不同預(yù)處理條件對于尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響

白巖 ，劉金力 ，徐華宇 ，馬超 ，張雪巖 ，馬爽 ，鄭樹生 ，楊宏志 ，王彥杰

（1.黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點實驗室/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶163319；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實驗設(shè)備管理中心；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院）

我國是農(nóng)業(yè)大國，蔬菜是國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。根據(jù)《國家統(tǒng)計局》統(tǒng)計，2018 年蔬菜產(chǎn)量7.1 億t，較2009 年增長了29.1%。有研究表明蔬菜產(chǎn)量與真實攝取量的比例為1∶0.7，即30%的蔬菜產(chǎn)量不可食用，成為尾菜[1]。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及規(guī)模的逐漸增大，尾菜所造成的問題也日益嚴(yán)重，對尾菜無害化處理以及再利用，已經(jīng)成為現(xiàn)階段蔬菜產(chǎn)業(yè)中急需解決的問題[2]。

尾菜含有大量的碳水化合物、木質(zhì)纖維素以及可溶性糖，含有較高的揮發(fā)性固體，降解性好，具有可觀的厭氧發(fā)酵潛力[3-5]，但是該過程仍然存在一些局限性，如尾菜的TS 含量低，導(dǎo)致發(fā)酵料液酸化和pH 迅速下降，抑制了甲烷的產(chǎn)生，使厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果受到影響[6]。

目前，國內(nèi)外對于尾菜的研究主要聚集在混合厭氧發(fā)酵、飼料、堆肥等方面[7-9]，但不同預(yù)處理對尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響研究較少[10-12]。以上研究僅討論1 種預(yù)處理方式，而對多種預(yù)處理方式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力進行比較的研究較為少見，涉及的尾菜種類也比較單一具有局限性。課題組也在前期研究中發(fā)現(xiàn)，通過對白菜尾菜進行預(yù)處理，可以減緩厭氧發(fā)酵過程中尾菜“易酸化”的問題，提高產(chǎn)氣率[13]。鑒于此，研究采用批次試驗方法，研究白菜、卷心菜、芹菜、菠菜、油菜等5 種常見尾菜的產(chǎn)氣潛力，篩選出產(chǎn)氣效果最佳和最差的尾菜作為供試尾菜，并通過采用沼液浸泡、堿液浸泡、超聲波清洗、超聲波破碎等4 種預(yù)處理措施來研究預(yù)處理對尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響，以期解決尾菜產(chǎn)氣率低、易酸化的問題，為尾菜的無害化處理和資源化利用提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

尾菜采集于黑龍江省大慶市九區(qū)蔬菜批發(fā)市場，分揀出石頭、草等雜質(zhì)后將尾菜用菜刀切至2～5 cm 大小后分裝，放入冰箱4 ℃儲存?zhèn)溆?。厭氧發(fā)酵的接種物來自實驗室馴化穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵接種物。尾菜和接種物的主要特性見表1。

表1 尾菜和接種物的特性Table1 The characteristics of vegetable waste and inoculum

1.2 試驗裝置

實驗室自行設(shè)計的厭氧發(fā)酵裝置，主要由發(fā)酵瓶、取樣口、導(dǎo)氣管、集氣袋等4 部分組成見圖1。根據(jù)試驗設(shè)計，取一定發(fā)酵物料加入一定馴化的接種物，溶于自來水定容至800 mL 裝入發(fā)酵瓶，并調(diào)節(jié)pH值至（8.0±0.1）后封裝，最后將發(fā)酵裝置置于（37±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行中溫厭氧發(fā)酵，每組3 個平行，取平均值進行分析。

圖1 厭氧發(fā)酵試驗裝置組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic fermentation test unit

1.3 試驗設(shè)計

稱取卷心菜260 g 和芹菜385 g，接種量為30%，調(diào)整TS 濃度為3%，在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行厭氧發(fā)酵，每個試驗組設(shè)置3 次重復(fù)，分別測定其厭氧消化產(chǎn)甲烷能力。

1.3.1 不同尾菜厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果

分別對白菜、菠菜、卷心菜、芹菜、油菜5 種尾菜進行產(chǎn)氣潛力試驗。篩選出產(chǎn)氣率高和產(chǎn)氣率低的尾菜作為如下試驗的供試尾菜。

1.3.2 不同預(yù)處理對卷心菜和芹菜的產(chǎn)氣影響

沼液浸泡預(yù)處理：將卷心菜和芹菜分別置于1 L的玻璃瓶內(nèi)，分別加入沼液100 mL，瓶口用封口膜封好，置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行浸泡預(yù)處理，分別預(yù)處理 1、2、3 d 和 4 d。

堿液浸泡預(yù)處理：將卷心菜和芹菜分別置于500 mL 的燒杯中，分別加入濃度為0.5%、1.0%、2.0%和3.0%的NaOH 溶液，在常溫條件下浸泡3 h，浸泡結(jié)束后的尾菜用蒸餾水浸泡清洗過濾多次至pH 試紙測試為中性。

超聲清洗預(yù)處理：將卷心菜和芹菜分別置于500 mL 的燒杯中，在超聲功率100 W 下，分別設(shè)置超聲時間為10、20、30 min 和40 min 進行預(yù)處理。

超聲破碎預(yù)處理：將卷心菜和芹菜分別搗碎至漿于500 mL 燒杯中，在超聲時間為30 min 下，分別在破碎功率為10%、20%、30%和40%（額定功率450 W）時進行預(yù)處理。

1.4 測定方法

總固體（total solids，TS）和揮發(fā)性固體（volatile solids，VS）采用標(biāo)準(zhǔn)方法進行測定[14]；采用氣體轉(zhuǎn)子流量計（LZB-WB）來測定沼氣日產(chǎn)氣量，每日取樣測定一次；通過利用便攜式沼氣分析儀（BIOGAS5000）測定沼氣中甲烷含量，發(fā)酵20 d 內(nèi)的沼氣日產(chǎn)量總和與甲烷日產(chǎn)量總和，即為該處理沼氣累積產(chǎn)量與甲烷累積產(chǎn)量。采用烘干稱重法測定料液中的TS 和VS[15]；采用便攜式 pH 計（B-712）測定 pH 值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同尾菜厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果分析

不同尾菜厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果分析見表2，其中卷心菜和菠菜的產(chǎn)甲烷率最高，菠菜的VS 產(chǎn)甲烷率為78.33 mL·g-·1VS，TS 產(chǎn)甲烷率為 76.50 mL·g-·1TS；卷心菜的 VS 產(chǎn)甲烷率為 77.44 mL·g-1·VS，TS 產(chǎn)甲烷率為75.63 mL·g-1·TS，菠菜與卷心菜的產(chǎn)甲烷率無差異。芹菜的產(chǎn)甲烷率最低，芹菜的VS 產(chǎn)甲烷率為55.73 mL·g-·1VS，TS 產(chǎn)甲烷率為 54.43 mL·g-·1TS，均低于其他尾菜。這表明菠菜和卷心菜產(chǎn)氣效果好，芹菜產(chǎn)氣效果差。

表2 不同尾菜厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果分析Table 2 Analysis on the effect of anaerobic fermentation of different vegetable waste

2.2 不同預(yù)處理對尾菜厭氧發(fā)酵pH 值的影響

pH 值作為沼氣發(fā)酵反應(yīng)關(guān)鍵性檢測指標(biāo)之一。研究認(rèn)為中溫產(chǎn)甲烷菌的最適pH 值為6.5～7.5，pH過低或過高都會導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制[16]。所以，研究不同預(yù)處理措施對卷心菜和芹菜厭氧發(fā)酵pH 值變化情況十分必要，具體見圖2 所示，對照組與處理組發(fā)酵液pH 值變化趨勢基本相同，先降低后升高?？赡苁且驗樵诎l(fā)酵初期產(chǎn)酸菌的產(chǎn)酸（乙酸、丙酸、丁酸等）過程導(dǎo)致pH 值下降，而pH 值的上升階段則是產(chǎn)甲烷菌分解乙酸、二氧化碳等產(chǎn)甲烷的過程[17]。4 種處理的pH 值明顯高于對照組，說明預(yù)處理對pH 值具有緩沖作用，使厭氧發(fā)酵的pH 值穩(wěn)定在適宜的范圍內(nèi)。

圖2 四種處理對卷心菜和芹菜厭氧發(fā)酵pH 的影響Fig.2 Effects of four treatments on the pH value of cabbage and celery by anaerobic fermentation

2.3 不同預(yù)處理對尾菜厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷率的影響

4 種處理對卷心菜和芹菜厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷率的影響見圖3，與對照相比，采用沼液浸泡、堿液浸泡、超聲波清洗、超聲波破碎4 種處理對卷心菜和芹菜進行預(yù)處理后，卷心菜的最高日產(chǎn)甲烷率的提高率分別為96.95%、131.37%、82.40%和107.88%，芹菜的最高日產(chǎn)甲烷率的提高率分別為71.05%、41.67%、80.09%和96.56%。預(yù)處理均可穩(wěn)定和大幅度提高厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)甲烷率，這可能是因為尾菜經(jīng)過預(yù)處理后，讓微生物在厭氧發(fā)酵的早期更加容易與尾菜中纖維素接觸并發(fā)生反應(yīng)，從而縮短產(chǎn)甲烷周期并在厭氧發(fā)酵的早期便能大幅度提高產(chǎn)甲烷量[18]。比較4 種處理的日產(chǎn)甲烷率可見，堿液浸泡預(yù)處理卷心菜的效果最佳，最高日產(chǎn)甲烷率為42.63 mL·g-1·TS，超聲波破碎預(yù)處理芹菜的效果最佳，最高日產(chǎn)甲烷率為 38.81 mL·g-1·TS。

2.4 不同預(yù)處理對尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率的影響

不同預(yù)處理條件對卷心菜和芹菜厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率影響見表3 和表4，采用沼液浸泡、堿液浸泡、超聲波清洗、超聲波破碎4 種處理對卷心菜和芹菜進行預(yù)處理后，甲烷含量、甲烷產(chǎn)率有了大幅度提升。與對照組相比，卷心菜的VS 甲烷產(chǎn)率的提高率分別為65.28%、73.71%、78.43%和95.57%，芹菜的VS 甲烷產(chǎn)率的提高率分別為 56.89%、50.71%、82.88%和120.85%。可能因為4 種處理不同程度的破壞尾菜纖維素結(jié)構(gòu)，有助于產(chǎn)甲烷菌對發(fā)酵底物的利用和酶解的進行，提高尾菜的厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化率[19]。研究結(jié)果表明，超聲波破碎功率30%預(yù)處理效果最好，與對照相比，兩種尾菜的TS 甲烷產(chǎn)率的提高率分別為95.53%和120.88%，VS 甲烷產(chǎn)率的提高率分別為95.56%和120.82%。

圖3 四種處理對卷心菜和芹菜厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷率的影響Fig.3 Effects of four treatments on methane production of cabbage and celery by anaerobic fermentation

表3 不同預(yù)處理條件對卷心菜厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率影響Table 3 Effects of different pretreatment conditions on methane production of cabbage anaerobic fermentation

續(xù)表3 不同預(yù)處理條件對卷心菜厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率影響Continued table 3 Effects of different pretreatment conditions on methane production of cabbage anaerobic fermentation

表4 不同預(yù)處理條件對芹菜厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率影響Table 4 Effects of different pretreatment conditions on methane production of celery anaerobic fermentation

3 討論

尾菜厭氧發(fā)酵過程中物料易于降解，pH 值快速降低，容易導(dǎo)致酸化，從而抑制甲烷菌的活動[20]。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施對pH 值具有緩沖作用。因此，在發(fā)酵前對尾菜進行有效預(yù)處理十分必要。探討了目前農(nóng)業(yè)廢棄物的預(yù)處理研究中最為常用的4 種方法：沼液浸泡、堿液浸泡、超聲波清洗和超聲波破碎。

宋亞楠等[21]對白菜、茄子、胡蘿卜、土豆和黃瓜5種常見的蔬菜廢棄物的產(chǎn)氣潛能進行研究，發(fā)現(xiàn)不同尾菜的產(chǎn)氣潛力差異較大，為此，研究以白菜、卷心菜、菠菜、芹菜、油菜等5 種尾菜為發(fā)酵原料，在中溫（37±1）℃條件下，進行了單因素厭氧發(fā)酵試驗，通過測定發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量、CH4含量、pH 值等各項指標(biāo)，對不同種類的尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律和特性進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，菠菜和卷心菜的產(chǎn)氣效果顯著高于其他尾菜，而芹菜的產(chǎn)甲烷能力最低。其原因可能與尾菜中的營養(yǎng)成分有關(guān)，試驗沒有研究營養(yǎng)成分，需要進一步研究?？紤]到目前我國菠菜尾菜的產(chǎn)生量較少，而卷心菜尾菜的產(chǎn)生量較大，故選用卷心菜和芹菜作為如下的供試尾菜。

沼液中富含微生物，對原料纖維組分具有降解作用，使發(fā)酵原料中的不溶性大分子有機物分解為可溶的小分子有機物，加速水解產(chǎn)酸速率，利于后期的產(chǎn)甲烷發(fā)酵[22]。試驗利用沼液預(yù)處理尾菜研究其厭氧消化性能，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理時間是影響尾菜厭氧發(fā)酵的主要因素。沼液浸泡預(yù)處理3 d 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果最佳，與對照相比，兩種尾菜的TS 產(chǎn)甲烷率的提高率分別為65.24 和56.85%。說明沼液浸泡預(yù)處理措施可有效地提高尾菜產(chǎn)氣能力，其原因可能是沼液中存在的微生物可以通過生化作用將尾菜初步水解，有效破壞尾菜的纖維素的組織結(jié)構(gòu)，增強了尾菜的消化性能。同時，厭氧發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液的pH 值利于微生物的生長，說明厭氧發(fā)酵體系具有較好的穩(wěn)定性和緩沖能力。尹燕等[11]研究不同沼液浸泡時間對花椰菜廢棄物進行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沼液浸泡處理4 d 預(yù)處理效果最好，總產(chǎn)氣量比對照組高出73.90%。產(chǎn)氣率與研究有所差異，其原因可能與試驗的設(shè)計方法以及發(fā)酵原料不同有關(guān)。

國內(nèi)外多項研究表明，堿液預(yù)處理秸稈和污泥對其厭氧發(fā)酵有很好的效果。Taherdanak M 等[23]用8%的NaOH 預(yù)處理小麥秸稈，厭氧發(fā)酵結(jié)束后，累積產(chǎn)氣量較對照組提高了47.5%。Barman D N 等[24]用2%的NaOH 溶液預(yù)處理小麥秸稈，預(yù)處理10 min后，秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素的去除率分別達到了70.3%和68.2%。Kim J 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，污泥中溶解性COD 含量隨NaOH 添加量的增加而增加。以上結(jié)果表明，適當(dāng)添加NaOH 溶液可以提高發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率和纖維素的去除率。目前，堿預(yù)處理對尾菜厭氧消化性能的影響尚未見報道，在研究中，堿液（NaOH）預(yù)處理尾菜也取得了良好的預(yù)處理效果。NaOH 對尾菜的菌體細(xì)胞壁（膜）的破壞效果與NaOH的用量有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，NaOH 添加量越高融胞效果越好，從而提高尾菜的厭氧消化性能。NaOH 添加量過高會使發(fā)酵液中的鹽離子濃度增加，導(dǎo)致秸稈pH 值過高，對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生不利影響[26]。在1%的堿液處理條件下，兩種尾菜的TS 產(chǎn)甲烷率的提高率達到了最高值。但預(yù)處理后的廢堿性溶液中的堿性物質(zhì)滲透到土壤中，就會與黏性土中的主要礦物成分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)，從而改變土壤原有的性質(zhì)和土壤的物理力學(xué)性質(zhì)[27]。

超聲波預(yù)處理通過改變發(fā)酵初始環(huán)境之間的相互關(guān)系和發(fā)酵過程中主要環(huán)境影響因素來使發(fā)酵系統(tǒng)更加穩(wěn)定從而提高產(chǎn)氣量[28]。郝曉地等[29]采用超聲波清洗預(yù)處理剩余污泥，獲得了較好的木質(zhì)纖維素降解率。王旭輝等[30]采用超聲波清洗預(yù)處理玉米秸稈，可顯著提高秸稈物能轉(zhuǎn)化率、增加產(chǎn)氣量。超聲波預(yù)處理尾菜未見報道，為了提高尾菜的產(chǎn)氣率和木質(zhì)纖維素的降解率，采用超聲波清洗對尾菜進行預(yù)處理，其中超聲時間為20 min，功率為100 W 時預(yù)處理效果最好，與對照相比，兩種尾菜的TS 甲烷產(chǎn)率分別提高了78.51%、82.91%。研究表明，超聲波清洗預(yù)處理措施同樣可提高尾菜的甲烷產(chǎn)率。

目前，超聲波破碎預(yù)處理還沒有應(yīng)用到尾菜上，更多是對污泥進行預(yù)處理，大量研究表明，超聲波預(yù)處理是一種高效的應(yīng)用方法，可以提高污泥總產(chǎn)甲烷量[31-33]。陳涇濤等[34]采用超聲波破碎對污泥進行預(yù)處理，與對照相比，產(chǎn)氣率提高了51.4%。為了提高尾菜的甲烷產(chǎn)率，研究同樣采用超聲波破碎對尾菜進行預(yù)處理，破碎功率為30%時，兩種尾菜TS 產(chǎn)甲烷率較對照分別提高了95.42%、120.81%，預(yù)處理效果優(yōu)于其他破碎功率。結(jié)果表明，超聲波破碎預(yù)處理措施同樣可提高尾菜的甲烷產(chǎn)率，適當(dāng)?shù)奶岣叱暡ㄆ扑楣β士梢栽鰪妼τ袡C物的降解能力，但超聲波破碎功率過高時，導(dǎo)致形成超聲屏障，使系統(tǒng)內(nèi)可利用的聲能量有所降低，從而使對有機物的降解能力減弱[35]。

4 結(jié)論

（1）以5 種尾菜為發(fā)酵原料，在中溫37 ℃進行批量式的厭氧發(fā)酵試驗，菠菜尾菜和卷心菜尾菜產(chǎn)氣效果最好，VS 產(chǎn)甲烷率分別為 77.44、78.33 mL·g-1·VS，無差異；芹菜產(chǎn)氣效果最差，VS 產(chǎn)甲烷率為 55.73 mL·g-·1VS。

（2）研究主要考慮超聲波破碎、堿液浸泡、超聲波清洗、沼液浸泡預(yù)處理條件對尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響。對不同預(yù)處理產(chǎn)沼氣的氣體成分和體積進行分析，表明在4 種預(yù)處理措施中，最佳預(yù)處理條件為超聲波破碎功率30%、超聲波清洗20 min、堿液浸泡濃度為1%和沼液浸泡3 d。

（3）兩種尾菜經(jīng)超聲波破碎功率30%預(yù)處理后，TS 甲烷產(chǎn)率較對照分別提高了95.42%、120.81%；VS甲烷產(chǎn)率較對照分別提高了95.56%、120.84%。預(yù)處理效果均高于其他處理。因此最佳的預(yù)處理條件為超聲波破碎功率30%。