牛糞與卷心菜尾菜混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的研究

雷立帆，馬厚龍，廖興，徐華宇，畢少杰，王彥杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

蔬菜是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的組成部分，在我國是僅次于糧食的重要副食品。蔬菜產(chǎn)業(yè)給菜農(nóng)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，隨之產(chǎn)生的尾菜給農(nóng)業(yè)和農(nóng)村環(huán)境保護(hù)帶來了難題。據(jù)《國家統(tǒng)計(jì)局》統(tǒng)計(jì)，2020 年我國蔬菜總產(chǎn)量超過7 億t[1]，而隨著我國居民生活水平的提高，人民對蔬菜的食用標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蔬菜在食用時(shí)約70%被利用，剩下約30%的根、莖、葉被廢棄成為尾菜[2]。尾菜中有機(jī)質(zhì)含量高，易腐爛，滋生植物病菌和蚊蟲，處理不當(dāng)還會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染。因此，尾菜資源化利用成為了現(xiàn)階段蔬菜產(chǎn)業(yè)中亟待解決的問題。

厭氧發(fā)酵技術(shù)利用厭氧微生物的代謝活動(dòng)，將生物質(zhì)的有機(jī)組分降解并轉(zhuǎn)化生成大量主成分為甲烷的生物燃?xì)猓a(chǎn)生的沼液可用作有機(jī)肥，從而使有機(jī)固體廢棄物得到合理的利用，是最適宜處理尾菜的技術(shù)之一[3]。但是，尾菜單獨(dú)發(fā)酵不僅產(chǎn)氣效率較低[4]，還經(jīng)常出現(xiàn)有機(jī)酸快速積累最終導(dǎo)致運(yùn)行失敗的情況[5]。研究發(fā)現(xiàn)混合發(fā)酵可以提高發(fā)酵體系的穩(wěn)定性和原料的產(chǎn)氣率[6]。牛糞中營養(yǎng)豐富，既含有豐富的C、N 等大量元素，又富含F(xiàn)e、Co、Ni、Se 等微量元素[7-8]，是優(yōu)質(zhì)的混合厭氧消化原料。Li 等[9]添加牛糞與水稻秸稈進(jìn)行共消化（與牛糞之比為1∶1），水稻秸稈產(chǎn)甲烷產(chǎn)率提高了9.6%。Abdullah 等[10]探究了蔬菜廢棄物與牛糞混合發(fā)酵性能，發(fā)現(xiàn)混合發(fā)酵的產(chǎn)氣效率要高于單獨(dú)發(fā)酵。Xiomara 等[11]通過添加牛糞與廢甜菜漿進(jìn)行混合發(fā)酵，結(jié)果表明共消化的產(chǎn)氣性能要高于單消化，廢棄甜菜漿與牛糞混合比例為1∶3 時(shí)產(chǎn)氣效果最佳。上述研究均表明添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵相較于單一發(fā)酵而言有更高的產(chǎn)氣效率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

黑龍江省是地處國家北部的農(nóng)業(yè)大省，尾菜產(chǎn)量大，可利用資源豐富。同時(shí)，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)黑龍江省2021 年底牛存欄數(shù)約515.8 萬頭[1]，按每頭牛平均日產(chǎn)5 kg 牛糞計(jì)算，我省年產(chǎn)約940 萬t 牛糞，混合厭氧發(fā)酵具有較大的應(yīng)用前景。目前，有關(guān)于混合厭氧發(fā)酵的研究日益增多，然而現(xiàn)階段的研究大多從分析混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性的角度開展[12-13]，關(guān)于卷心菜尾菜與牛糞混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)的研究鮮有報(bào)道。因此，研究針對卷心菜尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率低的問題，通過調(diào)整卷心菜尾菜與牛糞的混合比例，利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對卷心菜尾菜與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，研究添加牛糞對卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響，以期提高卷心菜尾菜發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率，為卷心菜尾菜及牛糞的資源化利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

卷心菜取自黑龍江省大慶市九區(qū)蔬菜批發(fā)市場，在分揀出石頭、雜草等雜質(zhì)后，將卷心菜剪切至5 cm 大小，牛糞取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地，篩去樣品中的雜質(zhì)后使用破壁機(jī)破碎，將處理后的供試樣品置于4 ℃冰箱儲(chǔ)存?zhèn)溆茫员ＷC原料的均一性和穩(wěn)定性[14-15]。接種物來自實(shí)驗(yàn)室馴化的穩(wěn)定厭氧消化發(fā)酵液。試驗(yàn)材料的主要特性見表1。

表1 試驗(yàn)材料性質(zhì)Table 1 Substrate properties

表2 試驗(yàn)組配置表Table 2 Test group configuration table

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的簡易厭氧發(fā)酵裝置，主要由發(fā)酵瓶、導(dǎo)氣管、取樣口、集氣袋等4 部分組成如圖1 所示。發(fā)酵瓶為1 L 具橡膠塞和塑料封口玻璃瓶，橡膠塞上打雙孔，分別用于發(fā)酵液采樣和連接集氣袋；集氣袋為5 L 鋁箔氣體采樣袋。發(fā)酵瓶、集氣袋之間以橡膠管和塑料接頭連接。

圖1 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)裝置組成示意圖Fig.1 Anaerobic fermentation test device composition schematic

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定添加不同比例牛糞對卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵的影響，設(shè)定料液濃度為3%，接種量為30%，保證其他條件相同，將卷心菜尾菜與牛糞按干物質(zhì)質(zhì)量比配置成比例為0∶1（T1）、1∶0（T2）、1∶1（T3）、1∶2（T4）、1∶3（T5）、2∶1（T6）和3∶1（T7）的7 個(gè)處理，裝入容積為1 L 的發(fā)酵瓶中，加蒸餾水定容至800 mL，調(diào)節(jié)pH值至8.0 后封裝。發(fā)酵物料混勻完全后，將發(fā)酵瓶和集氣袋整體放入37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)酵30 d。每組設(shè)置3 個(gè)平行，發(fā)酵數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行分析。試驗(yàn)期間充分混勻發(fā)酵液，觀察瓶內(nèi)發(fā)酵情況，防止發(fā)酵液分層結(jié)殼，并測定發(fā)酵過程中甲烷含量、沼氣產(chǎn)量的變化，計(jì)算日產(chǎn)甲烷率、產(chǎn)沼氣速率、產(chǎn)甲烷速率。

1.4 測試方法

料液中的TS、VS 采用烘干稱重法測定[16]；使用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB-WB）來測定沼氣日產(chǎn)氣量，每日取樣測定一次并做好記錄；通過利用便攜式沼氣分析儀（BIOGAS5000）測定沼氣中甲烷含量。沼氣累積產(chǎn)量與甲烷累積產(chǎn)量為發(fā)酵30 d 內(nèi)的沼氣日產(chǎn)量總和與甲烷日產(chǎn)量總和；采用便攜式pH 計(jì)（B-712）測定pH 值。

產(chǎn)甲烷速率通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算[17-18]，計(jì)算產(chǎn)甲烷速率常數(shù)，公式可見：

Cs0 是最大產(chǎn)氣量mL·gTS-1，Cs 為最大產(chǎn)氣量減去t 時(shí)刻的累積產(chǎn)氣量mL·gTS-1，k 為速率常數(shù)d-1；t是產(chǎn)氣時(shí)間d。

1.5 數(shù)據(jù)處理

每組處理均有3 組重復(fù)，每組測定1 次，即為3 組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Microsoft Excel 對公式及圖表進(jìn)行制作，采用SPSS 等分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表分析和數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加牛糞對卷心菜厭氧發(fā)酵甲烷含量的影響

圖2 顯示了添加不同比例牛糞對卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量的影響?？傮w來看，發(fā)酵過程中的甲烷含量呈現(xiàn)出先升高后緩慢降低的趨勢，高峰值主要集中出現(xiàn)在7～13 d。卷心菜與牛糞混合比例為2∶1 時(shí)甲烷含量最高，達(dá)到64.6%，比卷心菜單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量增加16.0%，達(dá)到最大甲烷含量的時(shí)間比卷心菜單獨(dú)發(fā)酵提前4 d。因此，當(dāng)卷心菜與牛糞比例達(dá)到2∶1 時(shí)進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)，甲烷含量的峰值明顯提高，達(dá)到峰值的時(shí)間提前，更利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。

圖2 添加牛糞對尾菜厭氧發(fā)酵甲烷含量的影響Fig.2 Changes in the content of fermented methane in the mix of cow dung and cabbage tails

2.2 添加牛糞對卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響

日產(chǎn)甲烷率可以形象直觀地反映混合物料的產(chǎn)甲烷性能，是厭氧消化過程中重要監(jiān)測指標(biāo)[19]。添加不同比例牛糞對卷心菜尾菜厭氧消化日產(chǎn)甲烷率的影響如圖3 所示。厭氧發(fā)酵過程中的日產(chǎn)甲烷率曲線整體上呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，峰值集中出現(xiàn)在第7～13 天之間。添加牛糞與卷心菜尾菜進(jìn)行混合發(fā)酵，日產(chǎn)甲烷率的峰值有明顯提高。其中，當(dāng)卷心菜與牛糞混合比例為2∶1 時(shí)，混合發(fā)酵獲得了最高的日產(chǎn)甲烷率，達(dá)到55.3 mL·gTS-1，比單一牛糞和單一卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵最高產(chǎn)甲烷率分別提高11.8%和40.0%。

圖3 添加牛糞對尾菜厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷率的影響Fig.3 Change of daily methane yield in anaerobic fermentation with different mixing ratio

表3 總結(jié)了添加不同比例牛糞和尾菜厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。在產(chǎn)氣率上，尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵（T2）的產(chǎn)氣率最低，添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵（T3～T7）可以顯著提高產(chǎn)氣率，尾菜與牛糞混合比例為1∶3（T5）和2∶1（T6）時(shí)，產(chǎn)氣率提升效果最佳，甲烷產(chǎn)率較尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵（T2）分別提高了87.4%和111.6%，沼氣產(chǎn)率分別提高了46.4%和61.1%。在產(chǎn)氣速率上，尾菜單獨(dú)厭氧發(fā)酵（T2）的產(chǎn)氣速率較低，添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵（T5 和T6）也可以顯著提高產(chǎn)氣速率，產(chǎn)甲烷速率相較于尾菜單獨(dú)發(fā)酵（T2）分別提高了68.2%和90.0%，產(chǎn)沼氣速率分別提高了35.9%和37.5%。其中T6 處理組與T5 處理組差異性表現(xiàn)為不顯著。相較于其他處理組，產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣速率均有明顯提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，菜糞比例為2∶1 時(shí)，產(chǎn)氣速率達(dá)到最高水平，更適合產(chǎn)生沼氣和甲烷。

表3 不同混合比例厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能Table 3 Gas production performance of anaerobic fermentation with different mixing ratio

2.3 添加不同比例牛糞對卷心菜尾菜厭氧發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)分析

一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以忽略厭氧微生物生長所造成的影響，常用來描述水解、酸化和產(chǎn)甲烷速率[20-21]。表4 為添加牛糞與卷心菜混合厭氧發(fā)酵對動(dòng)力學(xué)產(chǎn)氣常數(shù)k 值的影響。單一卷心菜尾菜發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)氣常數(shù)k 值為0.129 d-1；當(dāng)卷心菜尾菜與牛糞混合比例為2∶1 時(shí)，動(dòng)力學(xué)產(chǎn)氣常數(shù)k 值最大，為0.150 d-1，反應(yīng)速率比尾菜單獨(dú)發(fā)酵提高了16.3%，相較于其他處理均有明顯升高，產(chǎn)甲烷速率也達(dá)到最高水平，產(chǎn)氣速率最快。

表4 不同混合比例厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)常數(shù)Table 4 Kinetics constants of anaerobic fermentation with different mixing ratios

表5 不同原料與牛糞混合發(fā)酵相關(guān)研究Table 5 Study on mixed fermentation of different raw materials and cow dung

3 討論

卷心菜尾菜易降解，單獨(dú)厭氧發(fā)酵容易出現(xiàn)有機(jī)酸積累最終導(dǎo)致運(yùn)行失敗的情況。為增強(qiáng)尾菜厭氧發(fā)酵性能，需要采取措施提高發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率。牛糞中的營養(yǎng)豐富，可以緩沖厭氧發(fā)酵過程中pH 的變化，是優(yōu)質(zhì)的混合發(fā)酵原料[22]。劉芳等[23]使用蔬菜廢棄物與牛糞進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣量增加最高202.3%，鄭澤慧[24]添加牛糞使柳枝稷厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量與甲烷產(chǎn)率明顯增加，與蔬菜廢棄物混合發(fā)酵使其產(chǎn)氣量提升了165.5%，甲烷產(chǎn)量提升了21.5%。牛糞與蘆葦和水葫蘆等植物混合發(fā)酵，產(chǎn)氣量、甲烷含量和甲烷產(chǎn)率均有不同程度的增加，都表現(xiàn)為促進(jìn)作用[25-27]。王彥杰等[28]用餐廚垃圾和牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵，產(chǎn)氣量、甲烷含量和甲烷產(chǎn)率分別提升113.6%、250.0%和52.4%。馬旭光等[29]添加牛糞使油菜秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能大幅提高。Sihlangu 等[30]使用奶牛牛糞與卷心菜、土豆進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣量、甲烷產(chǎn)率分別提高18.9%、103.1%。白巖[31]使用牛糞與卷心菜尾菜進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，甲烷產(chǎn)率提高了52.7%。大量研究表明，添加適宜比例的牛糞與其他原料混合發(fā)酵可以有效提產(chǎn)氣性能，與研究獲得的結(jié)果一致。

在同一溫度和同一底物原料的條件下，卷心菜尾菜與牛糞混合比例的不同也會(huì)影響到甲烷產(chǎn)率。在研究中，隨著添加牛糞比例的升高，甲烷產(chǎn)率逐漸升高且峰值前移，當(dāng)卷心菜尾菜與牛糞的比例達(dá)到2∶1 時(shí)出現(xiàn)最大值且出現(xiàn)時(shí)間最早，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型分析結(jié)果顯示，混合比例下動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)k 高于其他處理組，分析認(rèn)為混合比例為2∶1 時(shí)反應(yīng)體系中有機(jī)物消化效率高于其他比例，更適合甲烷的產(chǎn)生。

黑龍江省位于我國東北地區(qū)，氣候寒冷，全年平均氣溫較低，受溫度限制，沼氣工程全年僅有二分之一的時(shí)間處于正常運(yùn)行狀態(tài)下。一般的中型沼氣池有效容積約為2 000 m3[32]，通過調(diào)整物料的不同混合比例優(yōu)化產(chǎn)氣效果可以有效的提升經(jīng)濟(jì)效益。假設(shè)在此期間沼氣池可達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)氣效果，以此為前提分別計(jì)算不同混合比例下厭氧發(fā)酵的年總甲烷產(chǎn)量并換算為代替標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量，按照近期黑龍江省標(biāo)準(zhǔn)煤市場價(jià)格（1 070 元·t-1）計(jì)算不同混合比例的年經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算結(jié)果如表6 所示。結(jié)果表明，尾菜與牛糞混合比例為1∶3（T5）、2∶1（T6）、3∶1（T7）時(shí)經(jīng)濟(jì)效益均高于牛糞單獨(dú)消化（T1）與尾菜單獨(dú)消化（T2），其中尾菜與牛糞混合比例為2∶1（T6）時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最高為176 123.37 元·年-1。并且混合發(fā)酵所用底物均為農(nóng)牧業(yè)廢棄產(chǎn)物，成本較低，因此適宜應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

表6 牛糞與尾菜不同混合比例厭氧發(fā)酵年產(chǎn)氣經(jīng)濟(jì)效益分析Table 6 Analysis of annual gas production income of anaerobic fermentation with different proportions of cattle manure and tailings

4 結(jié)論

（1）添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵可以提高尾菜厭氧發(fā)酵的甲烷含量峰值，在卷心菜尾菜與牛糞混合比例為2∶1 時(shí)獲得最高值64.6%。

（2）添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵可以提高尾菜厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)甲烷率和沼氣產(chǎn)率，卷心菜尾菜與牛糞混合比例為2∶1 時(shí)，日產(chǎn)甲烷率和沼氣產(chǎn)率的提升率最高，日產(chǎn)甲烷率較卷心菜尾菜單獨(dú)發(fā)酵提高40.0%，沼氣產(chǎn)率較卷心菜尾菜提高61.1%。

（3）添加牛糞進(jìn)行混合發(fā)酵可以提高尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率，卷心菜尾菜與牛糞混合比例為2∶1時(shí)，動(dòng)力學(xué)產(chǎn)氣常數(shù)k 值最大，為0.150 d-1，反應(yīng)速率提高效果最好，相較于尾菜單獨(dú)發(fā)酵提高了16.3%。

綜上所述，添加牛糞與卷心菜混合發(fā)酵可以有效地提高甲烷含量、甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷速率，可以有效地改善卷心菜厭氧消化性能。卷心菜尾菜與牛糞混合比例為2∶1 進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵時(shí)，甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣效果更強(qiáng)，更適合甲烷的產(chǎn)生。