牛粪与蔬菜废弃物厌氧发酵产气工艺优化

庞震鹏 ，李永平 ，朱教宁 ，籍增顺 ，焦光月

（1.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031；2.山西省生态畜牧产业管理站，山西太原030031）

我国畜禽养殖业迅猛发展，规模日益扩大，畜禽养殖量每10 a增加1～2倍[1-3]。目前，我国畜禽粪污每年总排放量达38亿t，预计到2020年会超过40亿t[4-5]。畜禽粪便虽然是农业环境的主要污染源，但也是蕴含巨大能量的可再生能源，若能进行合理开发利用，可以创造巨大的经济效益[6-9]。但是，畜禽粪便和作物秸秆等农业废弃物的资源化利用程度普遍较低，以山西为例，山西规模化养殖场累计达2.5万个，年产畜禽粪便2 055.7万t，其中，牛粪为1 106.3万t，占53.82%。在畜禽粪污利用中，其中有20%未经过处理直接施入农田，15%通过堆肥及化粪池处理后施入农田，65%长期露天堆放直至施入农田。此外，随着我国蔬菜种植面积及产量的增加，蔬菜废弃物的处理问题同样突出，2013年我国蔬菜废弃物产量约2.7亿t，可进行资源化利用的蔬菜废弃物达2.15亿t[10]，而露天焚烧和还田利用是较为常见的处理方式，这样处理不但会污染环境，还会造成作物病虫害。因此，畜禽粪污及蔬菜废弃物等农业废弃物在资源化利用方面还存在较大不足。

厌氧发酵是实现农业废弃物资源化利用的重要途径之一。将秸秆经过厌氧发酵产生沼气，可使每千克秸秆的有效热值提升到60%以上[11]，同时可以有效解决因秸秆焚烧带来的环境问题；畜禽粪便经过厌氧发酵后可有效杀灭粪便中的病原微生物，发酵产物沼液和沼渣是有机肥的重要生产来源。此外，诸多研究发现，混合原料发酵比单一原料发酵更具优势，具有较高的产气效率，与单一原料发酵相比，能更好地避免发酵系统酸化，保持系统稳定[12-14]。

本试验以牛粪和番茄秸秆作为厌氧发酵原料，对不同物料混合厌氧发酵配混比例、适宜发酵浓度与进料量及频率进行研究，旨在提高牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵效率和增强系统稳定性，为快速处理牛粪和番茄秸秆等农业废弃物、提高沼气产量提供技术指导。

1 材料和方法

1.1 试验原料

供试番茄秸秆取自山西省农业科学院东阳试验示范基地，粉碎打磨成5 mm左右的粉末；牛粪取自东阳镇养殖场的新鲜牛粪；接种物取自东阳试验示范基地沼气池正常运行60 d以上沼气池中的沼液。

1.2 试验装置

采用山西省农业科学院现代农业研究中心沼气技术实验室自制1 L厌氧发生器：瓶体由上下2部分组成，下部为带有进料口的厌氧反应区，进料口可用带有橡胶管的瓶盖密闭；上部为注水区，下部所产沼气进入上部将水经导水管排到集水瓶内，排出水量即为每日产气量。

1.3 试验方法

1.3.1 配混比例研究 牛粪与番茄秸秆按干物质量比设置T1～T11共11个处理，各处理详细情况如表1所示。反应在1 L厌氧发生器中进行，发酵物料浓度8%，发酵温度（35±1）℃，发酵时长40 d，各处理设3次重复。每天记录各处理产气量并测定气体组分。

表1 处理设置

1.3.2 混合厌氧发酵浓度研究 物料浓度设6%，8%，10%，12%，14%共5个处理，分别计为N1～N5。将牛粪与番茄秸秆按干物质量比1∶1配混，反应在1 L厌氧发生器中进行，发酵温度（35±1）℃，发酵时长40 d，各处理设3次重复。每天记录各处理产气量并测定气体组分。

1.3.3 混合厌氧发酵适宜进料频率研究 按照不同进料频率设置8，10，12 d共3个处理，分别计为M1，M2，M3。每次进出料量为 175 g/L。反应在自制1 L厌氧发酵瓶中进行，在室温条件下进行，设3个重复。试验分2个阶段，启动阶段和进出料阶段，其中，启动阶段发酵进行15 d后进入进出料阶段。进出料阶段发酵70 d，分别按各处理频率进出料。各处理启动阶段牛粪与番茄秸秆干物质量比1∶1，物料浓度8%（接种物30%）；进出料阶段牛粪与番茄秸秆干物质量比1∶1，物料浓度8%（不添加接种物），进料的同时排出相同质量的旧料液。每天记录各处理产气量并测定气体组分。

1.3.4 混合厌氧发酵适宜进料量研究 进料量设75，125，175，225 g/L 共 4 个处理，分别计为 Q1，Q2，Q3，Q4。每10 d进出料一次。反应在1 L厌氧发生器中进行，在室温条件下进行，各处理设3次重复。试验分2个阶段：启动阶段和进出料阶段。其中，启动阶段为批式发酵反应，先发酵15 d，第16天进入进出料阶段。进出料阶段为连续发酵反应，各处理分别反应70 d，分8次进行进料与出料。各处理启动阶段牛粪与番茄秸秆干物质量比1∶1，物料浓度8%（接种物30%）；进出料阶段牛粪与番茄秸秆干物质量比1∶1，物料浓度8%（不添加接种物），进料的同时排出相同质量的旧料液。

1.4 测定项目及方法

产气量采用排水集气法测定，每日定时测定一次。将原料置于恒温烘箱中烘干（温度为105℃）至恒质量，采用差重法测定干物质量（TS）。

采用安捷伦公司生产的7890B气相色谱仪测定气体组分。色谱条件：色谱柱HP-INNOWAX，40～240 ℃，60 μm×530 μm×1 μm，载气为氢气，流量5 mL/min，压力 7.244 3 psi，平均线速度 35.701 cm/s，滞留时间2.801 1 min；FID检测器设置温度300℃，空气流量400 mL/min，氢气燃气流量30 mL/min，尾吹气流量（N2）25 mL/min；TCD检测器设置温度为250℃，参比流量 40 mL/min，尾吹气流量（H2）2 mL/min。

1.5 数据处理

每组试验均重复测定3次，数据均以平均数±标准偏差表示。采用Microsoft Excel及SPSS分析软件对数据进行图表编辑及分析处理。

2 结果与分析

2.1 配混比例研究

多种原料混合厌氧发酵较单一原料发酵不仅有利于增强系统稳定性、平衡底物营养、提高原料利用率和产气效率，还可以降低发酵过程中产生的铵态氮等抑制类物质对消化过程的抑制作用[15-17]。从图1可以看出，牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵，T5和T6处理产气量分别达8 843.94，8 680.93 mL，显著高于其他处理，较T11单一牛粪处理分别提高165.48%和160.59%。因此，可以认为番茄秸秆与牛粪进行混合厌氧发酵的适宜配比（TS）为6∶4或5∶5。

2.2 混合厌氧发酵浓度研究

在1%～30%的浓度范围内，厌氧发酵均可进行。底物浓度对混合原料厌氧发酵效果具有显著影响[18-19]。番茄秸秆与牛粪混合物在不同物料浓度下，产气潜力不同，在湿式发酵条件下，适当提高物料浓度，有利于提高产气量。从图2可以看出，不同发酵浓度的容积产气率不同，总体上随着浓度的增加产气率也在增加，当浓度达到12%时，产气率不再增加，这可能与反应物中干物质量较大时容易产生酸化现象有关，仍需进一步探讨。因此，当浓度为12%时，可以作为牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵的适宜发酵浓度。

2.3 混合厌氧发酵适宜进料频率研究

适当提高进料频率，保证发酵物料的及时供给，可以提高番茄秸秆与牛粪混合厌氧发酵的产气效率，增加产气量。由图3可知，不同进料频率下的平均容积产气率不同，当每10 d进一次料时，平均容积产气率较高，为0.289 L/（L·d）；大于或小于10 d时，产气量呈下降趋势，可能是由于进料频率过低时，反应体系中底物补充不及时，微生物繁殖放缓，产气效率降低；进料过于频繁，反应系统内有机酸会大量积累，pH值下降，微生物代谢活动受到抑制，产气缓慢。综上所述，牛粪与番茄秸秆适宜的进料频率为每10 d进一次料。

2.4 混合厌氧发酵适宜进料量研究

对发酵体系补充发酵物料，适当提高进料量，可以提高混合厌氧发酵的产气效率，增加产气量。由图4可知，各处理平均容积产气率随进料量的增加而增加，其中，Q4的平均容积产气率较高，为0.271 L/（L·d），显著高于Q1，Q2处理，但与Q3间无显著差异。说明当进料量高于175 g/L时，对产气效率的提升效果较小，这可能是由于当进料量过大时，发酵体系发生酸化现象，抑制了甲烷菌的活性，产气效率降低。因此，175 g/L可以作为牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵的适宜进料量。

3 结论与讨论

本研究利用1 L厌氧发生器，在35℃条件下，以牛粪与番茄秸秆的混合物作为原料进行厌氧发酵，二者适宜配混比例为4∶6或5∶5、发酵浓度为12%；对于未配备增温措施的中小型沼气工程，适宜进料频率为每10 d进一次料，每次进料量为175 g/L为宜。

将牛粪和番茄秸秆混合后进行厌氧发酵，不仅避免了牛粪单独发酵时系统易酸化的问题，还提高了系统的缓冲能力和产气量。通过监测厌氧发酵过程中甲烷含量发现，各试验处理在厌氧发酵稳定期（7～30 d），甲烷含量均能维持在50%以上，表明发酵系统运行较稳定，未发生过酸或过碱的现象。牛粪和番茄秸秆适宜的干物质量比为4∶6或5∶5，与单一牛粪发酵相比，产气量提升了165.48%和160.59%。陈广银等[20]利用互花米草与牛粪作为发酵原料，研究结果发现，配比为3∶1时发酵效果较好，累积产气量较牛粪单独发酵提升了38.83%；姜宗姗等[17]研究认为，牛粪与玉米秸秆按2∶1配比时，产气效率较高，甲烷量较牛粪单独发酵提高了21.45%。这些结果与本研究结果基本一致。

不同料液浓度不同，沼气产量与甲烷含量均不相同，在6%～14%的湿式发酵阶段，随着浓度的增大，产气量也在增大，但浓度较高时容易出现酸化，致使系统瘫痪。牛粪与番茄秸秆混合物料液浓度为12%时，产气效率及产气量均达到最优；当料液浓度高于12%时，料液水解酸化时间延长，pH值下降，产甲烷菌活性降低，这可能是导致甲烷含量在发酵前期处于较低水平的主要原因。

此外，在研究过程中还发现，牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵存在一些问题，首先，秸秆中含有难以降解的木质纤维素和结晶结构，在与牛粪配混前需经过预处理；其次，番茄秸秆易漂浮在料液顶端形成结壳，需要利用搅拌措施将其防止或破除。