法國梧桐落葉、香樟青葉與豬糞混合厭氧發酵特性的探究

張彤彤，顧平道

（東華大學環境科學與工程學院，上海 201620）

城市綠化垃圾主要是指植物垃圾，即修剪樹木過程中產生的落葉、樹枝修剪物和草屑等。根據上海市綠地結構調查結果可知，本土長青類樹種香樟覆蓋率高達28.7%，外來落葉類樹種法國梧桐覆蓋率為10.7%，因此每年產生大量修剪物及落葉[1]。這些樹葉大部分被直接填埋或者焚燒，造成了土壤的堿化和環境的污染。而樹葉中豐富的碳含量可以用來作為厭氧發酵產沼氣的碳源，在產生沼氣的同時有效地處理了城市綠化垃圾[2]。

大量研究表明，不同條件下不同種類樹葉厭氧發酵生產沼氣的能力不同。陳炳霖等研究表明，落葉與廚余垃圾和牛糞質量比為1:3:2時，三種原料混合厭氧發酵效果最好[3]。孫樹貴等研究發現，中溫條件下三角楓、紫葉李和梧桐三種落葉與豬糞混合厭氧發酵過程產沼氣效果好，且以三角楓與豬糞混合厭氧發酵產氣量最大[2]。王艷玲等研究表明，經過適量氫氧化鈣預處理的楊樹落葉厭氧發酵效果更好[4]。李安華等研究發現，楊樹葉不宜單獨進行厭氧發酵，與豬糞以1:2混合厭氧發酵產氣量最佳[5]。但是，目前就青葉類厭氧發酵特性的研究報道還很少見。

本研究分別以法國梧桐落葉和香樟青葉為底物，豬糞為接種物，分析了法國梧桐落葉和香樟青葉厭氧發酵的特性，并將二者厭氧發酵產氣特性進行對比，探究青葉類厭氧發酵產沼氣的可行性及產氣特性。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

法國梧桐落葉（下文簡稱落葉）取自東華大學校園內堆積落葉，自然風干，打碎機打碎至粒徑1 cm左右；香樟青葉（下文簡稱青葉）取自東華大學校園內新鮮香樟樹，打碎機打碎至粒徑1 cm左右；接種物為江蘇泰興種豬場新鮮豬糞，室溫下經一個月堆漚自行馴化。試驗原料具體參數如表1所示。

表1 落葉、青葉和豬糞主要成分

1.2 試驗方法

試驗中采用批量式中溫（37℃）厭氧發酵工藝，保持接種物含量為65 g，TS為8%，發酵液總體積為500 mL。落葉與豬糞混合厭氧發酵、青葉與豬糞混合厭氧發酵的詳細配比及參數如表2所示。試驗過程中每天記錄厭氧發酵液的日產氣量、甲烷含量、pH等參數。

表2 混合厭氧發酵料液特性參數

1.3 分析方法

利用Elmentar Vario EL III型元素分析儀測量試驗原料中碳氮含量；根據國標法測定發酵料液中TS和VS，并根據TS來配比發酵底料；pH采用pH計測定；日產氣量采用集氣袋收集測量；沼氣中甲烷含量利用氣象色譜儀測定，色譜條件為：GC9890AS靈華氣相色譜儀，FID檢測器，檢測器溫度250℃，進樣口溫度100℃，柱箱溫度80℃。

2 結果與分析

2.1 落葉與青葉厭氧發酵過程中產氣情況對比

圖1 日產氣量隨發酵時間的變化

圖2 日累計產氣量隨發酵時間的變化

由圖1可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發酵的日產氣量呈先升高后降低的趨勢，在發酵時間第10天達到最值261 mL，青葉與豬糞混合厭氧發酵的日產氣量在發酵時間0～10 d內驟降，之后呈平穩趨勢，在40～60 d出現一定的回升，日產氣量的最值為472 mL。由圖2可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發酵日累計產量的增幅大于青葉與豬糞混合厭氧發酵的日累計產量。發酵時間0～10 d內，青葉與豬糞混合厭氧發酵累計產氣量高于落葉的，10 d之后，落葉與豬糞混合厭氧發酵日累計產氣量反超青葉的，且落葉的總產氣量（5 455 mL）遠遠大于青葉的總產氣量（3 869 mL）。原因可能是厭氧發酵系統中，青葉的含水率較高，莖葉中植物細胞組織及微生物活性較好，啟動速度較快，發酵周期較短，同時發酵開始時料液中含有溶解氧，青葉由于其活性厭氧發酵啟動速度快，加快了有機物的分解，故發酵開始時日產氣及累計產氣量高于落葉的；落葉含水率低，多數細胞在長期缺水狀態下失活，處于產酸階段，啟動速度較慢，發酵周期長，隨著厭氧發酵的進行，酸化現象得到了緩解，落葉與豬糞厭氧發酵產氣量高于青葉的[6]。

綜上可得，青葉較落葉而言，厭氧發酵啟動速度較快，周期較短。落葉與豬糞混合厭氧發酵的產氣能力高于青葉與豬糞混合厭氧發酵的產氣能力。

2.2 落葉與青葉厭氧發酵過程中產甲烷情況對比

圖3 甲烷日產量隨發酵時間的變化

圖4 甲烷總產量隨發酵時間的變化

圖5 甲烷含量隨發酵時間的變化

圖6 落葉與青葉產氣情況的對比

由圖3可以看出，落葉與豬糞混合厭氧發酵的甲烷日產氣量呈先上升后下降的趨勢，在發酵時間10～20 d、20～30 d和30～35 d出現三個峰值，產甲烷量分別為111.7 mL、100.0 mL和102.5 mL。青葉與豬糞混合厭氧發酵產甲烷量在發酵時間0～20 d先降低至基本不產氣，20～60 d出現回升，并呈先上升后下降的趨勢。另外，青葉與豬糞厭氧發酵產甲烷能力遠遠低于落葉與豬糞混合厭氧發酵產甲烷能力。由圖4可以看出，青葉與豬糞混合厭氧發酵產甲烷量（404 mL）遠遠低于落葉與豬糞混合厭氧發酵產甲烷量（2 455 mL），厭氧發酵前3 d內青葉與豬糞混合厭氧發酵基本無甲烷產生。

由圖5可以看出，甲烷含量占總產氣量的百分比同甲烷產量類似，呈先升高后降低的趨勢，落葉甲烷含量最高達82%，青葉最高達45%左右。由圖6可以看出，落葉與豬糞厭氧發酵中甲烷產量占總產氣量的45%，青葉與豬糞厭氧發酵中甲烷產量只占到總產氣量的10.5%，不論是總產量還是甲烷總產量，青葉的遠遠低于落葉的。其原因可能是接種物含量一定時，落葉類厭氧發酵系統更加穩定，酸化現象容易得到緩解，青葉類厭氧發酵系統酸化現象嚴重，發酵系統對毒死蜱濃度更加敏感，自我緩解能力差。受酸化現象的影響，甲烷菌生長也受到嚴重抑制，尤其是青葉與豬糞混合厭氧發酵受抑制嚴重，甲烷產量極少甚至為0。

綜上可得，青葉與豬糞混合厭氧發酵同落葉相比，受酸化影嚴重，甲烷產量及含量低，不適宜單獨厭氧發酵。

2.3 落葉與青葉厭氧發酵過程中pH對比

由圖7可以看出，pH由初始值開始降低而后不斷升高，由酸性不斷變化至中性。青葉與豬糞混合厭氧發酵的pH基本低于落葉的，且發酵時間前20 d內，青葉pH與落葉有較大差值。落葉類的pH變化相對穩定。由圖8可以看出，落葉的平均pH更接近中性，青葉的平均pH偏酸性。其原因可能是開始時發酵料液中含有溶解氧，加快了有機物的分解，發酵時間第2天起，溶解氧被消耗完后開始厭氧發酵，發酵料液中有機酸不斷積累，料液呈酸化狀態，隨著厭氧發酵的進行，有機酸不斷被消耗，從而導致pH值不斷升高。青葉相對落葉受酸化影響明顯，有機酸積累多，消耗慢。

綜上可得，青葉與豬糞混合厭氧發酵平均pH偏酸性，低于落葉與豬糞混合厭氧發酵的平均pH。青葉與豬糞混合厭氧發酵pH變化幅度大。

圖7 pH隨發酵時間的變化

圖8 落葉與青葉平均pH的對比

3 結論

青葉較落葉而言，厭氧發酵啟動速度較快，產氣周期較短。青葉與豬糞混合厭氧發酵的產氣能力遠遠低于落葉與豬糞混合厭氧發酵的產氣能力。青葉與豬糞混合厭氧發酵同落葉相比，受酸化影嚴重，甲烷產量及含量低，發酵周期內甲烷總產量為落葉的1/6左右，不適宜單獨厭氧發酵。青葉與豬糞混合厭氧發酵平均pH偏酸性，低于落葉與豬糞混合厭氧發酵的平均pH。青葉與豬糞混合厭氧發酵pH較落葉而言變化幅度大，發酵系統不穩定。