KOH固態預處理對蔬菜秸稈厭氧消化性能的影響*

孟 艷 李 屹 杜中平 陳來生 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)

蔬菜是我國種植業中僅次于糧食作物的第二大農作物，其播種量和產量連年居世界首位。據統計，截止到2019年，我國蔬菜種植面積已達2 314.49萬hm2[1]。在蔬菜生產、收獲的過程中產生了大量秸稈，富含有機質(可消化蛋白、纖維素和半纖維素)和N、P、K等多種營養元素，具有較高的再利用潛力[2]。但我國大部分蔬菜秸稈卻未能得到有效利用，就地填埋和焚燒的現象仍普遍存在，造成極大的資源浪費和環境污染。厭氧消化是有機固體廢物無害化、資源化利用的有效途徑，已廣泛應用于木質纖維素類廢棄物處理的研究中[3-5]。然而，蔬菜秸稈中因木質纖維素組成復雜，直接利用會影響底物的水解速度從而導致厭氧消化的效率降低[6]9290-9291,[7]。因此，降低秸稈中木質纖維素之間的聚合度對于提高蔬菜秸稈厭氧消化性能至關重要。

預處理技術是提高木質纖維素類廢棄物厭氧消化效率的有效手段，其中堿法預處理是最為常見且高效的方法之一。相對于其他堿處理試劑，KOH作為一種強堿，不但能有效破壞木質纖維素之間的相互連接，增加木質素的溶解性以及半纖維素和纖維素的水解性，提高厭氧消化效率，而且更能被回收利用，降低對環境的污染[8]。JAFFAR等[9]用6%(質量分數，下同)KOH預處理小麥秸稈后其累積甲烷產量提高了41%，同時增加了沼液沼渣中的K含量，提高了肥效。KORAI等[6]9291及屈若然等[10]研究發現KOH預處理可以改善秸稈產氣性能，提高厭氧消化效率，并減少回收預處理試劑的成本，降低對環境的污染。同時，傳統的堿法預處理因其固體負荷較低，大量廢液排出，可能會污染環境。固態預處理具有耗水量少、不產生化學廢液、無需固液分離及能耗低等優點，更適合秸稈厭氧消化的工程化應用[11]11034。為了在有效提高蔬菜秸稈厭氧消化性能的同時，進一步降低其對環境的污染，本研究采用不同濃度的KOH對4種蔬菜秸稈進行固態預處理，探討KOH預處理對蔬菜秸稈厭氧消化性能的影響，同時對比分析最優處理條件下發酵液的營養價值，以期為蔬菜秸稈資源的最大化、無害化利用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

蔬菜秸稈(番茄秸稈、黃瓜秸稈、辣椒秸稈和茄子秸稈)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，采用AQ-180E型磨粉機粉碎后，過8目尼龍篩(粒徑<2.5 mm)，自封袋密封保存備用。接種物取自青海某農業有限責任公司以牛糞為原料穩定運行的農用沼氣池，取回后在中溫((35±1) ℃)厭氧條件下培養7 d以減小背景甲烷產量。發酵原料基本特性見表1。

1.2 預處理方法

預處理系統的含水率設定為70%，KOH摩爾濃度設置為0.2、0.4、0.6、0.8 mol/L。將配制好的KOH溶液均勻噴灑在蔬菜秸稈上，裝入錐形瓶中，封口膜密封后室溫下處理24 h。0.2、0.4、0.6、0.8 mol/L KOH預處理的4種蔬菜秸稈進行如下標記：番茄秸稈，KT1、KT2、KT3和KT4；黃瓜秸稈，KC1、KC2、KC3和KC4；辣椒秸稈，KP1、KP2、KP3和KP4；茄子秸稈，KE1、KE2、KE3和KE4。同時，分別取未處理的番茄秸稈、黃瓜秸稈、辣椒秸稈和茄子秸稈作為對照，依次記為T0、C0、P0和E0。

1.3 實驗方法

預處理完成后，采用MultiTalent 203型全自動甲烷潛力測試儀進行批式厭氧消化實驗。添加接種物及物料的總量為400 g，調節接種物與物料的質量為2∶1(基于VS計算)，攪拌均勻后置于(35.0±0.5) ℃恒溫水浴鍋中進行厭氧消化，攪拌設置為工作1 min、停止3 min，每組設置3個平行；另設純接種物作為空白對照。在運行過程中，甲烷潛力測試儀每天自動記錄甲烷產生量，采集日產甲烷量和累積甲烷產量的數據。厭氧消化結束后測定發酵液的pH、氨氮濃度、堿度、揮發性脂肪酸(VFAs)濃度，同時選取最優處理組和對照組測定全氮、全磷和全鉀含量。

1.4 指標測定

TS和VS用干燥法測定；木質素、纖維素和半纖維素含量采用F800纖維素儀測定；傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析采用固體溴化鉀壓片法；pH采用pHS-2F型pH計測定；氨氮和VFAs均采用比色法測定；堿度采用滴定法測定(使用ZDJ-4A自動電位滴定儀)；全氮、全磷和全鉀分別采用硫酸-催化劑消解法、NaOH熔融—鉬銻抗比色法和火焰光度法測定；有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定(使用普蘭德Titrette滴定儀)。

1.5 數據分析

采用修正的Gompertz模型(見式(1))對甲烷產量數據進行擬合處理[12]：

(1)

式中：M為某時刻甲烷產量，基于VS計算，mL/g；Pm為產甲烷潛力，基于VS計算，mL/g；Rm為最大產甲烷速率，基于VS計算，mL/(g·d)；e為常數，取2.718282；λ為遲滯時間，d；t為厭氧消化時間，d。

表1 發酵原料及接種物的基本特性1)Table 1 Characteristics of raw materials and inoculum

采用SPSS 26軟件進行數據顯著性統計分析，各處理間差異采用單因素方差(ANOVA)分析，p<0.05則認為存在顯著差異。

2 結果與討論

2.1 預處理對蔬菜秸稈甲烷產量的影響

圖1為KOH固態預處理后蔬菜秸稈的日產甲烷量。由圖1可知，30 d的厭氧消化時期內，KOH預處理前后各蔬菜秸稈日產甲烷量均呈先升高后降低的趨勢。不同濃度KOH預處理后各蔬菜秸稈達日產甲烷高峰的時間不同，但日產甲烷高峰均高于各自的對照組。其中黃瓜秸稈各處理日產甲烷量最大，在第2～3天出現高峰，峰值為84.91～96.12 mL，均高于第2天出現的對照組峰值(77.88 mL)；番茄秸稈各處理在第4～6天出現峰值(64.52～77.89 mL)，均高于第4天出現的對照組峰值(61.94 mL)；茄子秸稈和辣椒秸稈各處理均在第2天達日產甲烷高峰，峰值分別為77.81～95.08、54.91～75.05 mL，均高于各自的對照組峰值(茄子秸稈54.00 mL、辣椒秸稈49.92 mL)。這說明，經KOH固態預處理后蔬菜秸稈的日產甲烷量得到了有效提升。同時，與低濃度相比，0.6、0.8 mol/L KOH預處理后各蔬菜秸稈的日產甲烷量相對較高，說明0.6、0.8 mol/L KOH預處理對蔬菜秸稈的日產甲烷量的提升效果最為明顯。

由圖2可知，各濃度KOH預處理均能提高蔬菜秸稈的累積甲烷產量，且與對照相比差異顯著(p<0.05)。李琳等[13]及SHEN等[14]分別對玉米秸稈及柳枝稷進行預處理，同樣發現KOH預處理能有效提升秸稈的產甲烷性能。4種蔬菜秸稈中，黃瓜秸稈累積甲烷產量最高，番茄秸稈和茄子秸稈次之，辣椒秸稈最低。隨著KOH濃度的增加，蔬菜秸稈的累積甲烷產量逐漸增大。各蔬菜秸稈經0.6、0.8 mol/L KOH固態預處理后所得到的累積甲烷產量無顯著差異(p>0.05)，從減少化學試劑用量、節約成本的角度出發，選擇0.6 mol/L KOH預處理蔬菜秸稈更適宜。經0.6 mol/L KOH預處理后，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈累積甲烷產量分別為203.08、183.62、166.05、120.56 mL/g，較各自的對照組分別提高了33.83%、38.74%、32.40%和32.48%。

值得注意的是，本研究中最佳KOH固態預處理試劑的使用量為0.6 mol/L，換算成質量分數為3.36%，處理25 g蔬菜秸稈需消耗1.95 g KOH。與其他木質纖維素類原料相比：麥草最佳的預處理條件為處理25 g麥草添加5 g KOH[15]；玉米秸稈KOH固態預處理最佳條件為處理25 g秸稈添加2 g KOH[16]；朱哲[17]發現4% KOH預處理下茄子秸稈甲烷產量最高，為159.00 mL/g；柳麗等[18]采用KOH和氨水聯合預處理青稞秸稈，發現最優KOH質量分數為5.13%。由此可見，本研究中使用的KOH劑量更低。此外，本研究采用了固態預處理的方法，并不會產生大量廢液，無需對預處理試劑進行二次回收，整體上操作更為簡便且同樣能明顯提升蔬菜秸稈的甲烷產量。

圖1 KOH固態預處理蔬菜秸稈的日產甲烷量Fig.1 Daily methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

動力學模型經常被用來評估厭氧消化的工藝參數，對進一步了解厭氧消化過程至關重要。由表2可知，不同處理擬合出的Pm與實際累積甲烷產量很接近，R2介于0.982～0.997，表明修正的Gompertz模型對所有處理均具有較高的擬合度。經KOH預處理后，4種蔬菜秸稈的Rm大體高于各自的對照組，說明KOH預處理蔬菜秸稈能夠提高其厭氧消化的水解速率。λ可以間接反映消化效率[19]。辣椒秸稈各處理的λ均小于零，表明預處理前后的辣椒秸稈厭氧消化過程中未出現滯后期。其余3種蔬菜秸稈經KOH預處理后的λ均低于對照組，說明厭氧消化過程的滯后期縮短，厭氧消化效率得到了提升。

2.2 預處理前后蔬菜秸稈木質纖維素含量變化

由表3可知，預處理后各蔬菜秸稈的木質素、纖維素和半纖維素含量均有不同程度降低。與對照組相比，隨著KOH濃度的增加，各蔬菜秸稈半纖維素和纖維素降解率逐漸增加，且與對照組差異顯著(p<0.05)。其中，半纖維素的降解效果最明顯，降解率分別為黃瓜秸稈7.17%～23.01%、番茄秸稈11.55%～36.86%、茄子秸稈12.96%～44.64%和辣椒秸稈18.16%～41.75%；而纖維素的降解率為3.12%～13.09%。對于木質素，當KOH摩爾濃度較低時(0.2、0.4 mol/L)，其降解率不高(0.37%～7.64%)，且與對照組相比大體上差異不顯著(p>0.05)；當KOH摩爾濃度≥0.6 mol/L時，各蔬菜秸稈處理組與對照組差異顯著(p<0.05)，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈的木質素降解率分別為9.04%～10.72%、23.74%～24.55%、14.11%～14.69%和16.67%～19.25%。這說明，較高濃度KOH預處理能有效溶解木質素，增加細胞外酶對底物的可及性，有利于提高其厭氧消化效率。該結果與ZHENG等[20]的研究結果一致。

注：采用了多重比較字母標記法，不同字母標記代表同一蔬菜秸稈不同處理間的差異顯著(p<0.05)，表3同。圖2 KOH固態預處理蔬菜秸稈的累積甲烷產量Fig.2 Cumulative methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表2 KOH固態預處理蔬菜秸稈甲烷產量的擬合結果Table 2 Fitting model parameters of methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表3 預處理前后蔬菜秸稈木質纖維素的質量分數Table 3 Lignocellulose content of vegetable straws before and after pretreatment %

2.3 FTIR分析

為進一步了解KOH固態預處理對蔬菜秸稈官能團的影響，采用了FTIR對0.6 mol/L KOH處理組及對照組進行了分析。由圖3可知，KOH固態預處理前后各蔬菜秸稈的吸收峰形狀相似，主要差異集中在800～1 800 cm-1。其中，1 729 cm-1附近為非共軛羰基伸縮振動的吸收峰，1 052 cm-1附近為醚鍵的伸縮振動峰，兩者均為半纖維素的特征吸收峰[21]1857,[22]。與對照組相比，處理后各蔬菜秸稈在1 729、1 052 cm-1附近吸收峰強度均出現不同程度減弱，這說明KOH預處理后各蔬菜秸稈中半纖維素含量降低。同時，預處理后各蔬菜秸稈在與纖維素密切相關的1 415、896 cm-1附近[21]1857，吸收峰強度均減弱，說明預處理后蔬菜秸稈中纖維素含量降低，這與表3的結果一致。此外，1 243、1 515 cm-1處為木質素特征吸收峰，前者代表酚類中C—O伸縮振動的吸收峰，后者代表芳香環的框架振動和C—H拉伸的吸收峰[23-24]；預處理后各蔬菜秸稈這兩處吸收峰相比對照組均減弱，說明在0.6 mol/L KOH預處理過程中木質素的芳香環結構被破壞，木質素發生了溶解。

2.4 發酵液pH、VFAs濃度、堿度、氨氮濃度及營養元素含量分析

pH、VFAs濃度、堿度和氨氮濃度等指標與厭氧消化系統的穩定性密切相關。由表4可知，各處理pH為6.58～7.32，均在產甲烷菌適宜生長的pH范圍內(6.5～8.2)[25]。各處理的氨氮質量濃度為346.92～742.81 mg/L，遠小于SHI等[26]報道的氨氮抑制濃度，說明系統均未出現氨抑制現象。VFAs是厭氧消化過程中重要的中間代謝產物，它和堿度的比值可以反映厭氧消化系統的穩定性和緩沖能力[27]。各處理發酵液中VFAs均低于900 mg/L，堿度介于3 807.55～5 509.25 mg/L，且各處理的VFAs與堿度的比值介于0.06～0.22，小于0.4，說明系統具有良好的緩沖能力和穩定性。

圖3 KOH固態預處理蔬菜秸稈的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表4 發酵液的pH、VFAs、堿度和氨氮Table 4 pH,VFAs,alkalinity and ammonia nitrogen of fermentation liquid

由表5可知，與對照組相比，0.6 mol/L KOH預處理后的黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈中的K含量分別提高了2.90%、26.54%、4.88%和3.80%。這表明，KOH預處理過程中添加的K能夠有效保留在發酵液中，不會隨著厭氧消化的進行而消耗。K是增加土壤肥力和促進植物生長不可或缺的營養元素，在消化系統中添加K可以提高發酵液的營養價值[28]。LIU等[11]11038采用KOH處理玉米秸稈也發現添加的K在沼液中保存良好。MOSET等[29]研究也發現，采用KOH處理后，沼液沼渣中K可增加肥效且無環境污染。相較于對照組，KOH預處理后各蔬菜秸稈更有效保留了K，發酵液的營養價值更高；同時減少了回收預處理試劑的成本，降低了對環境的污染。同時，KOH預處理前后各蔬菜秸稈發酵液中含有豐富的N(20.19～24.51 g/kg)和P(6.28～8.10 g/kg)，可以作為有機肥施用于農作物，能夠提高土壤肥力和改善作物品質，這對于物質的循環利用具有重要意義。此外，K+進入環境中也不會引起土壤鹽漬化等危害土壤的現象[30]。更有研究表明，我國不同區域間K虧缺與盈余程度有差異，但大多數農田的土壤有效K含量仍處于偏低水平；種植產量高的作物從土壤中吸收帶走的K也呈增加趨勢，農田K總體呈虧缺狀態[31-32]。采用KOH預處理蔬菜秸稈沼液沼渣還田后不僅可以彌補K的虧缺，還能減少化肥的施用。因此，KOH固態預處理是一種高效且環保的蔬菜秸稈等木質纖維素類廢棄物預處理方法。

表5 發酵液中營養元素Table 5 Nutrient content of fermentation liquid

3 結 論

(1) KOH固態預處理能顯著提高蔬菜秸稈的累積甲烷產量(p<0.05)。隨著KOH濃度的增加，蔬菜秸稈的累積甲烷產量逐漸增大。0.6、0.8 mol/L KOH預處理后獲得的累積甲烷產量無顯著差異(p>0.05)，從減少化學試劑用量、節約成本的角度出發，選擇0.6 mol/L KOH更適宜。經0.6 mol/L KOH預處理后，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈累積甲烷產量分別為203.08、183.62、166.05、120.56 mL/g，較各自的對照組分別提高了33.83%、38.74%、32.40%和32.48%。

(2) KOH固態預處理能有效降解蔬菜秸稈的木質纖維素，且KOH濃度越大，降解率越大。其中半纖維素降解效果最明顯，降解率為7.17%～44.64%；當KOH摩爾濃度≥0.6 mol/L時，可有效降解木質素，降解率為9.04%～24.55%。

(3) KOH固態預處理過程中添加的K能夠有效保留在發酵液中，提高發酵液營養價值(各處理K含量比對照組提高了2.90%～26.54%)，同時減少回收預處理試劑的成本，降低對環境的污染。KOH固態預處理是一種高效且環保的蔬菜秸稈預處理方法。