泓若， 李 強， 王治業(yè)， 陳 龍， 王 強， 季 彬

(1.農業(yè)部農村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041； 2.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點實驗室， 蘭州 730000； 3.農業(yè)農村部沼氣科學研究所，成都 6100413； 4.甘肅自然能源研究所， 蘭州 730046)

我國作為農業(yè)大國，每年產生的農業(yè)廢棄物多達十幾億噸，其中尾菜和農作物秸稈占比最高[1]，尾菜是指蔬菜在生產、采收、運輸、加工和銷售過程中為提高其商品性而剝離的傷、病、殘葉[2]，其產生量占蔬菜產量的 30%以上[3]。目前，我國農作物秸稈的利用率很低，除了直接還田、用作燃料以及不足 20% 用作飼料外，剩余約 20% 的秸稈則直接在田間燃燒或堆積，不僅造成很大的資源浪費，還污染了環(huán)境[4]。

尾菜和農作物秸稈通過厭氧發(fā)酵產生沼氣是實現農業(yè)廢棄物資源化利用和減少環(huán)境污染的重要途徑，并且在一定程度上能緩解我國農村地區(qū)的能源短缺問題，同時產生的沼渣、沼液也可以作為高效有機肥提高土壤肥力，改善土壤結構[5]。

在沼氣發(fā)酵工藝中，濕法發(fā)酵有啟動性良好和傳質均勻的優(yōu)勢，但單位容積反應器的物料處理量不及干式發(fā)酵。干式發(fā)酵啟動性能雖欠佳，但具備較高的單位容積產氣率以及無大量沼液排放的優(yōu)點[6]。與濕法發(fā)酵相比，干式發(fā)酵具有能耗低用水量小，投資成本低以及容積產氣率高等優(yōu)勢[7]。本研究主要針對尾菜和農作物秸稈兩類典型的農業(yè)廢棄物的物料特性，采用濕式和干式兩級聯(lián)合厭氧發(fā)酵技術，有效地解決了尾菜和農作物秸稈厭氧發(fā)酵啟動難、易酸化的難題，同時大大提高了原料產氣率。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗使用的尾菜從蘭州市農貿市場收集，主要為大白菜、娃娃菜和甘藍等，粉碎備用；豬糞取自蘭州市榆中縣養(yǎng)殖場；小麥秸稈取自蘭州市榆中縣三角城；接種物取自實驗室產氣良好的厭氧反應器，置于4℃冰箱冷藏備用。

通過實驗室測定，發(fā)酵原料和接種物的理化特性見表1。

表1 發(fā)酵原料物料特性

厭氧發(fā)酵促進劑主要成分為Ca(CH3COO)2;2(C3H5O2)·Ca;C8H14O4Ca; CH4N2O;CaH6O9P2;Yeast extract fermentation。微量元素溶液主要成分為FeCl2·4H2O; CoCl2·6H2O; MnCl2· 4H2O; AlCl3·6H2O; H3BO3; ZnCl2;4(NH4)6MO7O24·4H2O;CuCl2·2H2O; NiCl2·2H2O; Na2SeO3。

1.2 主要儀器與設備

尾菜發(fā)酵裝置采用30 L全自動厭氧發(fā)酵罐，BLBIO-30SJAO；小麥秸稈干發(fā)酵采用自制10 L干發(fā)酵裝置，其結構如圖1所示。

圖1 秸稈干發(fā)酵裝置

進料管、出料管：主要用于進出沼液；打孔隔板、螺栓：主要用于壓縮秸稈，同時是沼液通過打孔隔板均勻的滲入秸稈內部。

便攜式沼氣分析儀，GA5000；濕式氣體流量計，BSD0.5 ；低溫生化培養(yǎng)箱，LRH-250CA ；pH計，PHS-3C。氣相色譜，GC-2010 PLUS。色譜條件：進樣口溫度210℃；檢測器溫度230℃；氫氣流量30；空氣流量300；尾吹40；分流比10；色譜柱線速度37 cm·s-1；柱溫80℃，以18℃·min-1升至180℃，保持時間2 min。

產氣量利用濕式氣體流量計進行記錄。TS，VS和pH值采用標準方法[8]。甲烷含量利用便攜式沼氣分析儀進行檢測。揮發(fā)酸濃度采用氣相色譜法進行檢測[9]。

1.3 實驗方法

1.3.1 第1級發(fā)酵

第1次啟動向發(fā)酵罐內加入5 L接種物，5000 g尾菜，發(fā)酵溫度設置為35℃，添加生石灰粉調節(jié)pH值至8.0，加入厭氧發(fā)酵微量元素，加入量為1 mL·L-1，密封發(fā)酵罐。當甲烷含量超過50%以后，開始加料，負荷為2.0 kg·m-3d-1TS。每隔5 d提升負荷，每次負荷增加量為0.15 kg·m-3d-1TS。加料至25 L時，每天加料的同時進行出料，保證發(fā)酵容積維持在25 L。發(fā)酵罐帶自動攪拌功能，每次加料后開啟攪拌15 min。

1.3.2 第2級發(fā)酵

將秸稈剪切成10 cm～15 cm長度，裝入自制的發(fā)酵裝置，見圖1。同時進行2個對比試驗:A組內加入284.56 g秸稈，加入50 g活化后的菌種(夾在秸稈層中間);B組內加入271.36 g秸稈，不加菌種。將發(fā)酵裝置放入恒溫箱內培養(yǎng)，發(fā)酵溫度設定為35℃。將5000 mL第1級尾菜發(fā)酵排出的沼液調節(jié)pH值至8.0，補充厭氧發(fā)酵促進劑和微量元素，添加量分別為1.88 g·L-1和1 mL·L-1，從第2級發(fā)酵裝置上端進料口加入，直至淹沒秸稈。浸泡2 h后將沼液從下部出料口排出，將浸泡后的沼液收集于滲濾池中，沼液產氣量計入第2級干發(fā)酵產氣量。每天按上述方法浸泡，滲濾池中沼液每隔5 d換新鮮沼液1000 mL，浸泡時間每隔5天增加1 h，直至產氣量開始出現下降時，將沼液加入后不再排出，一直浸泡直至產氣結束。

2 結果與討論

2.1 尾菜厭氧發(fā)酵結果及分析

尾菜的干物質中含75%的糖類和半纖維素，9%的纖維素及5%的木質素[10]，其含水率較高，一般TS含量在4%～10%。本實驗主要通過實驗室自制的高活性接種物和添加厭氧發(fā)酵促進劑和微量元素溶液，提高尾菜的產氣率。

由圖2可知，尾菜厭氧發(fā)酵接種量較大，所以啟動第3天開始產氣，隨著負荷的不斷增加，產氣量開始逐漸上升，當負荷增加到每天3.2 kg·m-3d-1TS時(第38天)，出現最高產氣量。投料量增加至3.35kg·m-3d-1TS時(第45天)，產氣量開始出現下降。從第46天開始，將負荷調至3.2 kg·m-3d-1TS并一直維持，產氣量逐漸恢復并接近最高產氣量。在此條件下繼續(xù)運行20天，此時一級發(fā)酵罐的最高負荷為3.2 kg·m-3d-1TS，最高產氣量為54.4 L·d-1，發(fā)酵罐最高容積產氣率為2.72 m3·m-3d-1。對比馮晶[11]等人研究的連續(xù)進料果蔬廢棄物厭氧產氣性能數據，最高負荷為2.5 kg·m-3d-1TS，池容產氣率為1.075 m3·m-3d-1，本試驗最高負荷提高了28%，池容產氣率提高了153%。

圖2 35 ℃下產氣量

由圖3可知，啟動前期(前5天)VFA濃度較高，維持在1600 mg·L-1～1900 mg·L-1。隨著產甲烷古菌的不斷生長和負荷的不斷提升，最終VFA穩(wěn)定在900 mg·L-1～1200 mg·L-1。

圖3 尾菜揮發(fā)酸

2.2 秸稈干發(fā)酵結果及分析

農作物秸稈主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等[12]，含水率較低，一般TS含量接近90%。但是干發(fā)酵技術在工程上的推廣應用還有一定難度[13]，原因是干發(fā)酵物料濃度高，攪拌困難，易造成 VFA 局部過度積累，從而導致發(fā)酵過程穩(wěn)定性差。

針對上述問題，筆者在第2級發(fā)酵中使用尾菜沼液作為農作物秸稈干發(fā)酵的接種物，對農作物秸稈進行噴淋和浸泡。該方法不僅可加快秸稈干發(fā)酵過程中的物質傳遞，使厭氧微生物菌種均勻的分布在打捆秸稈內部，而且通過高pH值沼液的噴淋和浸泡可有效調節(jié)秸稈干發(fā)酵的pH值，從而提高秸稈干發(fā)酵的產氣率。

由圖4和圖5可知，由于前期加入含有大量厭氧發(fā)酵菌種的尾菜沼液，所以A組和B組的啟動時間分別提高為1 d和2 d，全桂香[14]等研究的沼氣秸稈干發(fā)酵快速啟動，堆漚時間為6 d的秸稈最快啟動時間為1 d，但本試驗節(jié)省了入池前的堆漚時間。

A和B兩組實驗發(fā)酵周期為50天，從第25天開始，產氣量有所下降，所以將沼液浸泡時間增加至24 h。A組前期產氣速率較快，在第7 d達到產氣最高峰，發(fā)酵周期35天后產氣量低于1000 mL，B組產氣率變化較為平緩，在第6天達到產氣最高峰，發(fā)酵周期45天后產氣量低于1000 mL。所以A組的產氣最高峰比B組的慢1 d，但1000 mL以上的產氣高峰期比B組的快10天。

在50天的發(fā)酵周期內，A組累計產氣量為156310 mL，TS產氣率為334.26 mL·g-1，B組累計產氣量為140855 mL，TS產氣率為316.39 mL·g-1。A組TS產氣率比B組高5.65%。

A組pH值在前期較為穩(wěn)定，B組前期pH值出現下降，所以菌種的添加有利于前期揮發(fā)酸的分解，防止酸化現象的發(fā)生。由于每天都添加高pH值的尾菜沼液，使得在正常產氣階段，A組和B組pH值介于7.0～7.5范圍內，解決了秸稈干發(fā)酵存在的前期易酸化的難題，在發(fā)酵接近45天時，pH值直線上升，主要原因是發(fā)酵接近結束，大部分有機物完成降解，此時加入的尾菜沼液pH值仍然是8.0，所以導致干發(fā)酵系統(tǒng)pH值上升。

所以利用尾菜沼液作為菌源，對秸稈干發(fā)酵進行噴淋和浸泡，明顯縮短了秸稈干發(fā)酵的發(fā)酵周期，提高了秸稈干發(fā)酵的產氣率，同時在秸稈干發(fā)酵中添加畜禽糞便補充了氮源，有利于加快發(fā)酵速率提高產氣率。

圖4 A組產氣量

圖5 B組產氣量

3 結論

(1)尾菜厭氧發(fā)酵在發(fā)酵溫度為35℃時，最大負荷為3.2kg·m-3d-1TS，容積產氣率為2.72 m3·m-3d-1，通過添加微量元素，補充尾菜中缺少的微量元素[15]，有利于提高產氣率。

(2)通過尾菜沼液噴淋和浸泡，秸稈干發(fā)酵啟動時間提高至1 d，TS產氣率達到了334.26 mL·g-1，產氣高峰期縮短至40天，有效提高了秸稈干發(fā)酵的產氣率，縮短了產氣周期。

(3)采用尾菜和秸稈干發(fā)酵兩級聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝，驗證了利用厭氧發(fā)酵的方法處理尾菜的可行性，同時可利用低TS濃度的尾菜沼液解決秸稈干發(fā)酵前期揮發(fā)酸積累和物質傳遞的難題，大大提高了秸稈干發(fā)酵的產氣率，縮短了秸稈干發(fā)酵的產氣周期，可為今后處理尾菜和秸稈提供參考依據。