杨树叶与猪粪混合发酵产沼气研究

李安华　刘彦珍　王建设　刘杨树叶与猪粪混合发酵产沼气研究华

摘要：【目的】探讨杨树叶与猪粪混合发酵生产沼气的效果，为落叶资源循环利用提供新途径。【方法】将杨树叶堆沤后，与猪粪按照不同比例（1∶0、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1）混合，于35 ℃下发酵，分析不同原料配比对沼气产量、所产沼气中甲烷含量及沼液pH的影响，并对初始pH进行优化。【结果】纯杨树叶发酵的总产气量和总固体（TS）产气率较低；添加猪粪混合发酵后，总产气量和TS产气率随猪粪添加量的增加而大幅提高，其中以叶粪比1：2最高，总产气量和TS产气率分别为7338 mL和262 mL/g，且比纯猪粪发酵的TS产气率提高了10.1%，沼气中甲烷含量略高，发酵至第7 d超过50.0%，发酵pH较稳定。初始pH设为7.50～8.00最适合沼气产生。【结论】杨树叶不宜作为单独原料进行发酵，以1∶2比例混合猪粪进行发酵产沼气的效率最高，且可提高杨树叶的利用率。

关键词： 杨树叶；猪粪；沼气；混合发酵；厌氧发酵

中图分类号： S216.4 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）05-0705-05

Abstract：【Objective】The present experiment was conducted to investigate co-fermentation of poplar leaves mixed and swine feces to produce biogas， in order to provide a new way for cyclic utilization of fallen leaves. 【Method】The composted poplar leaves were mixed with swine feces in different proportions（1∶0， 2∶1， 1∶1， 1∶2， 0∶1）， then were fermented under 35 ℃. Effects of different raw material ratios on biogas yield， methane content and pH of biogas slurry were analyzed， the initial pH was also optimized. 【Result】The results showed that， when fermenting poplar leaves， the total biogas yield and total solid（TS） biogas production rate were lower. After mixing poplar leaves with swine feces， total biogas yield and TS biogas production rate were significantly increased with increase of swine feces， especially when ratio of poplar leaves to swine feces was 1∶2， the total biogas yield and TS biogas production rate were all the highest， which were 7338 mL and 262 mL/g， respectively， and the TS biogas production rate was increased by 10.1% compared with that of fermenting pure swine feces. At the right ratio， the methane content in biogas was slightly higher. The methane content in biogas was more than 50% on 7th day of fermentation. The pH of fermentation liquor was relatively stable. The optimum initial pH ranged from 7.50 to 8.00. 【Conclusion】The poplar leaves are unsuitable as single fermentation material. When fermenting poplar leaves mixed with swine feces at 1∶2， the TS biogas production rate is the highest， the utilization rate of poplar leaves is improved.

Key words： poplar leaves； swine feces； biogas； co-fermentation； anaerobic fermentation

0 引言

【研究意義】近年來，沼气作为一种清洁型能源越来越受到社会重视，但其发酵原料来源较单一，主要为养殖业的粪便和作物秸秆，发展受到一定限制，因此有必要开拓沼气原料来源并探索新工艺。杨树是我国北方地区广泛种植的速生树木（方升佐，2008），2015年种植面积超过700万ha，每年秋季会产生大量的落叶，有的就地焚烧，有的自然堆积腐化，既污染环境，又浪费资源。树叶中含有较多的纤维素和半纤维素，可通过发酵沼气而得到充分利用（Liew et al.，2011）。用杨树叶作为发酵沼气原料，可丰富沼气原料来源，但植物源沼气原料受季节限制，会制约植物源材料的应用。另一方面，在我国农村有大量养猪场，一般配套建有沼气池，猪粪供应虽无季节限制，但产量会随着猪存栏数的变化而变化。若能结合杨树叶和猪粪的优缺点进行混合发酵，达到快速、大量产气的目的，对杨树叶乃至其他树叶的利用均有指导意义。【前人研究进展】目前，已有不少学者在开拓生产沼气的原料来源及优化工艺方面进行研究，如李秋敏等（2013）利用银杏叶进行批量发酵沼气试验，证明银杏叶具有良好的发酵性能，厌氧发酵周期短，总固体（TS）产气率可达374 mL/g；杨姝等（2014）分别采用物理法、化学法和生物法对富营养化水体的水葫芦进行预处理，再以预处理后的水葫芦为原料进行发酵产沼气试验，结果发现添加金属离子的处理可提高水葫芦产气效率，原料TS产气率比物理切分处理提高88%；李平等（2014）研究不同预处理方式对玉米秸秆产气效果的影响，结果表明，用0.4% NaOH溶液预处理秸秆7 d后，料液中pH及化学需氧量已基本稳定，可直接装罐发酵，干物质产气量为225.8 mL/g。有关植物材料与动物粪便混合发酵的研究也有不少报道，如王寿权等（2008）将蓝藻和猪粪进行混合发酵，结果发现在猪粪与蓝藻比例为3∶7、pH 8.0的条件下，产气潜力最高，为546 mL/g；张振华等（2010）将猪粪、牛粪分别混合玉米秸秆和小麦秸秆进行发酵，筛选最适比例，其中猪粪与玉米秸秆的最适比例为2∶1，猪粪与小麦秸秆的最适比例为3∶1。【本研究切入点】至今尚无利用树叶与猪粪进行混合发酵产沼气的研究报道。【拟解决的关键问题】以来源丰富的杨树叶和猪粪为主要原料，经堆沤后按照不同配比进行发酵产气研究，为落叶资源循环利用提供新途径。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

杨树叶于秋季采自安阳市郊某杨树林场，猪粪取自安阳县某养猪场，杨树叶和猪粪的主要成分如表1所示。试验用沼液取自猪场正常运转的沼气罐。

试验装置：采用500 mL玻璃瓶作为发酵瓶，2000 mL玻璃瓶作为集气瓶，集气瓶中充有饱和食盐水，瓶口用橡胶塞密封，瓶子间用橡胶管连接，发酵瓶产生的沼气通过橡胶管进入集气瓶，并排出集气瓶中的饱和食盐水。

1. 2 试验方法

杨树叶经人工剪切成5 mm大小后与猪粪按5∶1混合，于30 ℃下堆沤10 d，调整叶粪比为2∶1、1∶1和1∶2。另设两个处理，分别为叶粪比1∶0的纯杨树叶处理和叶粪比0∶1的纯猪粪处理，其中叶粪比1∶0处理为杨树叶粉碎后添加少量沼液，于30 ℃下堆沤10 d；叶粪比0∶1处理为纯猪粪不经堆沤，直接发酵。5个处理控制沼气发酵的总TS含量为7%，用正常运行沼气罐的沼液作为接种液，接种量30%。总反应体积400 mL，沼气发酵温度35 ℃，通过水浴锅进行控制，采用摇晃发酵瓶混合，每天2次，每次3 min。

1. 3 测定项目及方法

TS通过105 ℃烘干至恒重，差重法测定；挥发性固体（VS）通过马弗炉在550 ℃灼烧至恒重，差重法测定；沼气成分采用Biogas 2000气体测定仪（英国Geotech公司）进行测定；pH采用台式酸度计S20（梅特勒—托利多集团）带微量pH电极进行测定；总碳（TC）和总氮（TN）采用元素分析仪multi EA 4000（德国耶拿分析仪器股份公司）进行测定；日产气量采用排水法，对每天从集气瓶中排出的饱和食盐水体积进行测定。

2 结果与分析

2. 1 不同原料配比对沼气产量的影响

由图1可知，叶粪比1∶0的日产沼气量不多，但产气量稳定，产气周期较长，第35 d仍有沼气产生；混合猪粪后，产气量增加，有明显的产气高峰，峰值出现在8～12 d，且随猪粪添加量的增多，产气峰值越高；在叶粪比为1∶2时，第9 d产气量达623 mL，产气周期有一定缩短；叶粪比0∶1的产气峰值最高，在第9 d达最高值，产气量为863 mL，但产气周期最短，仅20 d左右。叶粪比1∶0到第6 d才开始产气，第35 d仍有少量产生，而叶粪比0∶1从第1 d就有沼气产生，第20 d已基本不产气，表明杨树叶较猪粪难分解利用，降解缓慢，而猪粪中的有机质更容易被微生物快速利用。

表2是不同原料配比产气特性的比较。从总产气量可看出，叶粪比1∶0的总产气量为3894 mL，远低于叶粪比0∶1的总产气量6671 mL，说明单一原料时，猪粪比杨树叶更适合发酵产沼气。在杨树叶中混入猪粪后，产气量有大幅度增加，其中叶粪比1∶2的总产气量最高，为7338 mL。日均产气量以叶粪比1∶0最低，為79 mL，叶粪比0∶1最高，其日均产气量为334 mL。TS产气率方面，以叶粪比1∶2最高，为262 mL/g，比叶粪比0∶1（238 mL/g）提高了10.1%。可见，叶粪比1∶2是最适合生产沼气的叶粪比。

2. 2 不同原料配比对甲烷含量的影响

由图2可知，发酵初期各原料配比的甲烷含量均较低，随后逐渐升高，到中期稳定在50.0%以上。叶粪比1∶0初期产甲烷量低，且含量以二氧化碳为主，说明杨树叶的有机质较难降解，同时甲烷菌活性较弱，发酵至16 d左右时，随着有机质的降解，甲烷菌活性也逐渐提高，甲烷含量为50.6%，之后维持在50.0%以上的水平。添加猪粪后，初期产甲烷含量有所提高，以叶粪比1∶2的甲烷含量较高，第7 d时超过50.0%，说明添加豬粪后，可提高初期的甲烷含量，但对后期甲烷含量的影响不明显，是由于在中后期作为合成甲烷原料的有机酸和氢气的生成比例开始稳定，故甲烷含量也保持相对稳定。

2. 3 不同原料配比对沼液pH的影响

将全部发酵沼液的初始pH调至7.50，测定沼气发酵过程中沼液pH，结果如图3所示。由图3可知，叶粪比1∶0的沼液pH变化平缓，第13 d时最低，为6.86，后期开始回升，但回升速度缓慢，发酵结束时沼液pH回升至7.35；添加猪粪后，发酵前期沼液pH下降速度快，并随着添加量的增加下降加快，低峰值提前至第7 d，沼液pH为6.61～6.73；叶粪比0∶1的沼液pH下降幅度最大，第7 d时低至6.24，之后快速升高，第13 d升至7.20左右。在沼液初始pH为7.50时，各处理沼液的pH变化趋势均呈先降后升的变化趋势，叶粪比0∶1发酵的沼液pH下降和上升幅度均较大，添加杨树叶后，可减缓猪粪酸化的速度和程度，利于发酵的稳定进行。

2. 4 初始pH对叶粪比1∶2沼气产量的影响

选择TS产气量最大的叶粪比1∶2进行初始pH条件优化，结果如图4所示。pH从7.50降至6.00时，沼气产量大幅降低，从pH 7.50时的7362 mL降至pH 7.00时的6274 mL，直至pH 6.00时的2168 mL，其中甲烷产量也大幅下降。当pH从7.50升至8.00时，沼气和甲烷产量均略有下降，其中沼气产量从7362 mL降至7125 mL。可见，初始pH低于7.50对沼气产量影响很大，而高于7.50时影响较小。其原因是杨树叶的纤维素和半纤维素会逐渐降解产生有机酸，当生成的有机酸过多时，pH会下降过低，导致产甲烷菌失去活性，无法利用产生的有机酸，从而使有机酸继续积累，pH持续下降，造成发酵失败，故需对沼气发酵过程中的pH进行测定和调节（赵红和张衍林，2011），一般认为甲烷菌发酵的最佳pH范围是6.54～7.80（李杰等，2007）。根据pH的变化规律，可将发酵初始pH调至7.50或略高，防止前期pH下降，导致发酵体系pH过低，保证有一定的pH缓冲范围，降低发酵体系酸化的风险，从而省掉在发酵过程中对pH调节的步骤。

3 讨论

秋冬季低温会导致沼气罐的产气量下降，而需外加热以维持沼气罐的发酵温度（李瑞容等，2015），同时秋冬季的沼气需求量猛增，因此对沼气原料需求更多。秋冬季利用杨树落叶作原料，不仅可弥补动物性粪便原料的不足，还可提高沼气产量，保证秋冬季生产沼气的持续稳定。目前，对于树叶作为沼气原料的研究较少，且均作为单一原料进行发酵，如孙树贵等（2010）利用三角枫、紫叶李、法国梧桐等树叶进行发酵沼气，发现三角枫树叶产气最早，第9 d开始产气，产气量最高的是法国梧桐树叶，为69.17 mL/g。本研究将杨树叶与猪粪进行混合发酵，第3 d即开始产气，以叶粪比1∶2的TS产气率最高（262 mL/g），说明单一植物原料启动慢，产气量少，而混合发酵可提高产气效率。

将猪粪与其他植物性来源的原料混合发酵的研究较多，如混合添加水葫芦（魏世清等，2008）、稻草（陈广银等，2009）、花生壳（刘亮和刘圣勇，2012）、蘑菇菌棒（邓媛方等，2012）、玉米秸秆（李轶等，2014）等，但猪粪与杨树叶混合发酵的研究未见报道。本研究设计了叶粪比1∶0的纯杨树叶处理、叶粪比0∶1的纯猪粪处理及叶粪比分别为2∶1、1∶1和1∶2的混合处理，结果表明，叶粪比0∶1的日均产气量最大，但产气周期短，仅20 d，通过与杨树叶混合后，产气周期明显延长，尤其是叶粪比为1∶2时，TS产气率超过纯猪粪，对于原料的利用率更高。分析原因，可能是发酵液中的化学成分发生了改变，猪粪中的有机物易于降解，可被微生物快速利用，能满足发酵前期微生物生长的需要；而微生物生长后，又可产生丰富的降解酶（纤维素酶、半纤维素酶），利用杨树叶中的纤维素和半纤维素等有用成分，持续快速地生产沼气。此外，将猪粪与杨树叶混合发酵，可改变碳氮比。沼气发酵合适的碳氮比为25.0～30.0，猪粪的氮源含量较高，碳氮比较小（18.6），便于微生物快速生长，但杨树叶的碳氮比很高，为61.9，氮源含量低，较难分解利用，通过叶粪比1：2混合后，碳氮比为32.8，接近沼气发酵合适的碳氮比，提高了杨树叶的利用率。

4 结论

杨树叶不宜作为单独原料进行发酵，以1∶2比例混合猪粪进行发酵产沼气的效率最高，且可提高杨树叶的利用率。

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（责任编辑 罗 丽）