不同添加剂对青贮玉米秸秆厌氧消化产气特性的影响

马文鹏，任海伟，许 建，党建磊，刘德江

(1.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 831100；2.兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学西部能源与环境研究中心，甘肃 兰州 730050；4.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃 兰州 730050)

我国是农业大国，作物秸秆资源量丰富，根据中国国家统计年鉴，2018年我国玉米产量为25717.39万吨[1]，根据玉米秸秆谷草比2.0[2]计算可得2018玉米秸秆总产量约为51434.78万吨。我国玉米秸秆的综合利用率仅为63.1%[3]，仍有相当一部分秸秆被焚烧或废弃，造成环境污染和资源浪费。厌氧发酵产沼气技术是处理作物秸秆的有效途径，既能生产沼气用于发电、供热，又能减轻环境污染，一举多得。然而，由于秸秆的季节性收获特点，需要对其进行跨季节贮存从而实现可持续原料供给。以青贮为代表的湿法贮存技术能实现秸秆长时间保存。

目前，国内外的学者对青贮作物在沼气生产中的应用做了广泛研究，结果表明，青贮作物在部分条件下能明显提高沼气产量[4]。夏益华[5]在水葫芦与稻秸混合连续厌氧消化试验中发现，青贮稻秆累积产气率提升67.30%，甲烷产率增加138.50%。高瑞芳[6]等对不同品种的青贮玉米秸秆研究中发现，高油5580玉米秸秆青贮后产气特性最佳。本课题组也发现与干玉米秸秆相比，青贮秸秆的累积产气量和TS/VS产甲烷量分别提高了4.78%，39.93%和41.83%[7]。同时，混合物料的厌氧发酵研究也受到了国内外的广泛关注。混合燃料协同厌氧消化不仅能提高产甲烷速率、累计甲烷产量和VS降解率等[8-9]，还能提高营养物的平衡和增强微生物的协同效应，进而提高有机质厌氧转化效率[10]。因此厌氧发酵研究发展的趋势是两种或两种以上物料混合厌氧发酵[11]。

本文以不同添加剂青贮玉米秸秆为原料，研究比较不同添加剂对青贮玉米秸秆厌氧消化特性的影响，通过考查产气性能和发酵液性质来筛选最适宜发酵的青贮秸秆，为秸秆沼气工程设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

牛粪：取自兰州市七里河区晏家坪农户养殖场。接种物：本试验室中试厌氧发酵后的沼液，试验前加入新鲜牛粪(牛粪与沼液质量比1∶10)密封中温驯化15 d制得接种物。风干玉米秸秆取自兰州市榆中县，经机械粉碎至2 cm左右备用。不同添加剂调控的青贮秸秆为实验室自制，主要成分如表1所示[12]。

表1 不同添加剂青贮玉米秸秆的基本性质

1.2 仪器与器材

试验采用可控型恒温发酵装置，如图1所示。装置主要由加热水箱、温控仪、有效容积为7.5 L的圆柱形304不锈钢发酵罐(高径比为1∶1)和集气装置等组成，该装置的发酵罐与环境绝热，发酵罐温度通过调节循环加热水箱的流水速度进行精确控制，温度用精度为±0.1℃的Pt100铂电阻测量。

1.温控仪；2.保温层；3 ～ 6.发酵罐；7.数据采集仪；8.计算机；9.沼气分析仪；10.储水桶；11.储气罐；12.内水箱；13.电磁阀；14.热水泵；15.恒温水箱；16.加热丝；17.温度传感器

1.3 实验设计

批式厌氧消化试验进料总质量为4000 g，进料TS浓度为10%，接种量为30%，牛粪和玉米秸秆添加比例为TS比7∶3[13]，余量用蒸馏水补足，摇匀后填料体积约为4 L，具体添加量如表2所示。37℃±1℃中温发酵，每日摇振3次，每次持续1 min，以连续3 d不再产气为试验结束，每组设置3个平行，CK组添加相同质量的接种物。每天定时测定并记录日产气量，pH值，气体成分，间隔5天取适量消化液分析COD，氨氮，VFAs等指标，发酵结束后分离沼液和沼渣，封存待测。

表2 各发酵处理组的底物和接种物添加量 (g)

1.4 测量指标与测定方法

1.5 混合原料产气潜力分析

采用 Gompertz 方程对产气过程进行拟合，求解发酵系统产沼气过程的动力学参数[14]。

式中：y为t天沼气累积产气量，L；A为产沼气的潜力，L；V为最大产气速率，L·d-1；T为延迟时间，d；t为发酵的时间，d；e为2.71828。

2 结果与分析

2.1 不同生物添加剂对青贮玉米秸秆产气特性的影响

2.1.1 日产气量

不同的青贮玉米秸秆影响混合原料厌氧发酵过程中产气性能和启动速度。图2是不同青贮玉米秸秆的日产气量随时间的变化。从图中我们可以看出，各处理组都能在第1天开始产气，这是由于经过驯化的接种污泥中含有大量的产甲烷菌，可以与混合原料接触迅速发生反应开始正常产气，并且ME组第1天产气量最多为0.24 L·d-1。

图2 不同青贮秸秆的日产气量

不同处理组秸秆进入发酵体系后，总体表现出相似的变化趋势，分别在第2～5天和第19～24天均出现明显的产甲烷高峰，57天后5个处理组产气全部停止。第1波小高峰出现原因是牛粪和玉米秸秆中容易被降解的糖类有机物经过水解、酸化阶段形成的可挥发性脂肪酸反应生成甲烷达到。第2次波峰出现的原因是由于玉米秸秆中难以降解的纤维素、半纤维素开始降解产甲烷。此时，PA组的产气量最高峰值为8.40 L·d-1，DC组的产期最高峰为7.61 L·d-1，ME组的产期量最高峰为7.76 L·d-1，CB组的产期最高峰为5.21 L·d-1，LB组的产期最高峰为7.57 L·d-1。PA日产气量最大且PA组的日产气速率最大。

2.1.2 甲烷体积分数

甲烷体积分数反映了产气品质的优劣。从图3可以看出在整个发酵周期中，PA组的甲烷体积分数最早达到50 %，认为厌氧消化实验启动，启动时间为第17天。除PA组维持启动时间为23 d外(占整个周期的41.07 %)，其余添加剂处理组维持启动时间均低于DC组，这可能是由于添加剂异常比赤酵母可以更深层次地破坏玉米秸秆的纤维结构，使产甲烷菌能够在厌氧消化中后期保持高效分裂繁殖，进而维持更长的启动状态。

图3 不同青贮秸秆的甲烷体积分数

由图3可知，5个处理组的甲烷体积分数均呈现先升高后波动下降的趋势，在发酵初期1～10 d，4个青贮秸秆处理组的甲烷体积分数均明显高于DC组，这是因为秸秆在青贮过程中部分木质纤维被降解为小分子有机物[15]，在发酵初期有助于提升甲烷体积分数。5个处理组甲烷的平均体积分数从高到低分别为，PA组53.40 %，DC组52.35 %，ME组51.96 %，LB组50.28 %，CB组48.98 %，除CB组为48.98%外，其余处理组的平均甲烷体积分数均大于50%。因此，青贮可以提高秸秆的消化率。

2.1.3 累积产气量和累积产甲烷量

由图4和图5可知，5个处理组的累积产气量和产甲烷量均呈现“缓慢增长—快速增加—稳定平衡”三阶段。在厌氧消化试验前9～10 d，所有处理组的总产气量均很低，且变动趋势平缓，这可能与青贮原料的酸性特性及产甲烷菌尚未适应有直接关系。第10天左右开始到第43～46天快速增加期基本结束，从图中看是LB和ME增速最快，PA最慢，LB组累积甲烷产量最高，CB累积产气量最高。

图4 不同青贮秸秆累积产气量

图5 不同青贮秸秆累积产甲烷量

期间各处理组日增长率均大于1%。而增长率最大出现在DC组，在第18天增长率最高为37.07%；从46 d左右到56 d反应结束，曲线进入稳定期，沼气产生量仅占整个发酵周期总产量的3%～5.98%。累积产气量方面，CB和ME组均高于DC对照组，分别为167.95 L和161.55 L。

各个添加剂处理组在甲烷累积产量方面均有不同程度下降，ME组略低于DC组，但高于添加剂处理组，表明在长期贮存条件下，不同添加剂在青贮过程均会对玉米秸秆的养分造成一定的损耗。但在添加剂青贮组中，较DC组下降幅度最大的LB处理组，也仅下降约6.51%，表明添加剂青贮对玉米秸秆厌氧消化特性的保存能力相当优秀。日均产气量方面，与DC组相比，CB组为3.00 L·d-1，高出DC组4.23%；ME组与DC组基本相同，LB和PA组则较DC组分别降低2.67%和2.94%，但考虑到漫长的青贮过程，青贮玉米秸秆的产气特性得到了极大程度的保留。青贮玉米秸秆和对照组DC在累积产气量和甲烷累积产量方面差异不明显，表明青贮过程对玉米秸秆的营养成分保存效果极好。

2.2 添加剂对青贮玉米秸秆厌氧消化系统稳定性的影响

由图6可知，不同形态的营养物质在被消化利用之前都会经历水解酸化才会转化为易于被微生物直接应用的小分子有机物，随后在不同发酵细菌的作用下进一步转化为长链脂肪酸、多肽和短链多醣等。在水解酸化阶段pH值的变动受到产酸细菌的活性和数量的直接影响，同时有机物转化为挥发性脂肪酸的程度也起到一定作用[16]。一般来说，厌氧消化产甲烷最适pH值为6.8～7.2，当系统pH值小于6.5或者大于8.2时，产甲烷菌的生存和繁殖受到明显抑制，从而使整个厌氧消化过程受到致命的影响[17]。青贮过程使玉米秸秆积累了大量有机酸，容易造成局部酸化，进而导致发酵周期被延长，甚至破坏整个反应体系[18]。

图6 不同青贮秸秆的pH值

2.2.1 pH值变化

在试验初期，所有添加剂处理组的pH值均远低于6.5，且波动频繁虽然多次人工干预发酵系统的pH值走向，但部分处理组(如CB，LB和PA组均不止一次出现严重酸化，使整个发酵系统无法正常启动，其中LB组波动最大，次数最多)依然呈现较大的波动，即发酵系统在发酵前期十分不稳定，这可能与青贮原料固有特性如青贮玉米秸秆pH值较低，及原料的被快速水解酸化导致VFAs迅速积累，而同时期较低浓度碱度和氨氮却不能很好的缓冲，直接导致了适应能力更强的产酸菌大量繁殖，而产甲烷菌受到了极大地抑制(第0～9天左右)，但长时期的酸性环境也可能催生了产甲烷菌的适应或进化，在厌氧消化中期(第10～24天左右)的爆发性增长，同样爆发性分裂繁殖也导致了VFAs的快速消耗和后期(第43～56天)日产气量的急速降低。DC对照组虽然在厌氧消化初期也出现过一定程度的波动(第12～16天持续出现最低值，pH值6.6 ± 0.1)，但并未低于6.5，即产甲烷菌依然可以维持整个系统的进行。

2.2.2 氨氮的变化

图7 不同青贮秸秆的氨氮变化

整个发酵周期同时出现了高浓度VFAs和高浓度的氨态氮，与陈莹[24]等的试验结果相似，均表现出“抑制型稳态”，即极端的酸性环境抑制了产甲烷菌的生存和代谢，虽然系统勉强维持稳定，但甲烷产率较低。当VFAs浓度高达16000 mg·L-1，同时氨氮浓度超过1000 mg·L-1并保持上升趋势，较高的氨氮和VFAs浓度与pH值之间相互作用形成“抑制型稳态”，抑制了产甲烷菌的代谢，虽然系统运行稳定，但甲烷产率低下[25]。

2.2.3 COD的变化

COD是表征发酵体系中各菌系能源多寡的重要指标，COD浓度越高，发酵体系中有机物质浓度越高，越有利于各菌系的分裂繁殖。由图8可知，包括对照组在内的5个处理组的COD浓度均随消化时间的推移呈先增加后减小的趋势：各处理组在15 d左右出现了不同程度的峰值，其中ME处理组最高(59.49 g·L-1)，PA组最低(45.48 g·L-1)，表明不同的青贮添加剂对玉米秸秆的保存能力不同，但由于贮存过程中玉米秸秆的营养成分会有一定程度的损耗；当水解产酸阶段转为产甲烷阶段时，水溶性有机质的产生速率小于其消耗速率，COD浓度随之下降，第16～45天期间，各处理组的COD浓度均表现为波动下降，期间CB组消解率最高为75.15 %，PA处理组最低为53.98 %，较对照组分别提高16.35 %和下降24.28 %；从第45～50天，COD浓度同VFAs的变化趋势相似，表现为略有回升，这一现象的出现与VFAs浓度变化的原因相似，均是由被木质素包裹的纤维素或半纤维素的释放所引起。

图8 不同青贮秸秆COD的变化

2.2.4 VFAs的变化

挥发性脂肪酸(VFAs)主要源于水解后的高级挥发性脂肪酸通过微生物酸化和脱氢作用，是厌氧消化过程的重要中间产物，也是甲烷菌最重要的底物。VFAs包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、己酸等，专性的产氢产乙酸菌(如沃林互营杆菌等)将其再次分解成 CO2，H2及乙酸[25]，但CO2和H2也会在同型乙酸菌的作用下合成乙酸。

Vieitez[26]等试验发现当VFAs低于10 g·L-1时，产甲烷菌可以正常存活，但高于13 g·L-1的VFAs却会阻碍产甲烷菌的繁殖，如图9所示，CB和PA组在试验初期均出现过极高浓度VFAs，而且在发酵前15 d，除DC组外，其余处理组的VFAs浓度均处于10～13 g·L-1之间，即发酵系统酸化严重，在没有人工干涉并预处理的前提下，不适宜作为厌氧消化试验的原料。产甲烷菌受到底物的刺激及环境pH值的恢复，从发酵的第16天左右开始，大量繁殖的产甲烷菌将发酵系统中的VFAs转化为甲烷，与图4～6所显示的变化相符，整个发酵系统步入发酵巅峰。随着易于被消化吸收的营养物质的减少，各处理组的VFAs浓度在试验25 d左右降至低谷，但由于青贮玉米秸秆的纤维表面也受到了不同程度的破损，这些破损为产甲烷菌带来了新的能源，故在试验25～30 d各处理组的VFAs均有不同程度的回升。统观整个发酵周期，各处理组的VFAs浓度均有不同程度的降低，其中CB组降解率最高为61.27%，与累积甲烷产量相符。

图9 不同青贮秸秆的VFAs的变化

2.3 厌氧消化动力学分析

厌氧消化过程的动力学模型通常被用作厌氧消化工艺参数的评估和厌氧消化反应器的设计，在了解厌氧消化抑制因子等方面的帮助。研究表明，生物质原料的消化降解过程遵循一级动力学相关原理[27]。将青贮原料和DC组厌氧消化试验所得的相关数据换算后带入Gompertz方程，得到拟合情况如表3。

由表3易得，5个处理组的R2均高于0.99，即Gompertz方程对所有处理组均有相当高的拟合度。PA组的迟滞期略高于DC组，其余处理组的迟滞期均低于DC对照组。最大产甲烷速率除CB组和PA组略小于或等于DC组外，其余处理组的拟合结果均表明青贮玉米秸秆具有不低于DC组的产甲烷能力，而这一结论与理论甲烷产率的拟合比较吻合。

表3 Gompertz方程对干黄玉米秸秆/青贮玉米秸秆的拟合

综合Gompertz方程拟合结果和试验数据可知，青贮玉米秸秆的产甲烷潜力与DC组相近，且在延滞期、最大产甲烷速率等方面有待提升或优化，其中添加剂CB实验组的综合效果最佳，最大甲烷累积产量约为176.10 L，最大产甲烷速率约为6.38 L·d-1，延滞期约为12 d(见图10)。

图10 累积产气量拟合曲线

3 结 论

各青贮组的产气量及产甲烷量有所不同，但在整体上青贮对玉米秸秆产气特性的保存有积极作用。青贮过程并没有降低玉米秸秆的厌氧消化产气特性，甚至在产气和产甲烷等方面还略有提高。通过Gompertz 方程的拟合，CB组最大产气量约为176.10 L，最大产甲烷速率约为6.38 L·d-1，延滞期约为12 d，厌氧消化试验综合效果最佳。