法国梧桐落叶、香樟青叶与猪粪混合厌氧发酵特性的探究

张彤彤，顾平道

（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

城市绿化垃圾主要是指植物垃圾，即修剪树木过程中产生的落叶、树枝修剪物和草屑等。根据上海市绿地结构调查结果可知，本土长青类树种香樟覆盖率高达28.7%，外来落叶类树种法国梧桐覆盖率为10.7%，因此每年产生大量修剪物及落叶[1]。这些树叶大部分被直接填埋或者焚烧，造成了土壤的碱化和环境的污染。而树叶中丰富的碳含量可以用来作为厌氧发酵产沼气的碳源，在产生沼气的同时有效地处理了城市绿化垃圾[2]。

大量研究表明，不同条件下不同种类树叶厌氧发酵生产沼气的能力不同。陈炳霖等研究表明，落叶与厨余垃圾和牛粪质量比为1:3:2时，三种原料混合厌氧发酵效果最好[3]。孙树贵等研究发现，中温条件下三角枫、紫叶李和梧桐三种落叶与猪粪混合厌氧发酵过程产沼气效果好，且以三角枫与猪粪混合厌氧发酵产气量最大[2]。王艳玲等研究表明，经过适量氢氧化钙预处理的杨树落叶厌氧发酵效果更好[4]。李安华等研究发现，杨树叶不宜单独进行厌氧发酵，与猪粪以1:2混合厌氧发酵产气量最佳[5]。但是，目前就青叶类厌氧发酵特性的研究报道还很少见。

本研究分别以法国梧桐落叶和香樟青叶为底物，猪粪为接种物，分析了法国梧桐落叶和香樟青叶厌氧发酵的特性，并将二者厌氧发酵产气特性进行对比，探究青叶类厌氧发酵产沼气的可行性及产气特性。

1 材料与方法

1.1 试验原料

法国梧桐落叶（下文简称落叶）取自东华大学校园内堆积落叶，自然风干，打碎机打碎至粒径1 cm左右；香樟青叶（下文简称青叶）取自东华大学校园内新鲜香樟树，打碎机打碎至粒径1 cm左右；接种物为江苏泰兴种猪场新鲜猪粪，室温下经一个月堆沤自行驯化。试验原料具体参数如表1所示。

表1 落叶、青叶和猪粪主要成分

1.2 试验方法

试验中采用批量式中温（37℃）厌氧发酵工艺，保持接种物含量为65 g，TS为8%，发酵液总体积为500 mL。落叶与猪粪混合厌氧发酵、青叶与猪粪混合厌氧发酵的详细配比及参数如表2所示。试验过程中每天记录厌氧发酵液的日产气量、甲烷含量、pH等参数。

表2 混合厌氧发酵料液特性参数

1.3 分析方法

利用Elmentar Vario EL III型元素分析仪测量试验原料中碳氮含量；根据国标法测定发酵料液中TS和VS，并根据TS来配比发酵底料；pH采用pH计测定；日产气量采用集气袋收集测量；沼气中甲烷含量利用气象色谱仪测定，色谱条件为：GC9890AS灵华气相色谱仪，FID检测器，检测器温度250℃，进样口温度100℃，柱箱温度80℃。

2 结果与分析

2.1 落叶与青叶厌氧发酵过程中产气情况对比

图1 日产气量随发酵时间的变化

图2 日累计产气量随发酵时间的变化

由图1可以看出，落叶与猪粪混合厌氧发酵的日产气量呈先升高后降低的趋势，在发酵时间第10天达到最值261 mL，青叶与猪粪混合厌氧发酵的日产气量在发酵时间0～10 d内骤降，之后呈平稳趋势，在40～60 d出现一定的回升，日产气量的最值为472 mL。由图2可以看出，落叶与猪粪混合厌氧发酵日累计产量的增幅大于青叶与猪粪混合厌氧发酵的日累计产量。发酵时间0～10 d内，青叶与猪粪混合厌氧发酵累计产气量高于落叶的，10 d之后，落叶与猪粪混合厌氧发酵日累计产气量反超青叶的，且落叶的总产气量（5 455 mL）远远大于青叶的总产气量（3 869 mL）。原因可能是厌氧发酵系统中，青叶的含水率较高，茎叶中植物细胞组织及微生物活性较好，启动速度较快，发酵周期较短，同时发酵开始时料液中含有溶解氧，青叶由于其活性厌氧发酵启动速度快，加快了有机物的分解，故发酵开始时日产气及累计产气量高于落叶的；落叶含水率低，多数细胞在长期缺水状态下失活，处于产酸阶段，启动速度较慢，发酵周期长，随着厌氧发酵的进行，酸化现象得到了缓解，落叶与猪粪厌氧发酵产气量高于青叶的[6]。

综上可得，青叶较落叶而言，厌氧发酵启动速度较快，周期较短。落叶与猪粪混合厌氧发酵的产气能力高于青叶与猪粪混合厌氧发酵的产气能力。

2.2 落叶与青叶厌氧发酵过程中产甲烷情况对比

图3 甲烷日产量随发酵时间的变化

图4 甲烷总产量随发酵时间的变化

图5 甲烷含量随发酵时间的变化

图6 落叶与青叶产气情况的对比

由图3可以看出，落叶与猪粪混合厌氧发酵的甲烷日产气量呈先上升后下降的趋势，在发酵时间10～20 d、20～30 d和30～35 d出现三个峰值，产甲烷量分别为111.7 mL、100.0 mL和102.5 mL。青叶与猪粪混合厌氧发酵产甲烷量在发酵时间0～20 d先降低至基本不产气，20～60 d出现回升，并呈先上升后下降的趋势。另外，青叶与猪粪厌氧发酵产甲烷能力远远低于落叶与猪粪混合厌氧发酵产甲烷能力。由图4可以看出，青叶与猪粪混合厌氧发酵产甲烷量（404 mL）远远低于落叶与猪粪混合厌氧发酵产甲烷量（2 455 mL），厌氧发酵前3 d内青叶与猪粪混合厌氧发酵基本无甲烷产生。

由图5可以看出，甲烷含量占总产气量的百分比同甲烷产量类似，呈先升高后降低的趋势，落叶甲烷含量最高达82%，青叶最高达45%左右。由图6可以看出，落叶与猪粪厌氧发酵中甲烷产量占总产气量的45%，青叶与猪粪厌氧发酵中甲烷产量只占到总产气量的10.5%，不论是总产量还是甲烷总产量，青叶的远远低于落叶的。其原因可能是接种物含量一定时，落叶类厌氧发酵系统更加稳定，酸化现象容易得到缓解，青叶类厌氧发酵系统酸化现象严重，发酵系统对毒死蜱浓度更加敏感，自我缓解能力差。受酸化现象的影响，甲烷菌生长也受到严重抑制，尤其是青叶与猪粪混合厌氧发酵受抑制严重，甲烷产量极少甚至为0。

综上可得，青叶与猪粪混合厌氧发酵同落叶相比，受酸化影严重，甲烷产量及含量低，不适宜单独厌氧发酵。

2.3 落叶与青叶厌氧发酵过程中pH对比

由图7可以看出，pH由初始值开始降低而后不断升高，由酸性不断变化至中性。青叶与猪粪混合厌氧发酵的pH基本低于落叶的，且发酵时间前20 d内，青叶pH与落叶有较大差值。落叶类的pH变化相对稳定。由图8可以看出，落叶的平均pH更接近中性，青叶的平均pH偏酸性。其原因可能是开始时发酵料液中含有溶解氧，加快了有机物的分解，发酵时间第2天起，溶解氧被消耗完后开始厌氧发酵，发酵料液中有机酸不断积累，料液呈酸化状态，随着厌氧发酵的进行，有机酸不断被消耗，从而导致pH值不断升高。青叶相对落叶受酸化影响明显，有机酸积累多，消耗慢。

综上可得，青叶与猪粪混合厌氧发酵平均pH偏酸性，低于落叶与猪粪混合厌氧发酵的平均pH。青叶与猪粪混合厌氧发酵pH变化幅度大。

图7 pH随发酵时间的变化

图8 落叶与青叶平均pH的对比

3 结论

青叶较落叶而言，厌氧发酵启动速度较快，产气周期较短。青叶与猪粪混合厌氧发酵的产气能力远远低于落叶与猪粪混合厌氧发酵的产气能力。青叶与猪粪混合厌氧发酵同落叶相比，受酸化影严重，甲烷产量及含量低，发酵周期内甲烷总产量为落叶的1/6左右，不适宜单独厌氧发酵。青叶与猪粪混合厌氧发酵平均pH偏酸性，低于落叶与猪粪混合厌氧发酵的平均pH。青叶与猪粪混合厌氧发酵pH较落叶而言变化幅度大，发酵系统不稳定。