微量元素對蔬菜廢棄物厭氧消化的促進效果*

孫 娟 ，李 東 ，鄭 濤 ?，劉曉風

（1. 常州大學城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇 常州，213164；2. 中國科學院成都生物研究所，成都 610041）

0 引 言

據(jù)聯(lián)合國糧農組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國蔬菜產量位居世界第一，占世界總量的 49%[1]，同時我國每年產生的蔬菜廢棄物達到了1億t[2]。日常生活和農業(yè)生產的過程會產生大量的蔬菜廢棄物，新鮮果蔬廢棄物占我國城市生活的20% ～ 50%[3]。隨著我國農業(yè)集約化種植的迅速發(fā)展，果蔬廢棄物的產量急劇增加，在農作物中所占比重越來越大[4]。目前對蔬菜廢棄物的處理主要有焚燒、堆肥、衛(wèi)生填埋等。其中焚燒和衛(wèi)生填埋是中國最常見的垃圾處理方式，但其產生的二次污染、能耗以及大范圍占地將對環(huán)境問題和經濟效益帶來麻煩[4]。蔬菜廢棄物含水率和有機質含量高，非常適宜厭氧消化處理，該工藝能產生沼氣清潔能源，消化產物還可用作土壤改良劑或者有機肥，是實現(xiàn)蔬菜廢棄物垃圾資源化和減量化的最佳途徑[5-6]。

然而，蔬菜廢棄物是一種極易腐敗的原料，在厭氧消化過程中容易出現(xiàn)酸化抑制產氣，尤其是在高負荷厭氧消化條件下，水解酸化與產甲烷兩個過程不能較好地匹配，極易引起揮發(fā)性有機酸積累，產甲烷受到抑制，最終導致厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)[7]。因此，大部分沼氣工程選擇在低負荷條件下運行，雖能保證沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定，但無法兼顧效率，造成反應器體積資源的浪費，使得工程整體的經濟性比較差[8]。

微量元素（trace element, TE）Fe、Co、Ni的添加已成功地促進不同底物的厭氧消化系統(tǒng)，比如玉米秸稈、小麥秸稈、餐廚垃圾、屠宰場垃圾等[9-12]。金屬酶是產甲烷化和產酸化階段重要的輔助因子，同時，微量元素在金屬酶中會形成酶活性中心，其中金屬酶包括氫化酶、輔脫氫酶、甲基轉移酶、甲酸脫氫酶，微量元素對厭氧消化系統(tǒng)非常重要[13-16]。

目前，對微量元素調控蔬菜廢棄物厭氧消化系統(tǒng)的研究還非常少，為使蔬菜廢棄物厭氧消化過程能夠在高負荷下穩(wěn)定運行，本文通過添加微量元素來及時調控，強化穩(wěn)定厭氧消化。

1 實驗部分

1.1 試驗原料

1.1.1 發(fā)酵原料

蔬菜廢棄物取自四川省成都市海吉星蔬菜交易區(qū)，每次取樣100 kg，一共取樣3次。利用濕物粉碎機將蔬菜樣粉碎至粒徑4 ～ 5 mm并攪拌均勻，放置于4℃冰柜中冷藏保存。原料基本性質列于表1。

表1 蔬菜廢棄物理化性質Table 1 Physical-chemical characteristics indexes of the vegetable waste

1.1.2 接種物

本試驗接種物取自成都市雙流縣某沼氣基地沼氣池，以豬糞為主。往反應器中加入59.5 L接種物，在中溫條件下（35℃）進行為期20 d的馴化培養(yǎng)。馴化后接種物pH值在7 ～ 8范圍內，甲烷質量分數(shù)在60%以上。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置為連續(xù)攪拌全混式反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR），在線監(jiān)測pH、ORP、溫度、產氣量。發(fā)酵罐總體積70 L，有效體積59.5 L，頂部配有攪拌電機，每天攪拌8次，每次攪拌30 min，轉速30 ～ 40 r/min。反應器外部有加熱保溫裝置，將反應罐內溫度控制在35℃。試驗反應裝置如圖1所示。

圖1 70- L厭氧消化試驗反應裝置圖Fig. 1 The reactor of 70 L AD experiment

試驗運行條件如表2所示。每天定時從發(fā)酵罐排放出2.98 L沼液，并將沼液中沼渣過濾。向反應器投加回流的沼液體積與原料體積之和等于排放沼液的體積。除了在線監(jiān)測的指標，每天監(jiān)測沼氣中的CH4濃度。當CH4濃度呈持續(xù)下降趨勢時，立即添加微量元素（Fe、Co、Ni）至系統(tǒng)指標恢復穩(wěn)定值，再提高有機負荷率（organic Loading rate, OLR）。微量元素投加量為 Fe 1.0 mg/(L·d)、Co 0.1 mg/(L·d)、Ni 0.2 mg/(L·d)。

表2 試驗運行條件Table 2 Operating condition of the digestion

1.3 指標分析方法

總固體（total solid, TS）采用烘干法、揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）采用稱重法進行測定；C、N采用元素分析儀測定；粗纖維、粗蛋白和粗脂肪采用國標法（GB/T2009-2003）測定；氣體成分采用Agilent 7890A氣相色譜進行分析，主要分析CH4和CO2含量，色譜柱為 G3591-70015 3m 1/8 2mm MOLSIEVE 13X 80/100 SS，TCD檢測器，載氣為氬氣，流速為 30 mL/min，進樣口、柱箱和檢測器溫度分別為100℃、70℃和150℃。

微量元素（Fe、Co、Ni）采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）檢測分析（HJ 776-2015）。

2 結果與討論

2.1 池容產甲烷率與微量元素

微量元素的促進效果需從厭氧消化系統(tǒng)的產甲烷能力來評價，即沼氣的甲烷含量及池容產甲烷率（volumetric methane production rate,VMPR）。

圖2是CH4含量和微量元素的變化趨勢圖。在厭氧消化啟動初期，蔬菜廢棄物逐漸替代原有反應器內的發(fā)酵物料。原有反應器的發(fā)酵物料為氨氮含量較高的豬糞，產生的沼氣中CH4含量較高；而蔬菜廢棄物的氨氮含量較低，產生的沼氣中CH4含量相對較低。因此，在OLR 0.5 gVS/(L·d) 的運行條件下，CH4含量呈下降趨勢。在OLR 1.0 ～ 1.5 gVS/(L·d)的運行條件下，CH4含量穩(wěn)定在50% ～ 55%，說明厭氧消化系統(tǒng)較為穩(wěn)定。當OLR提高到2.0 gVS/(L·d)，CH4含量開始快速下降，從50%降到了40%，說明系統(tǒng)產甲烷的能力在下降，產甲烷菌可能受到揮發(fā)性脂肪酸的抑制。從第103天開始添加微量元素，CH4含量出現(xiàn)了快速上升的趨勢，最高達到了72.6%。添加5天后，CH4含量再次穩(wěn)定在50% ～ 55%，說明厭氧消化系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。此后的運行過程中，進一步提高OLR。當系統(tǒng)運行至OLR 3.0 gVS/(L·d)的第20天，CH4含量從58.9%降至53.4%，雖仍保持在50%以上，但下降的幅度較大，說明厭氧消化系統(tǒng)可能受到輕微的揮發(fā)酸抑制，此時立即添加微量元素。3天后CH4含量再次恢復到了55%以上。

圖2 CH4含量和微量元素含量趨勢圖Fig. 2 Evaluation of CH4 and trace elements

圖3是VMPR隨OLR的變化趨勢圖。在OLR 0.5 gVS/(L·d) 運行條件下，VMPR呈下降趨勢，后10 天則趨于穩(wěn)定。在 OLR 1.0 ～ 1.5 gVS/(L·d) 的運行條件下，VMPR呈現(xiàn)出階梯式的增長，說明厭氧消化系統(tǒng)產甲烷性能良好。然而在OLR 2.0 gVS/(L·d) 開始階段，VMPR值相對OLR 1.5 gVS/(L·d) 沒有明顯的增長，說明系統(tǒng)產氣受到抑制。從第103天開始添加微量元素，VMPR出現(xiàn)了快速上升的趨勢，從 0.38 L/(L·d) 升到最高 1.43 L/(L·d)，此后穩(wěn)定在0.6 L/(L·d) 左右。繼續(xù)提高OLR，VMPR也有明顯增大。第二次微量元素的添加對VMPR也起到積極作用。整體來看，VMPR隨OLR增大而增大。

圖3 VMPR變化趨勢圖Fig. 3 Evaluation of VMPR

兩次添加后，F(xiàn)e、Co、Ni含量都明顯增大，CH4含量和VMPR均隨之快速上升。這是由于Co的補給可以促進厭氧消化系統(tǒng)乙酸化，給產甲烷菌提供更多的直接消化底物，同時微量元素 Fe、Co、Ni又能促進產甲烷化[17-19]。停止微量元素添加后，厭氧消化系統(tǒng)內的微量元素仍然能夠保證厭氧消化微生物的生長和產甲烷代謝需求，因此厭氧消化系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。

2.2 揮發(fā)性脂肪酸含量、pH和ORP的變化規(guī)律

表3是添加微量元素前后揮發(fā)性脂肪酸濃度的變化情況。第一次添加是103天到112天，第一天微量元素的添加未能迅速改變各揮發(fā)性脂肪酸的高含量狀態(tài)，但在添加了 10天后，揮發(fā)性脂肪酸主要為乙酸和丙酸，且含量都比較低，乙酸從3815.24 mg/L降至108.53 mg/L，丙酸從772.10 mg/L降至48.10 mg/L，正/異丁酸和正/異戊酸含量都為0。第二次添加是在196天到198天，這次添加的第一天，乙酸、丙酸、異丁酸和異戊酸含量都迅速降低，在199天時，乙酸含量已降至132.55 mg/L，丙酸、異丁酸和異戊酸含量均低于100 mg/L。

表3 微量元素添加前后揮發(fā)性脂肪酸含量的變化Table 3 VFAs changes for trace elements addition

由于微量元素Fe和Co能夠促進乙酸化，同時Ni又能夠促進乙酸的利用率[17-19]，因而在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸大量累積后添加微量元素能夠加快其轉化。

圖4是系統(tǒng)pH和ORP的變化趨勢圖。在OLR 0.5 ～ 1.5 gVS/(L·d) 期間，pH 基本維持在 7.5 ～ 7.9，ORP則基本小于-530 mV，除了厭氧消化啟動初期pH和ORP的波動稍大，OLR 0.5 gVS/(L·d) 穩(wěn)定期后都呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢。但當厭氧消化過程運行到OLR 2.0 gVS/(L·d) 時，pH出現(xiàn)明顯的下降趨勢，ORP則明顯上升，這說明厭氧消化系統(tǒng)開始出現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸的積累。為避免系統(tǒng)進一步惡化，從第113天開始添加微量元素，添加之后，pH迅速從7.21升至7.65，與此同時ORP迅速降低，從-509 mV降至-539 mV，添加5天后，pH與ORP都基本恢復到之前穩(wěn)定的狀態(tài)。第二次添加后，pH迅速從7.16升至7.34，再穩(wěn)定在7.20左右。第一次添加微量元素與第二次添加之間隔了83 d，且這期間 OLR 從 2.0 gVS/(L·d) 升到了 3.0 gVS/(L·d)。

厭氧消化過程 pH值下降一般意味著有揮發(fā)性脂肪酸累積，ORP則反映微生物細胞內部的氧化還原狀態(tài)，若呈上升趨勢說明系統(tǒng)的丙酸增加使得NADH被氧化為 NAD+。微量元素的添加促進揮發(fā)性脂肪酸的降解，從而使得pH和ORP出現(xiàn)顯著變化，說明微量元素對揮發(fā)性脂肪酸的降解起了促進作用，穩(wěn)定了厭氧消化過程。

圖4 pH和ORP趨勢圖Fig. 4 Evaluation of pH and ORP

3 結 論

微量元素添加能夠有效提高蔬菜廢棄物厭氧消化穩(wěn)定運行的有機負荷。蔬菜廢棄物中溫厭氧消化系統(tǒng)在沼液全回流的進料方式下，運行至OLR 2.0 gVS/(L·d) 時，消化過程中CH4含量快速下降，通過添加微量元素Fe、Co、Ni，CH4含量、pH和ORP均快速地恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，且厭氧消化過程可在高負荷條件下長期穩(wěn)定運行。同時微量元素的添加可有效提高池容產甲烷率，VMPR在穩(wěn)定狀態(tài)下可達到 1.0 L/(L·d)。

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