尾菜与小麦秸秆两级联合厌氧发酵工艺的研究

马泓若， 李 强， 王治业， 陈 龙， 王 强， 季 彬

(1.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041； 2.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室， 兰州 730000； 3.农业农村部沼气科学研究所，成都 6100413； 4.甘肃自然能源研究所， 兰州 730046)

我国作为农业大国，每年产生的农业废弃物多达十几亿吨，其中尾菜和农作物秸秆占比最高[1]，尾菜是指蔬菜在生产、采收、运输、加工和销售过程中为提高其商品性而剥离的伤、病、残叶[2]，其产生量占蔬菜产量的 30%以上[3]。目前，我国农作物秸秆的利用率很低，除了直接还田、用作燃料以及不足 20% 用作饲料外，剩余约 20% 的秸秆则直接在田间燃烧或堆积，不仅造成很大的资源浪费，还污染了环境[4]。

尾菜和农作物秸秆通过厌氧发酵产生沼气是实现农业废弃物资源化利用和减少环境污染的重要途径，并且在一定程度上能缓解我国农村地区的能源短缺问题，同时产生的沼渣、沼液也可以作为高效有机肥提高土壤肥力，改善土壤结构[5]。

在沼气发酵工艺中，湿法发酵有启动性良好和传质均匀的优势，但单位容积反应器的物料处理量不及干式发酵。干式发酵启动性能虽欠佳，但具备较高的单位容积产气率以及无大量沼液排放的优点[6]。与湿法发酵相比，干式发酵具有能耗低用水量小，投资成本低以及容积产气率高等优势[7]。本研究主要针对尾菜和农作物秸秆两类典型的农业废弃物的物料特性，采用湿式和干式两级联合厌氧发酵技术，有效地解决了尾菜和农作物秸秆厌氧发酵启动难、易酸化的难题，同时大大提高了原料产气率。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验使用的尾菜从兰州市农贸市场收集，主要为大白菜、娃娃菜和甘蓝等，粉碎备用；猪粪取自兰州市榆中县养殖场；小麦秸秆取自兰州市榆中县三角城；接种物取自实验室产气良好的厌氧反应器，置于4℃冰箱冷藏备用。

通过实验室测定，发酵原料和接种物的理化特性见表1。

表1 发酵原料物料特性

厌氧发酵促进剂主要成分为Ca(CH3COO)2;2(C3H5O2)·Ca;C8H14O4Ca; CH4N2O;CaH6O9P2;Yeast extract fermentation。微量元素溶液主要成分为FeCl2·4H2O; CoCl2·6H2O; MnCl2· 4H2O; AlCl3·6H2O; H3BO3; ZnCl2;4(NH4)6MO7O24·4H2O;CuCl2·2H2O; NiCl2·2H2O; Na2SeO3。

1.2 主要仪器与设备

尾菜发酵装置采用30 L全自动厌氧发酵罐，BLBIO-30SJAO；小麦秸秆干发酵采用自制10 L干发酵装置，其结构如图1所示。

图1 秸秆干发酵装置

进料管、出料管：主要用于进出沼液；打孔隔板、螺栓：主要用于压缩秸秆，同时是沼液通过打孔隔板均匀的渗入秸秆内部。

便携式沼气分析仪，GA5000；湿式气体流量计，BSD0.5 ；低温生化培养箱，LRH-250CA ；pH计，PHS-3C。气相色谱，GC-2010 PLUS。色谱条件：进样口温度210℃；检测器温度230℃；氢气流量30；空气流量300；尾吹40；分流比10；色谱柱线速度37 cm·s-1；柱温80℃，以18℃·min-1升至180℃，保持时间2 min。

产气量利用湿式气体流量计进行记录。TS，VS和pH值采用标准方法[8]。甲烷含量利用便携式沼气分析仪进行检测。挥发酸浓度采用气相色谱法进行检测[9]。

1.3 实验方法

1.3.1 第1级发酵

第1次启动向发酵罐内加入5 L接种物，5000 g尾菜，发酵温度设置为35℃，添加生石灰粉调节pH值至8.0，加入厌氧发酵微量元素，加入量为1 mL·L-1，密封发酵罐。当甲烷含量超过50%以后，开始加料，负荷为2.0 kg·m-3d-1TS。每隔5 d提升负荷，每次负荷增加量为0.15 kg·m-3d-1TS。加料至25 L时，每天加料的同时进行出料，保证发酵容积维持在25 L。发酵罐带自动搅拌功能，每次加料后开启搅拌15 min。

1.3.2 第2级发酵

将秸秆剪切成10 cm～15 cm长度，装入自制的发酵装置，见图1。同时进行2个对比试验:A组内加入284.56 g秸秆，加入50 g活化后的菌种(夹在秸秆层中间);B组内加入271.36 g秸秆，不加菌种。将发酵装置放入恒温箱内培养，发酵温度设定为35℃。将5000 mL第1级尾菜发酵排出的沼液调节pH值至8.0，补充厌氧发酵促进剂和微量元素，添加量分别为1.88 g·L-1和1 mL·L-1，从第2级发酵装置上端进料口加入，直至淹没秸秆。浸泡2 h后将沼液从下部出料口排出，将浸泡后的沼液收集于渗滤池中，沼液产气量计入第2级干发酵产气量。每天按上述方法浸泡，渗滤池中沼液每隔5 d换新鲜沼液1000 mL，浸泡时间每隔5天增加1 h，直至产气量开始出现下降时，将沼液加入后不再排出，一直浸泡直至产气结束。

2 结果与讨论

2.1 尾菜厌氧发酵结果及分析

尾菜的干物质中含75%的糖类和半纤维素，9%的纤维素及5%的木质素[10]，其含水率较高，一般TS含量在4%～10%。本实验主要通过实验室自制的高活性接种物和添加厌氧发酵促进剂和微量元素溶液，提高尾菜的产气率。

由图2可知，尾菜厌氧发酵接种量较大，所以启动第3天开始产气，随着负荷的不断增加，产气量开始逐渐上升，当负荷增加到每天3.2 kg·m-3d-1TS时(第38天)，出现最高产气量。投料量增加至3.35kg·m-3d-1TS时(第45天)，产气量开始出现下降。从第46天开始，将负荷调至3.2 kg·m-3d-1TS并一直维持，产气量逐渐恢复并接近最高产气量。在此条件下继续运行20天，此时一级发酵罐的最高负荷为3.2 kg·m-3d-1TS，最高产气量为54.4 L·d-1，发酵罐最高容积产气率为2.72 m3·m-3d-1。对比冯晶[11]等人研究的连续进料果蔬废弃物厌氧产气性能数据，最高负荷为2.5 kg·m-3d-1TS，池容产气率为1.075 m3·m-3d-1，本试验最高负荷提高了28%，池容产气率提高了153%。

图2 35 ℃下产气量

由图3可知，启动前期(前5天)VFA浓度较高，维持在1600 mg·L-1～1900 mg·L-1。随着产甲烷古菌的不断生长和负荷的不断提升，最终VFA稳定在900 mg·L-1～1200 mg·L-1。

图3 尾菜挥发酸

2.2 秸秆干发酵结果及分析

农作物秸秆主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等[12]，含水率较低，一般TS含量接近90%。但是干发酵技术在工程上的推广应用还有一定难度[13]，原因是干发酵物料浓度高，搅拌困难，易造成 VFA 局部过度积累，从而导致发酵过程稳定性差。

针对上述问题，笔者在第2级发酵中使用尾菜沼液作为农作物秸秆干发酵的接种物，对农作物秸秆进行喷淋和浸泡。该方法不仅可加快秸秆干发酵过程中的物质传递，使厌氧微生物菌种均匀的分布在打捆秸秆内部，而且通过高pH值沼液的喷淋和浸泡可有效调节秸秆干发酵的pH值，从而提高秸秆干发酵的产气率。

由图4和图5可知，由于前期加入含有大量厌氧发酵菌种的尾菜沼液，所以A组和B组的启动时间分别提高为1 d和2 d，全桂香[14]等研究的沼气秸秆干发酵快速启动，堆沤时间为6 d的秸秆最快启动时间为1 d，但本试验节省了入池前的堆沤时间。

A和B两组实验发酵周期为50天，从第25天开始，产气量有所下降，所以将沼液浸泡时间增加至24 h。A组前期产气速率较快，在第7 d达到产气最高峰，发酵周期35天后产气量低于1000 mL，B组产气率变化较为平缓，在第6天达到产气最高峰，发酵周期45天后产气量低于1000 mL。所以A组的产气最高峰比B组的慢1 d，但1000 mL以上的产气高峰期比B组的快10天。

在50天的发酵周期内，A组累计产气量为156310 mL，TS产气率为334.26 mL·g-1，B组累计产气量为140855 mL，TS产气率为316.39 mL·g-1。A组TS产气率比B组高5.65%。

A组pH值在前期较为稳定，B组前期pH值出现下降，所以菌种的添加有利于前期挥发酸的分解，防止酸化现象的发生。由于每天都添加高pH值的尾菜沼液，使得在正常产气阶段，A组和B组pH值介于7.0～7.5范围内，解决了秸秆干发酵存在的前期易酸化的难题，在发酵接近45天时，pH值直线上升，主要原因是发酵接近结束，大部分有机物完成降解，此时加入的尾菜沼液pH值仍然是8.0，所以导致干发酵系统pH值上升。

所以利用尾菜沼液作为菌源，对秸秆干发酵进行喷淋和浸泡，明显缩短了秸秆干发酵的发酵周期，提高了秸秆干发酵的产气率，同时在秸秆干发酵中添加畜禽粪便补充了氮源，有利于加快发酵速率提高产气率。

图4 A组产气量

图5 B组产气量

3 结论

(1)尾菜厌氧发酵在发酵温度为35℃时，最大负荷为3.2kg·m-3d-1TS，容积产气率为2.72 m3·m-3d-1，通过添加微量元素，补充尾菜中缺少的微量元素[15]，有利于提高产气率。

(2)通过尾菜沼液喷淋和浸泡，秸秆干发酵启动时间提高至1 d，TS产气率达到了334.26 mL·g-1，产气高峰期缩短至40天，有效提高了秸秆干发酵的产气率，缩短了产气周期。

(3)采用尾菜和秸秆干发酵两级联合厌氧发酵工艺，验证了利用厌氧发酵的方法处理尾菜的可行性，同时可利用低TS浓度的尾菜沼液解决秸秆干发酵前期挥发酸积累和物质传递的难题，大大提高了秸秆干发酵的产气率，缩短了秸秆干发酵的产气周期，可为今后处理尾菜和秸秆提供参考依据。