法國(guó)梧桐落葉、香樟青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵特性的探究

張彤彤，顧平道

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

城市綠化垃圾主要是指植物垃圾，即修剪樹木過程中產(chǎn)生的落葉、樹枝修剪物和草屑等。根據(jù)上海市綠地結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果可知，本土長(zhǎng)青類樹種香樟覆蓋率高達(dá)28.7%，外來落葉類樹種法國(guó)梧桐覆蓋率為10.7%，因此每年產(chǎn)生大量修剪物及落葉[1]。這些樹葉大部分被直接填埋或者焚燒，造成了土壤的堿化和環(huán)境的污染。而樹葉中豐富的碳含量可以用來作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的碳源，在產(chǎn)生沼氣的同時(shí)有效地處理了城市綠化垃圾[2]。

大量研究表明，不同條件下不同種類樹葉厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的能力不同。陳炳霖等研究表明，落葉與廚余垃圾和牛糞質(zhì)量比為1:3:2時(shí)，三種原料混合厭氧發(fā)酵效果最好[3]。孫樹貴等研究發(fā)現(xiàn)，中溫條件下三角楓、紫葉李和梧桐三種落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)沼氣效果好，且以三角楓與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量最大[2]。王艷玲等研究表明，經(jīng)過適量氫氧化鈣預(yù)處理的楊樹落葉厭氧發(fā)酵效果更好[4]。李安華等研究發(fā)現(xiàn)，楊樹葉不宜單獨(dú)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，與豬糞以1:2混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量最佳[5]。但是，目前就青葉類厭氧發(fā)酵特性的研究報(bào)道還很少見。

本研究分別以法國(guó)梧桐落葉和香樟青葉為底物，豬糞為接種物，分析了法國(guó)梧桐落葉和香樟青葉厭氧發(fā)酵的特性，并將二者厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性進(jìn)行對(duì)比，探究青葉類厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的可行性及產(chǎn)氣特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

法國(guó)梧桐落葉（下文簡(jiǎn)稱落葉）取自東華大學(xué)校園內(nèi)堆積落葉，自然風(fēng)干，打碎機(jī)打碎至粒徑1 cm左右；香樟青葉（下文簡(jiǎn)稱青葉）取自東華大學(xué)校園內(nèi)新鮮香樟樹，打碎機(jī)打碎至粒徑1 cm左右；接種物為江蘇泰興種豬場(chǎng)新鮮豬糞，室溫下經(jīng)一個(gè)月堆漚自行馴化。試驗(yàn)原料具體參數(shù)如表1所示。

表1 落葉、青葉和豬糞主要成分

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用批量式中溫（37℃）厭氧發(fā)酵工藝，保持接種物含量為65 g，TS為8%，發(fā)酵液總體積為500 mL。落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵、青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的詳細(xì)配比及參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)過程中每天記錄厭氧發(fā)酵液的日產(chǎn)氣量、甲烷含量、pH等參數(shù)。

表2 混合厭氧發(fā)酵料液特性參數(shù)

1.3 分析方法

利用Elmentar Vario EL III型元素分析儀測(cè)量試驗(yàn)原料中碳氮含量；根據(jù)國(guó)標(biāo)法測(cè)定發(fā)酵料液中TS和VS，并根據(jù)TS來配比發(fā)酵底料；pH采用pH計(jì)測(cè)定；日產(chǎn)氣量采用集氣袋收集測(cè)量；沼氣中甲烷含量利用氣象色譜儀測(cè)定，色譜條件為：GC9890AS靈華氣相色譜儀，F(xiàn)ID檢測(cè)器，檢測(cè)器溫度250℃，進(jìn)樣口溫度100℃，柱箱溫度80℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 落葉與青葉厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣情況對(duì)比

圖1 日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖2 日累計(jì)產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

由圖1可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量呈先升高后降低的趨勢(shì)，在發(fā)酵時(shí)間第10天達(dá)到最值261 mL，青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量在發(fā)酵時(shí)間0～10 d內(nèi)驟降，之后呈平穩(wěn)趨勢(shì)，在40～60 d出現(xiàn)一定的回升，日產(chǎn)氣量的最值為472 mL。由圖2可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵日累計(jì)產(chǎn)量的增幅大于青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的日累計(jì)產(chǎn)量。發(fā)酵時(shí)間0～10 d內(nèi)，青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量高于落葉的，10 d之后，落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵日累計(jì)產(chǎn)氣量反超青葉的，且落葉的總產(chǎn)氣量（5 455 mL）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于青葉的總產(chǎn)氣量（3 869 mL）。原因可能是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，青葉的含水率較高，莖葉中植物細(xì)胞組織及微生物活性較好，啟動(dòng)速度較快，發(fā)酵周期較短，同時(shí)發(fā)酵開始時(shí)料液中含有溶解氧，青葉由于其活性厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速度快，加快了有機(jī)物的分解，故發(fā)酵開始時(shí)日產(chǎn)氣及累計(jì)產(chǎn)氣量高于落葉的；落葉含水率低，多數(shù)細(xì)胞在長(zhǎng)期缺水狀態(tài)下失活，處于產(chǎn)酸階段，啟動(dòng)速度較慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)，隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，酸化現(xiàn)象得到了緩解，落葉與豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量高于青葉的[6]。

綜上可得，青葉較落葉而言，厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速度較快，周期較短。落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力高于青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力。

2.2 落葉與青葉厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷情況對(duì)比

圖3 甲烷日產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖4 甲烷總產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖5 甲烷含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖6 落葉與青葉產(chǎn)氣情況的對(duì)比

由圖3可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的甲烷日產(chǎn)氣量呈先上升后下降的趨勢(shì)，在發(fā)酵時(shí)間10～20 d、20～30 d和30～35 d出現(xiàn)三個(gè)峰值，產(chǎn)甲烷量分別為111.7 mL、100.0 mL和102.5 mL。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量在發(fā)酵時(shí)間0～20 d先降低至基本不產(chǎn)氣，20～60 d出現(xiàn)回升，并呈先上升后下降的趨勢(shì)。另外，青葉與豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力。由圖4可以看出，青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量（404 mL）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量（2 455 mL），厭氧發(fā)酵前3 d內(nèi)青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵基本無甲烷產(chǎn)生。

由圖5可以看出，甲烷含量占總產(chǎn)氣量的百分比同甲烷產(chǎn)量類似，呈先升高后降低的趨勢(shì)，落葉甲烷含量最高達(dá)82%，青葉最高達(dá)45%左右。由圖6可以看出，落葉與豬糞厭氧發(fā)酵中甲烷產(chǎn)量占總產(chǎn)氣量的45%，青葉與豬糞厭氧發(fā)酵中甲烷產(chǎn)量只占到總產(chǎn)氣量的10.5%，不論是總產(chǎn)量還是甲烷總產(chǎn)量，青葉的遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于落葉的。其原因可能是接種物含量一定時(shí)，落葉類厭氧發(fā)酵系統(tǒng)更加穩(wěn)定，酸化現(xiàn)象容易得到緩解，青葉類厭氧發(fā)酵系統(tǒng)酸化現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)毒死蜱濃度更加敏感，自我緩解能力差。受酸化現(xiàn)象的影響，甲烷菌生長(zhǎng)也受到嚴(yán)重抑制，尤其是青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵受抑制嚴(yán)重，甲烷產(chǎn)量極少甚至為0。

綜上可得，青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵同落葉相比，受酸化影嚴(yán)重，甲烷產(chǎn)量及含量低，不適宜單獨(dú)厭氧發(fā)酵。

2.3 落葉與青葉厭氧發(fā)酵過程中pH對(duì)比

由圖7可以看出，pH由初始值開始降低而后不斷升高，由酸性不斷變化至中性。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的pH基本低于落葉的，且發(fā)酵時(shí)間前20 d內(nèi)，青葉pH與落葉有較大差值。落葉類的pH變化相對(duì)穩(wěn)定。由圖8可以看出，落葉的平均pH更接近中性，青葉的平均pH偏酸性。其原因可能是開始時(shí)發(fā)酵料液中含有溶解氧，加快了有機(jī)物的分解，發(fā)酵時(shí)間第2天起，溶解氧被消耗完后開始厭氧發(fā)酵，發(fā)酵料液中有機(jī)酸不斷積累，料液呈酸化狀態(tài)，隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，有機(jī)酸不斷被消耗，從而導(dǎo)致pH值不斷升高。青葉相對(duì)落葉受酸化影響明顯，有機(jī)酸積累多，消耗慢。

綜上可得，青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵平均pH偏酸性，低于落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的平均pH。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵pH變化幅度大。

圖7 pH隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖8 落葉與青葉平均pH的對(duì)比

3 結(jié)論

青葉較落葉而言，厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速度較快，產(chǎn)氣周期較短。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵同落葉相比，受酸化影嚴(yán)重，甲烷產(chǎn)量及含量低，發(fā)酵周期內(nèi)甲烷總產(chǎn)量為落葉的1/6左右，不適宜單獨(dú)厭氧發(fā)酵。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵平均pH偏酸性，低于落葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵的平均pH。青葉與豬糞混合厭氧發(fā)酵pH較落葉而言變化幅度大，發(fā)酵系統(tǒng)不穩(wěn)定。