酸堿預處理辣椒秸稈與羊糞混合厭氧發酵特性

孟 艷，柳 麗，李 屹，陳來生，杜中平，韓 睿

(青海大學 農林科學院 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，其種植面積和總產量分別占世界的35%和46%[1]。據國家大宗蔬菜產業技術體系統計，2019年我國辣椒種植面積為2.26×106hm2，總產量超過6.4×107t，伴隨產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境污染。與此同時，我國畜牧業發展迅速，2017年農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生嚴重的環境污染問題，危害人們健康。

厭氧發酵產沼氣是現階段對秸稈等農業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，還能產出優質的有機肥，提高農作物的產量和品質[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酵，不但能平衡發酵原料的營養成分，還可以改善單一原料發酵消化效率不高的問題，提高沼氣產量[6-8]。與其他作物秸稈一樣，辣椒秸稈也能通過厭氧發酵處理實現資源的再利用[9]，但由于其纖維素、半纖維素和木質素含量高，結構堅固，很難被微生物利用，因此辣椒秸稈發酵常常存在著啟動慢、發酵時間長、產氣率低等問題[10-11]。研究發現，對秸稈進行適當的預處理能有效提高其厭氧發酵性能，且以酸、堿預處理的效果較好[12-17]。為此，本研究選擇H2SO4和Ca(OH)2作為預處理原料，分析H2SO4和Ca(OH)2預處理對辣椒秸稈與羊糞混合發酵特性的影響，并使用修正的岡珀茨(Gompertz)模型對產甲烷過程進行動力學分析，以期為辣椒秸稈和羊糞等農業廢棄物的無害化、資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

辣椒秸稈取自青海大學農林科學院園藝創新基地，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紅巖村養殖場。接種污泥取自青海知源特色農業開發有限責任公司以牛糞為原料穩定運行的農用沼氣池。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 試驗設計

1.2.1 辣椒秸稈預處理

分別采用體積分數為2%、4%、6%、8%的H2SO4溶液和質量分數為2%、4%、6%、8%的Ca(OH)2溶液浸泡秸稈，進行酸、堿預處理(分別對應于編號S1～S4和J1～J4)。將辣椒秸稈與相應的酸、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 厭氧發酵試驗

厭氧發酵試驗基于碧普華瑞環境技術(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標準批式進料反應器保持中溫[(35±0.5)℃]。發酵瓶進料中，發酵物料由經過預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，發酵物料與接種污泥的添加比例為3∶10[以揮發性固體(VS)計]，并控制反應體系的TS質量分數在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體系的總質量補足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。每組試驗設置3個平行，同時設置空白對照(只添加接種污泥)，后續結果中甲烷產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量，從發酵1 d開始，每3 d采集一次發酵液樣品，測定pH、總堿度(TAC)、氨氮含量和揮發性脂肪酸(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]；揮發性脂肪酸采用比色法測定[19]。

木質素、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素含量。

1.4 數據分析

采用修正的岡珀茨(Gompertz)模型對甲烷產率數據進行擬合處理[20-22]：

(1)

式(1)中：Bt為發酵期間某一時間t的甲烷產率，單位為mL·g-1；Vm為最大甲烷產率，單位為mL·g-1；Rm為最大產甲烷速率，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 結果與分析

2.1 不同處理對甲烷產量的影響

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

測算各處理35 d的甲烷產率，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)。總的來看，經過堿預處理的(J1～J4處理)，其甲烷產率均顯著(P<0.05)高于CK；而經過酸預處理的(S1～S4處理)，其甲烷產率均顯著(P<0.05)低于CK。與CK相比，J1～J4處理的甲烷產率分別顯著(P<0.05)提高了13.14%、25.89%、34.45%和61.26%。這說明，堿預處理能較好地改善辣椒秸稈的產氣性能，且在本試驗條件下，隨著Ca(OH)2質量分數的升高，甲烷產率相應顯著升高。張敏娜[23]的試驗也發現，8% Ca(OH)2處理下，稻稈產氣效果最佳。這可能是因為，堿預處理下，秸稈中木質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，從而增加甲烷產率[12]。S1～S4處理的甲烷產率分別較CK顯著(P<0.05)降低6.25%、9.08%、33.27%和33.88%，當H2SO4的體積分數為2%～6%時，隨著H2SO4體積分數的提高，甲烷產率顯著降低，產氣效果變差。這與謝欣欣等[24]用酸預處理秸稈并進行厭氧發酵的結果一致。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，從而導致甲烷產率降低[25]。

動力學參數常用于分析和預測有機底物在厭氧發酵過程中的特性[26]。基于Gompertz方程擬合各處理的(累積)甲烷產率(圖3、表3)。擬合結果和實測值很接近，擬合方程的決定系數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質量分數的升高，J1～J4處理的Vm值逐漸升高；隨著H2SO4體積分數的增加，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，說明堿預處理提高了辣椒秸稈混合厭氧發酵的水解速率，從而提高了產甲烷速率。

表3 不同處理下甲烷產率的擬合結果

2.2 不同處理對發酵體系pH值和氨氮濃度的影響

發酵體系的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，產甲烷菌的活性會受到抑制[28]。在本試驗條件下，各處理發酵體系的pH值在整個發酵階段于6.88～8.09波動，無明顯變化規律(圖4)。其中，CK的變化范圍最小，在7.67～8.08。

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

2.3 不同處理對VFAs與總堿度的影響

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

2.4 不同處理對辣椒秸稈中木質纖維素降解的影響

經酸、堿預處理后，辣椒秸稈的纖維素和半纖維素含量均顯著(P<0.05)低于CK，堿處理對木質素的降解效果優于酸處理(表4)。與CK相比，其他處理的纖維素、半纖維素和木質素含量均降低，其中，J1～J4處理纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別為61.89%～74.04%、13.41%～23.43%和31.98%～49.75%，S1～S4處理纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別為28.57%～44.31%、15.09%～40.24%和0.86%～11.99%。上述結果說明，酸、堿預處理均有利于辣椒秸稈中木質纖維素的降解，但與酸預處理相比，堿預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酵。

表4 不同處理辣椒秸稈木質纖維素含量

3 結論

隨著預處理中Ca(OH)2質量分數升高，混合厭氧發酵的甲烷產率升高，其中，經8%Ca(OH)2預處理的甲烷產率最大，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%。酸預處理的效果與之相反，隨著預處理中H2SO4體積分數的提高，混合厭氧發酵的甲烷產率降低，產氣效果較差。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預處理辣椒秸稈能有效提高混合發酵的水解速率。酸、堿預處理均對辣椒秸稈有降解作用，但Ca(OH)2預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，還對木質素的去除有較強作用。