温度对牛粪与番茄秸秆厌氧发酵产气的影响

庞震鹏，李永平，朱教宁，汤 昀，张晓晨，籍增顺

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西 太原 030031）

本研究以番茄秸秆和新鲜牛粪为发酵原料，探究不同发酵温度对二者混合物厌氧发酵产气特性的影响，并优选适宜的发酵温度,旨在为进一步提升牛粪的发酵效率和产气量提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所需原料为番茄秸秆与新鲜牛粪，番茄秸秆取自山西省农业科学院东阳试验示范基地，自然风干后，经切草机粉碎成3～5 cm的小段，再用粉碎机打磨成5 mm左右的纤维状颗粒；牛粪取自太原市小店区郜村奶牛养殖场；接种物取自东阳基地沼液池内发酵30 d以上的沼液，颜色呈黑褐色，试验前将接种物置于35℃水浴中驯化48 h。

各发酵原料及接种物特性分析如下：番茄秸秆的物料干质量（TS）为92.06%，挥发性固体（VS）为86.61%；牛粪的TS为33.94%，VS为43.72%；接种物的TS为8.23%。

1.2 试验装置

试验采用10 L容积的厌氧消化反应器（滁州蓝宇环保设备制造有限公司），罐体为带有水浴夹层的10 L圆柱容器，有效容积为8 L，罐体顶部装有搅拌装置，进料口及溢流口位于罐体上部，出料口位于罐体下部，罐体夹层配有温度传感器用于实时监测发酵温度及控制水浴加热装置。反应器为全封闭状态，保证发酵时严格厌氧环境。试验过程中加热水在罐体夹层中循环流动，保证厌氧发酵恒温进行（图 1）。

1.3 试验方法

本试验以发酵温度为变量，设置4个处理，分别为T1（25℃），T2（30℃），T3（35℃），T4（40℃）。每个处理重复3次，试验数据取平均值。

厌氧发酵的启动：每个处理投入的物料均为番茄秸秆、牛粪、接种物及水。牛粪与番茄秸秆的干物质质量比为1∶1，发酵物料共8 L，番茄秸秆、牛粪及接种物总固体质量占发酵料液总量的8%（其中，接种物固体质量占总固体的30%）。将物料全部倒入发酵罐中，调节恒温控制系统，使各处理保持恒定的发酵温度。发酵罐每日启动搅拌一次，时间为2 min，搅拌速率为80 r/min。发酵时长为80 d。

1.4 分析指标及方法

1.4.1 原料TS测定 将原料置于恒温烘箱中烘干（温度为105℃）至恒质量，采用差重法进行计算。

近年来，T2DM与LA之间的相关性成为神经科学领域研究的一个热点。本文将对T2DM与LA的关系及其影像学表现与认知损害相关性问题的研究进展进行综述，以更好的加深临床对LA的认识。

1.4.2 原料VS测定 将烘干至恒质量的原料置于马弗炉中于550℃进行灼烧4 h，挥发掉有机成分，采用差重法[13]进行计算。

1.4.3 pH值测定 采用PHS-3C型酸度计测定pH值。

1.4.4 电能消耗 采用外接单向电子电能表测定电能消耗。

1.4.5 沼气气体组分及含量测定 用采气袋采集各试验组每日产生的气体，采用安捷伦公司生产的7890B气相色谱仪测定气体组合（色谱条件：色谱柱HP-INNOWAX，40～240 ℃，60 m×530 μm×1 μm；载气为氢气，流量为5 mL/min，压力为7.244 3 psi，平均线速度35.701 cm/s，滞留时间2.801 1 min；FID检测器的温度300℃，空气流量400 mL/min，氢气燃气流量30 mL/min，尾吹气流量（N2）25 mL/min；TCD检测器的温度250℃，参比流量40 mL/min，尾吹气流量（H2）2 mL/min）。

利用标准气体中各已知成分的百分含量，在同样的气相色谱分析条件下，样品峰与标样峰的峰面积比值等于沼气样品含量与标准气体含量的比值[14]。

2 结果与分析

2.1 不同温度对牛粪与番茄秸秆厌氧发酵产气的影响

2.1.1 日产气量 日产气量反映的是厌氧发酵体系每天产出沼气的量，通过观察每日产气量可以确定体系产气峰值出现的时间。

由图2可知，40℃下，番茄秸秆与牛粪混合厌氧发酵日产气量变化规律整体呈先升高后下降，再升高再下降的变化趋势。结果发现，反应存在多个小周期，小周期内产气量先升高后下降，起始的5 d内反应较慢，在5～10 d产气量增多，第8天达到峰值，为6.367 L；此后产气量急剧下降，在15～20 d又进入一个高峰期，此后日产气量逐渐下降，45 d后趋于稳定。35℃下发酵日产气量变化规律与40℃相似，小周期内先升高后下降，反应起始阶段产气量较少且不稳定，在反应第13天产气量达到峰值，为5.736 L；此后，产气量在16～22 d完成一个反应周期后迅速下降，40 d后进入稳定期。30℃下，发酵日产气量整体趋势为先升后降，再升再降，反应启动阶段规律与40，35℃时相似，在反应第11天达到峰值，产气量为5.356 L；23 d后产气量急剧下降并趋于稳定。25℃下，番茄秸秆与牛粪混合厌氧发酵的产气量变化规律与其他温度条件下的变化规律均不相同，反应启动阶段耗时较长，反应缓慢，在反应20 d达到产气峰值，为3.739 L；在40～46 d又出现了一个反应小周期；60 d后反应才逐渐趋于稳定。

2.1.2 产气速率 产气速率是指单位时间内体系的产气量，产气速率的高低可反映体系产气效率的快慢。

由图3可知，40℃下，发酵反应的产气速率变化规律为先升后降，再升再降，在第17天达到最大值，为4.53 L/d；此后产气速率逐渐下降。35℃下，产气速率变化规律与40℃大致相同，其产气速率最高值出现在第20天，为3.94 L/d。30℃下，产气速率最高值出现在第13天，为3.40 L/d。25℃的产气速率整体变化较平缓，峰值出现在第24天，为1.92 L/d。各温度处理在前5 d产气速率均迅速升高，说明在反应初期产气效果较好，可能是由于接种物驯化效果良好，微生物种群能够快速适应发酵环境并在短时间内大量繁殖。综合对比，30℃时的产气速率峰值出现所需时间最短，40℃时的最大产气速率高于其他温度处理。

2.1.3 累积产气量 累积产气量是指整个试验阶段体系的总产气量。由图4可知，35，40℃的累积产气量明显优于30，25℃，且发酵的最大累积产气量不在最高温度处理组。40，35，30，25℃温度处理在反应80 d的累积产气量分别为（144.24±0.37），（148.09±2.95），（121.56±0.33），（107.00±2.77）L。温度通过影响微生物各类反应酶的活性来影响其对发酵原料的代谢水平，一般随着温度的升高，酶的活性增大，作为代谢产物的沼气产量也随之增加[8]，30，35，40℃这3个处理的累积产气量在前30 d迅速增加，60 d后产气累积量逐渐趋于平缓，产气接近结束；25℃处理曲线整体呈缓慢上升趋势，曲线较平缓，未出现急剧上升阶段。

2.1.4 甲烷含量及产甲烷总量 甲烷含量是指每日产出的沼气中CH4所占的比例，CH4含量的高低决定产气效果的好坏，即所产沼气中甲烷含量越高，说明产气效果越好；产甲烷总量是指试验阶段甲烷的总产量，其数值等于每日产气量乘以每日甲烷含量的累加总和。

由图5，6可知，甲烷浓度随发酵天数的增加，先急剧升高，后缓慢下降，最后趋于平稳。发酵起始阶段（1～5 d），各试验组甲烷浓度由高到低依次为40，30，35，25 ℃。反应中期，各试验组甲烷浓度高峰出现时间由短到长依次为 40，35，30，25 ℃，其中，40℃处理组在第8天甲烷浓度达到峰值（72.84%）；35℃处理组在第12天甲烷浓度达到峰值（76.45%）；30℃处理组在第14天甲烷浓度达到峰值（76.77%）；25℃处理组在第23天甲烷浓度达到峰值（79.63%）。原因可能是由于发酵温度越高，微生物进行厌氧发酵的活性越强，其繁殖速度越快，能够缩短产出甲烷的时间。随着发酵天数的增加，较高发酵温度试验组的甲烷浓度下降更快，说明反应物料中的有机成分更快地被降解[15]。在发酵稳定阶段（20～60 d），25℃处理组甲烷浓度整体趋势高于其他3个温度处理，30，35℃差别不大，40℃处理组甲烷浓度最低。在实际生产中，完整发酵周期内甲烷的总产量是更为重要的指标，该试验中，35℃处理组产甲烷总量最高，为（91.52±1.03）L，占其累积产气总量的62.02%，较25，30，40℃处理的甲烷总量分别高出34.38%，21.82%和5.38%。由此可知，在该试验设置下，产甲烷菌群在35℃的发酵环境中相比其他几个温度处理更易产出甲烷。

2.1.5 TS产气量 TS产气量是指单位质量的干物质物料经过厌氧发酵后转化成的沼气量，反映发酵物料的产气潜力，一般用mL/g表示[16]。TS产气量高，说明其相同质量下的干物质发酵后的产气量大，在实际工程中具有重要意义。

从图7可以看出，4个发酵温度的TS产气量均不相同，且差异显著（P＜0.05）。其中，25℃的TS产气量为（178.33±2.67）mL/g，30℃的TS产气量为（202.60±0.32）mL/g，35℃的 TS产气量为（246.82±2.84）mL/g，40℃的 TS产气量为（240.41±0.36）mL/g。35℃下，相同干物质的物料经厌氧发酵后转化成的沼气最多，有助于提升牛粪与番茄秸秆的发酵潜力，使其养分转化更为充分。

2.2 温度对牛粪与番茄秸秆厌氧发酵耗电量的影响

在实际生产中，沼气项目的稳定运行要考虑诸多因素，在同等累积产气量下，能耗越低，其运行成本越低，越符合市场需求。耗电量是指每天为发酵体系加热并维持恒温所消耗的平均电量。

从图8可以看出，在该试验设置下，耗电量随发酵温度的升高而增加，25，30，35，40 ℃的耗电量依次为 （0.354±0.002），（0.784±0.006），（1.272±0.012），（1.918±0.007）kWh，趋势线反映了平均耗电量随温度升高而升高的趋势，R2＝0.992，拟合度高，说明二者存在明显的线性关系。

2.3 不同温度处理试验组挥发性脂肪酸浓度及pH值的变化规律

2.3.1 不同温度对牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵体系中挥发性脂肪酸浓度的影响 挥发性脂肪酸（VFA）是微生物厌氧发酵的重要指标之一，是反应初期有机物被水解酸化后的产物，可影响体系pH值的变化。从图9可以看出，在反应初期，35℃下，挥发性脂肪酸的浓度上升速度比其他3个温度快，第4天达到一个小峰值（3.97 g/L），说明在35℃时物料酸化速度快，体系环境利于产酸菌产酸。随着发酵的持续，40℃的VFA浓度超过35℃，并在第7天达到峰值（5.46 g/L），原因可能是由于40℃环境中的嗜热菌逐渐适应了高温环境并表现出更强的有机物降解能力。7 d后所有温度处理的VFA浓度均开始下降，并于15 d后达到稳定。原因可能是由于产甲烷菌活性逐渐增强，开始大量消耗有机酸，从而使系统的VFA浓度降低并趋于稳定[17]。

2.3.2 不同温度对牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵体系pH值的影响 适宜的厌氧反应pH是微生物进行各类有序反应的必要条件，从发酵过程的pH值变化曲线可以看出，不同温度pH值的整体变化规律为先下降再上升最后趋于平缓，变化差异不明显。

从图10可以看出，发酵的第5～7天内pH值由于各体系厌氧发酵的产酸过程而降到最低，为5.7左右；之后pH值逐渐升高；到第25天后pH值稳定在7.0～7.3。原因是由于在厌氧发酵阶段，产酸菌将有机物迅速分解为脂肪酸，其大量累积的后果使得体系pH值在发酵初期迅速下降，随着甲烷菌的不断生长繁殖和适应环境，累积的脂肪酸及含氮有机物被分解利用，分解产生的氨对酸性体系进行了有效缓冲，从而使得体系pH值恢复至7.0～7.3，保证了厌氧发酵的稳定运行[18-19]。

3 讨论

发酵温度是影响厌氧发酵产沼气的重要因素之一，通过不同温度对牛粪番茄秸秆混合厌氧发酵产气影响试验探究，结果发现，发酵温度为35℃试验组总产气量为148.09 L，产甲烷总量为91.84 L，TS产气量为246.82 mL/g，均高出其他各组；30℃的日均耗电量虽比35℃低，但35℃处理组总产气量、甲烷总产量及TS产气量等主要参数均比30℃处理组高出20%以上。楚莉莉等[20]采用响应面法优化牛粪厌氧发酵的最佳发酵条件，结果表明，发酵温度为35℃时，牛粪厌氧发酵可获得最大累积产气量；胡雪竹等[21]研究发现，不同周期内各种微生物相互作用的强弱形成了代谢产物累积量和累积时间的不同，从而表现出产气高峰在不同时期的差异，这与本研究结果相符。因此，发酵温度35℃更适合牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵产气量大、甲烷产量高的要求。本研究通过10 L的厌氧发酵发生器作为发酵载体，相比传统的小型反应器具有密封性好、发酵容积大、温度调控精准的特点，能够更准确地记录下厌氧发酵过程的产气情况，由此确定适宜的厌氧发酵温度，对实际沼气工程生产过程中优化厌氧发酵产气工艺、配置生产设备、降低生产能耗、提高生产效率具有重要意义。

4 结论

本试验表明，温度对牛粪与番茄秸秆混合厌氧发酵产气特性有显著的影响，35℃处理的累积产气量和产甲烷总量均高于其他温度处理；同时，TS产气量最高的也为35℃处理组，该试验设置下，TS产气量可达246.82 mL/g。发酵温度的变化与反应耗能呈线性关系，即反应体系温度越高，能耗越大。

此外，35℃条件下反应初期VFA浓度上升速度快，物料被产酸菌利用的效率优于其他温度处理，厌氧发酵体系在经过酸化阶段后能很快恢复到酸碱度正常的发酵环境。因此，35℃是番茄秸秆与牛粪适宜的厌氧发酵温度参数。