廢棄煙葉與豬糞不同配比聯合沼氣發酵對產氣性能的影響

摘 要 為有效解決廢棄煙葉單獨發酵的產氣失常問題，開展了廢棄煙葉和豬糞在不同干物質量配比下的聯合發酵研究。結果顯示，廢棄煙葉與豬糞干物質量配比為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。結果表明，廢棄煙葉與豬糞的聯合發酵能有效解決廢棄煙葉單獨發酵易出現的產氣失常問題，且建議配比為9∶1，既可以最大限度地處理廢棄煙葉，又可以產生清潔能源沼氣，助力鄉村振興和生態文明建設。

關鍵詞 煙葉；豬糞；沼氣；聯合發酵；產氣性能

中圖分類號∶S141.4 文獻標志碼∶A DOI∶10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.23.018

云南省是中國最大的煙葉產地，2022年烤煙產量達到83.97萬t[1]，同時也產生了大量不能用于卷煙生產的廢棄煙葉，煙農常采用焚毀和填埋的方式對其進行處理，但會造成大氣、土壤和地下水等自然環境的污染。為合理處理廢棄煙葉，眾多學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]，而廢棄煙葉的揮發性固形物高達近80%[5]，從沼氣發酵理論上講是一種很好的發酵原料，對此，楊斌等對廢棄煙葉的沼氣發酵特性開展了探索性研究[5]，發現廢棄煙葉單獨進行沼氣發酵時易出現酸化現象，酸化持續時間長且產生大量CO2，導致可供產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。出現這一問題的主要原因為沼氣發酵是細菌和古菌種群協同作用的過程[6]，需要適宜的發酵原料及適應原料的微生物群落，而單一原料的沼氣發酵可能由于其基質組成導致營養元素不均衡，使得在沼氣發酵過程中易出現酸抑制或氨抑制等現象。如秸稈類生物質由于碳氮比較高，當其作為單一發酵原料時易出現氮源不足，進而導致發酵周期延長的情況，而糞便、污泥類生物質由于碳氮比較低，在沼氣發酵過程中容易出現碳源不足的問題，進而導致發酵料液中氮累積，不利于發酵系統長期穩定運行。

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

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

本研究所用的發酵原料廢棄煙葉取自云南省保山市騰沖縣某農田，采用果蔬粉碎機粉碎處理至漿狀，經測定，廢棄煙葉的TS為23.15%，VS為79.99%，pH值為6.5。本研究所用的發酵原料豬糞取自云南省昆明市團結鄉某農戶家，經測定，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氣的厭氧活性污泥，取自云南省昆明市某污水處理廠，經測定，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酵系統（沼氣發酵瓶、排水集氣瓶、體積計量瓶）和溫控系統等組成，見圖1。在沼氣發酵系統中，沼氣發酵瓶為500 mL廣口瓶，用帶玻璃導管的橡皮塞封口；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。溫控系統由水槽、電熱管、循環水泵、交流接觸器及熱電偶等組成。

1.3" 試驗設計

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

1.4" 測定指標、方法及數據分析

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氣量，以各組3個平行的平均產氣量作為各組的表征產氣量；產氣潛力即單位質量原料干物質的發酵產氣量，此指標用累積沼氣產量除以原料干物質量得到[8]；產沼氣動力學的分析采用修正的Gompertz方程[9]。

2" 結果與分析

2.1" 發酵前后料液的TS、VS及pH值

各試驗組發酵前后料液的TS、VS及pH值的變化情況見表2。各試驗組經發酵后，料液的TS降解率為6.07%～28.72%、VS降解率為9.21%～22.43%，表明料液中的有機質被微生物利用，符合沼氣發酵規律[10]。其中，當廢棄煙葉和豬糞干物質配比為0∶10～3∶7時，隨著廢棄煙葉干物質量的增多，TS降解率呈逐漸降低的趨勢，而廢棄煙葉和豬糞干物質配比在4∶9至10∶0時，TS降解率隨著廢棄煙葉干物質量的增多呈現逐漸增高的趨勢。VS是原料中的有機物質，也就是沼氣發酵可以分解代謝產生沼氣的這部分物質，VS降解率隨著廢棄煙葉干物質量的增多而呈現逐漸增加的趨勢，說明聯合發酵中廢棄煙葉占比與有機質降解程度成正比。廢棄煙葉和豬糞干物質不同配比試驗組的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質在厭氧條件下的水解速率不一致。發酵前各試驗組的料液pH值都處于沼氣發酵的正常pH值范圍之內，即6.5～7.5，因而沼氣發酵可順利啟動，經過發酵后，試驗組A～F的pH值同樣處于沼氣發酵正常pH值范圍內，符合沼氣發酵pH值變化規律，而廢棄煙葉和豬糞干物質配比在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" 產氣情況分析

2.2.1" 日產氣量

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

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

從日產氣最高峰來看，廢棄煙葉單獨發酵雖然具有最大的產氣高峰，但所產氣體不能點燃，發酵是不正常的，若按所產氣體能連續燃燒作為標準，廢棄煙葉單獨發酵的產氣最高峰為130 mL，均明顯低于廢棄煙葉與豬糞聯合發酵試驗組，同時聯合發酵試驗組的產氣最高峰也都高于豬糞單獨發酵試驗組，表明廢棄煙葉與豬糞聯合發酵具有更佳的日產氣性能，這是由于聯合發酵是２種及以上原料作為基質的發酵過程，相較于單一基質的沼氣發酵，聯合發酵過程可有效彌補單一基質發酵導致的營養不均衡缺陷，使沼氣發酵體系更適宜厭氧微生物的生長代謝，進而使沼氣發酵過程變得更加穩定，從而帶來更佳的產氣性能。

2.2.2nbsp; 累積產氣量

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

2.2.3" 產氣速率

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

2.2.4" 產氣潛力

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

2.3" 產氣動力學分析

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

3" 結論

在相同干物質量的條件下，廢棄煙葉與豬糞聯合發酵的產氣性能均優于廢棄煙葉和豬糞單獨發酵的產氣性能，同時能有效解決廢棄煙葉單獨發酵易出現的產氣失常問題，說明廢棄煙葉與豬糞之間的協同作用提高了沼氣發酵效率。

廢棄煙葉與豬糞聯合發酵的干物質量配比為9∶1時，實測TS產氣潛力及Modified Gomperts模型擬合的最大累積產氣量均為各配比組最高，分別為340.50 mL·g-1和3 412.87 mL，因此可采用聯合發酵的方式來對農業農村中常見的廢棄煙葉與豬糞進行能源化利用，且建議配比為9∶1，這樣既可以最大限度地處理廢棄煙葉，又可以產生清潔能源沼氣，助力鄉村振興和生態文明建設。

參考文獻：

[1] 云南省統計局. 2023年云南統計年鑒[M]. 昆明： 云南省統計局， 2024.

[2] 柳榭陽， 邸慧慧， 黃占斌， 等. 廢棄鮮煙葉田間就地堆肥促生長機制研究 [J]. 環境科學研究， 2023， 36（6）： 1187-1198.

[3] 孫佳玉， 穆淑珍， 李江， 等. 貴州廢棄煙葉抗炎活性部位及其化學成分分析鑒定 [J]. 廣州化工， 2022， 50（22）： 123-127.

[4] 潘昌濱， 劉青鋒， 安登龍， 等. 利用煙草廢棄物制作生物農藥的探究 [J]. 農業與技術， 2022， 42（17）： 15-18.

[5] 楊斌， 李彥， 張無敵， 等. 廢棄煙葉厭氧消化的實驗探究 [J]. 云南師范大學學報（自然科學版）， 2012， 32（3）： 28-32.

[6] 郝鑫， 蘇婧， 孫源媛， 等. 餐廚垃圾與污泥、秸稈不同配比聯合厭氧發酵對產氣性能的影響 [J]. 環境科學研究， 2020， 33（1）： 235-242.

[7] 魏丹丹， 王昌梅， 劉健峰， 等. 4種生長環境的巨菌草沼氣發酵產氣特性研究 [J]. 中國沼氣， 2022， 40（6）： 29-36.

[8] 廖澄， 魏丹丹， 劉健峰， 等. 蒸汽爆破玉米秸稈厭氧消化產氣特性研究 [J]. 云南師范大學學報（自然科學版）， 2022， 42（3）： 12-16.

[9] 趙婉情， 陽紅， 劉海鑫， 等. 有機負荷對餐廚垃圾厭氧消化性能影響及動力學分析 [J]. 中國沼氣， 2023， 41（4）： 26-30.

[10] 吳園園. 殘留消殺劑對厭氧發酵產沼的影響研究 [D]. 南寧： 廣西大學， 2021.

[11] 李晨虎， 寧高楊， 姜振錕. 微生物降解煙葉煙堿研究應用進展 [J]. 安徽農學通報， 2023， 29（5）： 22-26.

（責任編輯：易" 婧）