沼液預處理對蔬菜秸稈厭氧消化性能的影響

孟艷，汪微，葸全財，李屹，陳來生，杜中平，韓睿*

（1.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，西寧 810016；2.青海賽緯生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，青海湟中 810003）

化石燃料作為人類活動和工業(yè)活動的基礎(chǔ)，其消耗量與日俱增。國際能源署預測到2035年能源的需求量將會上升35%[1]。尋求易獲取、廉價同時能夠產(chǎn)生清潔能源的原料已迫在眉睫。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)在生產(chǎn)可再生能源方面具有巨大潛力，是一種能夠長期獲得并可替代化石燃料的優(yōu)質(zhì)原料[2-3]。我國蔬菜產(chǎn)量居世界第一，年產(chǎn)量約7.69億t[4]。在蔬菜種植收獲過程中會產(chǎn)生大量的秸稈等廢棄物，約占蔬菜總產(chǎn)量的30%；且隨著蔬菜種植面積的擴大，蔬菜秸稈每年以8%左右的速度增加[5]。目前，蔬菜秸稈常被焚燒或填埋，缺乏合理利用，不僅污染環(huán)境還造成嚴重的資源浪費。厭氧消化技術(shù)在處理秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的同時能夠產(chǎn)生甲烷等能源氣體，是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的理想手段。蔬菜秸稈中含有大量的有機物質(zhì)，其在適當?shù)挠袡C物負荷條件下，能夠被厭氧微生物很好地降解利用并最終轉(zhuǎn)化為甲烷[6]。但因其木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)緊密復雜且對相關(guān)降解酶及微生物有較強的抗性，導致水解效率差、甲烷產(chǎn)量相對較低[7]。對秸稈進行適宜的預處理可有效解決上述問題，從而提高蔬菜秸稈的轉(zhuǎn)化利用率和甲烷產(chǎn)量[8-9]。

沼液是厭氧消化后主要的剩余產(chǎn)物，其中含有大量可降解纖維素的微生物種群和氮、磷、鉀有機物及較高含量的氨氮，直接排放易造成環(huán)境污染[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，將沼液用于秸稈預處理，可以有效破壞秸稈結(jié)構(gòu)、提高秸稈產(chǎn)氣速率和甲烷產(chǎn)量[12-13]。同時，相較于其他預處理方式，沼液預處理可降低成本并能有效減少其排放量，用于處理小麥秸稈[14]、水稻秸稈[15]和玉米秸稈[16-17]進行厭氧消化時均能提高秸稈的物能轉(zhuǎn)化率，改善厭氧消化性能。然而，目前探討沼液預處理對蔬菜秸稈厭氧消化性能影響的研究鮮見報道。因此，本研究采用豬糞沼液預處理4種蔬菜秸稈，探究不同預處理時間對蔬菜秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷特性的影響，并采用修正的Gompertz模型對產(chǎn)甲烷過程進行動力學分析，以期為蔬菜秸稈和沼液等農(nóng)業(yè)廢棄物無害化、合理化及資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以番茄、黃瓜、辣椒和茄子4種蔬菜秸稈為試驗材料，均取自青海大學農(nóng)林科學院園藝創(chuàng)新基地。4種蔬菜秸稈自然條件下風干后，用粉碎機粉碎，于陰涼通風處保存?zhèn)溆?。接種物取自青海知源特色農(nóng)業(yè)有限責任公司以羊糞為原料穩(wěn)定運行的農(nóng)用沼氣池，取回后在中溫(35±1)℃厭氧條件下培養(yǎng)7 d以減小背景甲烷產(chǎn)量。豬糞沼液取自青海賽緯生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。發(fā)酵原料的pH及接種物的總固體（total solid，TS）和揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）含量詳見表1。

表1 發(fā)酵原料及接種物的基本特性Table 1 Characteristics of raw materialsand inoculum

1.2 試驗方法

1.2.1 蔬菜秸稈預處理 黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈粉碎過4目尼龍篩后，分別稱取20 g加入到發(fā)酵反應瓶中，分別添加45 g豬糞沼液，調(diào)節(jié)含水率為70%左右，用發(fā)酵瓶蓋密封后于（35.0±0.5）℃下進行預處理，預處理時間分別為3、5、7和9 d。將4種蔬菜秸稈不同時間沼液預處理分別編號，其中，黃瓜秸稈為H3、H5、H7和H9；番茄秸稈為F3、F5、F7和F9；茄子秸稈為Q3、Q5、Q7和Q9；辣椒秸稈為L3、L5、L7和L9。另設置未經(jīng)沼液處理的各蔬菜秸稈作為對照，分別編號為H0、F0、Q0和L0。預處理時含水率(WC)計算公式如下。

式中，m1為蔬菜秸稈的添加量（g）；m2為豬糞沼液的添加量（g）；TS1為蔬菜秸稈中的總固體含量(%)；TS2為豬糞沼液中的總固體含量（%）。

1.2.2 厭氧消化試驗 預處理完成后，采用全自動甲烷潛力測試儀（MultiTalent 203）進行批式厭氧消化試驗。添加接種污泥及物料的總量為400 g，調(diào)節(jié)接種物與物料的比例為2∶1（以VS計），攪拌均勻后置于（35.0±0.5）℃恒溫水浴鍋中進行厭氧消化。每組設置3個平行，另設純接種物作為空白對照。厭氧消化階段全自動甲烷潛力測試儀每天自動記錄甲烷產(chǎn)生量，測定厭氧消化結(jié)束后消化液的pH、氨態(tài)氮（ammonia nitrogen，AN）含量、總 堿 度（total alkalinity，TA）和 揮 發(fā) 性 脂 肪 酸（volatile fatty acids，VFAs）含量。

1.2.3 指標測定 總固體（TS）采用烘干法測定（105℃烘6 h），揮發(fā)性固體（VS）采用灼燒法測定（550℃灼燒4 h）；木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量采用中性洗滌劑-酸性洗滌劑法測定[18]；pH采用pH計（pHS-2F）進行測定；氨態(tài)氮（AN）采用靛酚藍比色法測定[19]；揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）采用比色法進行測定[20]。堿度采用滴定法（ZDJ-4A自動電位滴定儀）進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，Origin 2018軟件進行制圖，采用SPSS 26軟件進行單因素方差分析。并采用修正的Gompertz模型對甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行擬合處理[21]。

式中，M為發(fā)酵期間某一時間的甲烷產(chǎn)率（mL·g-1，基于VS）；P為產(chǎn)甲烷潛力（mL·g-1，基于VS）；Rm為產(chǎn)甲烷速率（mL·g-1·d-1，基于VS）；e為常數(shù)（2.718 282），λ為遲滯時間（d）；t為厭氧消化時間（d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液預處理后蔬菜秸稈組分變化

由表2可知，與未處理相比，沼液預處理后各蔬菜秸稈中的纖維素和半纖維素均有不同程度的降解，其中，預處理5 d以上的試驗組與未處理間差異顯著，說明預處理時間對木質(zhì)纖維素的含量有較大影響。隨著預處理時間的延長，各蔬菜秸稈中纖維素和半纖維素的降解率逐漸提高。對于半纖維素，黃瓜秸稈的降解程度最高，降解率為2.11%～52.48%；番茄和茄子秸稈次之，降解率分別為12.08%～39.37%和11.59%～26.12%；辣椒秸稈降解率最小，為8.19%～17.75%。對于纖維素，辣椒秸稈的降解率最高，為16.40%～24.48%，其余蔬菜秸稈的降解率從高到低依次為：黃瓜秸稈(9.27%～22.06%)、茄子秸稈(1.53%～18.33%)和番茄秸稈(3.51%～15.06%)。與未處理相比，沼液預處理后的蔬菜秸稈木質(zhì)素含量均呈上升趨勢，說明木質(zhì)素難以降解，不易被厭氧微生物利用。

表2 沼液預處理后蔬菜秸稈木質(zhì)纖維素含量Table 2 Lignocellulose content of vegetable straw after pretreatment of biogas slurry

2.2 沼液預處理對蔬菜秸稈甲烷產(chǎn)量的影響

分析沼液預處理后各蔬菜秸稈厭氧消化日產(chǎn)甲烷量的變化，結(jié)果（圖1）表明，在30 d的厭氧消化過程中，沼液預處理各蔬菜秸稈的日產(chǎn)甲烷量均呈先升高后降低趨勢。各蔬菜秸稈達到產(chǎn)氣高峰的時間不同。番茄秸稈各處理均在第2天達到第1個產(chǎn)氣高峰，且F3處理最大，為74.52 mL·d-1；隨后在第10到第11天出現(xiàn)第2個產(chǎn)氣高峰，消化20 d后僅有少量甲烷產(chǎn)生。黃瓜秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈各處理的最大日產(chǎn)甲烷高峰分別出現(xiàn)在第3、第4和第2天，日產(chǎn)甲烷峰值分別為75.82（H7）、65.55（Q7）和68.50 mL·d-1（L3），產(chǎn)甲烷高峰過后，日甲烷產(chǎn)量逐漸下降，至10 d以后日甲烷產(chǎn)量變化趨勢平緩，25 d后基本不再產(chǎn)氣。相較于未處理，各蔬菜秸稈的日產(chǎn)甲烷峰值均有所增加；且隨著沼液處理時間的延長，達到日產(chǎn)甲烷高峰的時間提前。

圖1 沼液預處理后4種蔬菜秸稈的日甲烷產(chǎn)量Fig.1 Daily methane production of 4 vegetable straws with pretreatment of biogas slurry

由圖2可知，與未處理相比，沼液預處理組的累積甲烷產(chǎn)量均顯著增加，說明沼液預處理能夠有效改善蔬菜秸稈的產(chǎn)甲烷性能。4種蔬菜秸稈中，黃瓜秸稈各處理的累積甲烷產(chǎn)量較高，為110.45～152.42 mL·g-1；番茄秸稈和茄子秸稈次之，累積甲烷產(chǎn)量分別為108.37～147.95 mL·g-1和101.90～129.84 mL·g-1；辣椒秸稈各處理累積甲烷產(chǎn)量較低，僅為78.50～99.17 mL·g-1。同時，隨著預處理時間的延長，各蔬菜秸稈累積甲烷產(chǎn)量均呈先升高后降低趨勢，在處理時間為5～7 d時，各蔬菜秸稈分別達到組內(nèi)最高值。其中，番茄秸稈和辣椒秸稈均為預處理5 d效果最優(yōu)，累積甲烷產(chǎn)量分別為147.95和99.17 mL·g-1，較未處理分別提高36.52%和26.33%；黃瓜秸稈和茄子秸稈為預處理7 d產(chǎn)氣效果最佳，最大累積甲烷產(chǎn)量分別為152.42和129.84 mL·g-1，較 未 處 理 分 別 提 升38.00%和27.42%。說明沼液預處理時間的優(yōu)化對改進蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關(guān)重要。

圖2 沼液預處理后4種蔬菜秸稈的累積產(chǎn)甲烷量Fig.2 Cumulative methane production of 4 vegetable straws after pretreatment of biogas slurry

T90是厭氧工藝中的重要參數(shù)，指厭氧消化過程中累積產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量90%時所用的時間，是反映厭氧消化效率較為直觀的指標之一，對實際沼氣工程運營具有重要指導意義[22]。由表3可知，經(jīng)沼液預處理后，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈的T90分別比未處理縮短了5～8、4～5、3～4和4～6 d，說明沼液預處理能夠縮短蔬菜秸稈的厭氧消化周期，提高產(chǎn)甲烷效率。

2.3 動力學分析

利用修正的Gompertz方程對不同處理厭氧消化累積甲烷產(chǎn)量進行擬合，結(jié)果（表3）表明，不同處理擬合出的甲烷產(chǎn)量與實際產(chǎn)量接近，R2為0.966～0.997，表明修正的Gompertz模型能較好地模擬沼液預處理蔬菜秸稈的厭氧消化過程。4種蔬菜秸稈經(jīng)沼液處理的最大甲烷日產(chǎn)率均高于未處理，說明沼液處理蔬菜秸稈更容易提高其厭氧消化的水解速率。延滯期（λ）通常表示滯后階段，可以間接反映消化效率[23]。盡管λ與消化性能沒有直接關(guān)系，但較高的λ值表明厭氧消化周期較長，對大型工程項目不利。經(jīng)沼液處理后的4種蔬菜秸稈的λ值均較各自未處理降低，說明厭氧消化過程的滯后期縮短。

表3 沼液預處理蔬菜秸稈厭氧消化時間及甲烷產(chǎn)量擬合結(jié)果及消化時間T90Table 3 Fitting model parametersof methaneproduction of 4 vegetablestrawsafter pretreatmentof biogasslurry and digestion time T90

2.4 各處理發(fā)酵液p H、VFAs含量、堿度和氨氮含量的變化

pH是影響厭氧消化進程的主要因素之一，適宜產(chǎn)甲烷菌生長的pH為6.5～8.2[24]。VFAs是厭氧消化過程中重要的中間代謝產(chǎn)物，與厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)，當VFAs含量超過5 000 mg·L-1時，對產(chǎn)甲烷菌有毒害作用[25-27]。由表4可知，各處理厭氧消化后消化液中VFAs和pH均適宜甲烷菌生長。厭氧消化過程中適宜的氨氮含量和堿度能有效維持發(fā)酵液的緩沖力。厭氧微生物生長的最適氨氮含量應低于2 000 mg·L-1，堿度應大于4 000 mg·L-1[28-29]；同時，VFAs與堿度的比值可反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比值高于0.4時，會對厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用[30]。經(jīng)厭氧消化后，各處理的氨氮含量為604.42～864.34 mg·L-1，總堿度為4 373.12～9 359.35 mg·L-1；且VFAs與堿度的比值為0.07～0.24，遠低于0.4。由此可見，沼液預處理前后的蔬菜秸稈厭氧消化系統(tǒng)具有較強的緩沖能力。

表4 厭氧消化后消化液的pH、VFAs含量、堿度和氨氮含量Table 4 pH，VFAs content，alkalinity and ammonia nitrogen content of biogas slurry after anaerobic digestion

3 討論

沼液作為厭氧消化后主要的剩余產(chǎn)物，直接排放易造成環(huán)境污染，對其進行廢物處理也有一定難度。若將沼液作為厭氧消化的預處理劑不但能減少其排放還能降低預處理的成本。因其含有豐富的微生物菌群和氮源，可以改善物質(zhì)配比并有效降解木質(zhì)纖維素，一定程度上能夠起到提升甲烷產(chǎn)量的作用[12-14]。本研究中經(jīng)過沼液浸潤處理后的蔬菜秸稈木質(zhì)纖維素組分含量發(fā)生了明顯變化，其中纖維素和半纖維素含量隨預處理時間的延長不斷降低。王英琪等[12]和鄭子喬等[28]也發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈木質(zhì)纖維素的降解率隨沼液處理時間的延長逐漸升高。這主要是由于沼液中含有可產(chǎn)生纖維素酶的微生物種群，酶作用于秸稈各組分，使其得以降解[31]。然而，經(jīng)沼液預處理后，蔬菜秸稈木質(zhì)素含量隨預處理時間的延長逐漸增大，這說明蔬菜秸稈中的木質(zhì)素難以被微生物分解利用。趙昆煬等[32]對玉米秸稈進行厭氧消化處理時也發(fā)現(xiàn),厭氧處理前后木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)差異較小，能夠較好地保留木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。

本研究表明，經(jīng)沼液預處理后蔬菜秸稈的累積甲烷產(chǎn)量均顯著增加，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈較未處理分別提高38.00%、26.33%、27.42%和36.52%，說明沼液預處理能夠有效改善蔬菜秸稈的產(chǎn)甲烷性能。一方面是因為沼液中可降解木質(zhì)纖維素的微生物菌群對秸稈中有機物的作用加快了厭氧消化系統(tǒng)的水解，提升了甲烷產(chǎn)量[33]；另一方面可能是因為沼液中含有大量的NH+4-N，可作為氮源調(diào)整系統(tǒng)C/N比，進而改善其厭氧消化性能[17]。盡管豬糞沼液預處理能提高蔬菜秸稈的累積甲烷產(chǎn)量，但不同蔬菜秸稈達到最高積累甲烷產(chǎn)量的預處理時間不同。番茄秸稈和辣椒秸稈的最佳預處理時間為5 d，而黃瓜秸稈和茄子秸稈的最佳預處理時間為7 d；預處理時間過長時，蔬菜秸稈的甲烷產(chǎn)量會有所降低，可見沼液預處理時間的優(yōu)化對改進蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關(guān)重要。若處理時間太短，對蔬菜秸稈破壞程度不夠，釋放的有機物相對較少，甲烷產(chǎn)量相對較低；但處理時間過長，蔬菜秸稈中有機物質(zhì)被利用的同時也能夠被沼液體系中的厭氧微生物所利用，導致底物減少，從而影響甲烷產(chǎn)量[34-35]。研究表明，沼液預處理玉米秸稈最優(yōu)時間是5 d，甲烷產(chǎn)量較對照提高30.76%[12]；雞糞沼液預處理玉米秸稈的最優(yōu)預處理時間為7 d，甲烷產(chǎn)量較對照提高32.41%[28]；小麥秸稈沼液預處理6 d時產(chǎn)氣效果最好，較對照提高69.50%[36]；沼液浸泡預處理花椰菜廢棄物4 d后效果最好，甲烷產(chǎn)量較對照提高73.90%[37]。由此可知，秸稈類廢棄物的最佳沼液預處理時間為5～7 d，而含水量較高的尾菜等廢棄物的沼液預處理時間相對較短，但這也取決于供試材料的特性及沼液的種類?？傊瑧谜右鹤鳛轭A處理劑進行厭氧消化時，根據(jù)不同材料及沼液的基本特性優(yōu)化最適宜的預處理時間是關(guān)鍵步驟。

本研究還發(fā)現(xiàn)，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈最優(yōu)處理達到T90的時間較未處理分別縮短47.06%、31.25%、17.65%和22.22%，說明沼液預處理能夠明顯縮短蔬菜秸稈的厭氧消化周期，與前人研究結(jié)果一致[14,16-17,28,35-36,38]。4種經(jīng)沼液處理的蔬菜秸稈厭氧消化T90不盡相同，可能是由于蔬菜秸稈成分的差異，木質(zhì)化嚴重的蔬菜秸稈需要更長的時間進行消化分解。在實際應用中，可以用沼液對蔬菜秸稈進行5～7 d的處理，同時將厭氧消化周期控制在15 d以內(nèi)，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)的時間成本，增加沼氣工程的經(jīng)濟效益。