不同预处理条件对于尾菜厌氧发酵产气效果的影响

2021-03-11白岩刘金力徐华宇马超张雪岩马爽郑树生杨宏志王彦杰

黑龙江八一农垦大学学报 2021年1期

白岩，刘金力，徐华宇，马超，张雪岩，马爽，郑树生，杨宏志，王彦杰

（1.黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室/黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆163319；2.黑龙江省农业科学院克山分院；3.黑龙江八一农垦大学实验设备管理中心；4.黑龙江八一农垦大学食品学院）

我国是农业大国，蔬菜是国内农业生产的重要组成部分。根据《国家统计局》统计，2018 年蔬菜产量7.1 亿t，较2009 年增长了29.1%。有研究表明蔬菜产量与真实摄取量的比例为1∶0.7，即30%的蔬菜产量不可食用，成为尾菜[1]。随着蔬菜产业的快速发展及规模的逐渐增大，尾菜所造成的问题也日益严重，对尾菜无害化处理以及再利用，已经成为现阶段蔬菜产业中急需解决的问题[2]。

尾菜含有大量的碳水化合物、木质纤维素以及可溶性糖，含有较高的挥发性固体，降解性好，具有可观的厌氧发酵潜力[3-5]，但是该过程仍然存在一些局限性，如尾菜的TS 含量低，导致发酵料液酸化和pH 迅速下降，抑制了甲烷的产生，使厌氧发酵的产气效果受到影响[6]。

目前，国内外对于尾菜的研究主要聚集在混合厌氧发酵、饲料、堆肥等方面[7-9]，但不同预处理对尾菜厌氧发酵产气效果的影响研究较少[10-12]。以上研究仅讨论1 种预处理方式，而对多种预处理方式厌氧发酵产甲烷潜力进行比较的研究较为少见，涉及的尾菜种类也比较单一具有局限性。课题组也在前期研究中发现，通过对白菜尾菜进行预处理，可以减缓厌氧发酵过程中尾菜“易酸化”的问题，提高产气率[13]。鉴于此，研究采用批次试验方法，研究白菜、卷心菜、芹菜、菠菜、油菜等5 种常见尾菜的产气潜力，筛选出产气效果最佳和最差的尾菜作为供试尾菜，并通过采用沼液浸泡、碱液浸泡、超声波清洗、超声波破碎等4 种预处理措施来研究预处理对尾菜厌氧发酵产气效果的影响，以期解决尾菜产气率低、易酸化的问题，为尾菜的无害化处理和资源化利用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

尾菜采集于黑龙江省大庆市九区蔬菜批发市场，分拣出石头、草等杂质后将尾菜用菜刀切至2～5 cm 大小后分装，放入冰箱4 ℃储存备用。厌氧发酵的接种物来自实验室驯化稳定的厌氧发酵接种物。尾菜和接种物的主要特性见表1。

表1 尾菜和接种物的特性Table1 The characteristics of vegetable waste and inoculum

1.2 试验装置

实验室自行设计的厌氧发酵装置，主要由发酵瓶、取样口、导气管、集气袋等4 部分组成见图1。根据试验设计，取一定发酵物料加入一定驯化的接种物，溶于自来水定容至800 mL 装入发酵瓶，并调节pH值至（8.0±0.1）后封装，最后将发酵装置置于（37±1）℃的恒温培养箱内进行中温厌氧发酵，每组3 个平行，取平均值进行分析。

图1 厌氧发酵试验装置组成示意图Fig.1 Schematic diagram of anaerobic fermentation test unit

1.3 试验设计

称取卷心菜260 g 和芹菜385 g，接种量为30%，调整TS 浓度为3%，在37 ℃的恒温培养箱内进行厌氧发酵，每个试验组设置3 次重复，分别测定其厌氧消化产甲烷能力。

1.3.1 不同尾菜厌氧发酵的产气效果

分别对白菜、菠菜、卷心菜、芹菜、油菜5 种尾菜进行产气潜力试验。筛选出产气率高和产气率低的尾菜作为如下试验的供试尾菜。

1.3.2 不同预处理对卷心菜和芹菜的产气影响

沼液浸泡预处理：将卷心菜和芹菜分别置于1 L的玻璃瓶内，分别加入沼液100 mL，瓶口用封口膜封好，置于30 ℃的恒温培养箱内进行浸泡预处理，分别预处理 1、2、3 d 和 4 d。

碱液浸泡预处理：将卷心菜和芹菜分别置于500 mL 的烧杯中，分别加入浓度为0.5%、1.0%、2.0%和3.0%的NaOH 溶液，在常温条件下浸泡3 h，浸泡结束后的尾菜用蒸馏水浸泡清洗过滤多次至pH 试纸测试为中性。

超声清洗预处理：将卷心菜和芹菜分别置于500 mL 的烧杯中，在超声功率100 W 下，分别设置超声时间为10、20、30 min 和40 min 进行预处理。

超声破碎预处理：将卷心菜和芹菜分别捣碎至浆于500 mL 烧杯中，在超声时间为30 min 下，分别在破碎功率为10%、20%、30%和40%（额定功率450 W）时进行预处理。

1.4 测定方法

总固体（total solids，TS）和挥发性固体（volatile solids，VS）采用标准方法进行测定[14]；采用气体转子流量计（LZB-WB）来测定沼气日产气量，每日取样测定一次；通过利用便携式沼气分析仪（BIOGAS5000）测定沼气中甲烷含量，发酵20 d 内的沼气日产量总和与甲烷日产量总和，即为该处理沼气累积产量与甲烷累积产量。采用烘干称重法测定料液中的TS 和VS[15]；采用便携式 pH 计（B-712）测定 pH 值。

2 结果与分析

2.1 不同尾菜厌氧发酵的产气效果分析

不同尾菜厌氧发酵的产气效果分析见表2，其中卷心菜和菠菜的产甲烷率最高，菠菜的VS 产甲烷率为78.33 mL·g-·1VS，TS 产甲烷率为 76.50 mL·g-·1TS；卷心菜的 VS 产甲烷率为 77.44 mL·g-1·VS，TS 产甲烷率为75.63 mL·g-1·TS，菠菜与卷心菜的产甲烷率无差异。芹菜的产甲烷率最低，芹菜的VS 产甲烷率为55.73 mL·g-·1VS，TS 产甲烷率为 54.43 mL·g-·1TS，均低于其他尾菜。这表明菠菜和卷心菜产气效果好，芹菜产气效果差。

表2 不同尾菜厌氧发酵的产气效果分析Table 2 Analysis on the effect of anaerobic fermentation of different vegetable waste

2.2 不同预处理对尾菜厌氧发酵pH 值的影响

pH 值作为沼气发酵反应关键性检测指标之一。研究认为中温产甲烷菌的最适pH 值为6.5～7.5，pH过低或过高都会导致产甲烷菌的活性受到抑制[16]。所以，研究不同预处理措施对卷心菜和芹菜厌氧发酵pH 值变化情况十分必要，具体见图2 所示，对照组与处理组发酵液pH 值变化趋势基本相同，先降低后升高。可能是因为在发酵初期产酸菌的产酸（乙酸、丙酸、丁酸等）过程导致pH 值下降，而pH 值的上升阶段则是产甲烷菌分解乙酸、二氧化碳等产甲烷的过程[17]。4 种处理的pH 值明显高于对照组，说明预处理对pH 值具有缓冲作用，使厌氧发酵的pH 值稳定在适宜的范围内。

图2 四种处理对卷心菜和芹菜厌氧发酵pH 的影响Fig.2 Effects of four treatments on the pH value of cabbage and celery by anaerobic fermentation

2.3 不同预处理对尾菜厌氧发酵日产甲烷率的影响

4 种处理对卷心菜和芹菜厌氧发酵日产甲烷率的影响见图3，与对照相比，采用沼液浸泡、碱液浸泡、超声波清洗、超声波破碎4 种处理对卷心菜和芹菜进行预处理后，卷心菜的最高日产甲烷率的提高率分别为96.95%、131.37%、82.40%和107.88%，芹菜的最高日产甲烷率的提高率分别为71.05%、41.67%、80.09%和96.56%。预处理均可稳定和大幅度提高厌氧发酵过程中日产甲烷率，这可能是因为尾菜经过预处理后，让微生物在厌氧发酵的早期更加容易与尾菜中纤维素接触并发生反应，从而缩短产甲烷周期并在厌氧发酵的早期便能大幅度提高产甲烷量[18]。比较4 种处理的日产甲烷率可见，碱液浸泡预处理卷心菜的效果最佳，最高日产甲烷率为42.63 mL·g-1·TS，超声波破碎预处理芹菜的效果最佳，最高日产甲烷率为 38.81 mL·g-1·TS。

2.4 不同预处理对尾菜厌氧发酵产气率和甲烷产率的影响

不同预处理条件对卷心菜和芹菜厌氧发酵的甲烷产率影响见表3 和表4，采用沼液浸泡、碱液浸泡、超声波清洗、超声波破碎4 种处理对卷心菜和芹菜进行预处理后，甲烷含量、甲烷产率有了大幅度提升。与对照组相比，卷心菜的VS 甲烷产率的提高率分别为65.28%、73.71%、78.43%和95.57%，芹菜的VS 甲烷产率的提高率分别为 56.89%、50.71%、82.88%和120.85%。可能因为4 种处理不同程度的破坏尾菜纤维素结构，有助于产甲烷菌对发酵底物的利用和酶解的进行，提高尾菜的厌氧发酵转化率[19]。研究结果表明，超声波破碎功率30%预处理效果最好，与对照相比，两种尾菜的TS 甲烷产率的提高率分别为95.53%和120.88%，VS 甲烷产率的提高率分别为95.56%和120.82%。

图3 四种处理对卷心菜和芹菜厌氧发酵日产甲烷率的影响Fig.3 Effects of four treatments on methane production of cabbage and celery by anaerobic fermentation

表3 不同预处理条件对卷心菜厌氧发酵的甲烷产率影响Table 3 Effects of different pretreatment conditions on methane production of cabbage anaerobic fermentation

续表3 不同预处理条件对卷心菜厌氧发酵的甲烷产率影响Continued table 3 Effects of different pretreatment conditions on methane production of cabbage anaerobic fermentation

表4 不同预处理条件对芹菜厌氧发酵的甲烷产率影响Table 4 Effects of different pretreatment conditions on methane production of celery anaerobic fermentation

3 讨论

尾菜厌氧发酵过程中物料易于降解，pH 值快速降低，容易导致酸化，从而抑制甲烷菌的活动[20]。研究发现适当的预处理措施对pH 值具有缓冲作用。因此，在发酵前对尾菜进行有效预处理十分必要。探讨了目前农业废弃物的预处理研究中最为常用的4 种方法：沼液浸泡、碱液浸泡、超声波清洗和超声波破碎。

宋亚楠等[21]对白菜、茄子、胡萝卜、土豆和黄瓜5种常见的蔬菜废弃物的产气潜能进行研究，发现不同尾菜的产气潜力差异较大，为此，研究以白菜、卷心菜、菠菜、芹菜、油菜等5 种尾菜为发酵原料，在中温（37±1）℃条件下，进行了单因素厌氧发酵试验，通过测定发酵过程中的产气量、CH4含量、pH 值等各项指标，对不同种类的尾菜厌氧发酵产气规律和特性进行了研究，结果发现，菠菜和卷心菜的产气效果显著高于其他尾菜，而芹菜的产甲烷能力最低。其原因可能与尾菜中的营养成分有关，试验没有研究营养成分，需要进一步研究。考虑到目前我国菠菜尾菜的产生量较少，而卷心菜尾菜的产生量较大，故选用卷心菜和芹菜作为如下的供试尾菜。

沼液中富含微生物，对原料纤维组分具有降解作用，使发酵原料中的不溶性大分子有机物分解为可溶的小分子有机物，加速水解产酸速率，利于后期的产甲烷发酵[22]。试验利用沼液预处理尾菜研究其厌氧消化性能，发现预处理时间是影响尾菜厌氧发酵的主要因素。沼液浸泡预处理3 d 厌氧发酵产气效果最佳，与对照相比，两种尾菜的TS 产甲烷率的提高率分别为65.24 和56.85%。说明沼液浸泡预处理措施可有效地提高尾菜产气能力，其原因可能是沼液中存在的微生物可以通过生化作用将尾菜初步水解，有效破坏尾菜的纤维素的组织结构，增强了尾菜的消化性能。同时，厌氧发酵结束后，发酵液的pH 值利于微生物的生长，说明厌氧发酵体系具有较好的稳定性和缓冲能力。尹燕等[11]研究不同沼液浸泡时间对花椰菜废弃物进行预处理，结果发现，沼液浸泡处理4 d 预处理效果最好，总产气量比对照组高出73.90%。产气率与研究有所差异，其原因可能与试验的设计方法以及发酵原料不同有关。

国内外多项研究表明，碱液预处理秸秆和污泥对其厌氧发酵有很好的效果。Taherdanak M 等[23]用8%的NaOH 预处理小麦秸秆，厌氧发酵结束后，累积产气量较对照组提高了47.5%。Barman D N 等[24]用2%的NaOH 溶液预处理小麦秸秆，预处理10 min后，秸秆中的木质素和半纤维素的去除率分别达到了70.3%和68.2%。Kim J 等[25]研究发现，污泥中溶解性COD 含量随NaOH 添加量的增加而增加。以上结果表明，适当添加NaOH 溶液可以提高发酵原料的产气率和纤维素的去除率。目前，碱预处理对尾菜厌氧消化性能的影响尚未见报道，在研究中，碱液（NaOH）预处理尾菜也取得了良好的预处理效果。NaOH 对尾菜的菌体细胞壁（膜）的破坏效果与NaOH的用量有关。在一定范围内，NaOH 添加量越高融胞效果越好，从而提高尾菜的厌氧消化性能。NaOH 添加量过高会使发酵液中的盐离子浓度增加，导致秸秆pH 值过高，对厌氧发酵过程产生不利影响[26]。在1%的碱液处理条件下，两种尾菜的TS 产甲烷率的提高率达到了最高值。但预处理后的废碱性溶液中的碱性物质渗透到土壤中，就会与黏性土中的主要矿物成分发生反应，产生新的物质，从而改变土壤原有的性质和土壤的物理力学性质[27]。

超声波预处理通过改变发酵初始环境之间的相互关系和发酵过程中主要环境影响因素来使发酵系统更加稳定从而提高产气量[28]。郝晓地等[29]采用超声波清洗预处理剩余污泥，获得了较好的木质纤维素降解率。王旭辉等[30]采用超声波清洗预处理玉米秸秆，可显著提高秸秆物能转化率、增加产气量。超声波预处理尾菜未见报道，为了提高尾菜的产气率和木质纤维素的降解率，采用超声波清洗对尾菜进行预处理，其中超声时间为20 min，功率为100 W 时预处理效果最好，与对照相比，两种尾菜的TS 甲烷产率分别提高了78.51%、82.91%。研究表明，超声波清洗预处理措施同样可提高尾菜的甲烷产率。

目前，超声波破碎预处理还没有应用到尾菜上，更多是对污泥进行预处理，大量研究表明，超声波预处理是一种高效的应用方法，可以提高污泥总产甲烷量[31-33]。陈泾涛等[34]采用超声波破碎对污泥进行预处理，与对照相比，产气率提高了51.4%。为了提高尾菜的甲烷产率，研究同样采用超声波破碎对尾菜进行预处理，破碎功率为30%时，两种尾菜TS 产甲烷率较对照分别提高了95.42%、120.81%，预处理效果优于其他破碎功率。结果表明，超声波破碎预处理措施同样可提高尾菜的甲烷产率，适当的提高超声波破碎功率可以增强对有机物的降解能力，但超声波破碎功率过高时，导致形成超声屏障，使系统内可利用的声能量有所降低，从而使对有机物的降解能力减弱[35]。