菜籽饼厌氧消化产沼气潜力

熊荣波，韩 睿，陈来生，孟 艳，柳 丽，李 屹，杜中平， 韩海蓉，钟启文

(青海大学农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016)

随着不可再生能源的快速消耗，日渐紧张的能源问题越来越受到人们关注。厌氧消化是微生物在厌氧条件下将有机物质进行降解，产生沼气的过程[1-2]。因其兼具农业废弃物处理、生态环境保护和清洁能源供应等多种功能，在资源短缺和农业废弃物严重污染的今天具有重要意义。目前沼气工程发展受到制约的很大一部分原因是原料短缺。沼气工程要继续发挥作用，仅使用传统的畜禽粪便等原料明显不足，需要开发新的有潜力的原料。近年来，研究人员仍在不断地致力于寻找新的发酵原料[3-6]。

菜籽饼是油菜籽经榨油后留下的副产物，含有大量的营养物质[7-8]。青海省作为油菜种植和加工大省，在油菜籽加工过程中菜籽饼会大量产生，若不充分利用，不仅造成资源浪费而且会污染环境。现阶段对菜籽饼的研究主要集中在制备饲料和肥料[9-13]方面，而将其作为原料进行厌氧消化的研究鲜有报道。菜籽饼富含蛋白质等有机物质，是理想的产沼气原料，将其作为产沼气的原料可为菜籽饼的合理利用提供新的方法。同时，青海省地处青藏高原，属高原大陆性气候，年平均气温7.2 ℃，较为寒冷，昼夜温差大，使得沼气池内料液温度不高，沼气利用效率也不及其他低海拔地区[14]。高效、容易降解的新发酵原料的选择对青海沼气产业的发展至关重要。因此，本试验以青海省农用沼气池为发酵装置，对菜籽饼进行厌氧消化研究，并以青海省常见的羊粪和牛粪作为对照，初步探究菜籽饼作为厌氧消化原料的潜力，为菜籽饼资源厌氧消化处理技术的使用及提高菜籽饼资源的综合利用率提供试验基础。

1 材料和方法

1.1 发酵装置

选择青海省贵德县青海知源特色农业有限责任公司的农用沼气池(36°3′11"N、101°19′36"E、海拔2 218.4 m)为发酵装置，池容量均为8 m3。每个沼气池都外接沼气流量表，记录沼气流量。同时，每个沼气池安装RC-4温度记录仪，探头深入沼气池底部测定发酵温度，设置每2 h自动记录1次温度数据。

表1 原料的基本特性

1.2 试验材料

供试发酵原料菜籽饼来自青海省湟中县多巴镇农贸市场，粉碎至30 mm以下粒度备用；鲜牛粪和鲜羊粪取自青海省贵南县过马营牧场。接种物取自青海知源特色农业有限责任公司以羊粪为原料发酵正常的农用沼气池。3种发酵原料和接种物的特性见表1。

1.3 试验设计

将新鲜的菜籽饼、羊粪和牛粪共做3个处理(以干物质计)，设定每组的总干物质相同。在平地上铺好塑料薄膜，将菜籽饼(1 306 kg)、羊粪(3 017 kg)和牛粪(3 102 kg)，分别用2 694、421、385 kg沼液搅拌均匀(调节含水率为70%)后覆盖塑料薄膜堆沤5 d，堆沤过程中每天搅拌1次，每次搅拌时间不少于15 min。堆沤结束后用1 714 kg接种物(接种量为30%)混匀后装填入沼气池。

前期研究表明，青海农用沼气池8月上中旬到9月中旬发酵温度最高，为15 ℃左右，沼气池产沼气量最大，且该时期发酵温度的前后温差不超1.5 ℃[14]。本试验自2019年8月10日开始，9月12日结束，共计34 d，环境的平均气温为21.8 ℃，菜籽饼、羊粪和牛粪发酵温度分别为18.5、16.2、16.3 ℃，前后温差分别为0.8、0.7、0.7 ℃，基本保证了沼气池发酵温度的恒定。

选择3个经密闭性检测良好的沼气池，自填入沼气池第2天起，每24 h记录沼气流量，同时每3 d用自制的取样器从沼气池水压间采集一次发酵液，装入无菌采样管-20 ℃保存，用于挥发性脂肪酸(VFA)、氨氮、碱度和pH测定。

1.4 指标测定方法

(1)总固体和挥发性固体采用烘干法测定。将样品放到烘箱105 ℃烘24 h得总固体质量；将样品放到马弗炉550 ℃灼烧3 h得挥发性固体质量。

(2)氨氮浓度采用苯酚次氯酸钠法测定。量取过0.45 mm滤膜的水体样品，加入苯酚溶液和次氯酸钠碱性溶液混匀，室温放置1 h后，加掩蔽剂(酒石酸钾钠与EDTA二钠盐的混合液)以溶解可能产生的沉淀物，然后用水定容至25 mL，2 h后在分光光度计625 nm波长下测定吸光度。

(3)挥发性脂肪酸(VFA)浓度采用乙二醇和氯化铁溶液测定。将离心的上清液加入酸性乙二醇试剂，混匀后沸水浴3 min，取出冷却后与羟胺试剂混匀放置1 min，加氯化铁溶液混匀后用蒸馏水定容至25 mL，500 nm下测定吸光度。

(4)pH用酸度计检测；碱度浓度用雷磁自动电位滴定仪测定(甲基橙为指示剂)。

1.5 产沼气动力学分析方法

对菜籽饼厌氧消化产沼气试验过程进行动力学分析，采用修正的Gompertz模型[15]对累积产气量数据进行拟合。模型方程为：

式中：Pm为最大产沼气量(m3/t)；Rm为最大产沼气速率(m3/(t·d))；λ为产沼气滞留时间(d)。

2 结果与分析

2.1 各处理组产气情况及动力学分析

试验共运行了34 d，产沼气情况见图1和图2。由图1可知，发酵前13 d，菜籽饼发酵的日产沼气量都显著高于牛粪和羊粪发酵。各处理组发酵的第1天产沼气量都较大，是因为在开始阶段，沼气池中含有大量空气；随着空气的排出，进入严格厌氧环境开始产沼气，产沼气量逐渐降低；但随着接种物中产甲烷菌的生长代谢不断分解有机物产生沼气，日产沼气量又逐渐升高，在第7天均出现最大产沼气高峰。其中，菜籽饼日产沼气量为6.341 m3/d，羊粪和牛粪分别为1.982 m3/d和1.486 m3/d。菜籽饼发酵之后又经历若干个产沼气高峰，但整体呈下降趋势，在第10天后，产沼气量迅速下降；且在33 d内完成消化过程。羊粪和牛粪产沼气波动相对较为平缓。

图1 各处理组的日产沼气量Fig.1 Daily biogas production of each treatment group

图2 各处理组的累积产沼气量和修正的Gompertz模型拟合曲线Fig.2 Cumulative biogas production and modified fitting curve of Gompertz model of each treatment group

由图2可知，菜籽饼、羊粪与牛粪发酵的累积产沼气量分别为73.739、34.367、32.398 m3/t，菜籽饼发酵分别是羊粪和牛粪的2.15倍和2.28倍，表明菜籽饼比羊粪和牛粪有更高的产沼气潜力。根据修正的Gompertz模型对累积产沼气量进行拟合，相关的拟合曲线见图2，拟合参数见表2。由表2可以看出3者的R2均大于0.997，表明拟合效果较好，各处理拟合出的沼气产量和实际沼气产量很接近；与羊粪和牛粪相比，菜籽饼发酵的滞留时间λ更短，为0.193 d，且Pm和Rm均最大，分别为74.169 m3/t和4.223 m3/(t·d)，说明菜籽饼发酵的启动时间更快。

表2 修正的 Gompertz模型拟合曲线参数

图3 各处理组的氨氮浓度变化Fig.3 Variations of ammonia nitrogen concentration of each treatment group

2.2 厌氧消化过程中氨氮的变化

图3显示了各处理发酵液氨氮浓度的变化情况，在34 d中，菜籽饼发酵氨氮浓度前4 d从662 mg/L上升到743 mg/L，之后呈下降趋势，发酵结束时为507 mg/L，全程都比羊粪和牛粪低，且全过程都低于800 mg/L。羊粪和牛粪发酵前7 d氨氮浓度呈上升趋势，之后随着发酵的进行氨氮浓度逐渐下降。

2.3 厌氧消化过程中挥发性脂肪酸和碱度的变化

图4 各处理组的VFA浓度变化Fig.4 Variations of VFA concentration of each treatment group

由图4可知，菜籽饼发酵VFA浓度的变化最为明显，第1天到第7天，从4 472 mg/L上升到7 368 mg/L再下降到3 547 mg/L，第7天出现产沼气高峰；第7～22天变化较为平稳；之后VFA浓度急剧上升，到试验结束达到9 413 mg/L，该时期菜籽饼产沼气显著降低(图1和图2)。相比菜籽饼，羊粪和牛粪发酵的VFA浓度在整个厌氧消化过程中较平稳，为2 000～3 800 mg/L，整个试验过程产沼气情况都较为稳定，后期也能持续产沼气(图1和图2)。

图5反映了各处理发酵的碱度浓度变化情况。由图5可知，菜籽饼发酵的碱度变化呈下降趋势，从第7～19天，碱度浓度从5 123.4 mg/L下降到4 697.2 mg/L，且VFA与碱度比值小于0.8，该期间沼气发酵较为稳定。之后VFA与碱度比值均大于0.8，产甲烷作用受到抑制。羊粪和牛粪发酵的碱度浓度整体变化较为相似，均呈前期降低后期上下浮动的趋势，且全过程VFA与碱度比值均小于0.8。

图5 各处理组的碱度浓度变化Fig.5 Variations of alkalinity concentration of each treatment group

图6 各处理组的pH变化Fig.6 Variations of pH of each treatment group

2.4 厌氧消化过程中pH的变化

图6反映了各处理pH的变化情况。由图6可知，菜籽饼发酵的pH在第4天达到最低值，为5.51，整体为5.5～6.3，呈酸性。这说明，菜籽饼虽是优质的发酵原料，但发酵过程易酸化，不利于长期单独利用。羊粪和牛粪发酵的pH中性偏碱，为7.2～7.9，符合畜禽粪便单独发酵特征。

3 讨论与结论

由试验结果可知，菜籽饼发酵的累积产沼气量最大，为73.739 m3/t，分别是羊粪和牛粪发酵的2.15和2.28倍。同时，菜籽饼产沼气量到达总产沼气量90%所用的时间最短，为22 d，羊粪和牛粪则为26 d和28 d。研究表明，产沼气量到达总产沼气量90%所用的时间越长说明反应过程越慢，底物越难分解[16]。说明相比牛粪和羊粪，菜籽饼更容易分解。修正的Gompertz模型表明，菜籽饼发酵能较好地拟合产沼气过程，R2为0.997，Pm和Rm分别为74.169 m3/t和4.223 m3/(t·d)，均高于羊粪和牛粪发酵，且其λ为0.193 d，比羊粪和牛粪发酵时间短，说明菜籽饼发酵比羊粪和牛粪发酵的启动时间更快，菜籽饼具有作为沼气发酵原料的潜力。

发酵体系中，氨氮浓度、VFA浓度、碱度浓度和pH共同影响着发酵的稳定性。一般来说，氨氮浓度过高、VFA过度累积、碱度浓度过低和pH过低都可能导致发酵的失败[17-18]。厌氧消化过程中，氨氮含量主要来源于原料中的含氮有机物，适量氨氮可为产甲烷菌提供养分。当氨氮浓度高于800 mg/L时，厌氧发酵系统可能会受到影响[19]。本试验中，菜籽饼发酵的氨氮浓度全过程都低于800 mg/L，在合理范围之内，反应系统不受氨氮干扰。VFA是影响厌氧消化的主要因素之一[20]。高浓度的VFA会抑制产甲烷作用，良好的厌氧消化过程累积的VFA浓度应低于4 500 mg/L[21]。碱度常常用来反映厌氧发酵系统的缓冲能力，其浓度为5 000 mg/L左右较为合适，且VFA与碱度比值低于0.8时，厌氧消化过程较为稳定[22-23]。本试验中菜籽饼发酵VFA浓度的变化最为明显，第7～22天变化较为平稳，低于4 500 mg/L，且VFA与碱度的比值小于0.8，该期间沼气发酵较为稳定，大部分产沼气量在该时期完成；22天后，其VFA浓度急剧上升并一直维持在较高水平，系统不太稳定。pH是影响厌氧消化进程的主要因素之一，产甲烷菌产气的最佳pH为6.5～7.5[24]。本试验中，菜籽饼发酵的pH总体偏低，说明其单独发酵容易出现系统酸化现象；而羊粪和牛粪发酵的pH中性偏碱，因此，今后可以考虑将菜籽饼与牛粪或羊粪进行混合发酵，从而平衡营养元素，中和酸碱性，提高系统稳定性。

综上所述，本试验在34 d的厌氧消化时间内，菜籽饼发酵的累积产沼气量最大，为73.739 m3/t，是很好的产沼气原料；但也存在pH总体偏低和后期VFA浓度累积等情况，并不适合单独发酵。因此，在后续试验中，可以考虑将菜籽饼与偏碱性物料(如畜禽粪便等)进行混合厌氧发酵，从而改善发酵环境，提高沼气产量，达到农业废弃物资源充分利用的目的。