蔬菜廢棄物產(chǎn)沼氣潛力及特性研究

魏丹丹 劉健峰 鄧成杰 趙興玲 王昌梅 尹芳 楊斌 張無敵

摘要 為了探究不同蔬菜廢棄物的產(chǎn)沼氣潛力，以4種不同葉菜類蔬菜廢棄物為發(fā)酵原料，采用批量式厭氧消化工藝，在恒溫（35±1）℃的條件下，對蔬菜廢棄物產(chǎn)沼氣潛力及特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜作為底物進(jìn)行厭氧消化，TS產(chǎn)氣率分別為658、601、804和1 136 mL/g，VS產(chǎn)氣率分別為833、881、1 093和1 544 mL/g，生菜組產(chǎn)氣潛力最大，油麥菜組次之，混合白菜組產(chǎn)氣潛力最小，可見單一蔬菜的產(chǎn)氣潛力要高于混合蔬菜。蔬菜廢棄物的有機(jī)物含量高，可生物降解，適宜用作厭氧消化原料。

關(guān)鍵詞 蔬菜廢棄物;厭氧消化;產(chǎn)沼氣潛力

中圖分類號 S 216.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）14-0176-04

Abstract In order to explore the biogas production potential of different vegetable waste products， with four different leaf vegetables waste as raw materials， using batch anaerobic digestion process， under the conditions of constant temperature （35±1） ℃， the biogas production potential and characteristics of vegetable waste were studied. The results showed that when the hybrid cabbage， mixed vegetables， romaine lettuce（ Lactuca sativa ?L.） and lettuce（ Lactuca sativa ?L. var. ?ramosa ?Hort.） as substrate for anaerobic digestion， TS gas rate was 658， 601， 804 and 1 136 mL/g respectively， VS gas rate was 833， 881， 1 093 and 1 544 mL/g respectively. The biogas production potential in lettuce group was the highest， followed by romaine lettuce group， and that in hybrid cabbage group was the lowest. These indicated the biogas production potential of single vegetable group was higher than that of mixed vegetable.Vegetable wastes had high content of organic matter and they could be biodegraded， so they were suitable to be used as the materials for anaerobic digestion.

Key words Vegetable waste;Anaerobic digestion;Biogas production potential

基金項(xiàng)目 云南省萬人計(jì)劃產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（20191096）;吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20200402099NC，20200403010SF）;云南省國際科技特派員項(xiàng)目（2015IA022）。

作者簡介 魏丹丹（1995—），女，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能。

*通信作者，研究員，博士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程教學(xué)科研工作。

收稿日期 2020-10-26

蔬菜是我國除糧食作物外經(jīng)濟(jì)地位最重要、栽培面積最廣的作物[1]。截至2019年12月底，我國蔬菜產(chǎn)量規(guī)模穩(wěn)定增長，市場供應(yīng)充足。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)，2008—2019年我國蔬菜播種面積從1 787.56萬hm2上升到2 314.49萬hm2，年均增速2.9%。我國蔬菜播種和產(chǎn)量連續(xù)多年居世界首位[2]。隨著我國蔬菜產(chǎn)量的增長，每年產(chǎn)生的蔬菜廢棄物超過蔬菜總產(chǎn)量的30%[3]。蔬菜廢棄物的總固體含量為4%～19%，揮發(fā)固體的含量占總固體的80%以上。該廢棄物中含75%的糖類和半纖維素、9%的纖維素及5%的木質(zhì)素，且蔬菜廢棄物有機(jī)質(zhì)和水分含量高，適用于生物技術(shù)處理，即好氧處理和厭氧處理[4]。如果采用好氧處理，需要消耗大量的能源動力，采用厭氧消化就可以避免好氧發(fā)酵所帶來的問題[5]。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣不僅是清潔能源，而且可以帶來經(jīng)濟(jì)效益;厭氧消化結(jié)束后產(chǎn)生的沼渣可以再次用于蔬菜種植，不僅可以降低蔬菜的病蟲害，而且可以提升蔬菜的品質(zhì)[6]。

迄今為止，已經(jīng)出現(xiàn)了許多用蔬菜廢棄物作為原料進(jìn)行產(chǎn)沼氣潛力的研究。在國外，Zhang等[7]在蔬菜廢棄物厭氧分解方面進(jìn)行了研究;在國內(nèi)，阮越強(qiáng)等[8]、劉榮厚等[9]對蔬菜廢棄物發(fā)酵潛力進(jìn)行了研究。大多數(shù)報(bào)道是關(guān)于單一蔬菜廢棄物的研究，而目前對混合蔬菜廢棄物厭氧消化對比或混合蔬菜廢棄物和單一蔬菜廢棄物厭氧消化對比尚需進(jìn)一步研究。筆者探索不同混合蔬菜廢棄物和單一蔬菜廢棄物厭氧消化的效果，以期為蔬菜廢棄物厭氧消化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蔬菜來自昆明市呈貢區(qū)某菜市場，包括4種葉菜類蔬菜廢棄物：大白菜、普通白菜、生菜、油麥菜。從菜市場取回后將這些蔬菜廢棄物用菜刀切成約1～2 cm的小片。然后，再將切碎的蔬菜廢棄物用榨汁機(jī)打成漿狀物質(zhì)（大白菜和普通白菜混合打成漿狀;生菜單獨(dú)打成漿狀;油麥菜單獨(dú)打成漿狀;大白菜、普通白菜、生菜和油麥菜混合打成漿狀），備用。接種物取自試驗(yàn)室長期馴化的厭氧消化活性污泥。試驗(yàn)材料各項(xiàng)基本性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自制厭氧消化裝置，如圖1所示。發(fā)酵裝置主要由廣口發(fā)酵瓶（玻璃材質(zhì)容積為500 mL）、氣柜和恒溫裝置組成。發(fā)酵溫度由恒溫水浴鍋控制，廣口發(fā)酵瓶中產(chǎn)生的沼氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣柜的集氣瓶中，記錄集氣瓶中的沼氣量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)組別，分別為試驗(yàn)組和對照組。試驗(yàn)組分4組進(jìn)行對比研究，發(fā)酵原料分別為混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜;對照組1組。每組設(shè)置3個(gè)平行，接種物濃度為30%，總發(fā)酵體積400 mL，發(fā)酵溫度為（35±1）℃。對照組和試驗(yàn)組進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，直到產(chǎn)氣結(jié)束。發(fā)酵原料配比如表2所示。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 測定項(xiàng)目與方法。

1.4.1.1 總固體（TS）含量。將樣品在（105±5）℃溫度下烘至恒重后進(jìn)行總固體含量計(jì)算[10] 。

TS= W1W0×100%（1）

式中，W0 為樣品重量; W1 為樣品烘干至恒重后的重量。

1.4.1.2 揮發(fā)性固體（VS）含量。將TS測定的總固體的恒重樣品置于（550±20）℃條件下灼燒至恒重，得到灰分質(zhì)量（ W 2），計(jì)算揮發(fā)性固體含量[10]。

VS= W1-W2W1×100% （2）

1.4.1.3 發(fā)酵物料的酸堿度（pH）。使用pH 5.5～9.0精密試紙測定 pH。

1.4.1.4 甲烷含量。使用氣相色譜儀（GC9700Ⅱ）測定甲烷含量。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析。

1.4.2.1 累計(jì)產(chǎn)氣量。累計(jì)產(chǎn)氣量=各試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量-對照組累計(jì)產(chǎn)氣量。

1.4.2.2 TS產(chǎn)氣率。

TS產(chǎn)氣率=（總累計(jì)產(chǎn)氣量-對照組累計(jì)產(chǎn)氣量）/ W ×TS。式中， W 為原料質(zhì)量，TS為原料總固體含量。

1.4.2.3 VS產(chǎn)氣率。

VS產(chǎn)氣率=TS產(chǎn)氣率VS。式中，VS為揮發(fā)性固體含量，單位%。

1.4.2.4 原料產(chǎn)氣率。按以下公式計(jì)算原料產(chǎn)氣率：

原料產(chǎn)氣率=總產(chǎn)氣量原料質(zhì)量。其中，總產(chǎn)氣量單位為mL，原料質(zhì)量單位為g。

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量的對比

試驗(yàn)共進(jìn)行13 d，4個(gè)試驗(yàn)組在厭氧消化過程中的日產(chǎn)氣量（每個(gè)試驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量減去對照組的日產(chǎn)氣量后各重復(fù)的平均值）變化如圖2所示。從圖2可以看出，生菜組和混合白菜組在發(fā)酵第1天就達(dá)到整個(gè)發(fā)酵周期的最高峰，分別為220和170 mL，這是因?yàn)榘l(fā)酵體系中有機(jī)物的降解。但是，生菜組在第2天和第3天日產(chǎn)氣量從220 mL下降到100 mL，第4天出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰（115 mL），第5～6天日產(chǎn)氣量略有增加。第7天以后，日產(chǎn)氣量逐漸下降直到停止產(chǎn)氣。混合白菜組在第2～5天日產(chǎn)氣量急劇下降，從170 mL降到25 mL，第6天出現(xiàn)小高峰（60 mL），第7天以后又開始下降，直到產(chǎn)氣結(jié)束。混合蔬菜組第2天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量150 mL，第3天產(chǎn)氣量又迅速降到70 mL，第3～8天又出現(xiàn)上下波動。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是混合蔬菜在打成漿狀的過程中存在沒有打碎的蔬菜廢棄物，導(dǎo)致發(fā)酵過程中發(fā)酵料液混合不均勻[11]。油麥菜組和生菜組情況類似，第1天和第4天出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰，分別為120和115 mL，第2天和第3天日產(chǎn)氣量急劇下降，從120 mL下降到40 mL。這是因?yàn)橛望湶私M在發(fā)酵過程中出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）的積累，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性降低。隨著厭氧反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)酸過程減弱，揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）又逐漸被甲烷菌利用[6]，導(dǎo)致產(chǎn)氣量增加。第5天以后，油麥菜組的產(chǎn)氣量在波動過程中緩慢下降，直到試驗(yàn)結(jié)束。在整個(gè)發(fā)酵周期中，pH是影響產(chǎn)氣量的主要因素之一[12]，由于pH的波動，導(dǎo)致4個(gè)試驗(yàn)組中均出現(xiàn)2個(gè)或者2個(gè)以上的峰值。在厭氧消化后期，日產(chǎn)氣量趨于穩(wěn)定，因?yàn)閰捬跸^程中的pH有一個(gè)自然平衡的過程，一般情況下不用調(diào)節(jié)[10]。

2.2 累計(jì)產(chǎn)氣量的對比

從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束，所有試驗(yàn)組的產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)上升趨勢，說明試驗(yàn)過程處于正常厭氧消化。其中，生菜組累計(jì)產(chǎn)氣量最高，累計(jì)產(chǎn)氣量為1 038 mL，可能生菜的有機(jī)質(zhì)和水分含量較高，使其有充足的營養(yǎng)物質(zhì)，可用于厭氧菌的生物降解。混合白菜組的累計(jì)產(chǎn)氣量最低，混合白菜的含水率要稍高于生菜，但累計(jì)產(chǎn)氣量（571 mL）小于生菜組。大白菜厭氧消化試驗(yàn)中，在厭氧微生物的作用下，糖分和有機(jī)物質(zhì)較容易被充分分解利用，有利于產(chǎn)氣[13]。該試驗(yàn)中可能因?yàn)槠胀ò撞撕痛蟀撞嘶旌线M(jìn)行厭氧消化而造成產(chǎn)氣量較低，具體原因有待進(jìn)一步探究。油麥菜組和混合蔬菜組的累計(jì)產(chǎn)氣量在發(fā)酵前7 d相差不大，分別為616和599 mL。在第7天至試驗(yàn)結(jié)束，油麥菜組的累計(jì)產(chǎn)氣量始終高于混合蔬菜組。生菜組、油麥菜組、混合蔬菜組和混合白菜組在厭氧消化結(jié)束后的累計(jì)產(chǎn)氣量分別為1 038、809、748和571 mL。整個(gè)發(fā)酵過程中的累計(jì)產(chǎn)氣量如圖3所示。

2.3 甲烷含量的對比

在發(fā)酵期間每2 d測量1次沼氣中甲烷含量，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，沼氣發(fā)酵過程中，油麥菜組在試驗(yàn)第2天甲烷含量在40%以上，其他3組甲烷含量也在38%左右。第2～6天，4個(gè)試驗(yàn)組甲烷含量均以較快的速度增加，除了生菜組外，其他試驗(yàn)組甲烷含量均在50%以上，并保持上升趨勢。在發(fā)酵后期，油麥菜組的甲烷含量在60%左右。生菜組在第6～8天出現(xiàn)甲烷含量明顯降低的現(xiàn)象，可能是因?yàn)樯私M在發(fā)酵過程中揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）的積累抑制了甲烷菌的活性導(dǎo)致甲烷含量下降。第8天以后，生菜組的甲烷含量呈現(xiàn)上升的趨勢，由于產(chǎn)酸過程減弱，揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）逐漸被甲烷菌利用，從而出現(xiàn)了生菜組甲烷含量的第2次高峰[13]。油麥菜組、混合白菜組和混合蔬菜組的平均甲烷含量分別為53%、51%和49%，但生菜組的平均甲烷含量較低，僅45%左右，可能受揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）的影響，在后期沒有完全恢復(fù)過來。

2.4 產(chǎn)氣潛力的對比

通過計(jì)算原料產(chǎn)氣率、TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率，得到各試驗(yàn)組的產(chǎn)氣潛力。從表3可以看出，生菜組的產(chǎn)氣潛力最大，油麥菜組次之，而混合白菜組產(chǎn)氣潛力最低。

2.5 與其他批量發(fā)酵處理蔬菜廢棄物研究結(jié)果的對比

從表4可以看出，單一型蔬菜廢棄物油麥菜和生菜的產(chǎn)氣潛力要高于大白菜、菠菜葉稈、甘藍(lán)和青筍。從產(chǎn)氣潛力來看，混合白菜比單一的大白菜更適合作為發(fā)酵底物進(jìn)行厭氧消化。

3 結(jié)語

（1）該研究選取菜市場常見的4種葉菜類蔬菜廢棄物進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜的原料產(chǎn)氣率分別為29、37、40和52 mL/g，TS產(chǎn)氣率分別為658、601、804和1 136 mL/g，VS產(chǎn)氣率分別為833、881、1 093和1 544 mL/g。這些蔬菜廢棄物可生物降解有機(jī)物含量較高，適宜作為沼氣發(fā)酵原料。生菜組產(chǎn)氣潛力最大，油麥菜組次之，而混合白菜組產(chǎn)氣潛力最小。由此可見，單一蔬菜組產(chǎn)氣潛力要高于混合蔬菜組。

（2）混合白菜組、混合蔬菜組、油麥菜組和生菜組產(chǎn)生沼氣的平均甲烷含量分別為51%、49%、53%和45%。油麥菜組的平均甲烷含量比生菜組高15%，油麥菜組的產(chǎn)甲烷潛力要高于生菜組，但生菜組的產(chǎn)沼氣潛力要高于油麥菜組。

（3）蔬菜廢棄物進(jìn)行批量厭氧消化時(shí)，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，上下浮動較大。試驗(yàn)中混合白菜廢棄物厭氧消化的日產(chǎn)氣量前后2 d波動相差95 mL。單一油麥菜和混合蔬菜廢棄物厭氧消化的日產(chǎn)氣量前后2 d波動相差80 mL。由此可見，采用連續(xù)發(fā)酵，可以大幅度提高蔬菜廢棄物的處理能力，同時(shí)也可以增加在工藝運(yùn)行上的穩(wěn)定性。

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