馬文鵬，任海偉，許 建，黨建磊，劉德江

(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100；2.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，甘肅 蘭州 730050；4.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室，甘肅 蘭州 730050)

我國是農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈資源量豐富，根據(jù)中國國家統(tǒng)計年鑒，2018年我國玉米產(chǎn)量為25717.39萬噸[1]，根據(jù)玉米秸稈谷草比2.0[2]計算可得2018玉米秸稈總產(chǎn)量約為51434.78萬噸。我國玉米秸稈的綜合利用率僅為63.1%[3]，仍有相當(dāng)一部分秸稈被焚燒或廢棄，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)是處理作物秸稈的有效途徑，既能生產(chǎn)沼氣用于發(fā)電、供熱，又能減輕環(huán)境污染，一舉多得。然而，由于秸稈的季節(jié)性收獲特點(diǎn)，需要對其進(jìn)行跨季節(jié)貯存從而實現(xiàn)可持續(xù)原料供給。以青貯為代表的濕法貯存技術(shù)能實現(xiàn)秸稈長時間保存。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者對青貯作物在沼氣生產(chǎn)中的應(yīng)用做了廣泛研究，結(jié)果表明，青貯作物在部分條件下能明顯提高沼氣產(chǎn)量[4]。夏益華[5]在水葫蘆與稻秸混合連續(xù)厭氧消化試驗中發(fā)現(xiàn)，青貯稻稈累積產(chǎn)氣率提升67.30%，甲烷產(chǎn)率增加138.50%。高瑞芳[6]等對不同品種的青貯玉米秸稈研究中發(fā)現(xiàn)，高油5580玉米秸稈青貯后產(chǎn)氣特性最佳。本課題組也發(fā)現(xiàn)與干玉米秸稈相比，青貯秸稈的累積產(chǎn)氣量和TS/VS產(chǎn)甲烷量分別提高了4.78%，39.93%和41.83%[7]。同時，混合物料的厭氧發(fā)酵研究也受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注?；旌先剂蠀f(xié)同厭氧消化不僅能提高產(chǎn)甲烷速率、累計甲烷產(chǎn)量和VS降解率等[8-9]，還能提高營養(yǎng)物的平衡和增強(qiáng)微生物的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而提高有機(jī)質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化效率[10]。因此厭氧發(fā)酵研究發(fā)展的趨勢是兩種或兩種以上物料混合厭氧發(fā)酵[11]。

本文以不同添加劑青貯玉米秸稈為原料，研究比較不同添加劑對青貯玉米秸稈厭氧消化特性的影響，通過考查產(chǎn)氣性能和發(fā)酵液性質(zhì)來篩選最適宜發(fā)酵的青貯秸稈，為秸稈沼氣工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

牛糞：取自蘭州市七里河區(qū)晏家坪農(nóng)戶養(yǎng)殖場。接種物：本試驗室中試厭氧發(fā)酵后的沼液，試驗前加入新鮮牛糞(牛糞與沼液質(zhì)量比1∶10)密封中溫馴化15 d制得接種物。風(fēng)干玉米秸稈取自蘭州市榆中縣，經(jīng)機(jī)械粉碎至2 cm左右備用。不同添加劑調(diào)控的青貯秸稈為實驗室自制，主要成分如表1所示[12]。

表1 不同添加劑青貯玉米秸稈的基本性質(zhì)

1.2 儀器與器材

試驗采用可控型恒溫發(fā)酵裝置，如圖1所示。裝置主要由加熱水箱、溫控儀、有效容積為7.5 L的圓柱形304不銹鋼發(fā)酵罐(高徑比為1∶1)和集氣裝置等組成，該裝置的發(fā)酵罐與環(huán)境絕熱，發(fā)酵罐溫度通過調(diào)節(jié)循環(huán)加熱水箱的流水速度進(jìn)行精確控制，溫度用精度為±0.1℃的Pt100鉑電阻測量。

1.溫控儀；2.保溫層；3 ～ 6.發(fā)酵罐；7.數(shù)據(jù)采集儀；8.計算機(jī)；9.沼氣分析儀；10.儲水桶；11.儲氣罐；12.內(nèi)水箱；13.電磁閥；14.熱水泵；15.恒溫水箱；16.加熱絲；17.溫度傳感器

1.3 實驗設(shè)計

批式厭氧消化試驗進(jìn)料總質(zhì)量為4000 g，進(jìn)料TS濃度為10%，接種量為30%，牛糞和玉米秸稈添加比例為TS比7∶3[13]，余量用蒸餾水補(bǔ)足，搖勻后填料體積約為4 L，具體添加量如表2所示。37℃±1℃中溫發(fā)酵，每日搖振3次，每次持續(xù)1 min，以連續(xù)3 d不再產(chǎn)氣為試驗結(jié)束，每組設(shè)置3個平行，CK組添加相同質(zhì)量的接種物。每天定時測定并記錄日產(chǎn)氣量，pH值，氣體成分，間隔5天取適量消化液分析COD，氨氮，VFAs等指標(biāo)，發(fā)酵結(jié)束后分離沼液和沼渣，封存待測。

表2 各發(fā)酵處理組的底物和接種物添加量 (g)

1.4 測量指標(biāo)與測定方法

1.5 混合原料產(chǎn)氣潛力分析

采用 Gompertz 方程對產(chǎn)氣過程進(jìn)行擬合，求解發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)沼氣過程的動力學(xué)參數(shù)[14]。

式中：y為t天沼氣累積產(chǎn)氣量，L；A為產(chǎn)沼氣的潛力，L；V為最大產(chǎn)氣速率，L·d-1；T為延遲時間，d；t為發(fā)酵的時間，d；e為2.71828。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物添加劑對青貯玉米秸稈產(chǎn)氣特性的影響

2.1.1 日產(chǎn)氣量

不同的青貯玉米秸稈影響混合原料厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣性能和啟動速度。圖2是不同青貯玉米秸稈的日產(chǎn)氣量隨時間的變化。從圖中我們可以看出，各處理組都能在第1天開始產(chǎn)氣，這是由于經(jīng)過馴化的接種污泥中含有大量的產(chǎn)甲烷菌，可以與混合原料接觸迅速發(fā)生反應(yīng)開始正常產(chǎn)氣，并且ME組第1天產(chǎn)氣量最多為0.24 L·d-1。

圖2 不同青貯秸稈的日產(chǎn)氣量

不同處理組秸稈進(jìn)入發(fā)酵體系后，總體表現(xiàn)出相似的變化趨勢，分別在第2～5天和第19～24天均出現(xiàn)明顯的產(chǎn)甲烷高峰，57天后5個處理組產(chǎn)氣全部停止。第1波小高峰出現(xiàn)原因是牛糞和玉米秸稈中容易被降解的糖類有機(jī)物經(jīng)過水解、酸化階段形成的可揮發(fā)性脂肪酸反應(yīng)生成甲烷達(dá)到。第2次波峰出現(xiàn)的原因是由于玉米秸稈中難以降解的纖維素、半纖維素開始降解產(chǎn)甲烷。此時，PA組的產(chǎn)氣量最高峰值為8.40 L·d-1，DC組的產(chǎn)期最高峰為7.61 L·d-1，ME組的產(chǎn)期量最高峰為7.76 L·d-1，CB組的產(chǎn)期最高峰為5.21 L·d-1，LB組的產(chǎn)期最高峰為7.57 L·d-1。PA日產(chǎn)氣量最大且PA組的日產(chǎn)氣速率最大。

2.1.2 甲烷體積分?jǐn)?shù)

甲烷體積分?jǐn)?shù)反映了產(chǎn)氣品質(zhì)的優(yōu)劣。從圖3可以看出在整個發(fā)酵周期中，PA組的甲烷體積分?jǐn)?shù)最早達(dá)到50 %，認(rèn)為厭氧消化實驗啟動，啟動時間為第17天。除PA組維持啟動時間為23 d外(占整個周期的41.07 %)，其余添加劑處理組維持啟動時間均低于DC組，這可能是由于添加劑異常比赤酵母可以更深層次地破壞玉米秸稈的纖維結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)甲烷菌能夠在厭氧消化中后期保持高效分裂繁殖，進(jìn)而維持更長的啟動狀態(tài)。

圖3 不同青貯秸稈的甲烷體積分?jǐn)?shù)

由圖3可知，5個處理組的甲烷體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先升高后波動下降的趨勢，在發(fā)酵初期1～10 d，4個青貯秸稈處理組的甲烷體積分?jǐn)?shù)均明顯高于DC組，這是因為秸稈在青貯過程中部分木質(zhì)纖維被降解為小分子有機(jī)物[15]，在發(fā)酵初期有助于提升甲烷體積分?jǐn)?shù)。5個處理組甲烷的平均體積分?jǐn)?shù)從高到低分別為，PA組53.40 %，DC組52.35 %，ME組51.96 %，LB組50.28 %，CB組48.98 %，除CB組為48.98%外，其余處理組的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)均大于50%。因此，青貯可以提高秸稈的消化率。

2.1.3 累積產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)甲烷量

由圖4和圖5可知，5個處理組的累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量均呈現(xiàn)“緩慢增長—快速增加—穩(wěn)定平衡”三階段。在厭氧消化試驗前9～10 d，所有處理組的總產(chǎn)氣量均很低，且變動趨勢平緩，這可能與青貯原料的酸性特性及產(chǎn)甲烷菌尚未適應(yīng)有直接關(guān)系。第10天左右開始到第43～46天快速增加期基本結(jié)束，從圖中看是LB和ME增速最快，PA最慢，LB組累積甲烷產(chǎn)量最高，CB累積產(chǎn)氣量最高。

圖4 不同青貯秸稈累積產(chǎn)氣量

圖5 不同青貯秸稈累積產(chǎn)甲烷量

期間各處理組日增長率均大于1%。而增長率最大出現(xiàn)在DC組，在第18天增長率最高為37.07%；從46 d左右到56 d反應(yīng)結(jié)束，曲線進(jìn)入穩(wěn)定期，沼氣產(chǎn)生量僅占整個發(fā)酵周期總產(chǎn)量的3%～5.98%。累積產(chǎn)氣量方面，CB和ME組均高于DC對照組，分別為167.95 L和161.55 L。

各個添加劑處理組在甲烷累積產(chǎn)量方面均有不同程度下降，ME組略低于DC組，但高于添加劑處理組，表明在長期貯存條件下，不同添加劑在青貯過程均會對玉米秸稈的養(yǎng)分造成一定的損耗。但在添加劑青貯組中，較DC組下降幅度最大的LB處理組，也僅下降約6.51%，表明添加劑青貯對玉米秸稈厭氧消化特性的保存能力相當(dāng)優(yōu)秀。日均產(chǎn)氣量方面，與DC組相比，CB組為3.00 L·d-1，高出DC組4.23%；ME組與DC組基本相同，LB和PA組則較DC組分別降低2.67%和2.94%，但考慮到漫長的青貯過程，青貯玉米秸稈的產(chǎn)氣特性得到了極大程度的保留。青貯玉米秸稈和對照組DC在累積產(chǎn)氣量和甲烷累積產(chǎn)量方面差異不明顯，表明青貯過程對玉米秸稈的營養(yǎng)成分保存效果極好。

2.2 添加劑對青貯玉米秸稈厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

由圖6可知，不同形態(tài)的營養(yǎng)物質(zhì)在被消化利用之前都會經(jīng)歷水解酸化才會轉(zhuǎn)化為易于被微生物直接應(yīng)用的小分子有機(jī)物，隨后在不同發(fā)酵細(xì)菌的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為長鏈脂肪酸、多肽和短鏈多醣等。在水解酸化階段pH值的變動受到產(chǎn)酸細(xì)菌的活性和數(shù)量的直接影響，同時有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸的程度也起到一定作用[16]。一般來說，厭氧消化產(chǎn)甲烷最適pH值為6.8～7.2，當(dāng)系統(tǒng)pH值小于6.5或者大于8.2時，產(chǎn)甲烷菌的生存和繁殖受到明顯抑制，從而使整個厭氧消化過程受到致命的影響[17]。青貯過程使玉米秸稈積累了大量有機(jī)酸，容易造成局部酸化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)酵周期被延長，甚至破壞整個反應(yīng)體系[18]。

圖6 不同青貯秸稈的pH值

2.2.1 pH值變化

在試驗初期，所有添加劑處理組的pH值均遠(yuǎn)低于6.5，且波動頻繁雖然多次人工干預(yù)發(fā)酵系統(tǒng)的pH值走向，但部分處理組(如CB，LB和PA組均不止一次出現(xiàn)嚴(yán)重酸化，使整個發(fā)酵系統(tǒng)無法正常啟動，其中LB組波動最大，次數(shù)最多)依然呈現(xiàn)較大的波動，即發(fā)酵系統(tǒng)在發(fā)酵前期十分不穩(wěn)定，這可能與青貯原料固有特性如青貯玉米秸稈pH值較低，及原料的被快速水解酸化導(dǎo)致VFAs迅速積累，而同時期較低濃度堿度和氨氮卻不能很好的緩沖，直接導(dǎo)致了適應(yīng)能力更強(qiáng)的產(chǎn)酸菌大量繁殖，而產(chǎn)甲烷菌受到了極大地抑制(第0～9天左右)，但長時期的酸性環(huán)境也可能催生了產(chǎn)甲烷菌的適應(yīng)或進(jìn)化，在厭氧消化中期(第10～24天左右)的爆發(fā)性增長，同樣爆發(fā)性分裂繁殖也導(dǎo)致了VFAs的快速消耗和后期(第43～56天)日產(chǎn)氣量的急速降低。DC對照組雖然在厭氧消化初期也出現(xiàn)過一定程度的波動(第12～16天持續(xù)出現(xiàn)最低值，pH值6.6 ± 0.1)，但并未低于6.5，即產(chǎn)甲烷菌依然可以維持整個系統(tǒng)的進(jìn)行。

2.2.2 氨氮的變化

圖7 不同青貯秸稈的氨氮變化

整個發(fā)酵周期同時出現(xiàn)了高濃度VFAs和高濃度的氨態(tài)氮，與陳瑩[24]等的試驗結(jié)果相似，均表現(xiàn)出“抑制型穩(wěn)態(tài)”，即極端的酸性環(huán)境抑制了產(chǎn)甲烷菌的生存和代謝，雖然系統(tǒng)勉強(qiáng)維持穩(wěn)定，但甲烷產(chǎn)率較低。當(dāng)VFAs濃度高達(dá)16000 mg·L-1，同時氨氮濃度超過1000 mg·L-1并保持上升趨勢，較高的氨氮和VFAs濃度與pH值之間相互作用形成“抑制型穩(wěn)態(tài)”，抑制了產(chǎn)甲烷菌的代謝，雖然系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但甲烷產(chǎn)率低下[25]。

2.2.3 COD的變化

COD是表征發(fā)酵體系中各菌系能源多寡的重要指標(biāo)，COD濃度越高，發(fā)酵體系中有機(jī)物質(zhì)濃度越高，越有利于各菌系的分裂繁殖。由圖8可知，包括對照組在內(nèi)的5個處理組的COD濃度均隨消化時間的推移呈先增加后減小的趨勢：各處理組在15 d左右出現(xiàn)了不同程度的峰值，其中ME處理組最高(59.49 g·L-1)，PA組最低(45.48 g·L-1)，表明不同的青貯添加劑對玉米秸稈的保存能力不同，但由于貯存過程中玉米秸稈的營養(yǎng)成分會有一定程度的損耗；當(dāng)水解產(chǎn)酸階段轉(zhuǎn)為產(chǎn)甲烷階段時，水溶性有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生速率小于其消耗速率，COD濃度隨之下降，第16～45天期間，各處理組的COD濃度均表現(xiàn)為波動下降，期間CB組消解率最高為75.15 %，PA處理組最低為53.98 %，較對照組分別提高16.35 %和下降24.28 %；從第45～50天，COD濃度同VFAs的變化趨勢相似，表現(xiàn)為略有回升，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與VFAs濃度變化的原因相似，均是由被木質(zhì)素包裹的纖維素或半纖維素的釋放所引起。

圖8 不同青貯秸稈COD的變化

2.2.4 VFAs的變化

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)主要源于水解后的高級揮發(fā)性脂肪酸通過微生物酸化和脫氫作用，是厭氧消化過程的重要中間產(chǎn)物，也是甲烷菌最重要的底物。VFAs包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、己酸等，專性的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌(如沃林互營桿菌等)將其再次分解成 CO2，H2及乙酸[25]，但CO2和H2也會在同型乙酸菌的作用下合成乙酸。

Vieitez[26]等試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)VFAs低于10 g·L-1時，產(chǎn)甲烷菌可以正常存活，但高于13 g·L-1的VFAs卻會阻礙產(chǎn)甲烷菌的繁殖，如圖9所示，CB和PA組在試驗初期均出現(xiàn)過極高濃度VFAs，而且在發(fā)酵前15 d，除DC組外，其余處理組的VFAs濃度均處于10～13 g·L-1之間，即發(fā)酵系統(tǒng)酸化嚴(yán)重，在沒有人工干涉并預(yù)處理的前提下，不適宜作為厭氧消化試驗的原料。產(chǎn)甲烷菌受到底物的刺激及環(huán)境pH值的恢復(fù)，從發(fā)酵的第16天左右開始，大量繁殖的產(chǎn)甲烷菌將發(fā)酵系統(tǒng)中的VFAs轉(zhuǎn)化為甲烷，與圖4～6所顯示的變化相符，整個發(fā)酵系統(tǒng)步入發(fā)酵巔峰。隨著易于被消化吸收的營養(yǎng)物質(zhì)的減少，各處理組的VFAs濃度在試驗25 d左右降至低谷，但由于青貯玉米秸稈的纖維表面也受到了不同程度的破損，這些破損為產(chǎn)甲烷菌帶來了新的能源，故在試驗25～30 d各處理組的VFAs均有不同程度的回升。統(tǒng)觀整個發(fā)酵周期，各處理組的VFAs濃度均有不同程度的降低，其中CB組降解率最高為61.27%，與累積甲烷產(chǎn)量相符。

圖9 不同青貯秸稈的VFAs的變化

2.3 厭氧消化動力學(xué)分析

厭氧消化過程的動力學(xué)模型通常被用作厭氧消化工藝參數(shù)的評估和厭氧消化反應(yīng)器的設(shè)計，在了解厭氧消化抑制因子等方面的幫助。研究表明，生物質(zhì)原料的消化降解過程遵循一級動力學(xué)相關(guān)原理[27]。將青貯原料和DC組厭氧消化試驗所得的相關(guān)數(shù)據(jù)換算后帶入Gompertz方程，得到擬合情況如表3。

由表3易得，5個處理組的R2均高于0.99，即Gompertz方程對所有處理組均有相當(dāng)高的擬合度。PA組的遲滯期略高于DC組，其余處理組的遲滯期均低于DC對照組。最大產(chǎn)甲烷速率除CB組和PA組略小于或等于DC組外，其余處理組的擬合結(jié)果均表明青貯玉米秸稈具有不低于DC組的產(chǎn)甲烷能力，而這一結(jié)論與理論甲烷產(chǎn)率的擬合比較吻合。

表3 Gompertz方程對干黃玉米秸稈/青貯玉米秸稈的擬合

綜合Gompertz方程擬合結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)可知，青貯玉米秸稈的產(chǎn)甲烷潛力與DC組相近，且在延滯期、最大產(chǎn)甲烷速率等方面有待提升或優(yōu)化，其中添加劑CB實驗組的綜合效果最佳，最大甲烷累積產(chǎn)量約為176.10 L，最大產(chǎn)甲烷速率約為6.38 L·d-1，延滯期約為12 d(見圖10)。

圖10 累積產(chǎn)氣量擬合曲線

3 結(jié) 論

各青貯組的產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷量有所不同，但在整體上青貯對玉米秸稈產(chǎn)氣特性的保存有積極作用。青貯過程并沒有降低玉米秸稈的厭氧消化產(chǎn)氣特性，甚至在產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷等方面還略有提高。通過Gompertz 方程的擬合，CB組最大產(chǎn)氣量約為176.10 L，最大產(chǎn)甲烷速率約為6.38 L·d-1，延滯期約為12 d，厭氧消化試驗綜合效果最佳。