不同添加劑對青貯玉米秸稈厭氧消化產氣特性的影響

馬文鵬，任海偉，許 建，黨建磊，劉德江

(1.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100；2.蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學西部能源與環境研究中心，甘肅 蘭州 730050；4.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

我國是農業大國，作物秸稈資源量豐富，根據中國國家統計年鑒，2018年我國玉米產量為25717.39萬噸[1]，根據玉米秸稈谷草比2.0[2]計算可得2018玉米秸稈總產量約為51434.78萬噸。我國玉米秸稈的綜合利用率僅為63.1%[3]，仍有相當一部分秸稈被焚燒或廢棄，造成環境污染和資源浪費。厭氧發酵產沼氣技術是處理作物秸稈的有效途徑，既能生產沼氣用于發電、供熱，又能減輕環境污染，一舉多得。然而，由于秸稈的季節性收獲特點，需要對其進行跨季節貯存從而實現可持續原料供給。以青貯為代表的濕法貯存技術能實現秸稈長時間保存。

目前，國內外的學者對青貯作物在沼氣生產中的應用做了廣泛研究，結果表明，青貯作物在部分條件下能明顯提高沼氣產量[4]。夏益華[5]在水葫蘆與稻秸混合連續厭氧消化試驗中發現，青貯稻稈累積產氣率提升67.30%，甲烷產率增加138.50%。高瑞芳[6]等對不同品種的青貯玉米秸稈研究中發現，高油5580玉米秸稈青貯后產氣特性最佳。本課題組也發現與干玉米秸稈相比，青貯秸稈的累積產氣量和TS/VS產甲烷量分別提高了4.78%，39.93%和41.83%[7]。同時，混合物料的厭氧發酵研究也受到了國內外的廣泛關注?；旌先剂蠀f同厭氧消化不僅能提高產甲烷速率、累計甲烷產量和VS降解率等[8-9]，還能提高營養物的平衡和增強微生物的協同效應，進而提高有機質厭氧轉化效率[10]。因此厭氧發酵研究發展的趨勢是兩種或兩種以上物料混合厭氧發酵[11]。

本文以不同添加劑青貯玉米秸稈為原料，研究比較不同添加劑對青貯玉米秸稈厭氧消化特性的影響，通過考查產氣性能和發酵液性質來篩選最適宜發酵的青貯秸稈，為秸稈沼氣工程設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

牛糞：取自蘭州市七里河區晏家坪農戶養殖場。接種物：本試驗室中試厭氧發酵后的沼液，試驗前加入新鮮牛糞(牛糞與沼液質量比1∶10)密封中溫馴化15 d制得接種物。風干玉米秸稈取自蘭州市榆中縣，經機械粉碎至2 cm左右備用。不同添加劑調控的青貯秸稈為實驗室自制，主要成分如表1所示[12]。

表1 不同添加劑青貯玉米秸稈的基本性質

1.2 儀器與器材

試驗采用可控型恒溫發酵裝置，如圖1所示。裝置主要由加熱水箱、溫控儀、有效容積為7.5 L的圓柱形304不銹鋼發酵罐(高徑比為1∶1)和集氣裝置等組成，該裝置的發酵罐與環境絕熱，發酵罐溫度通過調節循環加熱水箱的流水速度進行精確控制，溫度用精度為±0.1℃的Pt100鉑電阻測量。

1.溫控儀；2.保溫層；3 ～ 6.發酵罐；7.數據采集儀；8.計算機；9.沼氣分析儀；10.儲水桶；11.儲氣罐；12.內水箱；13.電磁閥；14.熱水泵；15.恒溫水箱；16.加熱絲；17.溫度傳感器

1.3 實驗設計

批式厭氧消化試驗進料總質量為4000 g，進料TS濃度為10%，接種量為30%，牛糞和玉米秸稈添加比例為TS比7∶3[13]，余量用蒸餾水補足，搖勻后填料體積約為4 L，具體添加量如表2所示。37℃±1℃中溫發酵，每日搖振3次，每次持續1 min，以連續3 d不再產氣為試驗結束，每組設置3個平行，CK組添加相同質量的接種物。每天定時測定并記錄日產氣量，pH值，氣體成分，間隔5天取適量消化液分析COD，氨氮，VFAs等指標，發酵結束后分離沼液和沼渣，封存待測。

表2 各發酵處理組的底物和接種物添加量 (g)

1.4 測量指標與測定方法

1.5 混合原料產氣潛力分析

采用 Gompertz 方程對產氣過程進行擬合，求解發酵系統產沼氣過程的動力學參數[14]。

式中：y為t天沼氣累積產氣量，L；A為產沼氣的潛力，L；V為最大產氣速率，L·d-1；T為延遲時間，d；t為發酵的時間，d；e為2.71828。

2 結果與分析

2.1 不同生物添加劑對青貯玉米秸稈產氣特性的影響

2.1.1 日產氣量

不同的青貯玉米秸稈影響混合原料厭氧發酵過程中產氣性能和啟動速度。圖2是不同青貯玉米秸稈的日產氣量隨時間的變化。從圖中我們可以看出，各處理組都能在第1天開始產氣，這是由于經過馴化的接種污泥中含有大量的產甲烷菌，可以與混合原料接觸迅速發生反應開始正常產氣，并且ME組第1天產氣量最多為0.24 L·d-1。

圖2 不同青貯秸稈的日產氣量

不同處理組秸稈進入發酵體系后，總體表現出相似的變化趨勢，分別在第2～5天和第19～24天均出現明顯的產甲烷高峰，57天后5個處理組產氣全部停止。第1波小高峰出現原因是牛糞和玉米秸稈中容易被降解的糖類有機物經過水解、酸化階段形成的可揮發性脂肪酸反應生成甲烷達到。第2次波峰出現的原因是由于玉米秸稈中難以降解的纖維素、半纖維素開始降解產甲烷。此時，PA組的產氣量最高峰值為8.40 L·d-1，DC組的產期最高峰為7.61 L·d-1，ME組的產期量最高峰為7.76 L·d-1，CB組的產期最高峰為5.21 L·d-1，LB組的產期最高峰為7.57 L·d-1。PA日產氣量最大且PA組的日產氣速率最大。

2.1.2 甲烷體積分數

甲烷體積分數反映了產氣品質的優劣。從圖3可以看出在整個發酵周期中，PA組的甲烷體積分數最早達到50 %，認為厭氧消化實驗啟動，啟動時間為第17天。除PA組維持啟動時間為23 d外(占整個周期的41.07 %)，其余添加劑處理組維持啟動時間均低于DC組，這可能是由于添加劑異常比赤酵母可以更深層次地破壞玉米秸稈的纖維結構，使產甲烷菌能夠在厭氧消化中后期保持高效分裂繁殖，進而維持更長的啟動狀態。

圖3 不同青貯秸稈的甲烷體積分數

由圖3可知，5個處理組的甲烷體積分數均呈現先升高后波動下降的趨勢，在發酵初期1～10 d，4個青貯秸稈處理組的甲烷體積分數均明顯高于DC組，這是因為秸稈在青貯過程中部分木質纖維被降解為小分子有機物[15]，在發酵初期有助于提升甲烷體積分數。5個處理組甲烷的平均體積分數從高到低分別為，PA組53.40 %，DC組52.35 %，ME組51.96 %，LB組50.28 %，CB組48.98 %，除CB組為48.98%外，其余處理組的平均甲烷體積分數均大于50%。因此，青貯可以提高秸稈的消化率。

2.1.3 累積產氣量和累積產甲烷量

由圖4和圖5可知，5個處理組的累積產氣量和產甲烷量均呈現“緩慢增長—快速增加—穩定平衡”三階段。在厭氧消化試驗前9～10 d，所有處理組的總產氣量均很低，且變動趨勢平緩，這可能與青貯原料的酸性特性及產甲烷菌尚未適應有直接關系。第10天左右開始到第43～46天快速增加期基本結束，從圖中看是LB和ME增速最快，PA最慢，LB組累積甲烷產量最高，CB累積產氣量最高。

圖4 不同青貯秸稈累積產氣量

圖5 不同青貯秸稈累積產甲烷量

期間各處理組日增長率均大于1%。而增長率最大出現在DC組，在第18天增長率最高為37.07%；從46 d左右到56 d反應結束，曲線進入穩定期，沼氣產生量僅占整個發酵周期總產量的3%～5.98%。累積產氣量方面，CB和ME組均高于DC對照組，分別為167.95 L和161.55 L。

各個添加劑處理組在甲烷累積產量方面均有不同程度下降，ME組略低于DC組，但高于添加劑處理組，表明在長期貯存條件下，不同添加劑在青貯過程均會對玉米秸稈的養分造成一定的損耗。但在添加劑青貯組中，較DC組下降幅度最大的LB處理組，也僅下降約6.51%，表明添加劑青貯對玉米秸稈厭氧消化特性的保存能力相當優秀。日均產氣量方面，與DC組相比，CB組為3.00 L·d-1，高出DC組4.23%；ME組與DC組基本相同，LB和PA組則較DC組分別降低2.67%和2.94%，但考慮到漫長的青貯過程，青貯玉米秸稈的產氣特性得到了極大程度的保留。青貯玉米秸稈和對照組DC在累積產氣量和甲烷累積產量方面差異不明顯，表明青貯過程對玉米秸稈的營養成分保存效果極好。

2.2 添加劑對青貯玉米秸稈厭氧消化系統穩定性的影響

由圖6可知，不同形態的營養物質在被消化利用之前都會經歷水解酸化才會轉化為易于被微生物直接應用的小分子有機物，隨后在不同發酵細菌的作用下進一步轉化為長鏈脂肪酸、多肽和短鏈多醣等。在水解酸化階段pH值的變動受到產酸細菌的活性和數量的直接影響，同時有機物轉化為揮發性脂肪酸的程度也起到一定作用[16]。一般來說，厭氧消化產甲烷最適pH值為6.8～7.2，當系統pH值小于6.5或者大于8.2時，產甲烷菌的生存和繁殖受到明顯抑制，從而使整個厭氧消化過程受到致命的影響[17]。青貯過程使玉米秸稈積累了大量有機酸，容易造成局部酸化，進而導致發酵周期被延長，甚至破壞整個反應體系[18]。

圖6 不同青貯秸稈的pH值

2.2.1 pH值變化

在試驗初期，所有添加劑處理組的pH值均遠低于6.5，且波動頻繁雖然多次人工干預發酵系統的pH值走向，但部分處理組(如CB，LB和PA組均不止一次出現嚴重酸化，使整個發酵系統無法正常啟動，其中LB組波動最大，次數最多)依然呈現較大的波動，即發酵系統在發酵前期十分不穩定，這可能與青貯原料固有特性如青貯玉米秸稈pH值較低，及原料的被快速水解酸化導致VFAs迅速積累，而同時期較低濃度堿度和氨氮卻不能很好的緩沖，直接導致了適應能力更強的產酸菌大量繁殖，而產甲烷菌受到了極大地抑制(第0～9天左右)，但長時期的酸性環境也可能催生了產甲烷菌的適應或進化，在厭氧消化中期(第10～24天左右)的爆發性增長，同樣爆發性分裂繁殖也導致了VFAs的快速消耗和后期(第43～56天)日產氣量的急速降低。DC對照組雖然在厭氧消化初期也出現過一定程度的波動(第12～16天持續出現最低值，pH值6.6 ± 0.1)，但并未低于6.5，即產甲烷菌依然可以維持整個系統的進行。

2.2.2 氨氮的變化

圖7 不同青貯秸稈的氨氮變化

整個發酵周期同時出現了高濃度VFAs和高濃度的氨態氮，與陳瑩[24]等的試驗結果相似，均表現出“抑制型穩態”，即極端的酸性環境抑制了產甲烷菌的生存和代謝，雖然系統勉強維持穩定，但甲烷產率較低。當VFAs濃度高達16000 mg·L-1，同時氨氮濃度超過1000 mg·L-1并保持上升趨勢，較高的氨氮和VFAs濃度與pH值之間相互作用形成“抑制型穩態”，抑制了產甲烷菌的代謝，雖然系統運行穩定，但甲烷產率低下[25]。

2.2.3 COD的變化

COD是表征發酵體系中各菌系能源多寡的重要指標，COD濃度越高，發酵體系中有機物質濃度越高，越有利于各菌系的分裂繁殖。由圖8可知，包括對照組在內的5個處理組的COD濃度均隨消化時間的推移呈先增加后減小的趨勢：各處理組在15 d左右出現了不同程度的峰值，其中ME處理組最高(59.49 g·L-1)，PA組最低(45.48 g·L-1)，表明不同的青貯添加劑對玉米秸稈的保存能力不同，但由于貯存過程中玉米秸稈的營養成分會有一定程度的損耗；當水解產酸階段轉為產甲烷階段時，水溶性有機質的產生速率小于其消耗速率，COD濃度隨之下降，第16～45天期間，各處理組的COD濃度均表現為波動下降，期間CB組消解率最高為75.15 %，PA處理組最低為53.98 %，較對照組分別提高16.35 %和下降24.28 %；從第45～50天，COD濃度同VFAs的變化趨勢相似，表現為略有回升，這一現象的出現與VFAs濃度變化的原因相似，均是由被木質素包裹的纖維素或半纖維素的釋放所引起。

圖8 不同青貯秸稈COD的變化

2.2.4 VFAs的變化

揮發性脂肪酸(VFAs)主要源于水解后的高級揮發性脂肪酸通過微生物酸化和脫氫作用，是厭氧消化過程的重要中間產物，也是甲烷菌最重要的底物。VFAs包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、己酸等，專性的產氫產乙酸菌(如沃林互營桿菌等)將其再次分解成 CO2，H2及乙酸[25]，但CO2和H2也會在同型乙酸菌的作用下合成乙酸。

Vieitez[26]等試驗發現當VFAs低于10 g·L-1時，產甲烷菌可以正常存活，但高于13 g·L-1的VFAs卻會阻礙產甲烷菌的繁殖，如圖9所示，CB和PA組在試驗初期均出現過極高濃度VFAs，而且在發酵前15 d，除DC組外，其余處理組的VFAs濃度均處于10～13 g·L-1之間，即發酵系統酸化嚴重，在沒有人工干涉并預處理的前提下，不適宜作為厭氧消化試驗的原料。產甲烷菌受到底物的刺激及環境pH值的恢復，從發酵的第16天左右開始，大量繁殖的產甲烷菌將發酵系統中的VFAs轉化為甲烷，與圖4～6所顯示的變化相符，整個發酵系統步入發酵巔峰。隨著易于被消化吸收的營養物質的減少，各處理組的VFAs濃度在試驗25 d左右降至低谷，但由于青貯玉米秸稈的纖維表面也受到了不同程度的破損，這些破損為產甲烷菌帶來了新的能源，故在試驗25～30 d各處理組的VFAs均有不同程度的回升。統觀整個發酵周期，各處理組的VFAs濃度均有不同程度的降低，其中CB組降解率最高為61.27%，與累積甲烷產量相符。

圖9 不同青貯秸稈的VFAs的變化

2.3 厭氧消化動力學分析

厭氧消化過程的動力學模型通常被用作厭氧消化工藝參數的評估和厭氧消化反應器的設計，在了解厭氧消化抑制因子等方面的幫助。研究表明，生物質原料的消化降解過程遵循一級動力學相關原理[27]。將青貯原料和DC組厭氧消化試驗所得的相關數據換算后帶入Gompertz方程，得到擬合情況如表3。

由表3易得，5個處理組的R2均高于0.99，即Gompertz方程對所有處理組均有相當高的擬合度。PA組的遲滯期略高于DC組，其余處理組的遲滯期均低于DC對照組。最大產甲烷速率除CB組和PA組略小于或等于DC組外，其余處理組的擬合結果均表明青貯玉米秸稈具有不低于DC組的產甲烷能力，而這一結論與理論甲烷產率的擬合比較吻合。

表3 Gompertz方程對干黃玉米秸稈/青貯玉米秸稈的擬合

綜合Gompertz方程擬合結果和試驗數據可知，青貯玉米秸稈的產甲烷潛力與DC組相近，且在延滯期、最大產甲烷速率等方面有待提升或優化，其中添加劑CB實驗組的綜合效果最佳，最大甲烷累積產量約為176.10 L，最大產甲烷速率約為6.38 L·d-1，延滯期約為12 d(見圖10)。

圖10 累積產氣量擬合曲線

3 結 論

各青貯組的產氣量及產甲烷量有所不同，但在整體上青貯對玉米秸稈產氣特性的保存有積極作用。青貯過程并沒有降低玉米秸稈的厭氧消化產氣特性，甚至在產氣和產甲烷等方面還略有提高。通過Gompertz 方程的擬合，CB組最大產氣量約為176.10 L，最大產甲烷速率約為6.38 L·d-1，延滯期約為12 d，厭氧消化試驗綜合效果最佳。