菜籽餅厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力

熊榮波，韓 睿，陳來生，孟 艷，柳 麗，李 屹，杜中平， 韓海蓉，鐘啟文

(青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室，青海 西寧 810016)

隨著不可再生能源的快速消耗，日漸緊張的能源問題越來越受到人們關(guān)注。厭氧消化是微生物在厭氧條件下將有機物質(zhì)進行降解，產(chǎn)生沼氣的過程[1-2]。因其兼具農(nóng)業(yè)廢棄物處理、生態(tài)環(huán)境保護和清潔能源供應(yīng)等多種功能，在資源短缺和農(nóng)業(yè)廢棄物嚴(yán)重污染的今天具有重要意義。目前沼氣工程發(fā)展受到制約的很大一部分原因是原料短缺。沼氣工程要繼續(xù)發(fā)揮作用，僅使用傳統(tǒng)的畜禽糞便等原料明顯不足，需要開發(fā)新的有潛力的原料。近年來，研究人員仍在不斷地致力于尋找新的發(fā)酵原料[3-6]。

菜籽餅是油菜籽經(jīng)榨油后留下的副產(chǎn)物，含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)[7-8]。青海省作為油菜種植和加工大省，在油菜籽加工過程中菜籽餅會大量產(chǎn)生，若不充分利用，不僅造成資源浪費而且會污染環(huán)境?，F(xiàn)階段對菜籽餅的研究主要集中在制備飼料和肥料[9-13]方面，而將其作為原料進行厭氧消化的研究鮮有報道。菜籽餅富含蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)，是理想的產(chǎn)沼氣原料，將其作為產(chǎn)沼氣的原料可為菜籽餅的合理利用提供新的方法。同時，青海省地處青藏高原，屬高原大陸性氣候，年平均氣溫7.2 ℃，較為寒冷，晝夜溫差大，使得沼氣池內(nèi)料液溫度不高，沼氣利用效率也不及其他低海拔地區(qū)[14]。高效、容易降解的新發(fā)酵原料的選擇對青海沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。因此，本試驗以青海省農(nóng)用沼氣池為發(fā)酵裝置，對菜籽餅進行厭氧消化研究，并以青海省常見的羊糞和牛糞作為對照，初步探究菜籽餅作為厭氧消化原料的潛力，為菜籽餅資源厭氧消化處理技術(shù)的使用及提高菜籽餅資源的綜合利用率提供試驗基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 發(fā)酵裝置

選擇青海省貴德縣青海知源特色農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司的農(nóng)用沼氣池(36°3′11"N、101°19′36"E、海拔2 218.4 m)為發(fā)酵裝置，池容量均為8 m3。每個沼氣池都外接沼氣流量表，記錄沼氣流量。同時，每個沼氣池安裝RC-4溫度記錄儀，探頭深入沼氣池底部測定發(fā)酵溫度，設(shè)置每2 h自動記錄1次溫度數(shù)據(jù)。

表1 原料的基本特性

1.2 試驗材料

供試發(fā)酵原料菜籽餅來自青海省湟中縣多巴鎮(zhèn)農(nóng)貿(mào)市場，粉碎至30 mm以下粒度備用；鮮牛糞和鮮羊糞取自青海省貴南縣過馬營牧場。接種物取自青海知源特色農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司以羊糞為原料發(fā)酵正常的農(nóng)用沼氣池。3種發(fā)酵原料和接種物的特性見表1。

1.3 試驗設(shè)計

將新鮮的菜籽餅、羊糞和牛糞共做3個處理(以干物質(zhì)計)，設(shè)定每組的總干物質(zhì)相同。在平地上鋪好塑料薄膜，將菜籽餅(1 306 kg)、羊糞(3 017 kg)和牛糞(3 102 kg)，分別用2 694、421、385 kg沼液攪拌均勻(調(diào)節(jié)含水率為70%)后覆蓋塑料薄膜堆漚5 d，堆漚過程中每天攪拌1次，每次攪拌時間不少于15 min。堆漚結(jié)束后用1 714 kg接種物(接種量為30%)混勻后裝填入沼氣池。

前期研究表明，青海農(nóng)用沼氣池8月上中旬到9月中旬發(fā)酵溫度最高，為15 ℃左右，沼氣池產(chǎn)沼氣量最大，且該時期發(fā)酵溫度的前后溫差不超1.5 ℃[14]。本試驗自2019年8月10日開始，9月12日結(jié)束，共計34 d，環(huán)境的平均氣溫為21.8 ℃，菜籽餅、羊糞和牛糞發(fā)酵溫度分別為18.5、16.2、16.3 ℃，前后溫差分別為0.8、0.7、0.7 ℃，基本保證了沼氣池發(fā)酵溫度的恒定。

選擇3個經(jīng)密閉性檢測良好的沼氣池，自填入沼氣池第2天起，每24 h記錄沼氣流量，同時每3 d用自制的取樣器從沼氣池水壓間采集一次發(fā)酵液，裝入無菌采樣管-20 ℃保存，用于揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、氨氮、堿度和pH測定。

1.4 指標(biāo)測定方法

(1)總固體和揮發(fā)性固體采用烘干法測定。將樣品放到烘箱105 ℃烘24 h得總固體質(zhì)量；將樣品放到馬弗爐550 ℃灼燒3 h得揮發(fā)性固體質(zhì)量。

(2)氨氮濃度采用苯酚次氯酸鈉法測定。量取過0.45 mm濾膜的水體樣品，加入苯酚溶液和次氯酸鈉堿性溶液混勻，室溫放置1 h后，加掩蔽劑(酒石酸鉀鈉與EDTA二鈉鹽的混合液)以溶解可能產(chǎn)生的沉淀物，然后用水定容至25 mL，2 h后在分光光度計625 nm波長下測定吸光度。

(3)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度采用乙二醇和氯化鐵溶液測定。將離心的上清液加入酸性乙二醇試劑，混勻后沸水浴3 min，取出冷卻后與羥胺試劑混勻放置1 min，加氯化鐵溶液混勻后用蒸餾水定容至25 mL，500 nm下測定吸光度。

(4)pH用酸度計檢測；堿度濃度用雷磁自動電位滴定儀測定(甲基橙為指示劑)。

1.5 產(chǎn)沼氣動力學(xué)分析方法

對菜籽餅厭氧消化產(chǎn)沼氣試驗過程進行動力學(xué)分析，采用修正的Gompertz模型[15]對累積產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)進行擬合。模型方程為：

式中：Pm為最大產(chǎn)沼氣量(m3/t)；Rm為最大產(chǎn)沼氣速率(m3/(t·d))；λ為產(chǎn)沼氣滯留時間(d)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理組產(chǎn)氣情況及動力學(xué)分析

試驗共運行了34 d，產(chǎn)沼氣情況見圖1和圖2。由圖1可知，發(fā)酵前13 d，菜籽餅發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣量都顯著高于牛糞和羊糞發(fā)酵。各處理組發(fā)酵的第1天產(chǎn)沼氣量都較大，是因為在開始階段，沼氣池中含有大量空氣；隨著空氣的排出，進入嚴(yán)格厭氧環(huán)境開始產(chǎn)沼氣，產(chǎn)沼氣量逐漸降低；但隨著接種物中產(chǎn)甲烷菌的生長代謝不斷分解有機物產(chǎn)生沼氣，日產(chǎn)沼氣量又逐漸升高，在第7天均出現(xiàn)最大產(chǎn)沼氣高峰。其中，菜籽餅日產(chǎn)沼氣量為6.341 m3/d，羊糞和牛糞分別為1.982 m3/d和1.486 m3/d。菜籽餅發(fā)酵之后又經(jīng)歷若干個產(chǎn)沼氣高峰，但整體呈下降趨勢，在第10天后，產(chǎn)沼氣量迅速下降；且在33 d內(nèi)完成消化過程。羊糞和牛糞產(chǎn)沼氣波動相對較為平緩。

圖1 各處理組的日產(chǎn)沼氣量Fig.1 Daily biogas production of each treatment group

圖2 各處理組的累積產(chǎn)沼氣量和修正的Gompertz模型擬合曲線Fig.2 Cumulative biogas production and modified fitting curve of Gompertz model of each treatment group

由圖2可知，菜籽餅、羊糞與牛糞發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣量分別為73.739、34.367、32.398 m3/t，菜籽餅發(fā)酵分別是羊糞和牛糞的2.15倍和2.28倍，表明菜籽餅比羊糞和牛糞有更高的產(chǎn)沼氣潛力。根據(jù)修正的Gompertz模型對累積產(chǎn)沼氣量進行擬合，相關(guān)的擬合曲線見圖2，擬合參數(shù)見表2。由表2可以看出3者的R2均大于0.997，表明擬合效果較好，各處理擬合出的沼氣產(chǎn)量和實際沼氣產(chǎn)量很接近；與羊糞和牛糞相比，菜籽餅發(fā)酵的滯留時間λ更短，為0.193 d，且Pm和Rm均最大，分別為74.169 m3/t和4.223 m3/(t·d)，說明菜籽餅發(fā)酵的啟動時間更快。

表2 修正的 Gompertz模型擬合曲線參數(shù)

圖3 各處理組的氨氮濃度變化Fig.3 Variations of ammonia nitrogen concentration of each treatment group

2.2 厭氧消化過程中氨氮的變化

圖3顯示了各處理發(fā)酵液氨氮濃度的變化情況，在34 d中，菜籽餅發(fā)酵氨氮濃度前4 d從662 mg/L上升到743 mg/L，之后呈下降趨勢，發(fā)酵結(jié)束時為507 mg/L，全程都比羊糞和牛糞低，且全過程都低于800 mg/L。羊糞和牛糞發(fā)酵前7 d氨氮濃度呈上升趨勢，之后隨著發(fā)酵的進行氨氮濃度逐漸下降。

2.3 厭氧消化過程中揮發(fā)性脂肪酸和堿度的變化

圖4 各處理組的VFA濃度變化Fig.4 Variations of VFA concentration of each treatment group

由圖4可知，菜籽餅發(fā)酵VFA濃度的變化最為明顯，第1天到第7天，從4 472 mg/L上升到7 368 mg/L再下降到3 547 mg/L，第7天出現(xiàn)產(chǎn)沼氣高峰；第7～22天變化較為平穩(wěn)；之后VFA濃度急劇上升，到試驗結(jié)束達到9 413 mg/L，該時期菜籽餅產(chǎn)沼氣顯著降低(圖1和圖2)。相比菜籽餅，羊糞和牛糞發(fā)酵的VFA濃度在整個厭氧消化過程中較平穩(wěn)，為2 000～3 800 mg/L，整個試驗過程產(chǎn)沼氣情況都較為穩(wěn)定，后期也能持續(xù)產(chǎn)沼氣(圖1和圖2)。

圖5反映了各處理發(fā)酵的堿度濃度變化情況。由圖5可知，菜籽餅發(fā)酵的堿度變化呈下降趨勢，從第7～19天，堿度濃度從5 123.4 mg/L下降到4 697.2 mg/L，且VFA與堿度比值小于0.8，該期間沼氣發(fā)酵較為穩(wěn)定。之后VFA與堿度比值均大于0.8，產(chǎn)甲烷作用受到抑制。羊糞和牛糞發(fā)酵的堿度濃度整體變化較為相似，均呈前期降低后期上下浮動的趨勢，且全過程VFA與堿度比值均小于0.8。

圖5 各處理組的堿度濃度變化Fig.5 Variations of alkalinity concentration of each treatment group

圖6 各處理組的pH變化Fig.6 Variations of pH of each treatment group

2.4 厭氧消化過程中pH的變化

圖6反映了各處理pH的變化情況。由圖6可知，菜籽餅發(fā)酵的pH在第4天達到最低值，為5.51，整體為5.5～6.3，呈酸性。這說明，菜籽餅雖是優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵原料，但發(fā)酵過程易酸化，不利于長期單獨利用。羊糞和牛糞發(fā)酵的pH中性偏堿，為7.2～7.9，符合畜禽糞便單獨發(fā)酵特征。

3 討論與結(jié)論

由試驗結(jié)果可知，菜籽餅發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣量最大，為73.739 m3/t，分別是羊糞和牛糞發(fā)酵的2.15和2.28倍。同時，菜籽餅產(chǎn)沼氣量到達總產(chǎn)沼氣量90%所用的時間最短，為22 d，羊糞和牛糞則為26 d和28 d。研究表明，產(chǎn)沼氣量到達總產(chǎn)沼氣量90%所用的時間越長說明反應(yīng)過程越慢，底物越難分解[16]。說明相比牛糞和羊糞，菜籽餅更容易分解。修正的Gompertz模型表明，菜籽餅發(fā)酵能較好地擬合產(chǎn)沼氣過程，R2為0.997，Pm和Rm分別為74.169 m3/t和4.223 m3/(t·d)，均高于羊糞和牛糞發(fā)酵，且其λ為0.193 d，比羊糞和牛糞發(fā)酵時間短，說明菜籽餅發(fā)酵比羊糞和牛糞發(fā)酵的啟動時間更快，菜籽餅具有作為沼氣發(fā)酵原料的潛力。

發(fā)酵體系中，氨氮濃度、VFA濃度、堿度濃度和pH共同影響著發(fā)酵的穩(wěn)定性。一般來說，氨氮濃度過高、VFA過度累積、堿度濃度過低和pH過低都可能導(dǎo)致發(fā)酵的失敗[17-18]。厭氧消化過程中，氨氮含量主要來源于原料中的含氮有機物，適量氨氮可為產(chǎn)甲烷菌提供養(yǎng)分。當(dāng)氨氮濃度高于800 mg/L時，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)可能會受到影響[19]。本試驗中，菜籽餅發(fā)酵的氨氮濃度全過程都低于800 mg/L，在合理范圍之內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)不受氨氮干擾。VFA是影響厭氧消化的主要因素之一[20]。高濃度的VFA會抑制產(chǎn)甲烷作用，良好的厭氧消化過程累積的VFA濃度應(yīng)低于4 500 mg/L[21]。堿度常常用來反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，其濃度為5 000 mg/L左右較為合適，且VFA與堿度比值低于0.8時，厭氧消化過程較為穩(wěn)定[22-23]。本試驗中菜籽餅發(fā)酵VFA濃度的變化最為明顯，第7～22天變化較為平穩(wěn)，低于4 500 mg/L，且VFA與堿度的比值小于0.8，該期間沼氣發(fā)酵較為穩(wěn)定，大部分產(chǎn)沼氣量在該時期完成；22天后，其VFA濃度急劇上升并一直維持在較高水平，系統(tǒng)不太穩(wěn)定。pH是影響厭氧消化進程的主要因素之一，產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣的最佳pH為6.5～7.5[24]。本試驗中，菜籽餅發(fā)酵的pH總體偏低，說明其單獨發(fā)酵容易出現(xiàn)系統(tǒng)酸化現(xiàn)象；而羊糞和牛糞發(fā)酵的pH中性偏堿，因此，今后可以考慮將菜籽餅與牛糞或羊糞進行混合發(fā)酵，從而平衡營養(yǎng)元素，中和酸堿性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

綜上所述，本試驗在34 d的厭氧消化時間內(nèi)，菜籽餅發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣量最大，為73.739 m3/t，是很好的產(chǎn)沼氣原料；但也存在pH總體偏低和后期VFA濃度累積等情況，并不適合單獨發(fā)酵。因此，在后續(xù)試驗中，可以考慮將菜籽餅與偏堿性物料(如畜禽糞便等)進行混合厭氧發(fā)酵，從而改善發(fā)酵環(huán)境，提高沼氣產(chǎn)量，達到農(nóng)業(yè)廢棄物資源充分利用的目的。