沼液预处理对蔬菜秸秆厌氧消化性能的影响

孟艳，汪微，葸全财，李屹，陈来生，杜中平，韩睿*

（1.青海大学农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，西宁 810016；2.青海赛纬生态农业开发有限公司，青海湟中 810003）

化石燃料作为人类活动和工业活动的基础，其消耗量与日俱增。国际能源署预测到2035年能源的需求量将会上升35%[1]。寻求易获取、廉价同时能够产生清洁能源的原料已迫在眉睫。木质纤维素类物质在生产可再生能源方面具有巨大潜力，是一种能够长期获得并可替代化石燃料的优质原料[2-3]。我国蔬菜产量居世界第一，年产量约7.69亿t[4]。在蔬菜种植收获过程中会产生大量的秸秆等废弃物，约占蔬菜总产量的30%；且随着蔬菜种植面积的扩大，蔬菜秸秆每年以8%左右的速度增加[5]。目前，蔬菜秸秆常被焚烧或填埋，缺乏合理利用，不仅污染环境还造成严重的资源浪费。厌氧消化技术在处理秸秆等农业废弃物的同时能够产生甲烷等能源气体，是农业废弃物资源化利用的理想手段。蔬菜秸秆中含有大量的有机物质，其在适当的有机物负荷条件下，能够被厌氧微生物很好地降解利用并最终转化为甲烷[6]。但因其木质纤维素结构紧密复杂且对相关降解酶及微生物有较强的抗性，导致水解效率差、甲烷产量相对较低[7]。对秸秆进行适宜的预处理可有效解决上述问题，从而提高蔬菜秸秆的转化利用率和甲烷产量[8-9]。

沼液是厌氧消化后主要的剩余产物，其中含有大量可降解纤维素的微生物种群和氮、磷、钾有机物及较高含量的氨氮，直接排放易造成环境污染[10-11]。研究发现，将沼液用于秸秆预处理，可以有效破坏秸秆结构、提高秸秆产气速率和甲烷产量[12-13]。同时，相较于其他预处理方式，沼液预处理可降低成本并能有效减少其排放量，用于处理小麦秸秆[14]、水稻秸秆[15]和玉米秸秆[16-17]进行厌氧消化时均能提高秸秆的物能转化率，改善厌氧消化性能。然而，目前探讨沼液预处理对蔬菜秸秆厌氧消化性能影响的研究鲜见报道。因此，本研究采用猪粪沼液预处理4种蔬菜秸秆，探究不同预处理时间对蔬菜秸秆厌氧消化产甲烷特性的影响，并采用修正的Gompertz模型对产甲烷过程进行动力学分析，以期为蔬菜秸秆和沼液等农业废弃物无害化、合理化及资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以番茄、黄瓜、辣椒和茄子4种蔬菜秸秆为试验材料，均取自青海大学农林科学院园艺创新基地。4种蔬菜秸秆自然条件下风干后，用粉碎机粉碎，于阴凉通风处保存备用。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稳定运行的农用沼气池，取回后在中温(35±1)℃厌氧条件下培养7 d以减小背景甲烷产量。猪粪沼液取自青海赛纬生态农业开发有限公司。发酵原料的pH及接种物的总固体（total solid，TS）和挥发性固体（volatile solid，VS）含量详见表1。

表1 发酵原料及接种物的基本特性Table 1 Characteristics of raw materialsand inoculum

1.2 试验方法

1.2.1 蔬菜秸秆预处理 黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆粉碎过4目尼龙筛后，分别称取20 g加入到发酵反应瓶中，分别添加45 g猪粪沼液，调节含水率为70%左右，用发酵瓶盖密封后于（35.0±0.5）℃下进行预处理，预处理时间分别为3、5、7和9 d。将4种蔬菜秸秆不同时间沼液预处理分别编号，其中，黄瓜秸秆为H3、H5、H7和H9；番茄秸秆为F3、F5、F7和F9；茄子秸秆为Q3、Q5、Q7和Q9；辣椒秸秆为L3、L5、L7和L9。另设置未经沼液处理的各蔬菜秸秆作为对照，分别编号为H0、F0、Q0和L0。预处理时含水率(WC)计算公式如下。

式中，m1为蔬菜秸秆的添加量（g）；m2为猪粪沼液的添加量（g）；TS1为蔬菜秸秆中的总固体含量(%)；TS2为猪粪沼液中的总固体含量（%）。

1.2.2 厌氧消化试验 预处理完成后，采用全自动甲烷潜力测试仪（MultiTalent 203）进行批式厌氧消化试验。添加接种污泥及物料的总量为400 g，调节接种物与物料的比例为2∶1（以VS计），搅拌均匀后置于（35.0±0.5）℃恒温水浴锅中进行厌氧消化。每组设置3个平行，另设纯接种物作为空白对照。厌氧消化阶段全自动甲烷潜力测试仪每天自动记录甲烷产生量，测定厌氧消化结束后消化液的pH、氨态氮（ammonia nitrogen，AN）含量、总 碱 度（total alkalinity，TA）和 挥 发 性 脂 肪 酸（volatile fatty acids，VFAs）含量。

1.2.3 指标测定 总固体（TS）采用烘干法测定（105℃烘6 h），挥发性固体（VS）采用灼烧法测定（550℃灼烧4 h）；木质素、纤维素和半纤维素含量采用中性洗涤剂-酸性洗涤剂法测定[18]；pH采用pH计（pHS-2F）进行测定；氨态氮（AN）采用靛酚蓝比色法测定[19]；挥发性脂肪酸（VFAs）采用比色法进行测定[20]。碱度采用滴定法（ZDJ-4A自动电位滴定仪）进行测定。

1.3 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理，Origin 2018软件进行制图，采用SPSS 26软件进行单因素方差分析。并采用修正的Gompertz模型对甲烷产率数据进行拟合处理[21]。

式中，M为发酵期间某一时间的甲烷产率（mL·g-1，基于VS）；P为产甲烷潜力（mL·g-1，基于VS）；Rm为产甲烷速率（mL·g-1·d-1，基于VS）；e为常数（2.718 282），λ为迟滞时间（d）；t为厌氧消化时间（d）。

2 结果与分析

2.1 沼液预处理后蔬菜秸秆组分变化

由表2可知，与未处理相比，沼液预处理后各蔬菜秸秆中的纤维素和半纤维素均有不同程度的降解，其中，预处理5 d以上的试验组与未处理间差异显著，说明预处理时间对木质纤维素的含量有较大影响。随着预处理时间的延长，各蔬菜秸秆中纤维素和半纤维素的降解率逐渐提高。对于半纤维素，黄瓜秸秆的降解程度最高，降解率为2.11%～52.48%；番茄和茄子秸秆次之，降解率分别为12.08%～39.37%和11.59%～26.12%；辣椒秸秆降解率最小，为8.19%～17.75%。对于纤维素，辣椒秸秆的降解率最高，为16.40%～24.48%，其余蔬菜秸秆的降解率从高到低依次为：黄瓜秸秆(9.27%～22.06%)、茄子秸秆(1.53%～18.33%)和番茄秸秆(3.51%～15.06%)。与未处理相比，沼液预处理后的蔬菜秸秆木质素含量均呈上升趋势，说明木质素难以降解，不易被厌氧微生物利用。

表2 沼液预处理后蔬菜秸秆木质纤维素含量Table 2 Lignocellulose content of vegetable straw after pretreatment of biogas slurry

2.2 沼液预处理对蔬菜秸秆甲烷产量的影响

分析沼液预处理后各蔬菜秸秆厌氧消化日产甲烷量的变化，结果（图1）表明，在30 d的厌氧消化过程中，沼液预处理各蔬菜秸秆的日产甲烷量均呈先升高后降低趋势。各蔬菜秸秆达到产气高峰的时间不同。番茄秸秆各处理均在第2天达到第1个产气高峰，且F3处理最大，为74.52 mL·d-1；随后在第10到第11天出现第2个产气高峰，消化20 d后仅有少量甲烷产生。黄瓜秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆各处理的最大日产甲烷高峰分别出现在第3、第4和第2天，日产甲烷峰值分别为75.82（H7）、65.55（Q7）和68.50 mL·d-1（L3），产甲烷高峰过后，日甲烷产量逐渐下降，至10 d以后日甲烷产量变化趋势平缓，25 d后基本不再产气。相较于未处理，各蔬菜秸秆的日产甲烷峰值均有所增加；且随着沼液处理时间的延长，达到日产甲烷高峰的时间提前。

图1 沼液预处理后4种蔬菜秸秆的日甲烷产量Fig.1 Daily methane production of 4 vegetable straws with pretreatment of biogas slurry

由图2可知，与未处理相比，沼液预处理组的累积甲烷产量均显著增加，说明沼液预处理能够有效改善蔬菜秸秆的产甲烷性能。4种蔬菜秸秆中，黄瓜秸秆各处理的累积甲烷产量较高，为110.45～152.42 mL·g-1；番茄秸秆和茄子秸秆次之，累积甲烷产量分别为108.37～147.95 mL·g-1和101.90～129.84 mL·g-1；辣椒秸秆各处理累积甲烷产量较低，仅为78.50～99.17 mL·g-1。同时，随着预处理时间的延长，各蔬菜秸秆累积甲烷产量均呈先升高后降低趋势，在处理时间为5～7 d时，各蔬菜秸秆分别达到组内最高值。其中，番茄秸秆和辣椒秸秆均为预处理5 d效果最优，累积甲烷产量分别为147.95和99.17 mL·g-1，较未处理分别提高36.52%和26.33%；黄瓜秸秆和茄子秸秆为预处理7 d产气效果最佳，最大累积甲烷产量分别为152.42和129.84 mL·g-1，较 未 处 理 分 别 提 升38.00%和27.42%。说明沼液预处理时间的优化对改进蔬菜秸秆厌氧消化工艺至关重要。

图2 沼液预处理后4种蔬菜秸秆的累积产甲烷量Fig.2 Cumulative methane production of 4 vegetable straws after pretreatment of biogas slurry

T90是厌氧工艺中的重要参数，指厌氧消化过程中累积产气量达到总产气量90%时所用的时间，是反映厌氧消化效率较为直观的指标之一，对实际沼气工程运营具有重要指导意义[22]。由表3可知，经沼液预处理后，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆的T90分别比未处理缩短了5～8、4～5、3～4和4～6 d，说明沼液预处理能够缩短蔬菜秸秆的厌氧消化周期，提高产甲烷效率。

2.3 动力学分析

利用修正的Gompertz方程对不同处理厌氧消化累积甲烷产量进行拟合，结果（表3）表明，不同处理拟合出的甲烷产量与实际产量接近，R2为0.966～0.997，表明修正的Gompertz模型能较好地模拟沼液预处理蔬菜秸秆的厌氧消化过程。4种蔬菜秸秆经沼液处理的最大甲烷日产率均高于未处理，说明沼液处理蔬菜秸秆更容易提高其厌氧消化的水解速率。延滞期（λ）通常表示滞后阶段，可以间接反映消化效率[23]。尽管λ与消化性能没有直接关系，但较高的λ值表明厌氧消化周期较长，对大型工程项目不利。经沼液处理后的4种蔬菜秸秆的λ值均较各自未处理降低，说明厌氧消化过程的滞后期缩短。

表3 沼液预处理蔬菜秸秆厌氧消化时间及甲烷产量拟合结果及消化时间T90Table 3 Fitting model parametersof methaneproduction of 4 vegetablestrawsafter pretreatmentof biogasslurry and digestion time T90

2.4 各处理发酵液p H、VFAs含量、碱度和氨氮含量的变化

pH是影响厌氧消化进程的主要因素之一，适宜产甲烷菌生长的pH为6.5～8.2[24]。VFAs是厌氧消化过程中重要的中间代谢产物，与厌氧消化系统的稳定性密切相关，当VFAs含量超过5 000 mg·L-1时，对产甲烷菌有毒害作用[25-27]。由表4可知，各处理厌氧消化后消化液中VFAs和pH均适宜甲烷菌生长。厌氧消化过程中适宜的氨氮含量和碱度能有效维持发酵液的缓冲力。厌氧微生物生长的最适氨氮含量应低于2 000 mg·L-1，碱度应大于4 000 mg·L-1[28-29]；同时，VFAs与碱度的比值可反映厌氧发酵系统的稳定性，比值高于0.4时，会对厌氧消化系统产生抑制作用[30]。经厌氧消化后，各处理的氨氮含量为604.42～864.34 mg·L-1，总碱度为4 373.12～9 359.35 mg·L-1；且VFAs与碱度的比值为0.07～0.24，远低于0.4。由此可见，沼液预处理前后的蔬菜秸秆厌氧消化系统具有较强的缓冲能力。

表4 厌氧消化后消化液的pH、VFAs含量、碱度和氨氮含量Table 4 pH，VFAs content，alkalinity and ammonia nitrogen content of biogas slurry after anaerobic digestion

3 讨论

沼液作为厌氧消化后主要的剩余产物，直接排放易造成环境污染，对其进行废物处理也有一定难度。若将沼液作为厌氧消化的预处理剂不但能减少其排放还能降低预处理的成本。因其含有丰富的微生物菌群和氮源，可以改善物质配比并有效降解木质纤维素，一定程度上能够起到提升甲烷产量的作用[12-14]。本研究中经过沼液浸润处理后的蔬菜秸秆木质纤维素组分含量发生了明显变化，其中纤维素和半纤维素含量随预处理时间的延长不断降低。王英琪等[12]和郑子乔等[28]也发现，玉米秸秆木质纤维素的降解率随沼液处理时间的延长逐渐升高。这主要是由于沼液中含有可产生纤维素酶的微生物种群，酶作用于秸秆各组分，使其得以降解[31]。然而，经沼液预处理后，蔬菜秸秆木质素含量随预处理时间的延长逐渐增大，这说明蔬菜秸秆中的木质素难以被微生物分解利用。赵昆炀等[32]对玉米秸秆进行厌氧消化处理时也发现,厌氧处理前后木质素的结构差异较小，能够较好地保留木质素结构。

本研究表明，经沼液预处理后蔬菜秸秆的累积甲烷产量均显著增加，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆较未处理分别提高38.00%、26.33%、27.42%和36.52%，说明沼液预处理能够有效改善蔬菜秸秆的产甲烷性能。一方面是因为沼液中可降解木质纤维素的微生物菌群对秸秆中有机物的作用加快了厌氧消化系统的水解，提升了甲烷产量[33]；另一方面可能是因为沼液中含有大量的NH+4-N，可作为氮源调整系统C/N比，进而改善其厌氧消化性能[17]。尽管猪粪沼液预处理能提高蔬菜秸秆的累积甲烷产量，但不同蔬菜秸秆达到最高积累甲烷产量的预处理时间不同。番茄秸秆和辣椒秸秆的最佳预处理时间为5 d，而黄瓜秸秆和茄子秸秆的最佳预处理时间为7 d；预处理时间过长时，蔬菜秸秆的甲烷产量会有所降低，可见沼液预处理时间的优化对改进蔬菜秸秆厌氧消化工艺至关重要。若处理时间太短，对蔬菜秸秆破坏程度不够，释放的有机物相对较少，甲烷产量相对较低；但处理时间过长，蔬菜秸秆中有机物质被利用的同时也能够被沼液体系中的厌氧微生物所利用，导致底物减少，从而影响甲烷产量[34-35]。研究表明，沼液预处理玉米秸秆最优时间是5 d，甲烷产量较对照提高30.76%[12]；鸡粪沼液预处理玉米秸秆的最优预处理时间为7 d，甲烷产量较对照提高32.41%[28]；小麦秸秆沼液预处理6 d时产气效果最好，较对照提高69.50%[36]；沼液浸泡预处理花椰菜废弃物4 d后效果最好，甲烷产量较对照提高73.90%[37]。由此可知，秸秆类废弃物的最佳沼液预处理时间为5～7 d，而含水量较高的尾菜等废弃物的沼液预处理时间相对较短，但这也取决于供试材料的特性及沼液的种类。总之，应用沼液作为预处理剂进行厌氧消化时，根据不同材料及沼液的基本特性优化最适宜的预处理时间是关键步骤。

本研究还发现，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆最优处理达到T90的时间较未处理分别缩短47.06%、31.25%、17.65%和22.22%，说明沼液预处理能够明显缩短蔬菜秸秆的厌氧消化周期，与前人研究结果一致[14,16-17,28,35-36,38]。4种经沼液处理的蔬菜秸秆厌氧消化T90不尽相同，可能是由于蔬菜秸秆成分的差异，木质化严重的蔬菜秸秆需要更长的时间进行消化分解。在实际应用中，可以用沼液对蔬菜秸秆进行5～7 d的处理，同时将厌氧消化周期控制在15 d以内，能够有效节约生产的时间成本，增加沼气工程的经济效益。