龐震鵬，李永平，朱教寧，湯 昀，張曉晨，籍增順

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西 太原 030031）

本研究以番茄秸稈和新鮮牛糞為發(fā)酵原料，探究不同發(fā)酵溫度對(duì)二者混合物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響，并優(yōu)選適宜的發(fā)酵溫度,旨在為進(jìn)一步提升牛糞的發(fā)酵效率和產(chǎn)氣量提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需原料為番茄秸稈與新鮮牛糞，番茄秸稈取自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)示范基地，自然風(fēng)干后，經(jīng)切草機(jī)粉碎成3～5 cm的小段，再用粉碎機(jī)打磨成5 mm左右的纖維狀顆粒；牛糞取自太原市小店區(qū)郜村奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)；接種物取自東陽基地沼液池內(nèi)發(fā)酵30 d以上的沼液，顏色呈黑褐色，試驗(yàn)前將接種物置于35℃水浴中馴化48 h。

各發(fā)酵原料及接種物特性分析如下：番茄秸稈的物料干質(zhì)量（TS）為92.06%，揮發(fā)性固體（VS）為86.61%；牛糞的TS為33.94%，VS為43.72%；接種物的TS為8.23%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用10 L容積的厭氧消化反應(yīng)器（滁州藍(lán)宇環(huán)保設(shè)備制造有限公司），罐體為帶有水浴夾層的10 L圓柱容器，有效容積為8 L，罐體頂部裝有攪拌裝置，進(jìn)料口及溢流口位于罐體上部，出料口位于罐體下部，罐體夾層配有溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵溫度及控制水浴加熱裝置。反應(yīng)器為全封閉狀態(tài)，保證發(fā)酵時(shí)嚴(yán)格厭氧環(huán)境。試驗(yàn)過程中加熱水在罐體夾層中循環(huán)流動(dòng)，保證厭氧發(fā)酵恒溫進(jìn)行（圖 1）。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以發(fā)酵溫度為變量，設(shè)置4個(gè)處理，分別為T1（25℃），T2（30℃），T3（35℃），T4（40℃）。每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)：每個(gè)處理投入的物料均為番茄秸稈、牛糞、接種物及水。牛糞與番茄秸稈的干物質(zhì)質(zhì)量比為1∶1，發(fā)酵物料共8 L，番茄秸稈、牛糞及接種物總固體質(zhì)量占發(fā)酵料液總量的8%（其中，接種物固體質(zhì)量占總固體的30%）。將物料全部倒入發(fā)酵罐中，調(diào)節(jié)恒溫控制系統(tǒng)，使各處理保持恒定的發(fā)酵溫度。發(fā)酵罐每日啟動(dòng)攪拌一次，時(shí)間為2 min，攪拌速率為80 r/min。發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)為80 d。

1.4 分析指標(biāo)及方法

1.4.1 原料TS測(cè)定 將原料置于恒溫烘箱中烘干（溫度為105℃）至恒質(zhì)量，采用差重法進(jìn)行計(jì)算。

近年來，T2DM與LA之間的相關(guān)性成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文將對(duì)T2DM與LA的關(guān)系及其影像學(xué)表現(xiàn)與認(rèn)知損害相關(guān)性問題的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以更好的加深臨床對(duì)LA的認(rèn)識(shí)。

1.4.2 原料VS測(cè)定 將烘干至恒質(zhì)量的原料置于馬弗爐中于550℃進(jìn)行灼燒4 h，揮發(fā)掉有機(jī)成分，采用差重法[13]進(jìn)行計(jì)算。

1.4.3 pH值測(cè)定 采用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定pH值。

1.4.4 電能消耗 采用外接單向電子電能表測(cè)定電能消耗。

1.4.5 沼氣氣體組分及含量測(cè)定 用采氣袋采集各試驗(yàn)組每日產(chǎn)生的氣體，采用安捷倫公司生產(chǎn)的7890B氣相色譜儀測(cè)定氣體組合（色譜條件：色譜柱HP-INNOWAX，40～240 ℃，60 m×530 μm×1 μm；載氣為氫氣，流量為5 mL/min，壓力為7.244 3 psi，平均線速度35.701 cm/s，滯留時(shí)間2.801 1 min；FID檢測(cè)器的溫度300℃，空氣流量400 mL/min，氫氣燃?xì)饬髁?0 mL/min，尾吹氣流量（N2）25 mL/min；TCD檢測(cè)器的溫度250℃，參比流量40 mL/min，尾吹氣流量（H2）2 mL/min）。

利用標(biāo)準(zhǔn)氣體中各已知成分的百分含量，在同樣的氣相色譜分析條件下，樣品峰與標(biāo)樣峰的峰面積比值等于沼氣樣品含量與標(biāo)準(zhǔn)氣體含量的比值[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對(duì)牛糞與番茄秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響

2.1.1 日產(chǎn)氣量 日產(chǎn)氣量反映的是厭氧發(fā)酵體系每天產(chǎn)出沼氣的量，通過觀察每日產(chǎn)氣量可以確定體系產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

由圖2可知，40℃下，番茄秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量變化規(guī)律整體呈先升高后下降，再升高再下降的變化趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)存在多個(gè)小周期，小周期內(nèi)產(chǎn)氣量先升高后下降，起始的5 d內(nèi)反應(yīng)較慢，在5～10 d產(chǎn)氣量增多，第8天達(dá)到峰值，為6.367 L；此后產(chǎn)氣量急劇下降，在15～20 d又進(jìn)入一個(gè)高峰期，此后日產(chǎn)氣量逐漸下降，45 d后趨于穩(wěn)定。35℃下發(fā)酵日產(chǎn)氣量變化規(guī)律與40℃相似，小周期內(nèi)先升高后下降，反應(yīng)起始階段產(chǎn)氣量較少且不穩(wěn)定，在反應(yīng)第13天產(chǎn)氣量達(dá)到峰值，為5.736 L；此后，產(chǎn)氣量在16～22 d完成一個(gè)反應(yīng)周期后迅速下降，40 d后進(jìn)入穩(wěn)定期。30℃下，發(fā)酵日產(chǎn)氣量整體趨勢(shì)為先升后降，再升再降，反應(yīng)啟動(dòng)階段規(guī)律與40，35℃時(shí)相似，在反應(yīng)第11天達(dá)到峰值，產(chǎn)氣量為5.356 L；23 d后產(chǎn)氣量急劇下降并趨于穩(wěn)定。25℃下，番茄秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量變化規(guī)律與其他溫度條件下的變化規(guī)律均不相同，反應(yīng)啟動(dòng)階段耗時(shí)較長(zhǎng)，反應(yīng)緩慢，在反應(yīng)20 d達(dá)到產(chǎn)氣峰值，為3.739 L；在40～46 d又出現(xiàn)了一個(gè)反應(yīng)小周期；60 d后反應(yīng)才逐漸趨于穩(wěn)定。

2.1.2 產(chǎn)氣速率 產(chǎn)氣速率是指單位時(shí)間內(nèi)體系的產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣速率的高低可反映體系產(chǎn)氣效率的快慢。

由圖3可知，40℃下，發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)氣速率變化規(guī)律為先升后降，再升再降，在第17天達(dá)到最大值，為4.53 L/d；此后產(chǎn)氣速率逐漸下降。35℃下，產(chǎn)氣速率變化規(guī)律與40℃大致相同，其產(chǎn)氣速率最高值出現(xiàn)在第20天，為3.94 L/d。30℃下，產(chǎn)氣速率最高值出現(xiàn)在第13天，為3.40 L/d。25℃的產(chǎn)氣速率整體變化較平緩，峰值出現(xiàn)在第24天，為1.92 L/d。各溫度處理在前5 d產(chǎn)氣速率均迅速升高，說明在反應(yīng)初期產(chǎn)氣效果較好，可能是由于接種物馴化效果良好，微生物種群能夠快速適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境并在短時(shí)間內(nèi)大量繁殖。綜合對(duì)比，30℃時(shí)的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)所需時(shí)間最短，40℃時(shí)的最大產(chǎn)氣速率高于其他溫度處理。

2.1.3 累積產(chǎn)氣量 累積產(chǎn)氣量是指整個(gè)試驗(yàn)階段體系的總產(chǎn)氣量。由圖4可知，35，40℃的累積產(chǎn)氣量明顯優(yōu)于30，25℃，且發(fā)酵的最大累積產(chǎn)氣量不在最高溫度處理組。40，35，30，25℃溫度處理在反應(yīng)80 d的累積產(chǎn)氣量分別為（144.24±0.37），（148.09±2.95），（121.56±0.33），（107.00±2.77）L。溫度通過影響微生物各類反應(yīng)酶的活性來影響其對(duì)發(fā)酵原料的代謝水平，一般隨著溫度的升高，酶的活性增大，作為代謝產(chǎn)物的沼氣產(chǎn)量也隨之增加[8]，30，35，40℃這3個(gè)處理的累積產(chǎn)氣量在前30 d迅速增加，60 d后產(chǎn)氣累積量逐漸趨于平緩，產(chǎn)氣接近結(jié)束；25℃處理曲線整體呈緩慢上升趨勢(shì)，曲線較平緩，未出現(xiàn)急劇上升階段。

2.1.4 甲烷含量及產(chǎn)甲烷總量 甲烷含量是指每日產(chǎn)出的沼氣中CH4所占的比例，CH4含量的高低決定產(chǎn)氣效果的好壞，即所產(chǎn)沼氣中甲烷含量越高，說明產(chǎn)氣效果越好；產(chǎn)甲烷總量是指試驗(yàn)階段甲烷的總產(chǎn)量，其數(shù)值等于每日產(chǎn)氣量乘以每日甲烷含量的累加總和。

由圖5，6可知，甲烷濃度隨發(fā)酵天數(shù)的增加，先急劇升高，后緩慢下降，最后趨于平穩(wěn)。發(fā)酵起始階段（1～5 d），各試驗(yàn)組甲烷濃度由高到低依次為40，30，35，25 ℃。反應(yīng)中期，各試驗(yàn)組甲烷濃度高峰出現(xiàn)時(shí)間由短到長(zhǎng)依次為 40，35，30，25 ℃，其中，40℃處理組在第8天甲烷濃度達(dá)到峰值（72.84%）；35℃處理組在第12天甲烷濃度達(dá)到峰值（76.45%）；30℃處理組在第14天甲烷濃度達(dá)到峰值（76.77%）；25℃處理組在第23天甲烷濃度達(dá)到峰值（79.63%）。原因可能是由于發(fā)酵溫度越高，微生物進(jìn)行厭氧發(fā)酵的活性越強(qiáng)，其繁殖速度越快，能夠縮短產(chǎn)出甲烷的時(shí)間。隨著發(fā)酵天數(shù)的增加，較高發(fā)酵溫度試驗(yàn)組的甲烷濃度下降更快，說明反應(yīng)物料中的有機(jī)成分更快地被降解[15]。在發(fā)酵穩(wěn)定階段（20～60 d），25℃處理組甲烷濃度整體趨勢(shì)高于其他3個(gè)溫度處理，30，35℃差別不大，40℃處理組甲烷濃度最低。在實(shí)際生產(chǎn)中，完整發(fā)酵周期內(nèi)甲烷的總產(chǎn)量是更為重要的指標(biāo)，該試驗(yàn)中，35℃處理組產(chǎn)甲烷總量最高，為（91.52±1.03）L，占其累積產(chǎn)氣總量的62.02%，較25，30，40℃處理的甲烷總量分別高出34.38%，21.82%和5.38%。由此可知，在該試驗(yàn)設(shè)置下，產(chǎn)甲烷菌群在35℃的發(fā)酵環(huán)境中相比其他幾個(gè)溫度處理更易產(chǎn)出甲烷。

2.1.5 TS產(chǎn)氣量 TS產(chǎn)氣量是指單位質(zhì)量的干物質(zhì)物料經(jīng)過厭氧發(fā)酵后轉(zhuǎn)化成的沼氣量，反映發(fā)酵物料的產(chǎn)氣潛力，一般用mL/g表示[16]。TS產(chǎn)氣量高，說明其相同質(zhì)量下的干物質(zhì)發(fā)酵后的產(chǎn)氣量大，在實(shí)際工程中具有重要意義。

從圖7可以看出，4個(gè)發(fā)酵溫度的TS產(chǎn)氣量均不相同，且差異顯著（P＜0.05）。其中，25℃的TS產(chǎn)氣量為（178.33±2.67）mL/g，30℃的TS產(chǎn)氣量為（202.60±0.32）mL/g，35℃的 TS產(chǎn)氣量為（246.82±2.84）mL/g，40℃的 TS產(chǎn)氣量為（240.41±0.36）mL/g。35℃下，相同干物質(zhì)的物料經(jīng)厭氧發(fā)酵后轉(zhuǎn)化成的沼氣最多，有助于提升牛糞與番茄秸稈的發(fā)酵潛力，使其養(yǎng)分轉(zhuǎn)化更為充分。

2.2 溫度對(duì)牛糞與番茄秸稈厭氧發(fā)酵耗電量的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，沼氣項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行要考慮諸多因素，在同等累積產(chǎn)氣量下，能耗越低，其運(yùn)行成本越低，越符合市場(chǎng)需求。耗電量是指每天為發(fā)酵體系加熱并維持恒溫所消耗的平均電量。

從圖8可以看出，在該試驗(yàn)設(shè)置下，耗電量隨發(fā)酵溫度的升高而增加，25，30，35，40 ℃的耗電量依次為 （0.354±0.002），（0.784±0.006），（1.272±0.012），（1.918±0.007）kWh，趨勢(shì)線反映了平均耗電量隨溫度升高而升高的趨勢(shì)，R2＝0.992，擬合度高，說明二者存在明顯的線性關(guān)系。

2.3 不同溫度處理試驗(yàn)組揮發(fā)性脂肪酸濃度及pH值的變化規(guī)律

2.3.1 不同溫度對(duì)牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵體系中揮發(fā)性脂肪酸濃度的影響 揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是微生物厭氧發(fā)酵的重要指標(biāo)之一，是反應(yīng)初期有機(jī)物被水解酸化后的產(chǎn)物，可影響體系pH值的變化。從圖9可以看出，在反應(yīng)初期，35℃下，揮發(fā)性脂肪酸的濃度上升速度比其他3個(gè)溫度快，第4天達(dá)到一個(gè)小峰值（3.97 g/L），說明在35℃時(shí)物料酸化速度快，體系環(huán)境利于產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸。隨著發(fā)酵的持續(xù)，40℃的VFA濃度超過35℃，并在第7天達(dá)到峰值（5.46 g/L），原因可能是由于40℃環(huán)境中的嗜熱菌逐漸適應(yīng)了高溫環(huán)境并表現(xiàn)出更強(qiáng)的有機(jī)物降解能力。7 d后所有溫度處理的VFA濃度均開始下降，并于15 d后達(dá)到穩(wěn)定。原因可能是由于產(chǎn)甲烷菌活性逐漸增強(qiáng)，開始大量消耗有機(jī)酸，從而使系統(tǒng)的VFA濃度降低并趨于穩(wěn)定[17]。

2.3.2 不同溫度對(duì)牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵體系pH值的影響 適宜的厭氧反應(yīng)pH是微生物進(jìn)行各類有序反應(yīng)的必要條件，從發(fā)酵過程的pH值變化曲線可以看出，不同溫度pH值的整體變化規(guī)律為先下降再上升最后趨于平緩，變化差異不明顯。

從圖10可以看出，發(fā)酵的第5～7天內(nèi)pH值由于各體系厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸過程而降到最低，為5.7左右；之后pH值逐漸升高；到第25天后pH值穩(wěn)定在7.0～7.3。原因是由于在厭氧發(fā)酵階段，產(chǎn)酸菌將有機(jī)物迅速分解為脂肪酸，其大量累積的后果使得體系pH值在發(fā)酵初期迅速下降，隨著甲烷菌的不斷生長(zhǎng)繁殖和適應(yīng)環(huán)境，累積的脂肪酸及含氮有機(jī)物被分解利用，分解產(chǎn)生的氨對(duì)酸性體系進(jìn)行了有效緩沖，從而使得體系pH值恢復(fù)至7.0～7.3，保證了厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行[18-19]。

3 討論

發(fā)酵溫度是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的重要因素之一，通過不同溫度對(duì)牛糞番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣影響試驗(yàn)探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵溫度為35℃試驗(yàn)組總產(chǎn)氣量為148.09 L，產(chǎn)甲烷總量為91.84 L，TS產(chǎn)氣量為246.82 mL/g，均高出其他各組；30℃的日均耗電量雖比35℃低，但35℃處理組總產(chǎn)氣量、甲烷總產(chǎn)量及TS產(chǎn)氣量等主要參數(shù)均比30℃處理組高出20%以上。楚莉莉等[20]采用響應(yīng)面法優(yōu)化牛糞厭氧發(fā)酵的最佳發(fā)酵條件，結(jié)果表明，發(fā)酵溫度為35℃時(shí)，牛糞厭氧發(fā)酵可獲得最大累積產(chǎn)氣量；胡雪竹等[21]研究發(fā)現(xiàn)，不同周期內(nèi)各種微生物相互作用的強(qiáng)弱形成了代謝產(chǎn)物累積量和累積時(shí)間的不同，從而表現(xiàn)出產(chǎn)氣高峰在不同時(shí)期的差異，這與本研究結(jié)果相符。因此，發(fā)酵溫度35℃更適合牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量大、甲烷產(chǎn)量高的要求。本研究通過10 L的厭氧發(fā)酵發(fā)生器作為發(fā)酵載體，相比傳統(tǒng)的小型反應(yīng)器具有密封性好、發(fā)酵容積大、溫度調(diào)控精準(zhǔn)的特點(diǎn)，能夠更準(zhǔn)確地記錄下厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)氣情況，由此確定適宜的厭氧發(fā)酵溫度，對(duì)實(shí)際沼氣工程生產(chǎn)過程中優(yōu)化厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣工藝、配置生產(chǎn)設(shè)備、降低生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)表明，溫度對(duì)牛糞與番茄秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性有顯著的影響，35℃處理的累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷總量均高于其他溫度處理；同時(shí)，TS產(chǎn)氣量最高的也為35℃處理組，該試驗(yàn)設(shè)置下，TS產(chǎn)氣量可達(dá)246.82 mL/g。發(fā)酵溫度的變化與反應(yīng)耗能呈線性關(guān)系，即反應(yīng)體系溫度越高，能耗越大。

此外，35℃條件下反應(yīng)初期VFA濃度上升速度快，物料被產(chǎn)酸菌利用的效率優(yōu)于其他溫度處理，厭氧發(fā)酵體系在經(jīng)過酸化階段后能很快恢復(fù)到酸堿度正常的發(fā)酵環(huán)境。因此，35℃是番茄秸稈與牛糞適宜的厭氧發(fā)酵溫度參數(shù)。