蔬菜废弃物资源化利用—生产乳牛混合饲料

蔬菜废弃物资源化利用—生产乳牛混合饲料

近年来，我国蔬菜产业快速发展。2013年我国蔬菜种植面积2.0899×107 hm2，总产量达7.35×109 t（国家统计局农村社会经济调查司，2014），分别占世界蔬菜种植面积和产量的41.75%和50.96%，均居世界第一位。由此，随之产生的蔬菜废弃物也在不断增长。我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，据统计，我国蔬菜废弃物达到了1.0×109 t。据王亚静等（2010）统计，我国蔬菜废弃物可收集利用率为0.80，由此可推算出2013年我国资源化利用的蔬菜废弃物为2.15×109 t左右。

这些大量的蔬菜废弃物如果不经过适当处理就将污染排放进入外界环境，将会造成严重的环境问题和资源浪费。大量的蔬菜废弃物积累，与有害微生物相互作用导致腐败变质。在此过程中生成NH3， H2S， CO2， CH4，乙烯，乙炔等化学物质，导致严重的农业生态环境污染，对人类身心健康和正常生活造成影响。根据2008年中国农业大学资源与环境学院的数据统计，2007年北京的蔬菜浪费达到3.333×106 t，其中70%的污染物在不经过任何处理的情况下直接填埋堆肥。这种蔬菜污染可为病原菌传播提供便利，引起大范围的蔬菜疾病；并且，此污染也能通过降雨进入地表水和地下水，引起地下污水的渗透和泄漏，这是蔬菜种植区域最严重的污染源之一，对当地的环境卫生与农产品安全造成威胁；另外，蔬菜废弃物富含有大量的从土壤中吸取的有机物，因为其极低的利用率，这些营养物质也被白白浪费。

因此，解决并利用蔬菜垃圾有着极大的需求。目前，国内主要有如下几种蔬菜废弃物循环利用方法：热处理、蒸发、膜处理、厌氧消化、厌氧共消化、生物柴油、直接燃烧、酯交换反应混凝与堆肥。各种方法的优缺点如表1所示。

本实验利用BIO-PKC微生菌，通过发酵高含水率的农业废弃物，提高它们的品质，使其易于保存。另外，回收利用蔬菜垃圾可以降低环境污染，通过同步种植蔬菜与饲养动物减少群落的整体能源成本。目前本实验围绕利用BIOPKC发酵与保存蔬菜废弃物的展开初步实验。

材料与方法

蔬菜垃圾实验材料

西兰花废弃部分：根，茎

微生物材料

BIO-PKC（丸红，日本）用于发酵蔬菜垃圾。BIO-PKC是一种厌氧菌与好氧菌并存的混合菌种，包括芽孢杆菌、乳酸菌、链球菌、白色念珠菌、硝化菌、甲烷氧化菌、硫酸盐还原菌和光合细菌。

西兰花废弃物发酵产物的制作

将西兰花废弃物经过切割，并于一定量（0%，1%，2%）BIO-PKC生物菌搅拌均匀，密封并保存在室温20～35℃的环境中发酵两个月，每15d进行采样。

西兰花废弃物的发酵产物发酵指标评估：

表1 蔬菜废弃物循环利用方法

pH， 电导率 NH3-N， 挥发性脂肪酸， 糖类， 乙醇

1） pH 多参数测试仪，梅特勒-托利多，上海

2） 电导率 实验室电导率仪FE30，梅特勒-托利多，上海

3） NH3-N 纳氏试剂分光光度法

4） 挥发性脂肪酸 GC-2010plus气相色谱仪，岛津，日本

5） 乙醇 安捷伦1260高效液相色谱，安捷伦科技，德国

纤维素部分：

1）中性纤维素 NDF 范式洗涤法

2）酸性纤维素 ADF 范式洗涤法

图1 发酵产品的生产和评价

图2 用BIO-PKC发酵西兰花60d中PH值的变化

图3 用BIO-PKC发酵西兰花60d中其ORP的变化

图4 用BIO-PKC 发酵西兰花60d中乙醇（在干物质中）含量的变化

图5 用BIO-PKC 对西兰花发酵60天中乙酸（在干物质中）含量的变化

结果与分析

前15d的发酵中，pH值都从7.1下降到4.0，在后15d中，pH都比较的稳定，用1%的PH值最低。

ORP的变化情况基本呈现V字形，从0到15d，或者30d，ORP从-140下降到了-280，后15d中又有所上升。发酵15d时，2%的BIO-PKC 处理的西兰花的OPR值最低。

从发酵开始到30d，乙醇含量都在上升，30d后，乙醇的含量基本保持平稳。不用BIO-PKC处理发酵，乙醇的含量最高。

从发酵开始到15d or 30 ，其乙酸的含量会一直上升，经BIO-PKC处理的经60天后其乙酸的含量比不处理的低，根据数据显示，用1%和2%没有多大的影响。

尽管在发酵过程中，氨氮的含量呈现出上升的趋势，但是总体来说，用1%处理的最后的氨基酸含量偏低。

用1%处理和不处理发酵到30d，其ADF含量在增加，但是30d之后，又有所降低，而且1%处理的降的最低

用1%处理和不处理方法，NDF含量在前30d在持续的升高，而后30d又有所下降，并且%1下降到最低。用2%处理的在15d时达到高峰，但以后又陡降

新鲜的西兰花含有大量的可溶性糖，经过60d的发酵，糖明显的减少，且最后这三者无显著差别。但也可以看出：2%＞1%＞0

图6 用BIO-PKC 对西兰花发酵60d中氨氮（在干物质中）含量的变化

图7 用BIO-PKC 对西兰花发酵60d中ADF（在干物质中）含量的变化

图8 用BIO-PKC 对西兰花发酵60d中NDF（在干物质中）含量的变化

图9 用BIO-PKC 对西兰花发酵60d中可溶性糖（在干物质中）含量的变化

讨论与结论

一般来说， 高水分青贮饲料的厌氧发酵中，对于储存的反刍家畜饲料合适的pH值是小于4.2，这是因为有机酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中， 在第15d发酵时，每组西兰花废弃物（自然发酵组和BIO-PKC发酵组）中的pH值下降到4左右，乙酸含量也有所增加。通常在早期发酵阶段阶段，乳酸和醋酸发酵细菌利用可发酵的碳水化合物，如淀粉、糖类等底物，该细菌将在有机酸产生而导致酸性的条件下停止活动， 随后该细菌的生态系统将被纤维素降解细菌和和半纤维素降解酶取代。

ORP值反映了饲料的氧化还原电位性质。在发酵30d时， ORP通常有所改变（图3）。即在第一阶段的发酵0-30d， ORP大幅下降同时伴随着乙酸的生成（图4）。在第二阶段30 ～ 60d， ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升（图6）。

对照组中的乙醇含量高于BIO-PKC组，这意味着对于高水分西兰花废物自然发酵生成乙醇多于添加了BIOPKC发酵产物中的乙醇 （图4）。这或许能够解释为BIO-PKC优化了微生物代谢，改变微生物生态系统。通常，在新鲜蔬菜废弃物表面有足够数量的天然酵母、酿酒酵母，使得厌氧发酵过程中能够很快产生乙醇。另一方面， BIOPKC包含一个替代酒精发酵酵母，白色念珠菌，这种菌可能与天然酿酒酵母争夺轻易可发酵碳水化合物基质，生产乙醇和乙酸。此外，对照组的西兰花废物中含有天然乳酸细菌，杂发酵乳酸菌， 除了乳酸，这种菌还可以生产乙醇和醋酸。BIO-PKC还包含人类发酵的乳酸菌，这种菌只会产生乳酸。因此，相比于对照组的西兰花废物，BIO-PKC生产相对较低的乙醇和乙酸含量，因此推断出BIO-PKC可促进乳酸的生产。

尽管早期发酵阶段，ADF和NDF相对含量明显增加，但绝对值在这个阶段并不一定改变，这个由于发酵过程中，干物质逐步转变为CO2和水而质量减少所引起的。然而， 30d发酵后，BIO-PKC组中ADF和NDF的含量比对照组中的低，这一变化表明BIO-PKC明显促进结构性碳水化合物的水解，抑制无用的可溶性碳水化合物发酵 （图7、8、9）。

通过以上实验结果分析，我们得出利用纤维素生物质废物创建高品质的饲料资源，1%含量的BIO-PKC发酵饲料对于2个月的发酵期更为合适的菌种浓度。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.035