酸碱预处理辣椒秸秆与羊粪混合厌氧发酵特性

孟 艳，柳 丽，李 屹，陈来生，杜中平，韩 睿

(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)

辣椒是我国种植面积较大和分布较为广泛的蔬菜之一，其种植面积和总产量分别占世界的35%和46%[1]。据国家大宗蔬菜产业技术体系统计，2019年我国辣椒种植面积为2.26×106hm2，总产量超过6.4×107t，伴随产生的秸秆等废弃物达6.9×107t，已成为蔬菜废弃物的重要来源之一[1-2]。目前，辣椒秸秆常被填埋、焚烧或废弃田间，缺乏合理利用，造成严重的资源浪费和环境污染。与此同时，我国畜牧业发展迅速，2017年农场山羊和绵羊存栏量达2.99×108头，全年排粪量约1.64×108t，但其有效利用率仅为50%～60%[3]。未被及时利用的羊粪堆积亦会产生严重的环境污染问题，危害人们健康。

厌氧发酵产沼气是现阶段对秸秆等农业废弃物进行资源化利用的一条有效途径，不但能有效解决能源短缺问题，还能产出优质的有机肥，提高农作物的产量和品质[4-5]。研究表明，在秸秆类原料中添加牲畜粪便进行混合厌氧发酵，不但能平衡发酵原料的营养成分，还可以改善单一原料发酵消化效率不高的问题，提高沼气产量[6-8]。与其他作物秸秆一样，辣椒秸秆也能通过厌氧发酵处理实现资源的再利用[9]，但由于其纤维素、半纤维素和木质素含量高，结构坚固，很难被微生物利用，因此辣椒秸秆发酵常常存在着启动慢、发酵时间长、产气率低等问题[10-11]。研究发现，对秸秆进行适当的预处理能有效提高其厌氧发酵性能，且以酸、碱预处理的效果较好[12-17]。为此，本研究选择H2SO4和Ca(OH)2作为预处理原料，分析H2SO4和Ca(OH)2预处理对辣椒秸秆与羊粪混合发酵特性的影响，并使用修正的冈珀茨(Gompertz)模型对产甲烷过程进行动力学分析，以期为辣椒秸秆和羊粪等农业废弃物的无害化、资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

辣椒秸秆取自青海大学农林科学院园艺创新基地，自然条件下风干后，用粉碎机粉碎至粒径2 cm左右，于阴凉通风处备用。新鲜羊粪取自青海省贵德县河西镇红岩村养殖场。接种污泥取自青海知源特色农业开发有限责任公司以牛粪为原料稳定运行的农用沼气池。将上述材料的部分理化特性整理于表1。

表1 试验材料的基本特性

1.2 试验设计

1.2.1 辣椒秸秆预处理

分别采用体积分数为2%、4%、6%、8%的H2SO4溶液和质量分数为2%、4%、6%、8%的Ca(OH)2溶液浸泡秸秆，进行酸、碱预处理(分别对应于编号S1～S4和J1～J4)。将辣椒秸秆与相应的酸、碱溶液混合均匀后在[(55±0.5)℃]静置处理72 h，处理完毕后，用去离子水洗涤至中性，60 ℃烘干备用。同时，设置对照组(CK)，将辣椒秸秆在55 ℃用去离子水浸泡72 h，然后在60 ℃烘干备用。

1.2.2 厌氧发酵试验

厌氧发酵试验基于碧普华瑞环境技术(北京)有限公司的MultiTalent 203全自动甲烷潜力测试仪进行，通过水浴使500 mL标准批式进料反应器保持中温[(35±0.5)℃]。发酵瓶进料中，发酵物料由经过预处理且烘干后的辣椒秸秆[因辣椒秸秆已烘干，故将其总固体(TS)含量视为100%]与羊粪按1∶1的比例(以TS计)混合组成，发酵物料与接种污泥的添加比例为3∶10[以挥发性固体(VS)计]，并控制反应体系的TS质量分数在10%。按照上述指标要求，测算各处理下物料的添加量(表2)，并用去离子水将各反应体系的总质量补足400 g。通过电机自动控制搅拌速率为50 r·min-1，搅拌时间间隔为3 min。每组试验设置3个平行，同时设置空白对照(只添加接种污泥)，后续结果中甲烷产量均为减去空白对照的量。试验共运行35 d，全自动甲烷潜力测试仪自动记录甲烷产量，从发酵1 d开始，每3 d采集一次发酵液样品，测定pH、总碱度(TAC)、氨氮含量和挥发性脂肪酸(VFAs)含量。

表2 辣椒秸秆、羊粪、接种污泥及去离子水添加量

1.3 测定项目

TS用烘干法测定(105 ℃烘6 h)；VS用灼烧法测定(550 ℃灼烧4 h)；pH用pH计(pHS-2F型，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定；总碱度用自动电位滴定仪(ZDJ-4A型，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定；氨氮含量采用靛酚蓝比色法(SPECORD 210型紫外可见分光度计，德国耶拿分析仪器股份公司)测定[18]；挥发性脂肪酸采用比色法测定[19]。

木质素、纤维素和半纤维素含量测定：依照NY/T 1459—2007、GB/T 20806—2006和GB/T 20805—2006中规定的方法，采用纤维素分析仪(F800型，济南海能仪器股份有限公司)和马弗炉(SX-5-12型，北京科伟永兴仪器有限公司)测定，分别测定中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、酸性洗涤木质素(ADL)和灰分的含量，将NDF与ADF的含量相减得到半纤维素含量，将ADF与ADL的含量相减得到纤维素含量，将ADL与灰分的含量相减得到木质素含量。

1.4 数据分析

采用修正的冈珀茨(Gompertz)模型对甲烷产率数据进行拟合处理[20-22]：

(1)

式(1)中：Bt为发酵期间某一时间t的甲烷产率，单位为mL·g-1；Vm为最大甲烷产率，单位为mL·g-1；Rm为最大产甲烷速率，单位为mL·g-1·d-1；λ为迟滞时间，单位为d；t为厌氧发酵时间，单位为d。

采用SPSS 26软件进行单因素方差分析，显著性水平选定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理对甲烷产量的影响

在35 d的厌氧发酵过程中，各处理的日甲烷产量均呈先升高后降低的趋势(图1)。对于J1～J4处理：其日甲烷产量在达到第1个产气高峰(试验第2～3天)后迅速降低，其中，J4处理的最高日甲烷产量最大(285.56 mL·d-1)；试验第7～9天，各处理经过第2个产气高峰后，日甲烷产量逐渐降低，但仍以J4处理的最高日甲烷产量最大(185.96 mL·d-1)；至第35天，各处理仍持续产气。对于S1～S4处理：其日甲烷产量均在第2天达到第1个产气高峰，随后迅速降低，在第4～6天小幅度回升，之后持续缓慢降低，至第35天各处理几乎不再产气。CK处理在试验第2天出现第1个产气高峰，随后日甲烷产量迅速降低，至第5天起降速趋缓，至第35天时不再产气。总的来说，碱预处理混合厌氧发酵的日甲烷产量要高于对照和酸预处理。

测算各处理35 d的甲烷产率，以J4处理最大(188.56 mL·g-1)，显著(P<0.05)高于其他处理；S3、S4处理最低，两者无显著区别，但均显著(P<0.05)低于其他处理(图2)。除了这3个处理外，其他处理的甲烷产率均差异显著(P<0.05)，从高到低依次为J3(157.21 mL·g-1)>J2(147.20 mL·g-1)>J1(132.29 mL·g-1)>CK(116.93 mL·g-1)>S1(109.62 mL·g-1)>S2(106.31 mL·g-1)。总的来看，经过碱预处理的(J1～J4处理)，其甲烷产率均显著(P<0.05)高于CK；而经过酸预处理的(S1～S4处理)，其甲烷产率均显著(P<0.05)低于CK。与CK相比，J1～J4处理的甲烷产率分别显著(P<0.05)提高了13.14%、25.89%、34.45%和61.26%。这说明，碱预处理能较好地改善辣椒秸秆的产气性能，且在本试验条件下，随着Ca(OH)2质量分数的升高，甲烷产率相应显著升高。张敏娜[23]的试验也发现，8% Ca(OH)2处理下，稻秆产气效果最佳。这可能是因为，碱预处理下，秸秆中木质纤维素之间的化学键断裂得较为彻底，可以充分暴露出那些能被微生物分解利用的物质，从而增加甲烷产率[12]。S1～S4处理的甲烷产率分别较CK显著(P<0.05)降低6.25%、9.08%、33.27%和33.88%，当H2SO4的体积分数为2%～6%时，随着H2SO4体积分数的提高，甲烷产率显著降低，产气效果变差。这与谢欣欣等[24]用酸预处理秸秆并进行厌氧发酵的结果一致。这可能是因为，过高浓度的酸对秸秆的破坏力极强，会使得秸秆充分降解，造成秸秆中糖类等有机物的浪费，从而导致甲烷产率降低[25]。

动力学参数常用于分析和预测有机底物在厌氧发酵过程中的特性[26]。基于Gompertz方程拟合各处理的(累积)甲烷产率(图3、表3)。拟合结果和实测值很接近，拟合方程的决定系数R2在0.981～0.992，拟合效果较好。各处理中，J4处理的Vm最高(181.02 mL·g-1)，其余处理从大到小依次为J3>J2>J1>CK>S1>S2>S3>S4。在本试验条件下，随着Ca(OH)2质量分数的升高，J1～J4处理的Vm值逐渐升高；随着H2SO4体积分数的增加，S1～S4处理的Vm值逐渐降低。J1～J4处理的Rm值均高于CK，而S1～S4处理的Rm值均低于CK，说明碱预处理提高了辣椒秸秆混合厌氧发酵的水解速率，从而提高了产甲烷速率。

表3 不同处理下甲烷产率的拟合结果

2.2 不同处理对发酵体系pH值和氨氮浓度的影响

发酵体系的pH值能够影响微生物的生长和活性[27]。一般来说，厌氧发酵的最适pH值为6.6～7.5。当pH值低于6.5或高于8.2时，产甲烷菌的活性会受到抑制[28]。在本试验条件下，各处理发酵体系的pH值在整个发酵阶段于6.88～8.09波动，无明显变化规律(图4)。其中，CK的变化范围最小，在7.67～8.08。

发酵过程中，蛋白质、多肽、氨基酸等物质降解形成的氨氮，不仅能够为微生物生长繁殖提供氮源，还是中和VFAs和稳定pH值的一种关键性物质[29]。高浓度的氨会抑制产甲烷菌的活性，但低浓度的氨作为氮源可以提高产甲烷菌的活性[30]。一般地，当发酵体系的pH值超过7.4时，若氨氮的质量浓度在1 500～3 000 mg·L-1，容易发生氨抑制[31]。在本试验条件下，各处理发酵体系的pH值大部分时间段均高于7.4，但氨氮的质量浓度量均低于1 500 mg·L-1(图5)，据此认为各处理在35 d的厌氧发酵过程中均未出现氨抑制。

2.3 不同处理对VFAs与总碱度的影响

VFAs是厌氧发酵产甲烷过程的中间代谢体，由产酸菌生成，可被产甲烷菌利用并将其转化为甲烷[32]。VFAs含量可以反映产酸菌和产甲烷菌的活性，常被用来预测和评价厌氧发酵的条件。总碱度是判断厌氧发酵系统缓冲性能的重要指标[33]。VFAs含量与总碱度的比值(VFAs/TAC)可以反映厌氧发酵系统的稳定性。一般来说，当VFAs/TAC在0.4～0.8时，发酵系统可正常运行；若VFAs/TAC超过0.8，厌氧发酵过程可能会受到抑制[34]。各处理在整个厌氧发酵过程中VFAs/TAC均小于0.8(图6)，推测各处理的厌氧发酵系统均较为稳定。

2.4 不同处理对辣椒秸秆中木质纤维素降解的影响

经酸、碱预处理后，辣椒秸秆的纤维素和半纤维素含量均显著(P<0.05)低于CK，碱处理对木质素的降解效果优于酸处理(表4)。与CK相比，其他处理的纤维素、半纤维素和木质素含量均降低，其中，J1～J4处理纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为61.89%～74.04%、13.41%～23.43%和31.98%～49.75%，S1～S4处理纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为28.57%～44.31%、15.09%～40.24%和0.86%～11.99%。上述结果说明，酸、碱预处理均有利于辣椒秸秆中木质纤维素的降解，但与酸预处理相比，碱预处理能够更大限度地降低纤维素的聚合度，并对半纤维素和木质素的降解起到促进作用[35]，更有利于微生物进一步的水解和发酵。

表4 不同处理辣椒秸秆木质纤维素含量

3 结论

随着预处理中Ca(OH)2质量分数升高，混合厌氧发酵的甲烷产率升高，其中，经8%Ca(OH)2预处理的甲烷产率最大，为188.56 mL·g-1，显著(P<0.05)高于CK和其他处理，较CK提高了61.26%。酸预处理的效果与之相反，随着预处理中H2SO4体积分数的提高，混合厌氧发酵的甲烷产率降低，产气效果较差。用修正的Gompertz模型拟合各处理，R2在0.981～0.992，说明拟合效果较好。Ca(OH)2处理组的Vm值较大，且其Rm值均高于对照和酸处理组，说明Ca(OH)2预处理辣椒秸秆能有效提高混合发酵的水解速率。酸、碱预处理均对辣椒秸秆有降解作用，但Ca(OH)2预处理的降解效果更好，不仅能明显降低纤维素和半纤维素含量，还对木质素的去除有较强作用。