马铃薯皮渣与牛粪不同配比产沼气效果研究

吴 笛

(1.西昌学院 工程技术学院， 四川 西昌 615000； 2.四川马铃薯工程中心， 四川 西昌 615000)

马铃薯皮渣与牛粪不同配比产沼气效果研究

吴 笛1，2

(1.西昌学院 工程技术学院， 四川 西昌 615000； 2.四川马铃薯工程中心， 四川 西昌 615000)

文章以马铃薯皮渣和牛粪为原料，通过厌氧发酵装置，进行混合发酵产沼气实验。将马铃薯皮渣和新鲜牛粪分别以100∶0，80∶20，50∶50，20∶80和0∶100的比例均匀混合，利用自制的厌氧发酵装置在30℃的恒温条件下持续发酵34 d。通过测定反应体系的产气速率、沼气中CH4含量、累计产气量、反应体系pH值变化情况，探究不同比例的马铃薯皮渣与牛粪配比对发酵产气效果的影响。研究表明，添加高比例的马铃薯皮渣对累计产气量具有明显优势，而牛粪对于加快产气速率具有明显促进作用。马铃薯皮渣和新鲜牛粪以80∶20配比添加的反应体系累计产气量最高，但CH4的平均浓度较低，连续34 d产CH4平均浓度为58%。未添加马铃薯皮渣即配比为0∶100发酵体系所产沼气中CH4平均浓度高达75%，但累计产气量较低。因此，从原料有效利用角度考虑，马铃薯皮渣与牛粪配比为80∶20时最适合发酵，TS有效利用率为35.22%，产气率为291.71 L·kg-1。

马铃薯皮渣; 牛粪; 沼气; 厌氧发酵

马铃薯蛋白质营养价值高，易被人体吸收，具备和胃、调中、健脾、益气、强身益肾等保健功效[1]。同时马铃薯经济价值良好，在食品、淀粉、饲料和医药等领域应用广泛。目前，世界上有150多个国家和地区种植马铃薯，总栽培面积达2000多万hm2[2]。在欧美等发达国家，马铃薯多以主食形式消费，已成为日常生活中不可缺少的食物之一。目前我国马铃薯种植面积和总产量均跃升世界首位，消费也是世界上增长最快的国家之一[3]。我国的马铃薯生产和加工方式较为粗放，产生大量的马铃薯废弃物——废水、废渣、废皮，不但浪费资源，而且污染环境，制约马铃薯产业的可持续发展[4]。

随着世界马铃薯主粮化战略的不断深入，全粉生产正逐渐代替传统的淀粉提取，因此马铃薯渣的数量大规模减少。然而马铃薯皮的产生不可避免，全球马铃薯加工所产生的马铃薯皮为每年7～14万吨[5]。马铃薯皮渣含水量高，带有多种细菌，易腐败变质，产生恶臭，污染环境。同时，马铃薯皮渣含有大量的残余淀粉和纤维素物质，还含有发酵细菌繁殖所需的多种营养成分，适合发酵生产沼气[6]。因此，利用马铃薯皮渣作为发酵原料生产沼气，不仅可以减少环境污染，而且还可以达到物尽其用、变废为宝的目的。

沼气发酵是一个相对复杂的过程，由多种菌群共同协作完成。它分为水解阶段，酸化阶段及产甲烷阶段，并维持着相对的动态平衡[7-13]。马铃薯皮虽然营养丰富，但含有大量的纤维素物质，不易被厌氧菌分解，在发酵初期，微生物可利用的有机物质较少，不利于其生长和厌氧消化的进行。因此单纯使用马铃薯皮进行厌氧发酵，产气速度慢且产量不高，同时甲烷的纯度较低，燃烧效率低。

混合发酵是近年来厌氧发酵领域研究的热点之一，将较难分解的有机物与易分解有机物混合发酵不但同时处理了几种发酵原料，而且可以提高发酵原料的生物转化率[14]。近期研究发现，沼气生产过程中采用微生物混合发酵的方式，可在较短的发酵期内成功地将碳水化合物转化为大量的菌体蛋白，从而提高产气量[15-18]。

牛粪是养牛场产生的主要有机固体废物。新鲜牛粪中含有大量的干物质、粗蛋白、粗脂肪、钙、磷等有机质，这些有机质含量丰富且容易被微生物分解，同时还有大量的菌种，如纤维素分解细菌和甲烷菌。如果将马铃薯皮和牛粪混合发酵，牛粪中易分解的有机质能快速被甲烷菌分解，使其大量繁殖；同时牛粪中的纤维素分解细菌能快速分解马铃薯皮中的纤维素物质，加快马铃薯皮的发酵速度；加之牛粪中还含有部分甲烷菌，混合发酵后甲烷菌的数量增多，改善了原料中的pH值及C/N[19]，从而更利于发酵的进行。

文章研究了一个产气周期(34 d)内不同比例牛粪与土豆皮在特定混合发酵条件下产气速率、累计产气量及甲烷浓度的变化趋势；分析了反应体系的pH值及物料的TS和VS变化情况；得出了最佳产气比，为马铃薯皮资源化研究及技术推广提供了依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

马铃薯皮由新鲜马铃薯经机械去皮所得，并用粉碎机将马铃薯皮粉碎至0.3～0.5 cm。牛粪取自四川省西昌市某养牛场。沼液取自西昌市马坪坝一农户家常年进行厌氧发酵的沼气池。实验材料的基本性质见表1。

1.2 实验方法

实验装置为西昌学院自行设置的可控性恒温厌氧发酵装置，主要由发酵装置、集气装置及控温装置3部分组成，如图1所示。采用1000 mL广口瓶模拟厌氧反应器，将发酵原料(新鲜马铃薯皮与牛粪)按设定的比例放入瓶中，添加沼液500 mL。整个发酵装置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅温度控制在28℃～30℃，反应周期设为34 d。马铃薯∶牛粪配比分组见表2。实验开始时，向反应器内充入氮气以排净反应器内的空气，用橡胶塞密封，接口处涂抹凡士林增加密闭性。发酵装置和集气装置由橡胶管连接。将准备好的发酵装置放置于水槽内，并设2组平行实验。采用排饱和食盐水法收集气体，每天定时记录产气量；原料、接种物以及发酵前后料液的pH值用精密pH试纸(5.5～9.0)测量；沼气中甲烷浓度利用沼气成分简易测定法[7]测定；总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)采用常规分析法，测定原料接种物以及发酵前后料液的TS和VS。

表1 马铃薯皮、牛粪的基本性质 (%)

表2 原料不同配比设置 (g:g)

图1 马铃薯皮-牛粪厌氧发酵装置

2 结果与分析

2.1 沼气产量测定

从图2可以看出，在30℃的发酵模拟器中，除实验组C外，各组产气情况大致可以分为发酵启动期、发酵盛产期和发酵终止期3个阶段。实验组A，B，D，E的产气量变化均为增加—降低—增加—降低的趋势。其中A组和B组曲线变化趋势相似，D组和E组变化趋势相似。A组和B组在第2天出现第一个产气峰值，在t=15 d，迅速产气，分别在28 d，24 d达到产气高峰，分别为1280 mL、1190 mL。产气高峰持续3～4 d，出现了产气量急剧下降的趋势，一周之后，产气量分别下降为400 mL，180 mL。D组和E组在第4天、第3天出现产气峰值，分别为330 mL，290 mL。在t=12 d，迅速产气，在第14天达到产气高峰，分别为500 mL，360 mL。

图2 产气量随时间变化曲线

图3 累积产气量

另外从图3的产气曲线可以明显看到，实验组A和B比D和E组曲线的第二个波峰出现较晚，各组实验结束时累计产气量分别为9834 mL，10274 mL，5241 mL，3193 mL。以累计产气量达到总产气量的80%计，实验组A～E所需时间分别为30 d，26 d，22 d，20 d。可以看出添加高比例马铃薯皮渣，累计产气量相应增加，但是产气速率相应下降。这是由马铃薯皮渣和牛粪自身的特点决定的。A组和B组马铃薯皮渣含量丰富，发酵开始时，皮渣中那些易降解的物质首先被微生物代谢分解，出现了第1个产气波峰；接着皮渣中那些难降解的物质如纤维素、木质素等开始降解，又出现了第2个产气波峰。但是马铃薯皮渣中难降解的木质素、纤维素的含量较多，因此产气高峰出现较晚。D组和E组添加了较高比例的牛粪，牛粪中的易分解的有机质能快速被甲烷菌分解，使其大量繁殖；同时牛粪中的纤维素分解细菌能快速分解马铃薯皮渣中的纤维素和木质素，加快马铃薯皮的发酵速度；加之牛粪中还含有部分甲烷菌，混合发酵后甲烷菌的数量增多，利于发酵的进行。因此牛粪的添加对于厌氧消化起到了促进作用，加快了产气高峰值的出现，在第15天产气速率达到最大值。实验组B即马铃薯皮渣与牛粪配比为80∶20时，累计产气量最多，这是因为马铃薯皮渣含量丰富，含有丰富的有机质，同时添加适量的牛粪，牛粪中含有高浓度微生物，会加速马铃薯皮渣及牛粪自身有机质的分解，因此不论是累计产气量还是产气速率都相应提高。以上结果表明添加较高比例的马铃薯皮渣进行发酵对累计产气量具有明显优势，而牛粪对于加快产气速率具有明显促进作用。

2.2 实验体系pH值变化情况

图3反映的是各组反应体系中pH值变化情况。pH值在厌氧发酵过程中是一个非常重要的参数，所反映的是物料中挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸等)的浓度[20-21]和料液的缓冲能力。从图上可以看出，E组即马铃薯皮渣与牛粪物料比0∶100，反应体系的pH值在厌氧发酵过程中变化不大，保持较稳定状态。在发酵初期，pH值先下降，到第4天，达到第一个峰谷，pH值为7.3。在后期的发酵阶段，反应体系的pH值稳定在7.6～7.2。实验组A～D，从图上可以明显看出，4组pH值变化曲线均在反应的4～5天pH值由7.3～7.5下降到6.2～6.7。实验组A即马铃薯皮渣与牛粪物料比为100∶0，pH值下降值最大。发酵7d之后，反应体系pH值逐渐增大，直到反应第34天，pH值升为8.3。而D组体系pH值变化趋于一个最优的状态，pH值变化平缓，维持在6.7～7.5。

图4 反应体系pH值变化曲线

2.3 实验物料TS和VS分析

通过测定各实验组和对照组发酵前后料液的TS，VS，pH值，可以确定料液中有机物的降解程度。由表3可知，实验组A和B发酵底物的料液TS和VS降低程度最大。TS分解率分别为33.48%，35.22%，D组和E组次之(23.02%，22.92%)，C组最小(15.63%)。这与之前各实验组的累计产气量具有关联性，即TS和VS利用率越大，累计产气量越多。这是和厌氧发酵中微生物新陈代谢要消耗有机物相关的。从原料有效利用与实际操作角度考虑，马铃薯皮渣与牛粪配比为80∶20时最适合发酵，此配比所得累计产气量最大，TS有效利用率为35.22%，产气率为291.71 L·kg-1。

表3 实验物料TS和VS分析 (%)

3 结论

比较了不同马铃薯皮渣与牛粪不同配比的厌氧发酵产气效果，通过分析产气速率、累计产气量、反应体系pH值变化以及发酵前后实验物料的TS和VS变化情况，得出以下结论。

(1)各组产气情况大致可以分为发酵启动期、发酵盛产期和发酵终止期3个阶段。实验组A～E的产气量变化均为增加—降低—增加—降低的趋势。

(2)添加高比例马铃薯皮渣，累积产气量相应增加，但是产气速率相应下降。牛粪的添加对于提高产气速率及CH4含量具有明显的优势。

(3)发酵的第25～30天，反应体系pH值均稳定在7.1～7.5，发酵过程达到稳态。

(4)增大马铃薯皮渣添加比例，可提高TS和VS利用率。马铃薯皮渣与牛粪配比为80∶20时最适合发酵，此配比所得累计产气量最大。

综上，马铃薯皮渣是一种较好的沼气发酵原料。添加合适比例的牛粪能够为发酵提供更丰富的菌群，使马铃薯皮渣利用程度更高，产气效果更好。

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Biogas Productions with Different Ration of Potato Peels and Cattle Manure as Substrate /

WU Di1,2/

(1. School of Engineering Science, Xichang College, Xichang 61500，China; 2.Potato Engineering Center of Xichang, Xichang 615000, China)

Potato peel and cattle manure mixed anaerobic fermentation were experimented in this paper. The two substrates were mixed in different ratio of 100∶0, 80∶20, 50∶50, 20∶80 and 0∶100 respectively. The fermentation lasted for 34 days under constant temperature of 30℃. Parameters were investigated for biogas production, CH4content, cumulative gas production, pH variations in the system. The results illustrated that the high proportion of potato peel obtained an obvious higher cumulative gas, and cattle manure was efficient in accelerate the fermentation. The max cumulative biogas was obtained with the potato peel and cattle manure ratio of 80∶20, but its average CH4content of 58% in 34 days operation was lower than other mixing ratio.The mixing ratio of 0∶100 (sole cattle manure fermentation) has the highest average CH4content of 75%, but its cumulative gas was low. Considering the effective use of raw materials, the ratio of 80∶20 was recommended, which could obtain an effective TS utilization rate of 35.22% and gas production rate of 291.71 L·kg-1.

potato peel; cattle manure; biogas; anaerobic digestion

2016-03-21

吴 笛(1970-)，女，西昌市人，副教授，研究方向为食品工程，E-mail:xccollege.wd@163.com

S216.4； X712； X713

B

1000-1166(2017)02-0077-04