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.青海賽緯生態農業開發有限公司，青海湟中 810003）

化石燃料作為人類活動和工業活動的基礎，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、廉價同時能夠產生清潔能源的原料已迫在眉睫。木質纖維素類物質在生產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質原料[2-3]。我國蔬菜產量居世界第一，年產量約7.69億t[4]。在蔬菜種植收獲過程中會產生大量的秸稈等廢棄物，約占蔬菜總產量的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，不僅污染環境還造成嚴重的資源浪費。厭氧消化技術在處理秸稈等農業廢棄物的同時能夠產生甲烷等能源氣體，是農業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，其在適當的有機物負荷條件下，能夠被厭氧微生物很好地降解利用并最終轉化為甲烷[6]。但因其木質纖維素結構緊密復雜且對相關降解酶及微生物有較強的抗性，導致水解效率差、甲烷產量相對較低[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化利用率和甲烷產量[8-9]。

沼液是厭氧消化后主要的剩余產物，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，直接排放易造成環境污染[10-11]。研究發現，將沼液用于秸稈預處理，可以有效破壞秸稈結構、提高秸稈產氣速率和甲烷產量[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甲烷特性的影響，并采用修正的Gompertz模型對產甲烷過程進行動力學分析，以期為蔬菜秸稈和沼液等農業廢棄物無害化、合理化及資源化利用提供理論依據。

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，均取自青海大學農林科學院園藝創新基地。4種蔬菜秸稈自然條件下風干后，用粉碎機粉碎，于陰涼通風處保存備用。接種物取自青海知源特色農業有限責任公司以羊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。豬糞沼液取自青海賽緯生態農業開發有限公司。發酵原料的pH及接種物的總固體（total solid，TS）和揮發性固體（volatile solid，VS）含量詳見表1。

表1 發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加入到發酵反應瓶中，分別添加45 g豬糞沼液，調節含水率為70%左右，用發酵瓶蓋密封后于（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，調節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生量，測定厭氧消化結束后消化液的pH、氨態氮（ammonia nitrogen，AN）含量、總 堿 度（total alkalinity，TA）和 揮 發 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），揮發性固體（VS）采用灼燒法測定（550℃灼燒4 h）；木質素、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；氨態氮（AN）采用靛酚藍比色法測定[19]；揮發性脂肪酸（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 數據分析

采用Excel 2010進行數據整理，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模型對甲烷產率數據進行擬合處理[21]。

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

2 結果與分析

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素含量均呈上升趨勢，說明木質素難以降解，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量的影響

分析沼液預處理后各蔬菜秸稈厭氧消化日產甲烷量的變化，結果（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甲烷量均呈先升高后降低趨勢。各蔬菜秸稈達到產氣高峰的時間不同。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天出現第2個產氣高峰，消化20 d后僅有少量甲烷產生。黃瓜秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈各處理的最大日產甲烷高峰分別出現在第3、第4和第2天，日產甲烷峰值分別為75.82（H7）、65.55（Q7）和68.50 mL·d-1（L3），產甲烷高峰過后，日甲烷產量逐漸下降，至10 d以后日甲烷產量變化趨勢平緩，25 d后基本不再產氣。相較于未處理，各蔬菜秸稈的日產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甲烷性能。4種蔬菜秸稈中，黃瓜秸稈各處理的累積甲烷產量較高，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，累積甲烷產量分別為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產氣效果最佳，最大累積甲烷產量分別為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化對改進蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關重要。

圖2 沼液預處理后4種蔬菜秸稈的累積產甲烷量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，指厭氧消化過程中累積產氣量達到總產氣量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量進行擬合，結果（表3）表明，不同處理擬合出的甲烷產量與實際產量接近，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種蔬菜秸稈經沼液處理的最大甲烷日產率均高于未處理，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量擬合結果及消化時間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物，與厭氧消化系統的穩定性密切相關，當VFAs含量超過5 000 mg·L-1時，對產甲烷菌有毒害作用[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酵系統的穩定性，比值高于0.4時，會對厭氧消化系統產生抑制作用[30]。經厭氧消化后，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物，直接排放易造成環境污染，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，可以改善物質配比并有效降解木質纖維素，一定程度上能夠起到提升甲烷產量的作用[12-14]。本研究中經過沼液浸潤處理后的蔬菜秸稈木質纖維素組分含量發生了明顯變化，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]也發現，玉米秸稈木質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，經沼液預處理后，蔬菜秸稈木質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現,厭氧處理前后木質素的結構差異較小，能夠較好地保留木質素結構。

本研究表明，經沼液預處理后蔬菜秸稈的累積甲烷產量均顯著增加，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甲烷性能。一方面是因為沼液中可降解木質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的水解，提升了甲烷產量[33]；另一方面可能是因為沼液中含有大量的NH+4-N，可作為氮源調整系統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量，但不同蔬菜秸稈達到最高積累甲烷產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，蔬菜秸稈的甲烷產量會有所降低，可見沼液預處理時間的優化對改進蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關重要。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，甲烷產量相對較低；但處理時間過長，蔬菜秸稈中有機物質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，從而影響甲烷產量[34-35]。研究表明，沼液預處理玉米秸稈最優時間是5 d，甲烷產量較對照提高30.76%[12]；雞糞沼液預處理玉米秸稈的最優預處理時間為7 d，甲烷產量較對照提高32.41%[28]；小麥秸稈沼液預處理6 d時產氣效果最好，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。總之，應用沼液作為預處理劑進行厭氧消化時，根據不同材料及沼液的基本特性優化最適宜的預處理時間是關鍵步驟。

本研究還發現，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈最優處理達到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，與前人研究結果一致[14,16-17,28,35-36,38]。4種經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，能夠有效節約生產的時間成本，增加沼氣工程的經濟效益。