番茄茎叶与牲畜粪便协同厌氧消化性能研究

王春龙， 崔维栋， 黄娟娟， 李金平， 赵立磊

(1. 兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3. 兰州理工大学 能源与动力工程学院， 兰州 730050)

随着蔬菜产业的迅速发展，我国蔬菜的种植面积和总产量持续增长，2015年蔬菜种植面积达2200万hm2，蔬菜总产量为7.85亿[1]。根据蔬菜本身特性，在生长管理、收获、储存和销售等过程中都产生了大量无商品价值的植株残株和废弃果实[2]。蔬菜废弃物含水量较高一般为75%～95%，挥发性固体约占总固体质量分数的80%～90%[3]，在堆放或填埋等过程中短时间内即可产生臭气和大量的渗滤液，造成严重的环境污染[4]。因此，蔬菜废弃物的无害化处理和资源化利用对蔬菜产业的健康发展和环境保护意义重大。厌氧消化是蔬菜废弃物资源化利用的有效途径之一，而且利用厌氧消化技术处理有机质含量高的废弃物已成为目前发展的趋势[5]。但由于高的生物降解性，蔬菜废弃物厌氧消化时容易出现挥发性脂肪酸积累导致系统酸化，致使产气性能降低[6]。

果蔬垃圾与较高缓冲能力的牲畜粪便(牛粪、猪粪等) 混合发酵是保持厌氧消化系统稳定和提高产气效率的常规方式[7]。Molinuevo-Salces B[8]等将猪粪和蔬菜废弃物进行混合发酵，单位原料甲烷产量从111 提高到244 mL·g-1VS，挥发性固体去除率从50%提高到86%。Dias T[9]等试验研究了牛粪与梨废弃物不同混合比例条件下厌氧发酵产气性能，当牛粪与梨废弃物混合比例为3∶1时，产气量达到最大值为390 mL·g-1VS。谭鹏[10]将蔬菜废弃物与填埋场渗滤液按7∶3比例混合进行中温厌氧消化，研究结果表明果蔬的易酸化特性和渗滤液中所含高氨氮有效的互补使系统能稳定运行。但目前国内外鲜见关于废弃蔬菜茎叶和牲畜粪便混合厌氧消化的报道，蔬菜废弃茎叶处理方式一般为直接丢弃或填埋，不仅造成大量的资源浪费，还严重污染了环境。因此，本文以牛粪、猪粪和番茄茎叶为原料进行厌氧消化试验，旨在考察牲畜粪便与番茄茎叶在不同混合比例条件下的协同作用对厌氧消化产甲烷性能的影响，以期为牲畜粪便与番茄茎叶混合厌氧消化产沼气工程提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

番茄茎叶取自甘肃省兰州市魏岭乡设施蔬菜大棚，主要为番茄生长管理过程中修剪的废弃茎叶，牛粪和猪粪分别取自兰州市晏家坪奶牛养殖农户和养猪场，将3种原料取回实验室后密封，冷藏于4℃冰箱中备用。试验时，利用厨房粉碎机将番茄茎叶粉碎至粒径<10 mm。所用的接种污泥取自兰州市红古区奶牛场沼气工程所产生的发酵液，添加鲜牛粪经37℃密封驯化30 d后所得。试验材料的理化性质如表1所示。

1.2 试验装置及方法

1.2.1 试验装置

厌氧消化试验装置为1.5 L发酵瓶，有效填料容积为1.2 L。将发酵原料和接种物按一定比例混合后，装瓶，充氮气 5 min 排除反应器中的空气，发酵瓶以带玻璃管的橡胶塞密封，通过乳胶管连接于3 L的铝塑复合膜气体采样袋，发酵瓶置于恒温水浴箱中，在温度(37℃±1℃)条件下进行厌氧发酵试验。

表1 试验材料理化性质 (%)

1.2.2 试验方法

试验采用批式厌氧发酵方式，分别将牛粪或猪粪与番茄茎叶按照VS(挥发性固体)比为1∶0，3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，0∶1 进行混合，设计接种率为发酵原料的30%。将原料与接种污泥混合均匀后添加蒸馏水调至总固体质量分数为12 %，并装入1.5 L发酵瓶内，在(37℃±1℃)下进行厌氧消化，每个试验组3次重复。试验期间，发酵瓶每天手动摇晃3次以起到搅拌作用。每天晚上8点测量产气量及甲烷和二氧化碳的含量等指标。所有的试验组都是在日甲烷产量低于累积甲烷量的5% 时完成的。

1.3 测定指标与方法

试验原料TS采用恒定质量法，105℃干燥至恒定质量；VS 采用灼烧法，在 550℃马弗炉灼烧 4～6 h，冷却至恒重称质量；总氮采用凯氏定氮法测定；总碳采用重铬酸钾氧化法测定；厌氧消化过程中的每日产气量采用排水集气法测量，气体中甲烷和二氧化碳含量采用便携式沼气分析仪(Biogas 5000, 英国Geotech 公司)测定。根据日产气量及气体成分含量即可计算日产甲烷量和二氧化碳量。

1.4 产甲烷动力学特性分析方法

对于批式厌氧消化产甲烷而言，甲烷产量在一定程度上是微生物生长的一个函数。试验采用修正的Gompertz方程，如公式(1)所示，对各试验组产甲烷过程进行拟合。

(1)

式中：M(t)为第t天的物料累计甲烷产量，mL·g-1；P为最终甲烷产量，mL·g-1；Rm为最大产甲烷速率，mL·g-1d-1；λ为迟滞时间，d；t为发酵时间，d；e为自然常数，2.718282。P，Rm和λ均可通过批式厌氧消化实验数据拟合获得。

2 结果与分析

2.1 混合比例对厌氧消化产甲烷特性影响

2.1.1 日产甲烷量

牲畜粪便厌氧消化日产甲烷量和累计甲烷产量如图1所示，牛粪和猪粪在厌氧发酵第1天迅速启动，在整个厌氧消化过程中均出现两个明显的产甲烷高峰。这是由于牲畜粪便具有浓度较高的溶解性有机物含量，在厌氧发酵初期迅速降解，达到第1个甲烷峰值，甲烷产量的第2个峰值主要是粪便中那些难降解的物质如纤维素、木质素等开始降解产甲烷[11]。从日产甲烷量及累计产甲烷量上看，猪粪的产甲烷性能优于牛粪，猪粪的甲烷产率和累计甲烷产量分别为294.70 mL·g-1VS和15609 mL；分别是牛粪甲烷产率和累计甲烷产量的1.37倍(215.67 mL·g-1VS)和1.11倍(14088 mL)。这主要是由于牲畜粪便有机物降解难易程度不同，猪粪中脂类、碳水化合物等易降解营养成分含量高，产甲烷速率较快，而牛粪中的纤维素、木质素成分含量高，较难降解，因而产甲烷速率较慢。

图1 牲畜粪便厌氧消化甲烷产量

牲畜粪便与番茄茎叶不同混合比例厌氧消化日产甲烷量变化如图2所示，各试验组在整个厌氧消化期间均出现2～3个明显的产甲烷高峰，但原料比例不同，甲烷日产率的变化在整个厌氧消化期间呈现明显的差异。如图2所示，番茄茎叶单独厌氧消化产甲烷速率较低，日产甲烷量较少，这可能是由于番茄茎叶快速水解，产生大量的挥发性脂肪酸(VFAs)，导致系统酸化，抑制产甲烷菌的生物活性[12]。牛粪与番茄茎叶混合厌氧消化产甲烷高峰期集中出现在10～25 d，试验组G1，G2，G3很快进入厌氧消化产甲烷高峰期，分别在试验第20，23和13 天日产甲烷量达到最大峰值，分别为671，649和730 mL。试验组G4和G5在厌氧消化前期产甲烷速率较低，但9～10 d后，产甲烷速率迅速上升，分别在试验第18，20天日产甲烷量达到最大峰值，分别为694，687 mL。如图3所示，猪粪与番茄茎叶混合厌氧消化产甲烷现象与牛粪相似，产甲烷高峰期多出现在12～20 d，试验组G6，G7日产甲烷量分别在第17，20 天达到最大峰值，分别为1099，1127 mL。试验组G8，G9，G10在厌氧消化第10～11 d后，产甲烷速率逐渐上升，分别在第21，17和23天日产甲烷量达到最大峰值，分别为634，662和512 mL。

番茄茎叶与牲畜粪便协同厌氧消化调整了发酵底物的有机营养成分，有利于产甲烷菌的快速生长，显著提高了产甲烷速率。当番茄茎叶占较高比例时，厌氧消化前期产甲烷速率明显较低，且延迟了甲烷生产的高峰期；当牲畜粪便所占比例较高时，产甲烷速率迅速上升，短时间内(3～5 d)甲烷产量达到较高水平。这可能是由于粪便与番茄茎叶有机质生物降解性差异所引起的。番茄茎叶单独厌氧消化时发生VFAs积累导致系统酸化，粪便所占较高比例时，其碱性成分可以提高厌氧系统的缓冲能力和稳定性；另外，厌氧系统氨氮浓度随粪便比例增加逐步升高，产生更高浓度的氨可以中和发酵过程中形成的VFAs[9]。牲畜粪便与番茄茎叶混合提高了厌氧发酵系统的缓冲能力，但高比例的番茄茎叶导致缓冲能力不足，降低了产甲烷速率，这与Panichnumsin[13]等以木薯浆和猪粪混合厌氧发酵研究结果相似。

图2 牛粪与番茄茎叶混合厌氧消化日产甲烷量

图3 猪粪与番茄茎叶混合厌氧消化日产甲烷量

2.1.2 累计甲烷产量

混合厌氧消化累计甲烷产量变化趋势如图4和图5所示。混合物料的累计甲烷产量均高于番茄茎叶单独厌氧消化的累计甲烷产量，并且随着牲畜粪便比例的提高，甲烷产量逐渐上升。番茄茎叶单独厌氧消化最终甲烷产量为5571 mL。试验组G1～G5累计甲烷产量分别为14352，14043，12956，9851和6821 mL，分别为番茄茎叶最终甲烷产量的 2.58，2.52，2.33，1.77和1.22倍。试验组G6～G10累计甲烷产量分别为16087，15919，13294，9721和7934 mL，分别为番茄茎叶最终甲烷产量的2.89，2.86，2.39，1.74和1.42倍。通过对比可以发现，虽然番茄茎叶与牛粪或猪粪混合厌氧发酵都可以促使底物转化为甲烷，但番茄茎叶与猪粪混合甲烷产量增加效果更显著。与番茄茎叶单独厌氧发酵相比，混合发酵提高了甲烷产量，缩短了启动时间。其中，当牲畜粪便所占比例较高时，可以显著促进厌氧消化产甲烷效率，累计甲烷产量提升幅度较大。因此，在评估最终甲烷产量时，混合比例是影响厌氧发酵甲烷产量和稳定性的重要因素[14]，合适的牲畜粪便与番茄茎叶混合比例能够增强系统缓冲能力，保证厌氧消化稳定进行，提高甲烷生产效率。

图4 牛粪与番茄茎叶厌氧消化累计甲烷产量

图5 猪粪与番茄茎叶厌氧消化累计甲烷产量

2.2 混合比例对厌氧消化物能转化率影响

2.2.1 原料VS降解率与VS产甲烷量

牲畜粪便与番茄茎叶混合厌氧消化的VS降解率和VS产甲烷量如图4所示。通过研究原料产甲烷情况，对于掌握发酵原料一定时期内物料的能源转化率具有重要意义。由图4可以看出，牛粪或猪粪与番茄茎叶混合发酵可促进有机质的降解，提高VS去除率，且随着牲畜粪便所占比例的升高，混合原料的VS降解率逐渐增加。与番茄茎叶单独厌氧消化相比，牛粪或猪粪与番茄茎叶混合厌氧消化VS降解率分别提高了11.42%～31.84%和13.43%～33.65%。但是牲畜粪便的种类对VS的去除效果影响不大，不论是番茄茎叶与牛粪或猪粪混合，不同比例的VS降解率都比较接近。在发酵过程中可供微生物利用的有机质几乎都来源于VS，因此VS降解率越高反映了更多的有机物在厌氧消化过程中被降解[16]。在所有试验组中，牛粪或猪粪与番茄茎叶配比为3∶1时，VS降解率最高分别为57.31%和59.53%，同时对应最高甲烷产量分别为220.88和294.41 mL·g-1VS。通过对牛粪或猪粪与番茄茎叶厌氧消化VS降解率和VS产甲烷量线性回归分析，得出VS降解率与其甲烷产量呈正相关，其R2值分别为0.9581和0.9586，这说明混合厌氧消化优化了物料营养结构，有机物的有效利用率促进了甲烷产量的增加。这与付善飞[15]等的研究结果是一致的，VS降解率与其甲烷产量是高度相关的，VS降解率越高，甲烷产量越大。

图6 混合原料VS降解率和甲烷产量

2.2.2 厌氧消化时间

消化时间是反映原料厌氧消化性能的一个重要参数。本研究中将各原料产生甲烷总量的90%所用的时间定义为T90。消化时间越短，意味着在同样甲烷产量条件下，生产效率更高，进而可以获得更好的经济效益。番茄茎叶单独厌氧消化时间为40 d，试验组G1～G5消化时间分别为31，30，35，39和30 d，试验组G6～G10消化时间分别为30，29，40，41和35 d。牲畜粪便占较高比例时可显著减少厌氧消化时间，其中，牛粪或猪粪与番茄茎叶混合比例为2∶1时，可实现最短厌氧消化时间，分别比番茄茎叶消化时间缩短了10 d和11 d。这说明高比例的牲畜粪便可以改善厌氧消化产甲烷性能，提高甲烷生产效率，缩短产甲烷时间。

2.3 牲畜粪便与番茄茎叶混合厌氧消化协同作用

混合物料的协同作用是物料混合厌氧消化可以提高产气量的重要因素之一，这些积极的协同效应可以归因于多种因素，包括平衡营养成分、微生物的刺激协同作用、系统缓冲能力的提高和减少有毒化合物对厌氧消化过程的影响等[17]。为了评估牲畜粪便与番茄茎叶混合厌氧消化的协同作用对产甲烷性能的影响，对各试验组G1～G10实际甲烷产量与理论甲烷产量进行分析。假设牲畜粪便与番茄茎叶混合后单独进行厌氧消化，未发生任何作用，则混合物料的理论甲烷产量应为两种物料产甲烷量的加权叠加。以牛粪、猪粪和番茄茎叶单独厌氧消化实际甲烷产量(215.67 mL·g-1VS， 294.70 mL·g-1VS，92.29 mL·g-1VS)以及牲畜粪便与番茄茎叶的混合比例，计算混合厌氧消化理论甲烷产量，结果如表2所示。

从表2中可以明显的看出，除混合比例1∶3外, 实际甲烷产量均高于甲烷产量理论值，从而表明不同比例混合的牲畜粪便与番茄茎叶发生了积极的协同促进作用。甲烷产量的增加说明混合物料的协同效应增加了生物降解性，促进了有机物的水解和转化为甲烷。其中，牛粪和番茄茎叶混合比例为1∶1时对VS产甲烷量的提升效果25.48%优于其他混合比例，混合比例1∶3时表现出抑制，甲烷产量减少了9.97%。猪粪与番茄茎叶混合厌氧消化的协同作用于牛粪相似，与理论VS产甲烷量相比，猪粪和番茄茎叶混合比例为2∶1时甲烷产量提高率最大，为20.34%，混合比例1∶3时甲烷产量减少了7.05%。甲烷产量减少说明牲畜粪便与番茄茎叶混合比例为1∶3时，表现出了拮抗作用，这是由于混合厌氧消化中高比例的番茄茎叶导致VFAs积累，粪便添加量过少致使系统缓冲能力不足，从而抑制甲烷的产生。与牲畜粪便和番茄茎叶混合比例为2∶1相比，混合比例为3∶1时协同作用反而减小，这可能是因为高比例的粪便导致氨氮浓度过高，在一定程度上抑制产甲烷过程[18]。因此，混合比例是实现牲畜粪便和番茄茎叶协同效应最大值的一个重要参数，适宜的配比能够使营养成分更均衡，显著增强厌氧消化过程的协同效应。

表2 不同物料混合比例厌氧消化甲烷产量实际值与理论值比较 (mL·g-1VS)

2.4 牲畜粪便与番茄茎叶混合厌氧消化产甲烷过程动力学分析

修正的Gompertz方程拟合各试验组厌氧消化累计甲烷产量结果如表3所示。反映拟合程度的可决系数R2在0.9855～0.9989之间，这表明修正的Gompertz模型能够较好的模拟牲畜粪便与番茄茎叶混合物料厌氧消化产甲烷过程，其动力学参数最大甲烷产量，最大产甲烷速率和延滞时间可以作为混合厌氧消化产甲烷性能的重要评价指标。当牲畜粪便与番茄茎叶配比为1∶1和1∶2时，发酵原料最终甲烷产量预测值P与试验值的差异性较大，这可能是因为混合原料有机质水解、产酸的速率与产甲烷速率不能保持平衡，日产甲烷速率不均匀造成预测值准确性较低。延滞期是反映厌氧消化性能的一个重要指标。番茄茎叶单独厌氧消化延滞期最长，为15.83 d，最大产甲烷速率最小，为3.31 mL·d-1g-1。这是由于番茄茎叶产生VFAs的积累，但没有粪便可以提供缓冲能力，抑制了厌氧消化产甲烷速率。与番茄茎叶单独厌氧消化相比，试验组G1～G10均不同程度缩短了延滞时间，且随着粪便比例增加延滞时间逐渐缩短。其中，牛粪或猪粪与番茄茎叶配比为3∶1时，延滞时间最短，分别为4.51和4.06 d，最大产甲烷速率达到最大值，分别为9.26和15.29 mL·d-1g-1。这说明牛粪或猪粪与番茄茎叶混合发酵平衡了底物的营养成分，增强了系统的缓冲能力，从而提高了产甲烷速率，缩短了迟滞时间，且牲畜粪便比例越高对甲烷产量协同促进作用明显。但番茄茎叶所占混合比例较高时，产甲烷过程容易出现不稳定情况，如VFAs积累和产甲烷高峰期延迟。因此，合适的牲畜粪便添加比例能提高系统缓冲能力和产甲烷效率，同时缩短产气周期。在实际沼气工程为了缩短启动时间，可提高粪便的添加比例，当牛粪或猪粪和番茄茎叶最佳配比为3∶1时，可显著提高厌氧消化产甲烷速率，并且增加发酵原料最终甲烷产量。

表3 不同物料混合比例厌氧消化产甲烷修正的Gompertz 方程拟合结果

3 结 论

(1)原料比例可显著影响整个厌氧消化期间产甲烷速率的变化。当牲畜粪便含量占较高比例时，产甲烷速率迅速上升，促进最终甲烷产量的提高；当番茄茎叶所占比例较高时，由于系统缓冲能力不足，产甲烷速率明显降低，且延迟了甲烷生产的高峰期。

(2)牲畜粪便与番茄茎叶VS比例为3∶1时，甲烷产量和累计甲烷产量达到最大值。其中，猪粪与番茄茎叶混合时甲烷产量和累计甲烷产量分别为294.41 mL·g-1VS和16087 mL，较牛粪混合时分别提高了23.84%和10.79%。

(3)牛粪或猪粪和番茄茎叶混合发酵协同作用值分别为-9.97%～25.48%和-7.05%～20.34%，混合比例为1∶3时，表现出了拮抗作用，甲烷产量分别降低了9.97%和7.05%。

(4)修正的Gompertz模型能够较好的模拟混合物料厌氧消化产甲烷过程，分析得出的动力学参数可应用于评估实际甲烷产量和产甲烷速率。

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