芦苇、牛粪、有机垃圾多物料厌氧发酵产沼气性能研究

高奔 姚利 韩迪 王鑫华 王艳芹 付龙云

摘要：在发酵原料TS固定的情况下，研究了有机生活垃圾与芦苇、牛粪以0∶2∶l、l∶0.5∶1.5、l∶l∶l、l∶1.5∶0.5和1：2：0不同配比对厌氧发酵产沼气性能的影响。结果表明，对于芦苇来说，与有机垃圾和牛粪三物料混合发酵优于与有机垃圾或牛粪双物料混合发酵，三者比例为l∶0.5∶1.5的组合产气效果最好，发酵周期为37（1，最高日产气量达3.2L/d，单位TS产气量为361.88mL/g，单位VS产气量为411.22mL/g。

关键词：芦苇；牛粪；有机垃圾；多物料厌氧发酵；产沼气性能

中图分类号：S216.4

文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）02-0085-04

湿地作为三大生态系统之一，是地球生物化学循环中的一个重要单元。湿地植物除了一部分被湿地动物所摄食进人生物链外，大部分植物枯萎死亡后，残体仍沉积在湿地中。湿地植物枯枝败叶腐烂后阻碍其自身新芽的萌发和新苗的生长，污染水体；同时植物体腐烂还可能产生化感类物质，对周边植物的生长、繁殖具有抑制作用。为解决湿地植物残体问题，有的地方甚至采取焚烧的做法，造成资源浪费和环境二次污染。湿地植物清理维护及利用逐渐成为维持湿地生态系统发展的迫切需要，其技术研发是当前的努力方向。

对于大部分湿地来说，湿地植物维护的重点主要是芦苇。近年来，随着国内造纸行业的产业调整，各造纸厂基本淘汰了以麦草、芦苇等为原料的草浆生产线，同时芦苇制品市场萎缩严重，芦苇收割利用量越来越少，急待进一步开发利用途径。

芦苇作为一种有巨大潜力的生物质资源，与秸秆性质类似，可以用于堆肥，回用于农田，提高土壤有机质含量；还可用于生产乙醇、丁醇等生物燃料；也可发酵生产沼气。生产沼气可保持环境和供应链的可持续性，提高芦苇的能源化和资源化水平。有效利用芦苇等湿地植物，加快农村沼气工程建设，不但可以解决湿地运行的可持续性问题，而且也是解决城镇农村生活用能的重要途径之一。但芦苇木质纤维素降解慢、碳氮比不适宜，导致厌氧发酵产沼气效率低，同时沼气工程存在进出料困难，液态发酵易出现漂浮和结壳等问题，导致芦苇在沼气技术应用上存在技术瓶颈。因此，研发适合芦苇的高效发酵技术是芦苇沼气利用技术亟待解决的关键问题。

目前，通过厌氧发酵生产沼气以提高农村秸秆、粪便的利用率在一些地区已经普遍应用，但单一物料发酵应用比较多。单一物料具有各自不同的理化特性，在厌氧发酵利用上也存在不同的困难。芦苇由于木质纤维素含量高，导致降解慢，发酵效率低。畜禽粪便作为较好的发酵原料，发酵充分、技术成熟，但由于性质致密不宜提高发酵浓度。蔬果废弃物、厨余等农村有机生活垃圾作为一大类重要的农村废弃物，极易腐解酸化，单独发酵易造成发酵恶化或终止。为了提高物料发酵效率，近几年混合物料厌氧发酵成为国内外大量学者研究的热点之一。混合发酵可以改善原料结构和营养，进而提高原料的转化效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验原料为芦苇、有机生活垃圾和奶牛粪便，接种物为牛粪秸秆沼气工程沼渣。

芦苇：取自南四湖湿地新鲜芦苇，用粉碎机粉碎至1～2cm；有机生活垃圾：取自山东省章丘市普集镇乐家村分类后的有机生活垃圾，主要包括蔬果废弃物和极少量的剩饭剩菜等，用粉碎机打碎；奶牛粪便：新鲜牛粪，取自山东省农业科学院畜牧兽医研究所奶牛场；接种物：取自课题组长期培养的以牛粪为主要原料厌氧发酵的成熟沼渣。试验原料理化性质如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置 本试验装置由恒温柜、发酵瓶、流量计、集气袋组成，发酵瓶容积为2.5L，发酵瓶与流量计、集气袋通过玻璃管和橡胶管链接，产生的沼气由集气袋收集，通过气体流量计计量，发酵瓶置于恒温柜中，恒温柜温度设置为（35+1）℃，如图1所示。

1.2.2 试验设计试验共设置5个处理，即有机生活垃圾、芦苇、牛粪的干基质量比为0：2：1、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1：2：0，另设只以接种物为原料的对照组。每个处理进行3个平行试验，试验结果取其平均值。设计接种率为50%（以接种污泥TS为发酵原料总TS的百分数计）。通过加入不同量的自来水来调节各处理发酵浓度为16%。添加物料后，向发酵瓶中吹氮气1min，以保证严格的厌氧环境。试验期间，每天上午9∶00测定沼气产量，发酵前期每天取发酵液测定pH值，稳定后每隔3～7d天取样测定各指标。厌氧发酵前后测定各处理纤维素半纤维素的值。

1.2.3 指标测定方法测试仪器：电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9205A，上海），马弗炉（SX-4-10，苏州），沼气流量计（Ritter，TG05-5，德国），pH计（Bante220，上海），凯氏定氮仪（BUCHI，KjeMaster k-375，瑞士），木质纤维素测定仪（FOSSFibertec2010，丹麦），电子天平（BS110S，德国）。

测定方法：TS、VS采用烘干失重方法测定，沼气产量通过沼气流量计测定。消化液的pH值采用pH计测定，对于厌氧发酵过程中消化液的成分，采集样品后离心（12000r/min，10min），取上清液用凯氏定氮仪测定氨氮浓度。

1.3 试验数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2007软件进行统计并作图。

2 结果与分析

2.1 产气情况

以有机生活垃圾、芦苇和牛粪混合物料作为底物厌氧消化时，在总发酵物料TS一致的情况下，三种物料不同配比对沼气日产气量及累积产气率的影响如图2、图3所示。从图2中可以看出，各处理的日产气量变化趋势基本相似，呈波浪式趋势。其中，三者比例为1∶0.5∶1.5、1∶1∶1的组合产气规律类似，产气盛期出现在4～34d，在此期间日产气量为1.0～3.5L/d，最高日产气量分别达3.2、2.8L/d，之后产气速率开始降低，至37、38d发酵结束（产气量达到90%即认为发酵结束）。相比而言，1：0.5：1.5的组合在5～15d有一个明显的产气高峰，之后日产气量略有下降，而1∶1∶1的组合在整个产气盛期日产气量比较均匀。O∶2∶1和1∶2∶0的组合体现了类似的趋势，产气盛期分别于第2、3d开始；第46、42d发酵结束，发酵周期相对较长，这是由于芦苇的降解速率比牛粪、垃圾慢。这两个组合之间区别在于，含有机垃圾的组合产气高峰出现较早，但很快出现一个停滞期，分析原因是由于有机垃圾水解酸化速度过快，导致pH值下降明显，影响了产甲烷化过程。1∶1.5∶0.5的组合发酵前期有较长的适应期，至11d开始进入产气盛期，第11～30d有一个明显的产气高峰。

试验结果表明，对于芦苇来说，与有机垃圾和牛粪三物料混合发酵优于与有机垃圾或牛粪双物料混合发酵，三者比例为1∶0.5∶1.5、1∶l∶1的组合产气效果较好（图3）。有机垃圾的加入可能影响发酵过程的稳定性，可以通过增加碱性速效降解原料的配比降低酸化的程度，混合物料中随着芦苇占比的增大，发酵周期也随之加长。

2.2 pH值变化情况

多项研究表明，厌氧消化需要一个相对稳定的pH值，厌氧微生物对pH值的波动十分敏感，参与厌氧消化的不同微生物类群所适应的pH值范围各不相同。本试验各处理pH值变化如图4所示。有机生活垃圾、芦苇和牛粪配比为1∶0.5∶1.5、1∶1∶和0∶2∶1的处理pH值变化呈现先降低、后升高、然后趋于稳定的趋势，稳定值基本维持在7.8～8.0之间，表明三物料混合发酵能互相促进，平衡pH值。1∶2∶0的组合在发酵3d后pH值迅速下降，最低达到4.98，并维持低pH值较长时间，至23d才恢复至6.98，这是由于有机垃圾属于易降解原料，发酵前期易酸化，造成有机酸过量积累，此配比中不含牛粪等偏碱性速效降解原料进行中和，而芦苇未进行预处理，发酵前期降解速率较慢，导致酸化后难以恢复。1∶1.5∶0.5的配比出现了先上升、后降低、再升高的过程，分析由于该配比含有的牛粪在前期对酸化有一定缓释作用。各处理pH值的变化与产气情况也有一定相关性，出现酸化的组合1∶2∶0也出现了较长时间的产气迟滞，pH值稳定的处理产气高峰比较明显。

2.3 原料降解程度

有机生活垃圾、芦苇和牛粪不同配比混合发酵前后中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、纤维素和半纤维素的变化如图5所示，中性洗涤纤维包含纤维素、木质素、半纤维素和不溶性灰分，酸性洗涤纤维包括纤维素、木质素和酸不溶灰分，纤维素和半纤维素是易于微生物降解的主要成分。酸性洗涤纤维的降解率相对较低，可以看出，纤维素的降解率以配比为1∶1∶1的处理最高，达到48.56%，半纤维素的降解率以配比为1∶0.5∶1.5的处理最高，达到58.39%。纤维素、半纤维素的降解率因底物配比的不同会有变化，各指标的降解程度和总产气情况呈正相关。

各组合处理的主要发酵指标见表2，可以看出，不同原料配比对芦苇厌氧发酵产气量的影响显著，以三者比例为1∶0.5∶1.5的组合产气效果最好，发酵周期为37d，最高日产气量为3.2L/d，单位TS产气量为361.88mL/g，单位VS产气量为411.22mL/g。1∶1∶1的组合发酵效果次之，如需要提高芦苇处理比例，也可选择此种组合。

3 结论

3.1 芦苇厌氧发酵的速度较慢，混合多物料发酵有助于互相促进，平衡pH值，提高物料的产沼气量，芦苇、牛粪、有机垃圾三物料混合发酵效果优于芦苇与牛粪、芦苇与有机垃圾双物料混合，以有机生活垃圾、芦苇和牛粪干物质质量比l∶0.5∶1.5的配比效果最好。

3.2 在有机垃圾含量不变的情况下，混合物料中提高芦苇含量至1/3，也可获得较好的发酵效果。随着芦苇占比的增大，发酵周期也随之加长。有机垃圾的加入可能影响发酵过程的稳定性，可以通过原料配比缩短酸化迟滞期。