溫度對牛糞與番茄秸稈厭氧發酵產氣的影響

龐震鵬，李永平，朱教寧，湯 昀，張曉晨，籍增順

（山西省農業科學院現代農業研究中心，山西 太原 030031）

本研究以番茄秸稈和新鮮牛糞為發酵原料，探究不同發酵溫度對二者混合物厭氧發酵產氣特性的影響，并優選適宜的發酵溫度,旨在為進一步提升牛糞的發酵效率和產氣量提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所需原料為番茄秸稈與新鮮牛糞，番茄秸稈取自山西省農業科學院東陽試驗示范基地，自然風干后，經切草機粉碎成3～5 cm的小段，再用粉碎機打磨成5 mm左右的纖維狀顆粒；牛糞取自太原市小店區郜村奶牛養殖場；接種物取自東陽基地沼液池內發酵30 d以上的沼液，顏色呈黑褐色，試驗前將接種物置于35℃水浴中馴化48 h。

各發酵原料及接種物特性分析如下：番茄秸稈的物料干質量（TS）為92.06%，揮發性固體（VS）為86.61%；牛糞的TS為33.94%，VS為43.72%；接種物的TS為8.23%。

1.2 試驗裝置

試驗采用10 L容積的厭氧消化反應器（滁州藍宇環保設備制造有限公司），罐體為帶有水浴夾層的10 L圓柱容器，有效容積為8 L，罐體頂部裝有攪拌裝置，進料口及溢流口位于罐體上部，出料口位于罐體下部，罐體夾層配有溫度傳感器用于實時監測發酵溫度及控制水浴加熱裝置。反應器為全封閉狀態，保證發酵時嚴格厭氧環境。試驗過程中加熱水在罐體夾層中循環流動，保證厭氧發酵恒溫進行（圖 1）。

1.3 試驗方法

本試驗以發酵溫度為變量，設置4個處理，分別為T1（25℃），T2（30℃），T3（35℃），T4（40℃）。每個處理重復3次，試驗數據取平均值。

厭氧發酵的啟動：每個處理投入的物料均為番茄秸稈、牛糞、接種物及水。牛糞與番茄秸稈的干物質質量比為1∶1，發酵物料共8 L，番茄秸稈、牛糞及接種物總固體質量占發酵料液總量的8%（其中，接種物固體質量占總固體的30%）。將物料全部倒入發酵罐中，調節恒溫控制系統，使各處理保持恒定的發酵溫度。發酵罐每日啟動攪拌一次，時間為2 min，攪拌速率為80 r/min。發酵時長為80 d。

1.4 分析指標及方法

1.4.1 原料TS測定 將原料置于恒溫烘箱中烘干（溫度為105℃）至恒質量，采用差重法進行計算。

近年來，T2DM與LA之間的相關性成為神經科學領域研究的一個熱點。本文將對T2DM與LA的關系及其影像學表現與認知損害相關性問題的研究進展進行綜述，以更好的加深臨床對LA的認識。

1.4.2 原料VS測定 將烘干至恒質量的原料置于馬弗爐中于550℃進行灼燒4 h，揮發掉有機成分，采用差重法[13]進行計算。

1.4.3 pH值測定 采用PHS-3C型酸度計測定pH值。

1.4.4 電能消耗 采用外接單向電子電能表測定電能消耗。

1.4.5 沼氣氣體組分及含量測定 用采氣袋采集各試驗組每日產生的氣體，采用安捷倫公司生產的7890B氣相色譜儀測定氣體組合（色譜條件：色譜柱HP-INNOWAX，40～240 ℃，60 m×530 μm×1 μm；載氣為氫氣，流量為5 mL/min，壓力為7.244 3 psi，平均線速度35.701 cm/s，滯留時間2.801 1 min；FID檢測器的溫度300℃，空氣流量400 mL/min，氫氣燃氣流量30 mL/min，尾吹氣流量（N2）25 mL/min；TCD檢測器的溫度250℃，參比流量40 mL/min，尾吹氣流量（H2）2 mL/min）。

利用標準氣體中各已知成分的百分含量，在同樣的氣相色譜分析條件下，樣品峰與標樣峰的峰面積比值等于沼氣樣品含量與標準氣體含量的比值[14]。

2 結果與分析

2.1 不同溫度對牛糞與番茄秸稈厭氧發酵產氣的影響

2.1.1 日產氣量 日產氣量反映的是厭氧發酵體系每天產出沼氣的量，通過觀察每日產氣量可以確定體系產氣峰值出現的時間。

由圖2可知，40℃下，番茄秸稈與牛糞混合厭氧發酵日產氣量變化規律整體呈先升高后下降，再升高再下降的變化趨勢。結果發現，反應存在多個小周期，小周期內產氣量先升高后下降，起始的5 d內反應較慢，在5～10 d產氣量增多，第8天達到峰值，為6.367 L；此后產氣量急劇下降，在15～20 d又進入一個高峰期，此后日產氣量逐漸下降，45 d后趨于穩定。35℃下發酵日產氣量變化規律與40℃相似，小周期內先升高后下降，反應起始階段產氣量較少且不穩定，在反應第13天產氣量達到峰值，為5.736 L；此后，產氣量在16～22 d完成一個反應周期后迅速下降，40 d后進入穩定期。30℃下，發酵日產氣量整體趨勢為先升后降，再升再降，反應啟動階段規律與40，35℃時相似，在反應第11天達到峰值，產氣量為5.356 L；23 d后產氣量急劇下降并趨于穩定。25℃下，番茄秸稈與牛糞混合厭氧發酵的產氣量變化規律與其他溫度條件下的變化規律均不相同，反應啟動階段耗時較長，反應緩慢，在反應20 d達到產氣峰值，為3.739 L；在40～46 d又出現了一個反應小周期；60 d后反應才逐漸趨于穩定。

2.1.2 產氣速率 產氣速率是指單位時間內體系的產氣量，產氣速率的高低可反映體系產氣效率的快慢。

由圖3可知，40℃下，發酵反應的產氣速率變化規律為先升后降，再升再降，在第17天達到最大值，為4.53 L/d；此后產氣速率逐漸下降。35℃下，產氣速率變化規律與40℃大致相同，其產氣速率最高值出現在第20天，為3.94 L/d。30℃下，產氣速率最高值出現在第13天，為3.40 L/d。25℃的產氣速率整體變化較平緩，峰值出現在第24天，為1.92 L/d。各溫度處理在前5 d產氣速率均迅速升高，說明在反應初期產氣效果較好，可能是由于接種物馴化效果良好，微生物種群能夠快速適應發酵環境并在短時間內大量繁殖。綜合對比，30℃時的產氣速率峰值出現所需時間最短，40℃時的最大產氣速率高于其他溫度處理。

2.1.3 累積產氣量 累積產氣量是指整個試驗階段體系的總產氣量。由圖4可知，35，40℃的累積產氣量明顯優于30，25℃，且發酵的最大累積產氣量不在最高溫度處理組。40，35，30，25℃溫度處理在反應80 d的累積產氣量分別為（144.24±0.37），（148.09±2.95），（121.56±0.33），（107.00±2.77）L。溫度通過影響微生物各類反應酶的活性來影響其對發酵原料的代謝水平，一般隨著溫度的升高，酶的活性增大，作為代謝產物的沼氣產量也隨之增加[8]，30，35，40℃這3個處理的累積產氣量在前30 d迅速增加，60 d后產氣累積量逐漸趨于平緩，產氣接近結束；25℃處理曲線整體呈緩慢上升趨勢，曲線較平緩，未出現急劇上升階段。

2.1.4 甲烷含量及產甲烷總量 甲烷含量是指每日產出的沼氣中CH4所占的比例，CH4含量的高低決定產氣效果的好壞，即所產沼氣中甲烷含量越高，說明產氣效果越好；產甲烷總量是指試驗階段甲烷的總產量，其數值等于每日產氣量乘以每日甲烷含量的累加總和。

由圖5，6可知，甲烷濃度隨發酵天數的增加，先急劇升高，后緩慢下降，最后趨于平穩。發酵起始階段（1～5 d），各試驗組甲烷濃度由高到低依次為40，30，35，25 ℃。反應中期，各試驗組甲烷濃度高峰出現時間由短到長依次為 40，35，30，25 ℃，其中，40℃處理組在第8天甲烷濃度達到峰值（72.84%）；35℃處理組在第12天甲烷濃度達到峰值（76.45%）；30℃處理組在第14天甲烷濃度達到峰值（76.77%）；25℃處理組在第23天甲烷濃度達到峰值（79.63%）。原因可能是由于發酵溫度越高，微生物進行厭氧發酵的活性越強，其繁殖速度越快，能夠縮短產出甲烷的時間。隨著發酵天數的增加，較高發酵溫度試驗組的甲烷濃度下降更快，說明反應物料中的有機成分更快地被降解[15]。在發酵穩定階段（20～60 d），25℃處理組甲烷濃度整體趨勢高于其他3個溫度處理，30，35℃差別不大，40℃處理組甲烷濃度最低。在實際生產中，完整發酵周期內甲烷的總產量是更為重要的指標，該試驗中，35℃處理組產甲烷總量最高，為（91.52±1.03）L，占其累積產氣總量的62.02%，較25，30，40℃處理的甲烷總量分別高出34.38%，21.82%和5.38%。由此可知，在該試驗設置下，產甲烷菌群在35℃的發酵環境中相比其他幾個溫度處理更易產出甲烷。

2.1.5 TS產氣量 TS產氣量是指單位質量的干物質物料經過厭氧發酵后轉化成的沼氣量，反映發酵物料的產氣潛力，一般用mL/g表示[16]。TS產氣量高，說明其相同質量下的干物質發酵后的產氣量大，在實際工程中具有重要意義。

從圖7可以看出，4個發酵溫度的TS產氣量均不相同，且差異顯著（P＜0.05）。其中，25℃的TS產氣量為（178.33±2.67）mL/g，30℃的TS產氣量為（202.60±0.32）mL/g，35℃的 TS產氣量為（246.82±2.84）mL/g，40℃的 TS產氣量為（240.41±0.36）mL/g。35℃下，相同干物質的物料經厭氧發酵后轉化成的沼氣最多，有助于提升牛糞與番茄秸稈的發酵潛力，使其養分轉化更為充分。

2.2 溫度對牛糞與番茄秸稈厭氧發酵耗電量的影響

在實際生產中，沼氣項目的穩定運行要考慮諸多因素，在同等累積產氣量下，能耗越低，其運行成本越低，越符合市場需求。耗電量是指每天為發酵體系加熱并維持恒溫所消耗的平均電量。

從圖8可以看出，在該試驗設置下，耗電量隨發酵溫度的升高而增加，25，30，35，40 ℃的耗電量依次為 （0.354±0.002），（0.784±0.006），（1.272±0.012），（1.918±0.007）kWh，趨勢線反映了平均耗電量隨溫度升高而升高的趨勢，R2＝0.992，擬合度高，說明二者存在明顯的線性關系。

2.3 不同溫度處理試驗組揮發性脂肪酸濃度及pH值的變化規律

2.3.1 不同溫度對牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵體系中揮發性脂肪酸濃度的影響 揮發性脂肪酸（VFA）是微生物厭氧發酵的重要指標之一，是反應初期有機物被水解酸化后的產物，可影響體系pH值的變化。從圖9可以看出，在反應初期，35℃下，揮發性脂肪酸的濃度上升速度比其他3個溫度快，第4天達到一個小峰值（3.97 g/L），說明在35℃時物料酸化速度快，體系環境利于產酸菌產酸。隨著發酵的持續，40℃的VFA濃度超過35℃，并在第7天達到峰值（5.46 g/L），原因可能是由于40℃環境中的嗜熱菌逐漸適應了高溫環境并表現出更強的有機物降解能力。7 d后所有溫度處理的VFA濃度均開始下降，并于15 d后達到穩定。原因可能是由于產甲烷菌活性逐漸增強，開始大量消耗有機酸，從而使系統的VFA濃度降低并趨于穩定[17]。

2.3.2 不同溫度對牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵體系pH值的影響 適宜的厭氧反應pH是微生物進行各類有序反應的必要條件，從發酵過程的pH值變化曲線可以看出，不同溫度pH值的整體變化規律為先下降再上升最后趨于平緩，變化差異不明顯。

從圖10可以看出，發酵的第5～7天內pH值由于各體系厭氧發酵的產酸過程而降到最低，為5.7左右；之后pH值逐漸升高；到第25天后pH值穩定在7.0～7.3。原因是由于在厭氧發酵階段，產酸菌將有機物迅速分解為脂肪酸，其大量累積的后果使得體系pH值在發酵初期迅速下降，隨著甲烷菌的不斷生長繁殖和適應環境，累積的脂肪酸及含氮有機物被分解利用，分解產生的氨對酸性體系進行了有效緩沖，從而使得體系pH值恢復至7.0～7.3，保證了厭氧發酵的穩定運行[18-19]。

3 討論

發酵溫度是影響厭氧發酵產沼氣的重要因素之一，通過不同溫度對牛糞番茄秸稈混合厭氧發酵產氣影響試驗探究，結果發現，發酵溫度為35℃試驗組總產氣量為148.09 L，產甲烷總量為91.84 L，TS產氣量為246.82 mL/g，均高出其他各組；30℃的日均耗電量雖比35℃低，但35℃處理組總產氣量、甲烷總產量及TS產氣量等主要參數均比30℃處理組高出20%以上。楚莉莉等[20]采用響應面法優化牛糞厭氧發酵的最佳發酵條件，結果表明，發酵溫度為35℃時，牛糞厭氧發酵可獲得最大累積產氣量；胡雪竹等[21]研究發現，不同周期內各種微生物相互作用的強弱形成了代謝產物累積量和累積時間的不同，從而表現出產氣高峰在不同時期的差異，這與本研究結果相符。因此，發酵溫度35℃更適合牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵產氣量大、甲烷產量高的要求。本研究通過10 L的厭氧發酵發生器作為發酵載體，相比傳統的小型反應器具有密封性好、發酵容積大、溫度調控精準的特點，能夠更準確地記錄下厭氧發酵過程的產氣情況，由此確定適宜的厭氧發酵溫度，對實際沼氣工程生產過程中優化厭氧發酵產氣工藝、配置生產設備、降低生產能耗、提高生產效率具有重要意義。

4 結論

本試驗表明，溫度對牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵產氣特性有顯著的影響，35℃處理的累積產氣量和產甲烷總量均高于其他溫度處理；同時，TS產氣量最高的也為35℃處理組，該試驗設置下，TS產氣量可達246.82 mL/g。發酵溫度的變化與反應耗能呈線性關系，即反應體系溫度越高，能耗越大。

此外，35℃條件下反應初期VFA濃度上升速度快，物料被產酸菌利用的效率優于其他溫度處理，厭氧發酵體系在經過酸化階段后能很快恢復到酸堿度正常的發酵環境。因此，35℃是番茄秸稈與牛糞適宜的厭氧發酵溫度參數。