不同含固率和接種比對(duì)尾菜厭氧消化的影響

甄月月，葛一洪，施國中，封海東，張 敏

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，成都 610041；2.十堰市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 十堰 442000)

國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明，2018年中國蔬菜年產(chǎn)量為7.03億噸。而每100噸蔬菜在采收及流通過程中大約會(huì)產(chǎn)生20噸尾菜[1]，即每年約產(chǎn)生1.40億噸尾菜。若處理不當(dāng)，將會(huì)造成大氣污染和溫室氣體排放等環(huán)境問題[2]。研究表明，尾菜具有高水分(>80%)、有機(jī)物含量高(>95%干基)和易生物降解等特性，因此其適宜進(jìn)行厭氧消化[3]。該消化工藝能產(chǎn)生清潔能源沼氣，且消化產(chǎn)物還可用作土壤改良劑或者生產(chǎn)有機(jī)肥，是實(shí)現(xiàn)尾菜資源化和減量化的有效途徑[4]。

厭氧消化是一個(gè)利用微生物將各種有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為可再生清潔能源的生物過程[5]，它受多種因素的影響，其中含固率和接種比均為影響啟動(dòng)時(shí)間和基質(zhì)產(chǎn)甲烷能力的直接因素[6]。含固率會(huì)影響厭氧消化過程中的傳質(zhì)效果，進(jìn)而影響產(chǎn)氣效果，此外還會(huì)影響體系有機(jī)酸積累的水平[7]。接種比決定了體系抗有機(jī)酸負(fù)荷的能力，接種比的合理選擇對(duì)厭氧消化的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性來說非常重要[8]。而受底物性質(zhì)、接種物來源及產(chǎn)甲烷活性和抑制物濃度等因素影響，研究獲得的最優(yōu)接種比存在很大差異[9]。因此，含固率和接種比是決定厭氧消化效率的關(guān)鍵工藝參數(shù)，而目前含固率和接種比對(duì)尾菜厭氧消化交互影響的研究較少，需要進(jìn)一步探索。

因此，本研究采用中溫厭氧消化，研究不同含固率和接種比對(duì)尾菜厭氧消化特性的影響，以期為尾菜厭氧消化工藝的調(diào)控和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用的尾菜取自成都玉林菜市場(chǎng)，由芹菜、白菜、油菜、卷心菜、空心菜、萵筍等比例混合而成，使用粉碎機(jī)破碎至粒徑為3～5 mm，并將其混合均勻后保存在4 ℃冰箱中備用。接種物取自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地的豬糞厭氧消化污泥。表1為原料及接種物特性(其中TS和VS以濕基計(jì)，其余均以干基計(jì))。

表1 尾菜及接種污泥理化特性 (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)總固體濃度，分別為4%TS和8%TS，每個(gè)TS下分別設(shè)置3個(gè)接種比(接種物揮發(fā)性固體：尾菜揮發(fā)性固體)0.8，1.0，1.23，詳見表2。厭氧消化實(shí)驗(yàn)采用1000 mL發(fā)酵瓶，有效體積為700 mL，分別在不同發(fā)酵瓶中加入對(duì)應(yīng)含量的接種污泥和尾菜，用自來水補(bǔ)充至700 mL，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。反應(yīng)溫度為35℃±0.5℃，每天將發(fā)酵瓶搖動(dòng)2次，每次搖動(dòng)5 min。每天記錄沼氣產(chǎn)量、采集氣體樣品測(cè)定氣體成分，每4～5天采集液體樣品，測(cè)定pH值和揮發(fā)酸含量。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.3 測(cè)試方法

總固體濃度(TS)、揮發(fā)性固體濃度(VS)分別采用烘干法和灼燒減重法測(cè)定，測(cè)定溫度分別為105℃和600℃。粗纖維、粗蛋白、粗脂肪均使用國標(biāo)法測(cè)定，沼氣產(chǎn)量采用排水集氣法測(cè)定，氣體成分使用氣相色譜測(cè)定，揮發(fā)性脂肪酸含量采用氣相色譜法測(cè)定，儀器型號(hào)為安捷倫公司生產(chǎn)的GC7820A型氣相色譜，色譜柱為填充柱(1.5 mGDX103 + 5%磷酸色譜柱)，柱箱溫度180℃，進(jìn)樣器溫度200 ℃，檢測(cè)器溫度230℃。pH值采用便攜式pH計(jì)測(cè)定，pH計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)AQUAtwin-pH-33。通過Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用OroginPro 9.1制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 含固率和接種比對(duì)產(chǎn)沼氣的影響

由圖1可以看出，TS為4%時(shí)各處理組在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)日產(chǎn)氣量逐漸增加，到達(dá)產(chǎn)氣峰值后又逐漸下降而后波動(dòng)至產(chǎn)氣結(jié)束。由圖2可以看出，TS為8%的各處理組表現(xiàn)為日產(chǎn)氣量先上升后下降然后再上升又回落的過程。這兩者沼氣產(chǎn)量變化規(guī)律不同主要是因?yàn)門S為4%的處理組總固體含量低，厭氧微生物在啟動(dòng)后較短的時(shí)間內(nèi)將大部分可利用的有機(jī)物消耗完畢，T1，T2，T3處理組在厭氧消化第11～18天,第11～17天,第10～15天的產(chǎn)氣量已達(dá)到該處理組總產(chǎn)氣量的70%以上。而TS為8%的處理組由于總固體含量較高，微生物迅速將較容易降解的物質(zhì)消耗殆盡，啟動(dòng)后日沼氣產(chǎn)量迅速上升，產(chǎn)生第1個(gè)產(chǎn)氣高峰，T1,T2,T3處理組的最高日沼氣量分別達(dá)到840，850，750 mL。而體系中較難降解的有機(jī)物仍殘留在其中，在厭氧消化后期微生物逐步將較難利用的有機(jī)物降解，因此產(chǎn)生第2個(gè)產(chǎn)氣高峰。T1，T2，T3，T4，T5，T6處理組累計(jì)沼氣產(chǎn)量分別為321.78，308.05，303.94，365.83，362.61，344.83 mL·g-1VS，在含固率相同的條件下，產(chǎn)氣量隨接種比的增大而降低。在所有處理中，TS為8%，RI/S為0.8時(shí)沼氣產(chǎn)率最大，為365.83 mL·g-1VS，且顯著高于其他各處理組(p<0.05)。

圖1 4%TS日沼氣產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

圖2 8%TS日沼氣產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)不同處理下的累計(jì)沼氣產(chǎn)量，計(jì)算其平均值I，由I值計(jì)算同一影響因素不同處理水平時(shí)累計(jì)沼氣產(chǎn)量變化的極值R，用以表征該影響因素的變化給累計(jì)沼氣產(chǎn)量帶來變化的大小。計(jì)算得TS為4%和8%含固率下其平均值I分別為311.26和357.75 mL·g-1VS，RI/S為0.8，1.0，1.2不同接種比下其平均值I分別為343.81，335.33，324.39 mL·g-1VS，可見含固率TS為8%，接種比RI/S為0.8時(shí)為最優(yōu)處理。當(dāng)僅考慮含固率TS對(duì)累計(jì)沼氣產(chǎn)量的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)I8%>I4%,即體系的TS越高，產(chǎn)沼氣能力越強(qiáng)。而當(dāng)僅考慮接種比RI/S對(duì)累計(jì)沼氣產(chǎn)量的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)I0.8>I1.0>I1.2,即體系的接種比越高，產(chǎn)沼氣能力越強(qiáng)。同時(shí)，當(dāng)僅考慮含固率影響時(shí)，計(jì)算得到Ra為46.49，僅考慮接種比影響時(shí)，Rb為19.42，Ra>Rb，表明含固率對(duì)累計(jì)沼氣產(chǎn)量的影響力大于接種比。

如圖1和圖2所示，8%TS的處理組較4%TS的處理組啟動(dòng)更快，8%TS的處理組產(chǎn)甲烷延滯期為9天，4%TS的處理組產(chǎn)甲烷延滯期為10天，產(chǎn)甲烷延滯期隨含固率的提高而略有縮短，產(chǎn)甲烷延滯期是因?yàn)樗馑峄蠓e累了大量揮發(fā)酸抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。由圖3可以看出，TS為4%處理組啟動(dòng)前甲烷體積分?jǐn)?shù)較8%TS處理組低，說明TS為4%的處理組體系微生物自我調(diào)節(jié)能力弱于TS為8%的處理組，T4，T5，T6處理組能更快地使酸化得到緩解，pH值更快地恢復(fù)到適宜甲烷菌生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，甲烷菌大量繁殖并且開始利用前期積累的揮發(fā)酸。

圖3 厭氧消化過程中甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化

2.2 含固率和接種比對(duì)累計(jì)甲烷產(chǎn)量的影響

T1，T2，T3，T4，T5，T6累計(jì)甲烷產(chǎn)量分別為218.39，210.28，203.11，253.81，253.50，242.75 mL·g-1VS。8%TS，RI/S為0.8時(shí)累計(jì)甲烷產(chǎn)量最大，為253.81 mL·g-1VS，且顯著高于其他各處理(p<0.05)。含固率一定時(shí)，隨著接種比的提高，累計(jì)甲烷產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)(見圖4和圖5)。

圖5 8%TS下累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

圖4 4%TS下累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

Lawal[10]等研究表明，含固率一定時(shí)，累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨接種比的增加而增加。徐曉秋[11]等以牛糞為厭氧消化底物，設(shè)置3個(gè)接種濃度10%，30%，50%，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種量為30%時(shí)厭氧發(fā)酵效果較好。本研究可能是因?yàn)槭褂玫慕臃N污泥活性較好，單位接種污泥中含有更多的微生物，在接種比較低時(shí)就能為尾菜厭氧消化提供充足的接種物，而接種量過多則導(dǎo)致發(fā)酵料液中可以被微生物所利用的營養(yǎng)成分減少，微生物生長(zhǎng)代謝緩慢，對(duì)底物利用不充分[12]。當(dāng)接種比較高時(shí)為了保證高厭氧消化效率，反應(yīng)器的容積需增大[13]。如圖6～圖8所示，在接種比相同的條件下，TS為4%時(shí)，累計(jì)甲烷產(chǎn)量更低，可能是因?yàn)樵诤搪瘦^低的體系中底物中可利用的營養(yǎng)成分不足，導(dǎo)致產(chǎn)氣率降低[12]。

圖6 RI/S=0.8時(shí)累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

圖7 RI/S=1.0時(shí)累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

圖8 RI/S=1.2時(shí)累計(jì)甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線

如表3所示，TS為4%時(shí)，T1，T2，T3分別在第14，14，12天時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)甲烷峰值，分別為33.11，37.31，38.07 mL·g-1VS·d-1；TS為8%時(shí)，T4，T5，T6分別在第15，15，13天時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)甲烷峰值，分別為29.47，34.32，34.80 mL·g-1VS·d-1。在含固率一定時(shí)，隨著接種比RI/S的提高，產(chǎn)甲烷峰值逐漸增大，峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前，厭氧消化周期縮短，累計(jì)甲烷產(chǎn)量降低。房明[14]等在研究接種比對(duì)餐廚垃圾中溫厭氧消化批式實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置接種比為1，2，3，4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接種比為最低值1時(shí)，產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)時(shí)間最晚，產(chǎn)氣周期最長(zhǎng)，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。4% TS，RI/S為1.2時(shí)產(chǎn)甲烷峰值最大，為38.07 mL·g-1VS·d-1，但是累計(jì)甲烷產(chǎn)量最低，為203.11 mL·g-1VS，這可能是因?yàn)樵诳偣腆w含量較低時(shí)，傳質(zhì)效果好，因此降解底物的速率較快，但底物中可利用的營養(yǎng)成分不足，導(dǎo)致單位底物累計(jì)產(chǎn)甲烷量較低[12]。

表3 各處理組產(chǎn)甲烷情況比較

2.3 含固率和接種比對(duì)厭氧消化液特性的影響

2.3.1 pH值

由圖9和圖10可知，所有處理組的pH值均呈先下降后上升的趨勢(shì)，厭氧消化初期由于尾菜水解酸化造成VFAs大量積累，pH值隨之迅速降低，厭氧消化第3天時(shí)各處理組pH值均為最低，T1，T2，T3，T4，T5，T6處理組pH值分別達(dá)到5.70，5.79，5.93，5.73，5.72，5.61。T6處理組pH值下降幅度最大，pH值最低至5.61。適宜產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的pH值范圍為6.5～7.2[15]，pH值變化可引起產(chǎn)甲烷菌生存和代謝途徑的劇烈變化[14, 16]。隨著產(chǎn)甲烷菌活性的恢復(fù)，大量積累的VFAs被逐漸消耗，轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，pH值亦隨之逐漸上升，并穩(wěn)定在7.6～8.4。本研究pH值的變化與劉芳[17]等的研究相似，均是先上升后下降，且在劉芳等的研究中，pH值最低至5.0～5.5，而最終穩(wěn)定在7.0。

圖9 TS4%時(shí)pH值隨時(shí)間變化曲線

圖10 TS8%時(shí)pH值隨時(shí)間變化曲線

2.3.2 揮發(fā)性脂肪酸

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是厭氧消化過程中重要的中間代謝產(chǎn)物，VFAs的濃度反映了底物進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)被有效微生物降解后中間代謝產(chǎn)物的情況[18]，因此VFAs的濃度可以較好地體現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)的水解酸化程度和代謝產(chǎn)物產(chǎn)氣情況[19-20]。

如圖11所示，厭氧消化初期TS為8%的處理組乙酸含量明顯高于TS為4%的處理組，各處理組厭氧消化初期乙酸含量波動(dòng)下降，與其他處理組相比較，T4處理組厭氧消化后期乙酸含量有一個(gè)明顯的上升，在第21天時(shí)乙酸出現(xiàn)一個(gè)峰值，濃度達(dá)到2955.14 mg·L-1，這可能是由于產(chǎn)酸菌將前期發(fā)酵體系中未完全利用的底物進(jìn)一步降解產(chǎn)生的。

圖11 乙酸含量隨時(shí)間變化曲線

圖12為各處理組在厭氧消化過程中丙酸含量的變化趨勢(shì)，TS為8%的處理組丙酸濃度明顯高于TS為4%的處理組，各處理組丙酸含量在第0～16天內(nèi)均是呈先上升后下降又波動(dòng)上升的趨勢(shì)，第16天后T1，T2，T3，T6處理組丙酸含量隨厭氧消化進(jìn)程緩慢下降，T4和T5處理組丙酸含量在第16～21天內(nèi)呈先下降后上升的趨勢(shì)，在第21天時(shí)，T4和T5的丙酸含量分別達(dá)到峰值1981.522 mg·L-1，1580.061 mg·L-1，厭氧消化第33天時(shí)，這部分丙酸最終被全部降解。厭氧消化初期丙酸含量迅速上升是由于發(fā)酵細(xì)菌利用水解階段的產(chǎn)物作為生長(zhǎng)底物，并將它們進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成乳酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸及乙醇，H2和CO2等小分子物質(zhì)。厭氧消化后期各處理組均出現(xiàn)了不同程度的丙酸抑制現(xiàn)象，含固率越高，接種比越低，丙酸抑制現(xiàn)象越明顯，接種比較高時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)對(duì)丙酸消耗更快，能更加快速地解除丙酸抑制，使后續(xù)厭氧消化更為順利地進(jìn)行。而含固率越高，丙酸抑制現(xiàn)象越嚴(yán)重，TS為8%，RI/S為0.8時(shí)，丙酸抑制現(xiàn)象最嚴(yán)重，丙酸濃度最高可達(dá)1981.522 mg·L-1。Wang[20]等研究發(fā)現(xiàn)的丙酸抑制濃度為900 mg·L-1，本研究中各處理組丙酸濃度峰值均高于900 mg·L-1，但是隨著厭氧消化的不斷進(jìn)行，各處理組積累的丙酸最終均被完全降解。

圖12 丙酸含量隨時(shí)間變化曲線

如圖13所示，丙酸型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵同時(shí)存在于尾菜厭氧消化過程中，丁酸在厭氧消化第18天時(shí)基本被完全利用，而丙酸在第18天時(shí)依然保持較高濃度，在18 d以后丙酸濃度持續(xù)上升，這說明與丁酸相比，丙酸更難降解。

圖13 丁酸含量隨時(shí)間變化曲線

本研究產(chǎn)生丙酸抑制的原因除丙酸自身較難降解[21]外，還可能是因?yàn)榻臃N比較低，當(dāng)丙酸超過一定濃度時(shí)，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷量的降低，同時(shí)丙酸積累更加嚴(yán)重。但本研究中體系內(nèi)可利用的底物有限，因此丙酸不會(huì)無限上升。Yeole[22]等研究表明，丙酸濃度達(dá)到5000 mg·L-1時(shí)，牛糞厭氧消化甲烷產(chǎn)量降低了22%～38%。研究表明，可以通過增大接種量、添加粒狀活性炭、添加微量元素和稀釋等[23]方式加快丙酸降解速度。

圖14為各處理組在厭氧消化過程中總揮發(fā)性脂肪酸的含量變化趨勢(shì)圖，尾菜含有大量的碳水化合物，碳水化合物在厭氧消化初期迅速水解酸化導(dǎo)致?lián)]發(fā)酸大量積累[21]，在第3天時(shí)各處理組均出現(xiàn)第1個(gè)峰值。厭氧消化后期，T4處理組在第21天時(shí)再次出現(xiàn)峰值，是由于乙酸、丙酸含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致總酸濃度上升。徐頌[6]等研究發(fā)現(xiàn)VFAs濃度范圍在1810～6960 mg·L-1時(shí)，產(chǎn)甲烷過程受到抑制。本研究中，厭氧消化第3天時(shí)各處理組總酸濃度均達(dá)到最高，且濃度均超過6960 mg·L-1，此時(shí)產(chǎn)甲烷過程被完全抑制，但是后續(xù)產(chǎn)甲烷菌活性逐漸恢復(fù)后厭氧消化反應(yīng)正常啟動(dòng)。

圖14 總酸含量隨時(shí)間變化曲線

2.3.3 TS及VS去除效果

如圖15所示，T1，T2，T3，T4，T5,T6處理組TS的去除率分別為42.75%，41.75%，37.25%，43.38%，42.38%，40.25%；VS去除率依次為50.19%，49.04%，43.36%，51.78%，49.71%，47.76%。接種比相同時(shí)，8%TS的處理組TS去除率及VS去除率均高于4%TS的處理組。在所有處理組中，T4處理組去除率最高。結(jié)果表明，含固率一定時(shí)，去除率隨著接種比的增加而降低。在接種比相同的條件下，含固率越高，去除率越高。

圖15 不同處理下TS及VS去除率

3 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)中，含固率相同的條件下，厭氧消化產(chǎn)氣量隨接種比的增大而降低。通過計(jì)算可知，含固率對(duì)產(chǎn)沼氣能力的影響大于接種比。

(2)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，含固率越高產(chǎn)甲烷能力越強(qiáng)，接種比越低產(chǎn)甲烷能力越大。尾菜厭氧消化最優(yōu)處理為：TS為8%，RI/S為0.8，最大累計(jì)產(chǎn)甲烷量為253.81 mL·g-1VS，并且顯著高于其他各處理組(p<0.05)。

(3)在尾菜厭氧消化過程中，丙酸累積是抑制體系甲烷化過程的主要因素。各處理?xiàng)l件下尾菜厭氧消化后期均出現(xiàn)了丙酸抑制現(xiàn)象，含固率越高，接種比越低，丙酸抑制現(xiàn)象越嚴(yán)重。8%TS，RI/S為0.8時(shí)，丙酸濃度最高可達(dá)1981.522 mg·L-1。