酸堿預(yù)處理辣椒秸稈與羊糞混合厭氧發(fā)酵特性

孟 艷，柳 麗，李 屹，陳來生，杜中平，韓 睿

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

辣椒是我國種植面積較大和分布較為廣泛的蔬菜之一，其種植面積和總產(chǎn)量分別占世界的35%和46%[1]。據(jù)國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系統(tǒng)計，2019年我國辣椒種植面積為2.26×106hm2，總產(chǎn)量超過6.4×107t，伴隨產(chǎn)生的秸稈等廢棄物達6.9×107t，已成為蔬菜廢棄物的重要來源之一[1-2]。目前，辣椒秸稈常被填埋、焚燒或廢棄田間，缺乏合理利用，造成嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。與此同時，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，2017年農(nóng)場山羊和綿羊存欄量達2.99×108頭，全年排糞量約1.64×108t，但其有效利用率僅為50%～60%[3]。未被及時利用的羊糞堆積亦會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染問題，危害人們健康。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是現(xiàn)階段對秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物進行資源化利用的一條有效途徑，不但能有效解決能源短缺問題，還能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的有機肥，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。研究表明，在秸稈類原料中添加牲畜糞便進行混合厭氧發(fā)酵，不但能平衡發(fā)酵原料的營養(yǎng)成分，還可以改善單一原料發(fā)酵消化效率不高的問題，提高沼氣產(chǎn)量[6-8]。與其他作物秸稈一樣，辣椒秸稈也能通過厭氧發(fā)酵處理實現(xiàn)資源的再利用[9]，但由于其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量高，結(jié)構(gòu)堅固，很難被微生物利用，因此辣椒秸稈發(fā)酵常常存在著啟動慢、發(fā)酵時間長、產(chǎn)氣率低等問題[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，對秸稈進行適當?shù)念A(yù)處理能有效提高其厭氧發(fā)酵性能，且以酸、堿預(yù)處理的效果較好[12-17]。為此，本研究選擇H2SO4和Ca(OH)2作為預(yù)處理原料，分析H2SO4和Ca(OH)2預(yù)處理對辣椒秸稈與羊糞混合發(fā)酵特性的影響，并使用修正的岡珀茨(Gompertz)模型對產(chǎn)甲烷過程進行動力學分析，以期為辣椒秸稈和羊糞等農(nóng)業(yè)廢棄物的無害化、資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

辣椒秸稈取自青海大學農(nóng)林科學院園藝創(chuàng)新基地，自然條件下風干后，用粉碎機粉碎至粒徑2 cm左右，于陰涼通風處備用。新鮮羊糞取自青海省貴德縣河西鎮(zhèn)紅巖村養(yǎng)殖場。接種污泥取自青海知源特色農(nóng)業(yè)開發(fā)有限責任公司以牛糞為原料穩(wěn)定運行的農(nóng)用沼氣池。將上述材料的部分理化特性整理于表1。

表1 試驗材料的基本特性

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 辣椒秸稈預(yù)處理

分別采用體積分數(shù)為2%、4%、6%、8%的H2SO4溶液和質(zhì)量分數(shù)為2%、4%、6%、8%的Ca(OH)2溶液浸泡秸稈，進行酸、堿預(yù)處理(分別對應(yīng)于編號S1～S4和J1～J4)。將辣椒秸稈與相應(yīng)的酸、堿溶液混合均勻后在[(55±0.5)℃]靜置處理72 h，處理完畢后，用去離子水洗滌至中性，60 ℃烘干備用。同時，設(shè)置對照組(CK)，將辣椒秸稈在55 ℃用去離子水浸泡72 h，然后在60 ℃烘干備用。

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗

厭氧發(fā)酵試驗基于碧普華瑞環(huán)境技術(shù)(北京)有限公司的MultiTalent 203全自動甲烷潛力測試儀進行，通過水浴使500 mL標準批式進料反應(yīng)器保持中溫[(35±0.5)℃]。發(fā)酵瓶進料中，發(fā)酵物料由經(jīng)過預(yù)處理且烘干后的辣椒秸稈[因辣椒秸稈已烘干，故將其總固體(TS)含量視為100%]與羊糞按1∶1的比例(以TS計)混合組成，發(fā)酵物料與接種污泥的添加比例為3∶10[以揮發(fā)性固體(VS)計]，并控制反應(yīng)體系的TS質(zhì)量分數(shù)在10%。按照上述指標要求，測算各處理下物料的添加量(表2)，并用去離子水將各反應(yīng)體系的總質(zhì)量補足400 g。通過電機自動控制攪拌速率為50 r·min-1，攪拌時間間隔為3 min。每組試驗設(shè)置3個平行，同時設(shè)置空白對照(只添加接種污泥)，后續(xù)結(jié)果中甲烷產(chǎn)量均為減去空白對照的量。試驗共運行35 d，全自動甲烷潛力測試儀自動記錄甲烷產(chǎn)量，從發(fā)酵1 d開始，每3 d采集一次發(fā)酵液樣品，測定pH、總堿度(TAC)、氨氮含量和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)含量。

表2 辣椒秸稈、羊糞、接種污泥及去離子水添加量

1.3 測定項目

TS用烘干法測定(105 ℃烘6 h)；VS用灼燒法測定(550 ℃灼燒4 h)；pH用pH計(pHS-2F型，上海儀電科學儀器股份有限公司)測定；總堿度用自動電位滴定儀(ZDJ-4A型，上海儀電科學儀器股份有限公司)測定；氨氮含量采用靛酚藍比色法(SPECORD 210型紫外可見分光度計，德國耶拿分析儀器股份公司)測定[18]；揮發(fā)性脂肪酸采用比色法測定[19]。

木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量測定：依照NY/T 1459—2007、GB/T 20806—2006和GB/T 20805—2006中規(guī)定的方法，采用纖維素分析儀(F800型，濟南海能儀器股份有限公司)和馬弗爐(SX-5-12型，北京科偉永興儀器有限公司)測定，分別測定中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)和灰分的含量，將NDF與ADF的含量相減得到半纖維素含量，將ADF與ADL的含量相減得到纖維素含量，將ADL與灰分的含量相減得到木質(zhì)素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用修正的岡珀茨(Gompertz)模型對甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行擬合處理[20-22]：

(1)

式(1)中：Bt為發(fā)酵期間某一時間t的甲烷產(chǎn)率，單位為mL·g-1；Vm為最大甲烷產(chǎn)率，單位為mL·g-1；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率，單位為mL·g-1·d-1；λ為遲滯時間，單位為d；t為厭氧發(fā)酵時間，單位為d。

采用SPSS 26軟件進行單因素方差分析，顯著性水平選定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對甲烷產(chǎn)量的影響

在35 d的厭氧發(fā)酵過程中，各處理的日甲烷產(chǎn)量均呈先升高后降低的趨勢(圖1)。對于J1～J4處理：其日甲烷產(chǎn)量在達到第1個產(chǎn)氣高峰(試驗第2～3天)后迅速降低，其中，J4處理的最高日甲烷產(chǎn)量最大(285.56 mL·d-1)；試驗第7～9天，各處理經(jīng)過第2個產(chǎn)氣高峰后，日甲烷產(chǎn)量逐漸降低，但仍以J4處理的最高日甲烷產(chǎn)量最大(185.96 mL·d-1)；至第35天，各處理仍持續(xù)產(chǎn)氣。對于S1～S4處理：其日甲烷產(chǎn)量均在第2天達到第1個產(chǎn)氣高峰，隨后迅速降低，在第4～6天小幅度回升，之后持續(xù)緩慢降低，至第35天各處理幾乎不再產(chǎn)氣。CK處理在試驗第2天出現(xiàn)第1個產(chǎn)氣高峰，隨后日甲烷產(chǎn)量迅速降低，至第5天起降速趨緩，至第35天時不再產(chǎn)氣?？偟膩碚f，堿預(yù)處理混合厭氧發(fā)酵的日甲烷產(chǎn)量要高于對照和酸預(yù)處理。

測算各處理35 d的甲烷產(chǎn)率，以J4處理最大(188.56 mL·g-1)，顯著(P<0.05)高于其他處理；S3、S4處理最低，兩者無顯著區(qū)別，但均顯著(P<0.05)低于其他處理(圖2)。除了這3個處理外，其他處理的甲烷產(chǎn)率均差異顯著(P<0.05)，從高到低依次為J3(157.21 mL·g-1)>J2(147.20 mL·g-1)>J1(132.29 mL·g-1)>CK(116.93 mL·g-1)>S1(109.62 mL·g-1)>S2(106.31 mL·g-1)?？偟膩砜?，經(jīng)過堿預(yù)處理的(J1～J4處理)，其甲烷產(chǎn)率均顯著(P<0.05)高于CK；而經(jīng)過酸預(yù)處理的(S1～S4處理)，其甲烷產(chǎn)率均顯著(P<0.05)低于CK。與CK相比，J1～J4處理的甲烷產(chǎn)率分別顯著(P<0.05)提高了13.14%、25.89%、34.45%和61.26%。這說明，堿預(yù)處理能較好地改善辣椒秸稈的產(chǎn)氣性能，且在本試驗條件下，隨著Ca(OH)2質(zhì)量分數(shù)的升高，甲烷產(chǎn)率相應(yīng)顯著升高。張敏娜[23]的試驗也發(fā)現(xiàn)，8% Ca(OH)2處理下，稻稈產(chǎn)氣效果最佳。這可能是因為，堿預(yù)處理下，秸稈中木質(zhì)纖維素之間的化學鍵斷裂得較為徹底，可以充分暴露出那些能被微生物分解利用的物質(zhì)，從而增加甲烷產(chǎn)率[12]。S1～S4處理的甲烷產(chǎn)率分別較CK顯著(P<0.05)降低6.25%、9.08%、33.27%和33.88%，當H2SO4的體積分數(shù)為2%～6%時，隨著H2SO4體積分數(shù)的提高，甲烷產(chǎn)率顯著降低，產(chǎn)氣效果變差。這與謝欣欣等[24]用酸預(yù)處理秸稈并進行厭氧發(fā)酵的結(jié)果一致。這可能是因為，過高濃度的酸對秸稈的破壞力極強，會使得秸稈充分降解，造成秸稈中糖類等有機物的浪費，從而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率降低[25]。

動力學參數(shù)常用于分析和預(yù)測有機底物在厭氧發(fā)酵過程中的特性[26]?；贕ompertz方程擬合各處理的(累積)甲烷產(chǎn)率(圖3、表3)。擬合結(jié)果和實測值很接近，擬合方程的決定系數(shù)R2在0.981～0.992，擬合效果較好。各處理中，J4處理的Vm最高(181.02 mL·g-1)，其余處理從大到小依次為J3>J2>J1>CK>S1>S2>S3>S4。在本試驗條件下，隨著Ca(OH)2質(zhì)量分數(shù)的升高，J1～J4處理的Vm值逐漸升高；隨著H2SO4體積分數(shù)的增加，S1～S4處理的Vm值逐漸降低。J1～J4處理的Rm值均高于CK，而S1～S4處理的Rm值均低于CK，說明堿預(yù)處理提高了辣椒秸稈混合厭氧發(fā)酵的水解速率，從而提高了產(chǎn)甲烷速率。

表3 不同處理下甲烷產(chǎn)率的擬合結(jié)果

2.2 不同處理對發(fā)酵體系pH值和氨氮濃度的影響

發(fā)酵體系的pH值能夠影響微生物的生長和活性[27]。一般來說，厭氧發(fā)酵的最適pH值為6.6～7.5。當pH值低于6.5或高于8.2時，產(chǎn)甲烷菌的活性會受到抑制[28]。在本試驗條件下，各處理發(fā)酵體系的pH值在整個發(fā)酵階段于6.88～8.09波動，無明顯變化規(guī)律(圖4)。其中，CK的變化范圍最小，在7.67～8.08。

發(fā)酵過程中，蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等物質(zhì)降解形成的氨氮，不僅能夠為微生物生長繁殖提供氮源，還是中和VFAs和穩(wěn)定pH值的一種關(guān)鍵性物質(zhì)[29]。高濃度的氨會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，但低濃度的氨作為氮源可以提高產(chǎn)甲烷菌的活性[30]。一般地，當發(fā)酵體系的pH值超過7.4時，若氨氮的質(zhì)量濃度在1 500～3 000 mg·L-1，容易發(fā)生氨抑制[31]。在本試驗條件下，各處理發(fā)酵體系的pH值大部分時間段均高于7.4，但氨氮的質(zhì)量濃度量均低于1 500 mg·L-1(圖5)，據(jù)此認為各處理在35 d的厭氧發(fā)酵過程中均未出現(xiàn)氨抑制。

2.3 不同處理對VFAs與總堿度的影響

VFAs是厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的中間代謝體，由產(chǎn)酸菌生成，可被產(chǎn)甲烷菌利用并將其轉(zhuǎn)化為甲烷[32]。VFAs含量可以反映產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性，常被用來預(yù)測和評價厭氧發(fā)酵的條件。總堿度是判斷厭氧發(fā)酵系統(tǒng)緩沖性能的重要指標[33]。VFAs含量與總堿度的比值(VFAs/TAC)可以反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來說，當VFAs/TAC在0.4～0.8時，發(fā)酵系統(tǒng)可正常運行；若VFAs/TAC超過0.8，厭氧發(fā)酵過程可能會受到抑制[34]。各處理在整個厭氧發(fā)酵過程中VFAs/TAC均小于0.8(圖6)，推測各處理的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)均較為穩(wěn)定。

2.4 不同處理對辣椒秸稈中木質(zhì)纖維素降解的影響

經(jīng)酸、堿預(yù)處理后，辣椒秸稈的纖維素和半纖維素含量均顯著(P<0.05)低于CK，堿處理對木質(zhì)素的降解效果優(yōu)于酸處理(表4)。與CK相比，其他處理的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均降低，其中，J1～J4處理纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為61.89%～74.04%、13.41%～23.43%和31.98%～49.75%，S1～S4處理纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為28.57%～44.31%、15.09%～40.24%和0.86%～11.99%。上述結(jié)果說明，酸、堿預(yù)處理均有利于辣椒秸稈中木質(zhì)纖維素的降解，但與酸預(yù)處理相比，堿預(yù)處理能夠更大限度地降低纖維素的聚合度，并對半纖維素和木質(zhì)素的降解起到促進作用[35]，更有利于微生物進一步的水解和發(fā)酵。

表4 不同處理辣椒秸稈木質(zhì)纖維素含量

3 結(jié)論

隨著預(yù)處理中Ca(OH)2質(zhì)量分數(shù)升高，混合厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率升高，其中，經(jīng)8%Ca(OH)2預(yù)處理的甲烷產(chǎn)率最大，為188.56 mL·g-1，顯著(P<0.05)高于CK和其他處理，較CK提高了61.26%。酸預(yù)處理的效果與之相反，隨著預(yù)處理中H2SO4體積分數(shù)的提高，混合厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率降低，產(chǎn)氣效果較差。用修正的Gompertz模型擬合各處理，R2在0.981～0.992，說明擬合效果較好。Ca(OH)2處理組的Vm值較大，且其Rm值均高于對照和酸處理組，說明Ca(OH)2預(yù)處理辣椒秸稈能有效提高混合發(fā)酵的水解速率。酸、堿預(yù)處理均對辣椒秸稈有降解作用，但Ca(OH)2預(yù)處理的降解效果更好，不僅能明顯降低纖維素和半纖維素含量，還對木質(zhì)素的去除有較強作用。