牛糞與蔬菜廢棄物厭氧發酵產氣工藝優化

龐震鵬 ，李永平 ，朱教寧 ，籍增順 ，焦光月

（1.山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031；2.山西省生態畜牧產業管理站，山西太原030031）

我國畜禽養殖業迅猛發展，規模日益擴大，畜禽養殖量每10 a增加1～2倍[1-3]。目前，我國畜禽糞污每年總排放量達38億t，預計到2020年會超過40億t[4-5]。畜禽糞便雖然是農業環境的主要污染源，但也是蘊含巨大能量的可再生能源，若能進行合理開發利用，可以創造巨大的經濟效益[6-9]。但是，畜禽糞便和作物秸稈等農業廢棄物的資源化利用程度普遍較低，以山西為例，山西規模化養殖場累計達2.5萬個，年產畜禽糞便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%未經過處理直接施入農田，15%通過堆肥及化糞池處理后施入農田，65%長期露天堆放直至施入農田。此外，隨著我國蔬菜種植面積及產量的增加，蔬菜廢棄物的處理問題同樣突出，2013年我國蔬菜廢棄物產量約2.7億t，可進行資源化利用的蔬菜廢棄物達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，這樣處理不但會污染環境，還會造成作物病蟲害。因此，畜禽糞污及蔬菜廢棄物等農業廢棄物在資源化利用方面還存在較大不足。

厭氧發酵是實現農業廢棄物資源化利用的重要途徑之一。將秸稈經過厭氧發酵產生沼氣，可使每千克秸稈的有效熱值提升到60%以上[11]，同時可以有效解決因秸稈焚燒帶來的環境問題；畜禽糞便經過厭氧發酵后可有效殺滅糞便中的病原微生物，發酵產物沼液和沼渣是有機肥的重要生產來源。此外，諸多研究發現，混合原料發酵比單一原料發酵更具優勢，具有較高的產氣效率，與單一原料發酵相比，能更好地避免發酵系統酸化，保持系統穩定[12-14]。

本試驗以牛糞和番茄秸稈作為厭氧發酵原料，對不同物料混合厭氧發酵配混比例、適宜發酵濃度與進料量及頻率進行研究，旨在提高牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵效率和增強系統穩定性，為快速處理牛糞和番茄秸稈等農業廢棄物、提高沼氣產量提供技術指導。

1 材料和方法

1.1 試驗原料

供試番茄秸稈取自山西省農業科學院東陽試驗示范基地，粉碎打磨成5 mm左右的粉末；牛糞取自東陽鎮養殖場的新鮮牛糞；接種物取自東陽試驗示范基地沼氣池正常運行60 d以上沼氣池中的沼液。

1.2 試驗裝置

采用山西省農業科學院現代農業研究中心沼氣技術實驗室自制1 L厭氧發生器：瓶體由上下2部分組成，下部為帶有進料口的厭氧反應區，進料口可用帶有橡膠管的瓶蓋密閉；上部為注水區，下部所產沼氣進入上部將水經導水管排到集水瓶內，排出水量即為每日產氣量。

1.3 試驗方法

1.3.1 配混比例研究 牛糞與番茄秸稈按干物質量比設置T1～T11共11個處理，各處理詳細情況如表1所示。反應在1 L厭氧發生器中進行，發酵物料濃度8%，發酵溫度（35±1）℃，發酵時長40 d，各處理設3次重復。每天記錄各處理產氣量并測定氣體組分。

表1 處理設置

1.3.2 混合厭氧發酵濃度研究 物料濃度設6%，8%，10%，12%，14%共5個處理，分別計為N1～N5。將牛糞與番茄秸稈按干物質量比1∶1配混，反應在1 L厭氧發生器中進行，發酵溫度（35±1）℃，發酵時長40 d，各處理設3次重復。每天記錄各處理產氣量并測定氣體組分。

1.3.3 混合厭氧發酵適宜進料頻率研究 按照不同進料頻率設置8，10，12 d共3個處理，分別計為M1，M2，M3。每次進出料量為 175 g/L。反應在自制1 L厭氧發酵瓶中進行，在室溫條件下進行，設3個重復。試驗分2個階段，啟動階段和進出料階段，其中，啟動階段發酵進行15 d后進入進出料階段。進出料階段發酵70 d，分別按各處理頻率進出料。各處理啟動階段牛糞與番茄秸稈干物質量比1∶1，物料濃度8%（接種物30%）；進出料階段牛糞與番茄秸稈干物質量比1∶1，物料濃度8%（不添加接種物），進料的同時排出相同質量的舊料液。每天記錄各處理產氣量并測定氣體組分。

1.3.4 混合厭氧發酵適宜進料量研究 進料量設75，125，175，225 g/L 共 4 個處理，分別計為 Q1，Q2，Q3，Q4。每10 d進出料一次。反應在1 L厭氧發生器中進行，在室溫條件下進行，各處理設3次重復。試驗分2個階段：啟動階段和進出料階段。其中，啟動階段為批式發酵反應，先發酵15 d，第16天進入進出料階段。進出料階段為連續發酵反應，各處理分別反應70 d，分8次進行進料與出料。各處理啟動階段牛糞與番茄秸稈干物質量比1∶1，物料濃度8%（接種物30%）；進出料階段牛糞與番茄秸稈干物質量比1∶1，物料濃度8%（不添加接種物），進料的同時排出相同質量的舊料液。

1.4 測定項目及方法

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

采用安捷倫公司生產的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，滯留時間2.801 1 min；FID檢測器設置溫度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檢測器設置溫度為250℃，參比流量 40 mL/min，尾吹氣流量（H2）2 mL/min。

1.5 數據處理

每組試驗均重復測定3次，數據均以平均數±標準偏差表示。采用Microsoft Excel及SPSS分析軟件對數據進行圖表編輯及分析處理。

2 結果與分析

2.1 配混比例研究

多種原料混合厭氧發酵較單一原料發酵不僅有利于增強系統穩定性、平衡底物營養、提高原料利用率和產氣效率，還可以降低發酵過程中產生的銨態氮等抑制類物質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酵，T5和T6處理產氣量分別達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，可以認為番茄秸稈與牛糞進行混合厭氧發酵的適宜配比（TS）為6∶4或5∶5。

2.2 混合厭氧發酵濃度研究

在1%～30%的濃度范圍內，厭氧發酵均可進行。底物濃度對混合原料厭氧發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，產氣潛力不同，在濕式發酵條件下，適當提高物料濃度，有利于提高產氣量。從圖2可以看出，不同發酵濃度的容積產氣率不同，總體上隨著濃度的增加產氣率也在增加，當濃度達到12%時，產氣率不再增加，這可能與反應物中干物質量較大時容易產生酸化現象有關，仍需進一步探討。因此，當濃度為12%時，可以作為牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵的適宜發酵濃度。

2.3 混合厭氧發酵適宜進料頻率研究

適當提高進料頻率，保證發酵物料的及時供給，可以提高番茄秸稈與牛糞混合厭氧發酵的產氣效率，增加產氣量。由圖3可知，不同進料頻率下的平均容積產氣率不同，當每10 d進一次料時，平均容積產氣率較高，為0.289 L/（L·d）；大于或小于10 d時，產氣量呈下降趨勢，可能是由于進料頻率過低時，反應體系中底物補充不及時，微生物繁殖放緩，產氣效率降低；進料過于頻繁，反應系統內有機酸會大量積累，pH值下降，微生物代謝活動受到抑制，產氣緩慢。綜上所述，牛糞與番茄秸稈適宜的進料頻率為每10 d進一次料。

2.4 混合厭氧發酵適宜進料量研究

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

3 結論與討論

本研究利用1 L厭氧發生器，在35℃條件下，以牛糞與番茄秸稈的混合物作為原料進行厭氧發酵，二者適宜配混比例為4∶6或5∶5、發酵濃度為12%；對于未配備增溫措施的中小型沼氣工程，適宜進料頻率為每10 d進一次料，每次進料量為175 g/L為宜。

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

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

此外，在研究過程中還發現，牛糞與番茄秸稈混合厭氧發酵存在一些問題，首先，秸稈中含有難以降解的木質纖維素和結晶結構，在與牛糞配混前需經過預處理；其次，番茄秸稈易漂浮在料液頂端形成結殼，需要利用攪拌措施將其防止或破除。