摘 要 為有效解決廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵的產(chǎn)氣失常問題，開展了廢棄煙葉和豬糞在不同干物質(zhì)量配比下的聯(lián)合發(fā)酵研究。結(jié)果顯示，廢棄煙葉與豬糞干物質(zhì)量配比為10∶0、0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1時的TS產(chǎn)沼氣潛力分別為64.50、156.50、166.50、226.00、199.50、215.50、247.50、336.00、285.00、304.00、340.50 mL·g-1。結(jié)果表明，廢棄煙葉與豬糞的聯(lián)合發(fā)酵能有效解決廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵易出現(xiàn)的產(chǎn)氣失常問題，且建議配比為9∶1，既可以最大限度地處理廢棄煙葉，又可以產(chǎn)生清潔能源沼氣，助力鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)。

關(guān)鍵詞 煙葉；豬糞；沼氣；聯(lián)合發(fā)酵；產(chǎn)氣性能

中圖分類號∶S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼∶A DOI∶10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.23.018

云南省是中國最大的煙葉產(chǎn)地，2022年烤煙產(chǎn)量達(dá)到83.97萬t[1]，同時也產(chǎn)生了大量不能用于卷煙生產(chǎn)的廢棄煙葉，煙農(nóng)常采用焚毀和填埋的方式對其進(jìn)行處理，但會造成大氣、土壤和地下水等自然環(huán)境的污染。為合理處理廢棄煙葉，眾多學(xué)者對其資源化利用開展了大量研究，并取得了較好的成果[2-4]，而廢棄煙葉的揮發(fā)性固形物高達(dá)近80%[5]，從沼氣發(fā)酵理論上講是一種很好的發(fā)酵原料，對此，楊斌等對廢棄煙葉的沼氣發(fā)酵特性開展了探索性研究[5]，發(fā)現(xiàn)廢棄煙葉單獨(dú)進(jìn)行沼氣發(fā)酵時易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，酸化持續(xù)時間長且產(chǎn)生大量CO2，導(dǎo)致可供產(chǎn)甲烷菌利用的大量碳源流失，因此廢棄煙葉的沼氣能源化利用率很低。出現(xiàn)這一問題的主要原因為沼氣發(fā)酵是細(xì)菌和古菌種群協(xié)同作用的過程[6]，需要適宜的發(fā)酵原料及適應(yīng)原料的微生物群落，而單一原料的沼氣發(fā)酵可能由于其基質(zhì)組成導(dǎo)致營養(yǎng)元素不均衡，使得在沼氣發(fā)酵過程中易出現(xiàn)酸抑制或氨抑制等現(xiàn)象。如秸稈類生物質(zhì)由于碳氮比較高，當(dāng)其作為單一發(fā)酵原料時易出現(xiàn)氮源不足，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)酵周期延長的情況，而糞便、污泥類生物質(zhì)由于碳氮比較低，在沼氣發(fā)酵過程中容易出現(xiàn)碳源不足的問題，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)酵料液中氮累積，不利于發(fā)酵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

聯(lián)合沼氣發(fā)酵是以2種或2種以上的生物質(zhì)資源作為原料的沼氣發(fā)酵過程，相較于單一原料的沼氣發(fā)酵，聯(lián)合沼氣發(fā)酵可為微生物提供均衡的生長代謝所需營養(yǎng)元素，使得沼氣發(fā)酵過程變得更加穩(wěn)定，從而表現(xiàn)出更佳的產(chǎn)氣性能。鑒于此，為有效解決廢棄煙葉單獨(dú)沼氣發(fā)酵的酸化問題，提高廢棄煙葉沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，本試驗選取農(nóng)業(yè)農(nóng)村中常見的、產(chǎn)量較大且污染風(fēng)險大的豬糞與廢棄煙葉進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵研究，分析廢棄煙葉與豬糞不同配比下的產(chǎn)沼氣性能，同時采用修正的Gompertz模型對廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的產(chǎn)氣情況進(jìn)行擬合，通過產(chǎn)氣性能和動力學(xué)參數(shù)的分析，旨在得出廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的最佳配比及產(chǎn)沼氣潛力，進(jìn)而為廢棄煙葉的沼氣能源化利用提供行之有效的科學(xué)方法。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

本研究所用的發(fā)酵原料廢棄煙葉取自云南省保山市騰沖縣某農(nóng)田，采用果蔬粉碎機(jī)粉碎處理至漿狀，經(jīng)測定，廢棄煙葉的TS為23.15%，VS為79.99%，pH值為6.5。本研究所用的發(fā)酵原料豬糞取自云南省昆明市團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)某農(nóng)戶家，經(jīng)測定，豬糞的TS為31.30%，VS為75.07%，pH值為6.7。本研究所用的接種物為不產(chǎn)氣的厭氧活性污泥，取自云南省昆明市某污水處理廠，經(jīng)測定，接種物的TS為11.63%，VS為33.04%，pH值為7.0。

1.2nbsp; 試驗裝置

本研究的試驗裝置由沼氣發(fā)酵系統(tǒng)（沼氣發(fā)酵瓶、排水集氣瓶、體積計量瓶）和溫控系統(tǒng)等組成，見圖1。在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，沼氣發(fā)酵瓶為500 mL廣口瓶，用帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞封口；排水集氣瓶為500 mL帶下口的三角瓶，用帶玻璃三通管的橡皮塞封口；體積計量瓶為自制的500 mL廣口瓶；沼氣發(fā)酵瓶、排水集氣瓶和體積計量瓶之間通過直徑8 mm的乳膠管連接。溫控系統(tǒng)由水槽、電熱管、循環(huán)水泵、交流接觸器及熱電偶等組成。

1.3" 試驗設(shè)計

本研究采用全混合批量式發(fā)酵模式，將發(fā)酵原料按干物質(zhì)總量為10 g計，設(shè)置11個廢棄煙葉與豬糞不同干物質(zhì)配比試驗組A-K（見表1），每組設(shè)3個平行，其中試驗組A為廢棄煙葉單獨(dú)沼氣發(fā)酵，試驗組B為豬糞單獨(dú)沼氣發(fā)酵，由于接種物為不再產(chǎn)氣的活性污泥，故不設(shè)置對照組。試驗組每個發(fā)酵瓶中裝入的接種物用量均為120 mL，在加入發(fā)酵原料后補(bǔ)加水定容至400 mL，并搖勻。將發(fā)酵瓶用橡膠塞封口，以保證厭氧環(huán)境，并置于30 ℃恒溫水浴槽中進(jìn)行沼氣發(fā)酵。

1.4" 測定指標(biāo)、方法及數(shù)據(jù)分析

TS采用烘干法測定[7]；VS采用灼燒減重法測定[7]；pH值采用精密pH試紙（精度0.1）測定；產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定，試驗啟動后，每天定時記錄各組的產(chǎn)氣量，以各組3個平行的平均產(chǎn)氣量作為各組的表征產(chǎn)氣量；產(chǎn)氣潛力即單位質(zhì)量原料干物質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)氣量，此指標(biāo)用累積沼氣產(chǎn)量除以原料干物質(zhì)量得到[8]；產(chǎn)沼氣動力學(xué)的分析采用修正的Gompertz方程[9]。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值

各試驗組發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值的變化情況見表2。各試驗組經(jīng)發(fā)酵后，料液的TS降解率為6.07%～28.72%、VS降解率為9.21%～22.43%，表明料液中的有機(jī)質(zhì)被微生物利用，符合沼氣發(fā)酵規(guī)律[10]。其中，當(dāng)廢棄煙葉和豬糞干物質(zhì)配比為0∶10～3∶7時，隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量的增多，TS降解率呈逐漸降低的趨勢，而廢棄煙葉和豬糞干物質(zhì)配比在4∶9至10∶0時，TS降解率隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量的增多呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢。VS是原料中的有機(jī)物質(zhì)，也就是沼氣發(fā)酵可以分解代謝產(chǎn)生沼氣的這部分物質(zhì)，VS降解率隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量的增多而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明聯(lián)合發(fā)酵中廢棄煙葉占比與有機(jī)質(zhì)降解程度成正比。廢棄煙葉和豬糞干物質(zhì)不同配比試驗組的TS、VS降解率存在差異的原因主要是因為不同原料所含有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下的水解速率不一致。發(fā)酵前各試驗組的料液pH值都處于沼氣發(fā)酵的正常pH值范圍之內(nèi)，即6.5～7.5，因而沼氣發(fā)酵可順利啟動，經(jīng)過發(fā)酵后，試驗組A～F的pH值同樣處于沼氣發(fā)酵正常pH值范圍內(nèi)，符合沼氣發(fā)酵pH值變化規(guī)律，而廢棄煙葉和豬糞干物質(zhì)配比在5∶5至9∶1的試驗組G～K，隨著廢棄煙葉占比的增加，其最終料液pH值均超過了7.5，推測這主要是廢棄煙葉中含有的煙堿降解生成了氨所致[11]。

2.2" 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1" 日產(chǎn)氣量

各試驗組的日產(chǎn)氣量見圖2。廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵試驗組A的產(chǎn)氣歷時21 d，發(fā)酵啟動后第1 d即達(dá)產(chǎn)氣最高峰（595 mL），但所產(chǎn)氣體不能點(diǎn)燃，且此時發(fā)酵料液的pH值已從啟動前的7.0快速降低至5.0，表明料液已發(fā)生嚴(yán)重酸化，對該試驗組的沼氣發(fā)酵過程產(chǎn)生了抑制，導(dǎo)致在發(fā)酵的最初8 d之內(nèi)所產(chǎn)氣體都不能點(diǎn)燃，表明甲烷含量已明顯低于40%，直到第9 d開始所產(chǎn)氣體才持續(xù)燃燒，但此時發(fā)酵過程已經(jīng)過半，且廢棄煙葉所產(chǎn)氣體主要集中在前10 d，盡管第9 d之后已回歸正常的沼氣發(fā)酵（第9 d達(dá)到正常產(chǎn)沼氣情況的最高峰130 mL），但隨后12 d日產(chǎn)氣量逐漸下降并且日均產(chǎn)氣量僅有50 mL左右，因此，從整個產(chǎn)氣過程而言，單獨(dú)采用廢棄煙葉啟動沼氣發(fā)酵是不適宜的。豬糞單獨(dú)發(fā)酵試驗組B的產(chǎn)氣進(jìn)行了24 d，從發(fā)酵第3 d起，所產(chǎn)氣體就能連續(xù)燃燒，表明甲烷含量已超過55%，所產(chǎn)氣體為沼氣，在發(fā)酵第10 d時達(dá)到產(chǎn)氣最高峰（195 mL），此后日產(chǎn)沼氣量逐漸下降，整個產(chǎn)氣過程符合正常沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，表明豬糞可以單獨(dú)作為原料啟動沼氣發(fā)酵。

廢棄煙葉與豬糞干物質(zhì)配比為1∶9～9∶1的聯(lián)合發(fā)酵試驗組C～K，產(chǎn)氣持續(xù)時間為22～28 d，且隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量的增多，發(fā)酵時間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這主要是由于廢棄煙葉含有較多的纖維素類有機(jī)質(zhì)，而纖維素屬于難降解有機(jī)質(zhì)，需要更長的時間進(jìn)行厭氧消化。試驗組C～K所產(chǎn)氣體從發(fā)酵第2 d開始，所產(chǎn)氣體就能連續(xù)燃燒，表明廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵能快速啟動沼氣發(fā)酵。除了試驗組C、H分別在發(fā)酵第4 d和第7 d時達(dá)到產(chǎn)氣最高峰外（分別為215、435 mL），其余試驗組D、E、F、G、I、J、K均在發(fā)酵6 d時達(dá)到產(chǎn)氣最高峰，分別為260、210、250、365、455、540、390 mL，隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量的增多，最高峰產(chǎn)氣量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，其中以廢棄煙葉與豬糞干物質(zhì)配比為9∶1試驗組的產(chǎn)氣高峰最大，尤其值得注意的是該試驗組在第8 d又出現(xiàn)了第二次產(chǎn)氣最高峰。

從日產(chǎn)氣最高峰來看，廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵雖然具有最大的產(chǎn)氣高峰，但所產(chǎn)氣體不能點(diǎn)燃，發(fā)酵是不正常的，若按所產(chǎn)氣體能連續(xù)燃燒作為標(biāo)準(zhǔn)，廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵的產(chǎn)氣最高峰為130 mL，均明顯低于廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組，同時聯(lián)合發(fā)酵試驗組的產(chǎn)氣最高峰也都高于豬糞單獨(dú)發(fā)酵試驗組，表明廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵具有更佳的日產(chǎn)氣性能，這是由于聯(lián)合發(fā)酵是２種及以上原料作為基質(zhì)的發(fā)酵過程，相較于單一基質(zhì)的沼氣發(fā)酵，聯(lián)合發(fā)酵過程可有效彌補(bǔ)單一基質(zhì)發(fā)酵導(dǎo)致的營養(yǎng)不均衡缺陷，使沼氣發(fā)酵體系更適宜厭氧微生物的生長代謝，進(jìn)而使沼氣發(fā)酵過程變得更加穩(wěn)定，從而帶來更佳的產(chǎn)氣性能。

2.2.2nbsp; 累積產(chǎn)氣量

各試驗組的累積產(chǎn)氣量見圖3。對于單獨(dú)采用廢棄煙葉和豬糞進(jìn)行發(fā)酵的試驗組A和B，其累積產(chǎn)氣量分別為2 345 mL和1 565 mL，雖然廢棄煙葉的累積產(chǎn)氣量更高，但其在發(fā)酵前8 d所產(chǎn)的氣體（約1 700 mL）均不能燃燒，所以試驗組A的有效累積產(chǎn)氣量（即能連續(xù)燃燒的沼氣量）僅為645 mL。由累積產(chǎn)氣曲線可知，可按累積產(chǎn)氣量的高低，將累積產(chǎn)氣量劃分為3個“梯隊”，第一梯隊為試驗組H至K，其累積產(chǎn)氣量均在2 500 mL以上，即煙葉廢棄物干物質(zhì)占比越高，累積產(chǎn)氣量越大，其中，試驗組K具有最高的累積產(chǎn)氣量（3 405 mL），試驗組H至K的累積產(chǎn)氣曲線基本在發(fā)酵第16 d以后逐漸趨于平穩(wěn)，而試驗組K的累積產(chǎn)氣曲線基本在20 d以后逐漸趨于平穩(wěn)；第二梯隊為試驗組D至G，其累積產(chǎn)氣量為2 000～2 500 mL，試驗組D至G基本在發(fā)酵第14 d以后累積產(chǎn)氣曲線趨于平穩(wěn)；第三梯隊為試驗組B和C，其累積產(chǎn)氣量在2 000 mL以下，在發(fā)酵第12 d以后累積產(chǎn)氣曲線趨于平穩(wěn)。從累積產(chǎn)氣量來看，廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組C至K的累積產(chǎn)氣量與廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵試驗組A的有效累積產(chǎn)氣量相比，產(chǎn)氣量增加率為158.14%～427.91%，而與豬糞單獨(dú)發(fā)酵試驗組B的累積產(chǎn)氣量相比，增加率為6.39%～117.57%，表明廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組的累積產(chǎn)氣量要顯著優(yōu)于廢棄煙葉和豬糞單獨(dú)發(fā)酵的試驗組。

2.2.3" 產(chǎn)氣速率

各試驗組的產(chǎn)氣速率見圖4。從產(chǎn)氣速率圖可以得知，各試驗組的發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在中前期而非后期，另外各試驗組所產(chǎn)氣體達(dá)到總產(chǎn)氣量80%所需發(fā)酵時間（用t80%表示）存在一定差異，其中，當(dāng)廢棄煙葉干物質(zhì)量低于豬糞時，t80%為10～12 d，而當(dāng)廢棄煙葉干物質(zhì)量多于豬糞時，t80%為12～14 d，即t80%隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量占比的上升而逐漸增多。

2.2.4" 產(chǎn)氣潛力

各試驗組的產(chǎn)氣潛力見表3。與廢棄煙葉和豬糞單獨(dú)發(fā)酵相比，廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的產(chǎn)沼氣潛力均有顯著提升。其中，廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組C至K的TS產(chǎn)沼氣潛力較廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵試驗組A分別提升158.14%、250.39%、209.30%、234.11%、283.72%、420.93%、341.86%、371.32%、427.91%，產(chǎn)氣潛力總體呈現(xiàn)出隨著廢棄煙葉占比增加而上升的趨勢；試驗組C至K的TS產(chǎn)沼氣潛力較豬糞單獨(dú)發(fā)酵試驗組B分別提升6.39%、44.41%、27.48%、37.70%、58.15%、114.70%、82.11%、94.25%、117.57%，產(chǎn)氣潛力同樣總體呈現(xiàn)出隨著廢棄煙葉占比增加而上升的趨勢。廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組的產(chǎn)氣潛力明顯高于廢棄煙葉和豬糞單獨(dú)發(fā)酵的試驗組，說明不同原料之間的協(xié)同作用提高了沼氣發(fā)酵效率。

2.3" 產(chǎn)氣動力學(xué)分析

采用Modified Gomperts模型對不同干物質(zhì)配比下廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合，擬合的動力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表4。從擬合模型參數(shù)結(jié)果中可以得知，本研究11個試驗組的數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，試驗組B至J甚至達(dá)到0.99以上，擬合結(jié)果較好，表明Modified Gomperts模型能有效適用于廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)氣過程的擬合。從遲滯時間λ來看，廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵的遲滯時間λ為負(fù)值，說明廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵的產(chǎn)氣過程不正常，發(fā)酵料液酸化產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制，使得遲滯時間λ出現(xiàn)了紊亂現(xiàn)象；豬糞單獨(dú)發(fā)酵的遲滯時間λ最長，為2.07 d，而廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的遲滯時間λ為0.1～1.72 d，全都小于豬糞單獨(dú)發(fā)酵的遲滯時間，表明廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵能有效降低遲滯時間且具備更快的產(chǎn)氣速率，同時從最大產(chǎn)氣速率Rmax也可以看出，各廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵試驗組的平均最大產(chǎn)氣速率也比豬糞單獨(dú)發(fā)酵的高出29.69%。從最大累積產(chǎn)氣量Hmax來看，廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的最大累積產(chǎn)氣量比豬糞單獨(dú)發(fā)酵高出了9.22%～115.42%，且隨著廢棄煙葉干物質(zhì)量占比的增加，最大累積產(chǎn)氣量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，其中廢棄煙葉與豬糞干物質(zhì)量比為9∶1的試驗組具有最高的最大累積產(chǎn)氣量，達(dá)到3 412.87 mL，表明廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵能優(yōu)化產(chǎn)氣性能，提高累積產(chǎn)氣量。

3" 結(jié)論

在相同干物質(zhì)量的條件下，廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的產(chǎn)氣性能均優(yōu)于廢棄煙葉和豬糞單獨(dú)發(fā)酵的產(chǎn)氣性能，同時能有效解決廢棄煙葉單獨(dú)發(fā)酵易出現(xiàn)的產(chǎn)氣失常問題，說明廢棄煙葉與豬糞之間的協(xié)同作用提高了沼氣發(fā)酵效率。

廢棄煙葉與豬糞聯(lián)合發(fā)酵的干物質(zhì)量配比為9∶1時，實(shí)測TS產(chǎn)氣潛力及Modified Gomperts模型擬合的最大累積產(chǎn)氣量均為各配比組最高，分別為340.50 mL·g-1和3 412.87 mL，因此可采用聯(lián)合發(fā)酵的方式來對農(nóng)業(yè)農(nóng)村中常見的廢棄煙葉與豬糞進(jìn)行能源化利用，且建議配比為9∶1，這樣既可以最大限度地處理廢棄煙葉，又可以產(chǎn)生清潔能源沼氣，助力鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)。

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（責(zé)任編輯：易" 婧）