不同含固率和接種比對尾菜厭氧消化的影響

甄月月，葛一洪，施國中，封海東，張 敏

(1.農業農村部沼氣科學研究所，成都 610041；2.十堰市農業科學院，湖北 十堰 442000)

國家統計局數據表明，2018年中國蔬菜年產量為7.03億噸。而每100噸蔬菜在采收及流通過程中大約會產生20噸尾菜[1]，即每年約產生1.40億噸尾菜。若處理不當，將會造成大氣污染和溫室氣體排放等環境問題[2]。研究表明，尾菜具有高水分(>80%)、有機物含量高(>95%干基)和易生物降解等特性，因此其適宜進行厭氧消化[3]。該消化工藝能產生清潔能源沼氣，且消化產物還可用作土壤改良劑或者生產有機肥，是實現尾菜資源化和減量化的有效途徑[4]。

厭氧消化是一個利用微生物將各種有機廢棄物轉化為可再生清潔能源的生物過程[5]，它受多種因素的影響，其中含固率和接種比均為影響啟動時間和基質產甲烷能力的直接因素[6]。含固率會影響厭氧消化過程中的傳質效果，進而影響產氣效果，此外還會影響體系有機酸積累的水平[7]。接種比決定了體系抗有機酸負荷的能力，接種比的合理選擇對厭氧消化的運行效果和穩定性來說非常重要[8]。而受底物性質、接種物來源及產甲烷活性和抑制物濃度等因素影響，研究獲得的最優接種比存在很大差異[9]。因此，含固率和接種比是決定厭氧消化效率的關鍵工藝參數，而目前含固率和接種比對尾菜厭氧消化交互影響的研究較少，需要進一步探索。

因此，本研究采用中溫厭氧消化，研究不同含固率和接種比對尾菜厭氧消化特性的影響，以期為尾菜厭氧消化工藝的調控和優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用的尾菜取自成都玉林菜市場，由芹菜、白菜、油菜、卷心菜、空心菜、萵筍等比例混合而成，使用粉碎機破碎至粒徑為3～5 mm，并將其混合均勻后保存在4 ℃冰箱中備用。接種物取自農業農村部沼氣科學研究所實驗基地的豬糞厭氧消化污泥。表1為原料及接種物特性(其中TS和VS以濕基計，其余均以干基計)。

表1 尾菜及接種污泥理化特性 (%)

1.2 實驗設計

實驗設置兩個總固體濃度，分別為4%TS和8%TS，每個TS下分別設置3個接種比(接種物揮發性固體：尾菜揮發性固體)0.8，1.0，1.23，詳見表2。厭氧消化實驗采用1000 mL發酵瓶，有效體積為700 mL，分別在不同發酵瓶中加入對應含量的接種污泥和尾菜，用自來水補充至700 mL，每組設置3個重復。反應溫度為35℃±0.5℃，每天將發酵瓶搖動2次，每次搖動5 min。每天記錄沼氣產量、采集氣體樣品測定氣體成分，每4～5天采集液體樣品，測定pH值和揮發酸含量。實驗設計見表2。

表2 實驗設計表

1.3 測試方法

總固體濃度(TS)、揮發性固體濃度(VS)分別采用烘干法和灼燒減重法測定，測定溫度分別為105℃和600℃。粗纖維、粗蛋白、粗脂肪均使用國標法測定，沼氣產量采用排水集氣法測定，氣體成分使用氣相色譜測定，揮發性脂肪酸含量采用氣相色譜法測定，儀器型號為安捷倫公司生產的GC7820A型氣相色譜，色譜柱為填充柱(1.5 mGDX103 + 5%磷酸色譜柱)，柱箱溫度180℃，進樣器溫度200 ℃，檢測器溫度230℃。pH值采用便攜式pH計測定，pH計型號為LAQUAtwin-pH-33。通過Excel 2013進行數據處理，利用OroginPro 9.1制圖。

2 結果與討論

2.1 含固率和接種比對產沼氣的影響

由圖1可以看出，TS為4%時各處理組在實驗開始時日產氣量逐漸增加，到達產氣峰值后又逐漸下降而后波動至產氣結束。由圖2可以看出，TS為8%的各處理組表現為日產氣量先上升后下降然后再上升又回落的過程。這兩者沼氣產量變化規律不同主要是因為TS為4%的處理組總固體含量低，厭氧微生物在啟動后較短的時間內將大部分可利用的有機物消耗完畢，T1，T2，T3處理組在厭氧消化第11～18天,第11～17天,第10～15天的產氣量已達到該處理組總產氣量的70%以上。而TS為8%的處理組由于總固體含量較高，微生物迅速將較容易降解的物質消耗殆盡，啟動后日沼氣產量迅速上升，產生第1個產氣高峰，T1,T2,T3處理組的最高日沼氣量分別達到840，850，750 mL。而體系中較難降解的有機物仍殘留在其中，在厭氧消化后期微生物逐步將較難利用的有機物降解，因此產生第2個產氣高峰。T1，T2，T3，T4，T5，T6處理組累計沼氣產量分別為321.78，308.05，303.94，365.83，362.61，344.83 mL·g-1VS，在含固率相同的條件下，產氣量隨接種比的增大而降低。在所有處理中，TS為8%，RI/S為0.8時沼氣產率最大，為365.83 mL·g-1VS，且顯著高于其他各處理組(p<0.05)。

圖1 4%TS日沼氣產量隨時間變化曲線

圖2 8%TS日沼氣產量隨時間變化曲線

根據不同處理下的累計沼氣產量，計算其平均值I，由I值計算同一影響因素不同處理水平時累計沼氣產量變化的極值R，用以表征該影響因素的變化給累計沼氣產量帶來變化的大小。計算得TS為4%和8%含固率下其平均值I分別為311.26和357.75 mL·g-1VS，RI/S為0.8，1.0，1.2不同接種比下其平均值I分別為343.81，335.33，324.39 mL·g-1VS，可見含固率TS為8%，接種比RI/S為0.8時為最優處理。當僅考慮含固率TS對累計沼氣產量的影響時，發現I8%>I4%,即體系的TS越高，產沼氣能力越強。而當僅考慮接種比RI/S對累計沼氣產量的影響時，發現I0.8>I1.0>I1.2,即體系的接種比越高，產沼氣能力越強。同時，當僅考慮含固率影響時，計算得到Ra為46.49，僅考慮接種比影響時，Rb為19.42，Ra>Rb，表明含固率對累計沼氣產量的影響力大于接種比。

如圖1和圖2所示，8%TS的處理組較4%TS的處理組啟動更快，8%TS的處理組產甲烷延滯期為9天，4%TS的處理組產甲烷延滯期為10天，產甲烷延滯期隨含固率的提高而略有縮短，產甲烷延滯期是因為水解酸化后積累了大量揮發酸抑制了產甲烷菌的生長。由圖3可以看出，TS為4%處理組啟動前甲烷體積分數較8%TS處理組低，說明TS為4%的處理組體系微生物自我調節能力弱于TS為8%的處理組，T4，T5，T6處理組能更快地使酸化得到緩解，pH值更快地恢復到適宜甲烷菌生長的范圍內，甲烷菌大量繁殖并且開始利用前期積累的揮發酸。

圖3 厭氧消化過程中甲烷體積分數的變化

2.2 含固率和接種比對累計甲烷產量的影響

T1，T2，T3，T4，T5，T6累計甲烷產量分別為218.39，210.28，203.11，253.81，253.50，242.75 mL·g-1VS。8%TS，RI/S為0.8時累計甲烷產量最大，為253.81 mL·g-1VS，且顯著高于其他各處理(p<0.05)。含固率一定時，隨著接種比的提高，累計甲烷產量呈下降趨勢(見圖4和圖5)。

圖5 8%TS下累計甲烷產量隨時間變化曲線

圖4 4%TS下累計甲烷產量隨時間變化曲線

Lawal[10]等研究表明，含固率一定時，累計甲烷產量隨接種比的增加而增加。徐曉秋[11]等以牛糞為厭氧消化底物，設置3個接種濃度10%，30%，50%，發現當接種量為30%時厭氧發酵效果較好。本研究可能是因為使用的接種污泥活性較好，單位接種污泥中含有更多的微生物，在接種比較低時就能為尾菜厭氧消化提供充足的接種物，而接種量過多則導致發酵料液中可以被微生物所利用的營養成分減少，微生物生長代謝緩慢，對底物利用不充分[12]。當接種比較高時為了保證高厭氧消化效率，反應器的容積需增大[13]。如圖6～圖8所示，在接種比相同的條件下，TS為4%時，累計甲烷產量更低，可能是因為在含固率較低的體系中底物中可利用的營養成分不足，導致產氣率降低[12]。

圖6 RI/S=0.8時累計甲烷產量隨時間變化曲線

圖7 RI/S=1.0時累計甲烷產量隨時間變化曲線

圖8 RI/S=1.2時累計甲烷產量隨時間變化曲線

如表3所示，TS為4%時，T1，T2，T3分別在第14，14，12天時出現產甲烷峰值，分別為33.11，37.31，38.07 mL·g-1VS·d-1；TS為8%時，T4，T5，T6分別在第15，15，13天時出現產甲烷峰值，分別為29.47，34.32，34.80 mL·g-1VS·d-1。在含固率一定時，隨著接種比RI/S的提高，產甲烷峰值逐漸增大，峰值出現的時間提前，厭氧消化周期縮短，累計甲烷產量降低。房明[14]等在研究接種比對餐廚垃圾中溫厭氧消化批式實驗中，設置接種比為1，2，3，4，實驗結果表明接種比為最低值1時，產氣峰值出現時間最晚，產氣周期最長，這與本實驗結果基本一致。4% TS，RI/S為1.2時產甲烷峰值最大，為38.07 mL·g-1VS·d-1，但是累計甲烷產量最低，為203.11 mL·g-1VS，這可能是因為在總固體含量較低時，傳質效果好，因此降解底物的速率較快，但底物中可利用的營養成分不足，導致單位底物累計產甲烷量較低[12]。

表3 各處理組產甲烷情況比較

2.3 含固率和接種比對厭氧消化液特性的影響

2.3.1 pH值

由圖9和圖10可知，所有處理組的pH值均呈先下降后上升的趨勢，厭氧消化初期由于尾菜水解酸化造成VFAs大量積累，pH值隨之迅速降低，厭氧消化第3天時各處理組pH值均為最低，T1，T2，T3，T4，T5，T6處理組pH值分別達到5.70，5.79，5.93，5.73，5.72，5.61。T6處理組pH值下降幅度最大，pH值最低至5.61。適宜產甲烷菌生長的pH值范圍為6.5～7.2[15]，pH值變化可引起產甲烷菌生存和代謝途徑的劇烈變化[14, 16]。隨著產甲烷菌活性的恢復，大量積累的VFAs被逐漸消耗，轉化為CH4和CO2，pH值亦隨之逐漸上升，并穩定在7.6～8.4。本研究pH值的變化與劉芳[17]等的研究相似，均是先上升后下降，且在劉芳等的研究中，pH值最低至5.0～5.5，而最終穩定在7.0。

圖9 TS4%時pH值隨時間變化曲線

圖10 TS8%時pH值隨時間變化曲線

2.3.2 揮發性脂肪酸

揮發性脂肪酸(VFAs)是厭氧消化過程中重要的中間代謝產物，VFAs的濃度反映了底物進入反應器內被有效微生物降解后中間代謝產物的情況[18]，因此VFAs的濃度可以較好地體現反應器內基質的水解酸化程度和代謝產物產氣情況[19-20]。

如圖11所示，厭氧消化初期TS為8%的處理組乙酸含量明顯高于TS為4%的處理組，各處理組厭氧消化初期乙酸含量波動下降，與其他處理組相比較，T4處理組厭氧消化后期乙酸含量有一個明顯的上升，在第21天時乙酸出現一個峰值，濃度達到2955.14 mg·L-1，這可能是由于產酸菌將前期發酵體系中未完全利用的底物進一步降解產生的。

圖11 乙酸含量隨時間變化曲線

圖12為各處理組在厭氧消化過程中丙酸含量的變化趨勢，TS為8%的處理組丙酸濃度明顯高于TS為4%的處理組，各處理組丙酸含量在第0～16天內均是呈先上升后下降又波動上升的趨勢，第16天后T1，T2，T3，T6處理組丙酸含量隨厭氧消化進程緩慢下降，T4和T5處理組丙酸含量在第16～21天內呈先下降后上升的趨勢，在第21天時，T4和T5的丙酸含量分別達到峰值1981.522 mg·L-1，1580.061 mg·L-1，厭氧消化第33天時，這部分丙酸最終被全部降解。厭氧消化初期丙酸含量迅速上升是由于發酵細菌利用水解階段的產物作為生長底物，并將它們進一步轉化成乳酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸及乙醇，H2和CO2等小分子物質。厭氧消化后期各處理組均出現了不同程度的丙酸抑制現象，含固率越高，接種比越低，丙酸抑制現象越明顯，接種比較高時，厭氧消化系統對丙酸消耗更快，能更加快速地解除丙酸抑制，使后續厭氧消化更為順利地進行。而含固率越高，丙酸抑制現象越嚴重，TS為8%，RI/S為0.8時，丙酸抑制現象最嚴重，丙酸濃度最高可達1981.522 mg·L-1。Wang[20]等研究發現的丙酸抑制濃度為900 mg·L-1，本研究中各處理組丙酸濃度峰值均高于900 mg·L-1，但是隨著厭氧消化的不斷進行，各處理組積累的丙酸最終均被完全降解。

圖12 丙酸含量隨時間變化曲線

如圖13所示，丙酸型發酵和丁酸型發酵同時存在于尾菜厭氧消化過程中，丁酸在厭氧消化第18天時基本被完全利用，而丙酸在第18天時依然保持較高濃度，在18 d以后丙酸濃度持續上升，這說明與丁酸相比，丙酸更難降解。

圖13 丁酸含量隨時間變化曲線

本研究產生丙酸抑制的原因除丙酸自身較難降解[21]外，還可能是因為接種比較低，當丙酸超過一定濃度時，抑制了產甲烷菌的活性，進而導致產甲烷量的降低，同時丙酸積累更加嚴重。但本研究中體系內可利用的底物有限，因此丙酸不會無限上升。Yeole[22]等研究表明，丙酸濃度達到5000 mg·L-1時，牛糞厭氧消化甲烷產量降低了22%～38%。研究表明，可以通過增大接種量、添加粒狀活性炭、添加微量元素和稀釋等[23]方式加快丙酸降解速度。

圖14為各處理組在厭氧消化過程中總揮發性脂肪酸的含量變化趨勢圖，尾菜含有大量的碳水化合物，碳水化合物在厭氧消化初期迅速水解酸化導致揮發酸大量積累[21]，在第3天時各處理組均出現第1個峰值。厭氧消化后期，T4處理組在第21天時再次出現峰值，是由于乙酸、丙酸含量增加，進而導致總酸濃度上升。徐頌[6]等研究發現VFAs濃度范圍在1810～6960 mg·L-1時，產甲烷過程受到抑制。本研究中，厭氧消化第3天時各處理組總酸濃度均達到最高，且濃度均超過6960 mg·L-1，此時產甲烷過程被完全抑制，但是后續產甲烷菌活性逐漸恢復后厭氧消化反應正常啟動。

圖14 總酸含量隨時間變化曲線

2.3.3 TS及VS去除效果

如圖15所示，T1，T2，T3，T4，T5,T6處理組TS的去除率分別為42.75%，41.75%，37.25%，43.38%，42.38%，40.25%；VS去除率依次為50.19%，49.04%，43.36%，51.78%，49.71%，47.76%。接種比相同時，8%TS的處理組TS去除率及VS去除率均高于4%TS的處理組。在所有處理組中，T4處理組去除率最高。結果表明，含固率一定時，去除率隨著接種比的增加而降低。在接種比相同的條件下，含固率越高，去除率越高。

圖15 不同處理下TS及VS去除率

3 結論

(1)本實驗中，含固率相同的條件下，厭氧消化產氣量隨接種比的增大而降低。通過計算可知，含固率對產沼氣能力的影響大于接種比。

(2)在實驗設計范圍內，含固率越高產甲烷能力越強，接種比越低產甲烷能力越大。尾菜厭氧消化最優處理為：TS為8%，RI/S為0.8，最大累計產甲烷量為253.81 mL·g-1VS，并且顯著高于其他各處理組(p<0.05)。

(3)在尾菜厭氧消化過程中，丙酸累積是抑制體系甲烷化過程的主要因素。各處理條件下尾菜厭氧消化后期均出現了丙酸抑制現象，含固率越高，接種比越低，丙酸抑制現象越嚴重。8%TS，RI/S為0.8時，丙酸濃度最高可達1981.522 mg·L-1。