尾菜與小麥秸稈兩級聯合厭氧發酵工藝的研究

馬泓若， 李 強， 王治業， 陳 龍， 王 強， 季 彬

(1.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041； 2.甘肅省微生物資源開發利用重點實驗室， 蘭州 730000； 3.農業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)

我國作為農業大國，每年產生的農業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，還污染了環境[4]。

尾菜和農作物秸稈通過厭氧發酵產生沼氣是實現農業廢棄物資源化利用和減少環境污染的重要途徑，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]。

在沼氣發酵工藝中，濕法發酵有啟動性良好和傳質均勻的優勢，但單位容積反應器的物料處理量不及干式發酵。干式發酵啟動性能雖欠佳，但具備較高的單位容積產氣率以及無大量沼液排放的優點[6]。與濕法發酵相比，干式發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勢[7]。本研究主要針對尾菜和農作物秸稈兩類典型的農業廢棄物的物料特性，采用濕式和干式兩級聯合厭氧發酵技術，有效地解決了尾菜和農作物秸稈厭氧發酵啟動難、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，發酵原料和接種物的理化特性見表1。

表1 發酵原料物料特性

厭氧發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

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

圖1 秸稈干發酵裝置

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級發酵

第1次啟動向發酵罐內加入5 L接種物，5000 g尾菜，發酵溫度設置為35℃，添加生石灰粉調節pH值至8.0，加入厭氧發酵微量元素，加入量為1 mL·L-1，密封發酵罐。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，保證發酵容積維持在25 L。發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級發酵

將秸稈剪切成10 cm～15 cm長度，裝入自制的發酵裝置，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。將發酵裝置放入恒溫箱內培養，發酵溫度設定為35℃。將5000 mL第1級尾菜發酵排出的沼液調節pH值至8.0，補充厭氧發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。在此條件下繼續運行20天，此時一級發酵罐的最高負荷為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穩定在900 mg·L-1～1200 mg·L-1。

圖3 尾菜揮發酸

2.2 秸稈干發酵結果及分析

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%。但是干發酵技術在工程上的推廣應用還有一定難度[13]，原因是干發酵物料濃度高，攪拌困難，易造成 VFA 局部過度積累，從而導致發酵過程穩定性差。

針對上述問題，筆者在第2級發酵中使用尾菜沼液作為農作物秸稈干發酵的接種物，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秸稈干發酵的pH值，從而提高秸稈干發酵的產氣率。

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，但本試驗節省了入池前的堆漚時間。

A和B兩組實驗發酵周期為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酸的分解，防止酸化現象的發生。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，解決了秸稈干發酵存在的前期易酸化的難題，在發酵接近45天時，pH值直線上升，主要原因是發酵接近結束，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，所以導致干發酵系統pH值上升。

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

圖4 A組產氣量

圖5 B組產氣量

3 結論

(1)尾菜厭氧發酵在發酵溫度為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酵的產氣率，縮短了產氣周期。

(3)采用尾菜和秸稈干發酵兩級聯合厭氧發酵工藝，驗證了利用厭氧發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酵前期揮發酸積累和物質傳遞的難題，大大提高了秸稈干發酵的產氣率，縮短了秸稈干發酵的產氣周期，可為今后處理尾菜和秸稈提供參考依據。