劉紅艷¹，鐘順和²，王昌梅¹，趙紹斌²，尹芳¹，李建華²，趙興玲¹，吳凱¹，楊斌¹，張無敵¹

(1.云南師范大學，云南昆明650500；2.云南順豐生物肥業環?？萍脊煞莨?，云南大理671005)

　　摘要：文章以新鮮蘆葦秸稈為發酵原料，分別對其進行打碎和切碎預處理，在恒溫30℃條件下進行全混合批量式沼氣發酵實驗。實驗結果表明，兩種預處理方法的發酵時間均為62d，蘆葦秸稈打碎處理的TS產氣率和VS產氣率分別為467mL·g^-1和570mL·g^-1，蘆葦秸稈切碎處理的TS產氣率和VS產氣率分別為560mL·g^-1和685mL·g^-1，蘆葦秸稈切碎處理的產氣潛力明顯大于蘆葦秸稈打碎處理，且蘆葦秸稈切碎處理的甲烷含量也較前者高。說明將進行蘆葦秸稈切碎處理有利于它發酵產沼氣，發酵產出的沼氣品質較好。

　　蘆葦俗稱蘆草，是多年水生或濕生的高大禾草，分布廣泛?適應性強?生長快?產量高，不需要施肥，全世界約有1000萬hm²，而我國現有14個蘆葦主產區，面積達130萬hm²以上[1-2]。蘆葦是濕地?草型湖泊生態系統的重要組成部分，其生長過程能吸收降解水中氮?磷等營養物質，但蘆葦生長末期除部分用作飼料?燃料?造紙原料外，大部分植物殘體在水中腐解，對水環境系統造成了嚴重的二次污染[3-4]。蘆葦秸稈與作物秸稈的理化性質類似，利用途徑上可借鑒秸稈，作為一種有潛力的生物質資源，可以生產生物丁醇?乙醇[5-6]，也可發酵生產沼氣[7-8]，在處理蘆葦廢棄物的同時獲得沼氣能源，提高其能源化和資源化的水平。有效利用蘆葦等濕地植物，加快沼氣工程建設，不但可以解決濕地?草型湖泊生態系統的可持續問題，而且也是解決城鎮農村用能的重要途徑之一[9]。

　　蘆葦秸稈纖維素含量40%以上，半纖維素含量30%左右，木質纖維素含量較高，導致厭氧發酵產沼氣效率低[10]。纖維素分解的速率決定整個沼氣發酵的速率和原料的利用率，是秸稈能源化轉化過程中的限速性步驟，利用物理預處理方法可使纖維素的結構松散和微纖間晶區中存在的分子間氫鍵斷裂，從而提高蘆葦秸稈纖維素的水解速率和厭氧產沼氣效率[11]。本實驗通過對蘆葦秸稈采取打碎和切碎預處理，測定發酵過程中的產氣量和甲烷含量，研究對蘆葦秸稈中溫發酵效果的影響，以期為蘆葦秸稈資源的合理開發利用提供理論依據。

　　1材料與方法

　　1.1材料

　　1.1.1發酵原料

　　實驗的發酵原料采自云南省昆明市云南師范大學呈貢校區校園內，經測定，原料蘆葦秸稈的TS含量為19.03%，VS含量為81.84%。

　　1.1.2接種物

　　以實驗室長期馴化的豬糞厭氧發酵活性污泥作為厭氧發酵的接種物，經過測定，其TS質量分數為10.82%，VS質量分數為70.04%。

　　1.1.3實驗裝置

　　采用實驗室自制的容積為500mL的批量式發酵裝置[12]。

　　1.2方法

　　1.2.1原料預處理

　　本實驗對比兩種切碎方法的產沼氣指標，第1種方法是把蘆葦秸稈用搗碎機打成漿；第2種方法是將采集來的新鮮蘆葦秸稈切碎粒徑均勻在1~2cm。

　　1.2.2料液配比

　　本實驗設計2個實驗組和1個對照組，每組各設3個平行。為保證實驗一致，進行單瓶配料。實驗組1：將蘆葦秸稈打碎處理后加入36.24g，接種物120mL，加水至400mL；實驗組2：將蘆葦秸稈切碎處理后加入36.24g，接種物120mL，加水至400mL；對照組：接種物120mL，加水至400mL。

　　實驗中，運用智能數字顯示溫控儀監測，確保溫度控制在30℃±1℃，以此保證厭氧發酵的正常進行，實驗周期中，每日定點記錄厭氧發酵的沼氣產量(以mL計)和點燃的火焰顏色。

　　1.2.3測定項目及方法

　　(1)產氣量測定：采用排水集氣法測定，實驗啟動之后，定時記錄每組每天的產氣量，以各組3個平行的平均產氣量來表征發酵過程每天的產氣量。

　　(2)氣體成分分析：采用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀測定，每積累5d的沼氣測定1次氣體成分。

　　(3)pH值：采用5.7~8.5的精密pH值試紙測定接種物以及發酵前后料液的pH值。

　　(4)TS含量的測定：將樣品置于烘箱，調節至105℃，烘干至恒重，用電子天平精確稱量后，計算樣品除去水分后干物質的質量分數[13]。

　　(5)VS含量的測定：將TS測定完畢后的恒重總固體置于馬弗爐中，調節溫度至550℃，燒至恒重，用電子天平精確稱量。計算揮發性物質的質量分數[13]。

　　(6)熱值：實驗中采用氧彈熱量計對蘆葦秸稈的熱值進行測量。

　　2實驗結果與分析

　　本實驗進行62d，對實驗前后發酵料液的TS和VS含量以及pH值進行了測定，對該過程中的產氣量和所產沼氣中的甲烷含量進行了統計和分析，最終得出蘆葦秸稈打碎和切碎兩種處理在中溫厭氧發酵過程中的TS和VS降解規律。

　　2.1發酵前后料液的TS，VS及pH值

　　發酵前后反應料液的TS，VS及pH值結果見表1。

　　從表1可以看出，發酵前后，發酵原料TS和VS均有一定程度的降低，這說明在產甲烷菌的作用下，發酵體系中的有機質被不同程度地消化并產生了甲烷和二氧化碳等氣體。其中原料的TS和VS去除率明顯高于接種物，對照組的TS和VS去除率較低，這是因為接種物在實驗室經過長期的馴化，其發酵細菌生長代謝較穩定，在馴化過程中有機質幾乎被降解，因此對照組在厭氧發酵過程中幾乎不產氣。兩個實驗組料液的TS和VS降解率都較高，表明了蘆葦秸稈中的有機質在發酵過程中被微生物菌群有效利用。從表中還可以看出，實驗組1的各項參數都低于實驗組2，這說明實驗組2發酵完全，微生物活性良好。發酵系統在發酵前后pH值變化不大，在過程中沒有因為嚴重酸化而出現停止產氣的現象，發酵前后料液的pH值保持在厭氧發酵的正常范圍內，說明在發酵過程中有緩沖體系進行了自身調節。

　　2.2厭氧發酵產氣情況與分析

　　2.2.1日產氣量

　　兩個實驗組(均已減去對照組的產氣量)的日產氣量變化曲線如圖1所示。通過計算分析之后，得到原料發酵時間與其產氣量之間的規律。

　　由圖1可知，實驗組的沼氣發酵時間歷時62d，啟動之后第1天迅速產氣，其中實驗組2第1天凈產氣量達到120mL，實驗組1略低，為113mL；產出的氣體不能點燃，說明在啟動過程中得到的氣體CO₂含量較高。第2天，兩個實驗組產氣量均下降至最低，可能是因為接種物中的產氫產乙酸菌代謝較活躍，分解有機質產生大量有機酸，造成體系內酸積累，致使發酵體系pH值下降，對產甲烷的代謝產生抑制。第3天后產氣量逐漸慢慢回升，是因為在緩沖體系下微生物進行了自身調節，使發酵體系的pH值慢慢回升至正常值。第3~8天，兩個實驗組產氣量都持續上升，到第8天均達到產氣最高峰，產氣量分別為192mL和208mL。此后，兩個實驗組產氣量均下降，實驗組2到第15天又達到一個產氣高峰，而實驗組1第16天才達到又一個產氣高峰；兩個實驗組在第18天和第23天同時出現兩個產氣高峰，但實驗組1在兩個高峰處的產氣量均低于實驗組2。兩個實驗組在第32天后產氣量總體呈下降趨勢，中間略有波動，至產氣結束。在發酵過程中，兩個實驗組的產氣量曲線都有幾個很突出的峰和谷，這說明在發酵過程中產氣不穩定，產氣時高時低；但這兩條產氣量曲線都出現了明顯的產氣高峰和產氣低谷，其中兩個實驗組產氣起點和產氣高峰的產氣量不一樣，實驗組2的產氣量高于實驗組1，但兩個實驗組的產氣低谷的產氣量卻保持一致。

　　2.2.2甲烷含量

　　發酵過程中每隔5d檢測1次試驗組所產沼氣的甲烷含量，如圖2所示。

　　由圖2可以看出，兩個實驗組甲烷含量的變化趨勢基本上是一致的，發酵啟動后兩個實驗組的甲烷含量均迅速上升，發酵第5天甲烷含量就達50%以上，之后到第25天時，兩個實驗組達到甲烷含量的最大值，且蘆葦切碎處理實驗組的甲烷含量最大值大于蘆葦打碎處理實驗組，表明蘆葦經過切碎處理發酵體系中產甲烷菌繁殖代謝非?；钴S，能利用水解的小分子，將它轉變為甲烷。各組甲烷含量達最大值后逐漸下降，其中蘆葦打碎處理組在第30天后甲烷含量降至40%以下，而蘆葦切碎處理組在35天后甲烷含量才開始降至40%以下。綜上可見，說明蘆葦切碎處理在發酵過程中甲烷含量相對穩定，主要由于將蘆葦秸稈進行切碎處理可加快大分子物質的降解，可供產甲烷菌利用，有利于蘆葦厭氧發酵產沼氣。在發酵末期，這些容易降解的組分被產甲烷菌大量地消耗而減少，最終使產氣量和甲烷下降，直到產氣停止。

　　2.2.3累積產氣速率

　　對試驗中的累積產氣量進行統計，結果見表2。

　　由表2可以看出，在整個蘆葦秸稈發酵過程中，兩個實驗組均在第5~35天累積產氣量增加較快，第40~50天產氣量的增加幅度不大，而第50~62天增加幅度不明顯。從總的產氣量來看，在62d的發酵時間內，實驗組2的總產氣量為3865mL，實驗組1的總產氣量為3219mL，總產氣量實驗組2比實驗組1高了1.20倍。

　　從兩個實驗組整個發酵過程中的產氣速率變化分析可知(見圖3)：在整個發酵過程中，兩個實驗組的產氣速率均是先增加，后趨于平緩。在發酵的前50d呈上升趨勢，特別是第5~35天最為陡峭，第50~62天產氣率較低，這主要是由于有機質在前50d左右被發酵微生物消耗，發酵體系中剩余可利用的有機質較少，發酵微生物缺乏基質，故產氣較少。實驗組1和實驗組2分別在發酵33d和34d時的產氣量達到總產氣量的80%，由此可得出兩種處理對蘆葦的HRT基本沒有影響。

　　2.2.4熱值測定及能源回收效率

　　對實驗原料蘆葦秸稈進行熱值測定，結果為17.149kJ·g^-1，可以看出，蘆葦的熱值較高，完全可以用作能源類作物加以利用。本實驗在2個實驗組的發酵瓶中均加入36.24g蘆葦秸稈，根據測定的蘆葦秸稈的TS為19.03%，如果能全部利用理論上能獲得的熱量為：36.24g×19.03%×17.149kJ·g^-1=118.3kJ。蘆葦打碎處理組所獲沼氣總量為3219mL，甲烷含量按50%計算，即36.24g蘆葦經打碎處理可產生甲烷1610mL，甲烷的燃燒熱按35.822MJ·m^-3計算，則36.24g蘆葦打碎處理可產生57.66kJ的熱量，能源回收效率為48.74%；而蘆葦切碎處理組所獲沼氣總量為3865mL，甲烷按50%計算，即產生甲烷1933mL，熱量69.24kJ，能源回收率為58.53%。

　　2.2.5產沼氣潛力分析

　　實驗后對兩個實驗組的產沼氣潛力進行統計計算，結果見表3。

　　從表3的數據可以看出，2個實驗組的產氣潛力都很高，切碎處理實驗組的產氣潛力都高于打碎處理實驗組的。從產氣潛力來比較，蘆葦秸稈切碎預處理更利于其沼氣發酵效果。

　　3結論

　　(1)以新鮮蘆葦秸稈為發酵原料，在30℃下進行全混合批量式沼氣發酵實驗，蘆葦秸稈作打碎處理和切碎處理都可以很好地實現發酵產沼氣，其產氣潛力分別為467mL·g^-1TS，570mL·g^-1TS和560mL·g^-1TS，685mL·g^-1TS，產氣總量分別為3219mL，3865mL，切碎處理實驗組的總產氣量是打碎處理組的1.20倍，由此可以看出，蘆葦秸稈切碎處理組發酵產沼氣的效果更好。

　　(2)經測定，蘆葦秸稈的熱值為17.149kJ·g^-1，計算得出蘆葦秸稈打碎處理組的沼氣能源回收效率為48.74%，而蘆葦秸稈切碎實驗組的沼氣能源回收效率達58.53%，高于前者的轉化效率，說明將蘆葦秸稈切碎處理有利于提高蘆葦秸稈燃燒熱效率。

　　(3)本實驗對蘆葦秸稈進行切碎和打碎處理后的產沼氣潛力做了研究對比，得出切碎處理的發酵效果優于打碎處理，這為蘆葦秸稈的資源化利用提供了新的理論依據，為實際沼氣發酵過程提供一種可行性建議：對于發酵原料蘆葦秸稈，應做切碎處理來提高原料利用率。