污泥增强番茄茎叶单相发酵产沼气研究

牧辉， 李岩， 华栋梁， 张晓东 ，许海朋， 金付强

(山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南 250014)



【生物质能源】

污泥增强番茄茎叶单相发酵产沼气研究

牧辉， 李岩， 华栋梁， 张晓东*，许海朋， 金付强

(山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南 250014)

摘要：针对番茄茎叶自然发酵速率较慢的问题，采用与剩余污泥混合发酵(番茄茎叶与污泥挥发性固体质量比为1:2)调控底物营养结构，同时接种0.1 g/mL颗粒污泥弥补体系产甲烷菌微生物不足的方法，不仅使番茄茎叶的去除率达到95%以上，而且显著提高有机物发酵的沼气产率至263 mL/g (提高7.5倍)，沼气中甲烷体积分数也相应提高至64.5%。该发酵方法不仅达到了以废治废的目的，而且实现了资源利用最大化。

关键词：番茄茎叶；厌氧发酵;剩余污泥;颗粒污泥

近年来，随着城镇居民生活水平的提高，蔬菜及水果生产、加工和销售过程中产生的皮、根、茎、叶和果实等果蔬废弃物成为数量巨大的固体废物。果蔬废弃物的大量产生和富集已经构成了对农田、水体、果蔬配送市场和其他人居环境的严重威胁，成为一种不可忽视的污染源。据农业部统计，2014年我国水果与蔬菜总产量分别达到2.6亿吨和7亿吨，按照25%～30%的废弃比例计算，每年产生的水果和蔬菜加工废弃物分别为0.65～0.78亿吨和1.8～2.1亿吨。果蔬废弃物具有含水率高(质量分数大于80%)、有机物和营养成分丰富(质量分数75%的糖类和半纤维素，9%的纤维素及5%的木质素)及无毒害性等特点[1]，其中，番茄是一种重要的茄果类蔬菜，每年种植园区均产生大量的番茄茎叶废物，这些番茄茎叶连同其他果蔬垃圾当前主要是以填埋的方式处理，基本上没有进一步开发利用，极大地浪费了资源。厌氧发酵处理产沼气是果蔬垃圾资源化的一个重要手段[2]，但目前国内外鲜见关于厌氧发酵处理番茄茎叶废物的报道。果蔬垃圾与其他高氮性废弃物(牛粪、猪粪等)共同发酵是当前稳定和提高单相发酵效率的常规方式[3-4]。城镇污水处理过程中会产生大量的剩余污泥，若不及时处置将会给环境带来严重的二次污染。番茄茎叶固有的物料特性使其发酵效率缓慢，本研究首先利用剩余污泥与番茄茎叶共发酵可调整发酵底物的营养结构，发现在一定程度上能促进反应进程，提高沼气产量，实现以废治废的目的，但效果不够显著。进一步的研究选择产甲烷微生物活性良好的颗粒污泥作为发酵的接种微生物，弥补了发酵体系产甲烷微生物的不足，能够加速降解有机质，提高沼气产量。

1实验材料和方法

1.1实验材料

番茄茎叶废弃物取自山东省博兴县国丰生态高效循环基地。将采摘果实后的番茄植株全株采收，然后切割成1～2 cm的小条，在冰箱中低温保存，备用。番茄茎叶的总固体(TS)质量分数为32.7%，挥发性固体(VS)质量分数为30.2%，碳氮比为9.3。剩余污泥取自济南光大水务污水处理一厂的浓缩池。取回的新鲜剩余污泥首先放置在4oC下浓缩沉降24 h，排除上清液，然后根据实验需要进行浓缩或稀释。浓缩后剩余污泥pH= 6.7 ± 0.2，TS为 17 670 ± 1 320 mg/L，VS为12 880 ± 650 mg/L。

1.2方法

1.2.1实验装置及运行方法

实验采用升流式厌氧污泥床(UASB)驯化颗粒污泥，接种的厌氧颗粒污泥取自山东星光糖业集团有限公司。采用人工合成配水(配水的碳源为乙酸钠和葡萄糖(乙酸钠COD与葡萄糖COD的比为3:2)，pH6.9～7.2)对厌氧颗粒污泥进行驯化。驯化过程通过逐步提高4个进水COD有机负荷(5、10、15、20 kg/(m3·d))及COD浓度(2 500、3 000、4 000、4 000 mg/L)实现，每个周期各驯化10 d。驯化好的颗粒污泥颜色为灰黑色，TS质量分数为11.6%，VS质量分数为10.4%，VS和TS质量百分比为90.4%，平均粒径为2.5 mm。驯化好的颗粒污泥按照0.1 g/mL接种至发酵反应器中，从而调控发酵微生物菌群，使单相发酵快速正常启动，增强沼气产量。驯化反应器如图1所示。

图1　UASB反应器示意图Fig.1　Illustration of the UASB reactor

蕃茄茎叶的发酵反应器及气体测试采用全自动甲烷潜力测试仪体系。实验设置两大组(甲、乙)进行，其中乙组作为甲组的平行实验进行气相和液相组成成分分析。以甲组为例，设置3个反应瓶 (600 mL，有效容积为 400 mL，甲1、甲2、甲3)，甲1代表对照组，即发酵底物全部为番茄茎叶，接种0.1 g/mL来源于厌氧发酵罐的厌氧污泥作为启动微生物；甲2为利用剩余污泥调控番茄茎叶的发酵底物，二者VS质量比为1∶2，接种微生物同上述对照组；甲3的发酵底物同甲2，接种微生物为驯化的颗粒污泥(0.1 g/mL)；实验的发酵底物VS均为12 g。实验准备完成后，需用氮气排除反应器中的氧气，同时迅速密封，然后启动甲烷潜力测试仪。

1.2.2分析指标和分析方法

1.2.2.1样品元素分析方法

首先将番茄茎叶样品烘干(100 ℃)，然后磨碎成均匀的微粒(最好大于60目)，再烘干(或已测得样品的含水率)，将待测样品用锡囊/锡舟或银囊包裹后进行称重分析。

1.2.2.2气体含量的测定

沼气中氢气、二氧化碳和甲烷等组分采用安捷伦GC-6890N型气相色谱仪测定。采用外标法，使用标准气体组分得到相应气体的保留时间和峰值，计算得到气体的组分及含量。

1.2.2.3挥发酸(VFAs)的测定

VFAs采用Agilent 7890A型气相色谱仪进行测定。测定前样品首先在8 000 r/min下离心15 min，然后进行稀释，使挥发酸含量不大于100 mg/L，同时添加体积分数为3%的磷酸，然后用0.45 μm滤膜压滤到1.5 mL的气相色谱专用的棕色小瓶中待测定[5]。

1.2.2.4多糖的测定

多糖采用蒽酮试剂法测定[6]。糖与浓硫酸反应生成糠醛(由戊糖和己糖生成)，糠醛与芳香胺反应生成有色物质，用分光光度法进行测定。测定方法如下：取1 mL样品于含1 mL硫酸溶液(体积分数75%)的厚壁玻璃管中，在冰水浴中加入5 mL蒽酮试剂，转移至沸水浴中加热10 min，取出玻璃管并重新置于冰水浴中至室温，用分光光度计于625 nm处测定。

1.2.2.5蛋白质的测定

蛋白质采用Folin-酚试剂法测定[7]。Folin-酚试剂由甲试剂和乙试剂组成。其中甲试剂为A液：碱溶液(Na2CO32 g溶于100 mL 0.1 mol/L NaOH中)；B液：硫酸铜溶液(CuSO45H2O 0.5 g溶于100 mL水中)；C液：酒石酸钾钠溶液(C4H12KNaO101 g溶于100 mL水中)。临用前将B液C液等比例混合得D液，A液与D液100∶1(V/V)混合即成Folin-酚试剂甲。Folin-酚试剂购买于Sigma-Aldrich。取1 mL样品，加入5 mL甲试剂，静置10 min，加入0.5 mL乙试剂，静置30 min后用分光光度计于650 nm处测定。

1.2.2.5其他测试项目及方法

本研究其他项目的测试方法参考美国公共健康协会标准监测方法[8]及中国国家环境保护总局废水和水质监测分析方法[9]。

2结果与分析

2.1沼气产量变化

番茄茎叶厌氧发酵经过水解、酸化和甲烷化3个阶段，最终产物是甲烷。水解和产酸阶段产生氢气和二氧化碳，甲烷、氢气和二氧化碳成为沼气的主要成分。本研究首先考察了番茄茎叶在剩余污泥调控底物和颗粒污泥调控微生物条件下的沼气产量，结果如图2所示。

图2　累积沼气产量随发酵时间的变化Fig.2　Variations of cumulative biogas yield with anaerobic fermentation time

由图2可知，对照组在整个发酵周期(21 d)内产气量相当少，仅420 mL(有机部分发酵的沼气产率为35 mL/g )，可能原因是番茄茎叶这类番茄果实的残留物含有的纤维成分较高，所以水解酸化较慢。剩余污泥的添加调整了发酵底物的有机营养成分，利于产甲烷菌的快速生长，累积沼气产量为1 125 mL，显著高于对照组，但底物降解程度不够。当反应器接种的微生物调整为产甲烷微生物活性较好的颗粒污泥时，沼气产量为对照组的7.5倍(3 158 mL)，说明高效产甲烷菌剂的加入丰富了微生物群的种类和含量，极大地增强了底物降解速率，番茄茎叶中有机部分发酵的沼气产率提高至263 mL/g 。尤其在第 6～16 d时产气速率急速提高，这是因为在前6 d产甲烷菌在逐渐适应新的体系环境，发酵中期(6～16 d)时，适应性增强的微生物对底物的利用率也加强，从而导致产气量快速提升。16 d后，发酵体系底物中有机营养成分逐步减少，对照组和添加剩余污泥和颗粒污泥组的发酵液COD值分别为886 mg/L、558 mg/L，因此产气量也逐渐降低。

发酵产生的沼气主要包含甲烷、二氧化碳和氢气，发酵周期内随着水解、酸化和甲烷化速率的快慢和体系微生物群落的变化，沼气成分均会有所变化。表1为添加剩余污泥和颗粒污泥之后番茄茎叶发酵产生的沼气在发酵天数分别为6、10、15和21 d时的主要组分含量。由于对照组和添加剩余污泥的番茄茎叶发酵沼气较少，其组分分析意义不重要。由表1可知，沼气成分中二氧化碳体积分数小(最高仅为10.8%)，且随发酵反应的进行不断减小直至最后检测不到。氢气产量初期较高(体积分数17.5%)，6 d后随时间逐渐降低至体积分数6.5%。这是因为反应体系初期以酸化为主，后期过渡到甲烷化为主，二氧化碳和氢气作为酸化中间产物不断被甲烷菌利用以合成甲烷。因此甲烷体积分数在前15 d不断增加(15 d 时达到最高峰65.6%)，之后维持稳定。

表1剩余污泥和颗粒污泥调控的番茄茎叶发酵产沼气组分的含量

Table 1Component content analysis of the biogas from anaerobic fermentation of tomato stems and leaves regulated by waste activated sludge and granular sludge

发酵天数/d沼气成分体积分数/%CO2CH4H2其他610.853.617.518.1108.263.514.214.1153.665.610.620.2210.064.56.529.0

2.2pH变化

pH是保证有机物厌氧发酵产甲烷的重要条件之一，厌氧发酵的各个阶段都需要适宜的pH环境来保障发酵体系中各种微生物的活性，比如产酸阶段发酵菌的适宜pH值为4.5 ～7.8，产甲烷菌的最佳生长范围为6.8～7.8[10]。因此，在发酵过程中，监测发酵液中的pH和短链脂肪酸(VFAs)变化对控制发酵有重要的作用。图3为发酵过程中pH的变化。由图可知，对照组和添加剩余污泥的番茄茎叶发酵的pH在发酵前期为5.5～6.2，后攀升至6.8，这是不利于产甲烷菌发挥其正常的生理活性的，所以沼气产量较少。但接种物为颗粒污泥的番茄茎叶发酵有明显区别，整个发酵过程的pH值都维持在6.5～7.6之间，说明发酵反应可顺利进行，底物降解比较多，因此沼气产量最多。

图3　pH随发酵时间的变化Fig.3　Variation of pH value with anaerobic fermentation time

2.3挥发酸变化

虽然体系pH的变化能够反映出底物在产酸菌等作用下的酸化程度，但VFAs是反映厌氧消化特征的一个重要指标，VFAs主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸。各实验组发酵期间的VFAs变化如图4所示。

图4　各实验组发酵期内VFAs随时间的变化Fig.4　Variations of VFAs with anaerobic fermentation time

由图4所示，对照组及剩余污泥调控实验组发酵的VFAs含量随发酵时间的延长而增加，究其原因主要是这两个发酵体系的水解酸化速度快，而产甲烷微生物由于世代时间长活性或浓度不够高，欠丰富的产甲烷菌不能够充分消耗VFAs产沼气，造成VFAs的累积。剩余污泥调控发酵的丙酸、丁酸和戊酸(图4b,c,d)含量高于对照组的原因是剩余污泥比番茄茎叶更易于水解酸化，因此酸化产物积累越来越多；而这两个发酵体系中的乙酸浓度相差不大(图4a)，其原因是在发酵初期这两个体系中的乙酸型产甲烷菌群丰富，能够较充分地代谢乙酸，从而使乙酸的积累相差不大。但当发酵快结束时(18 d)，剩余污泥调控发酵的丙酸浓度明显降低，这是因为丙酸被有效地转化为乙酸，这也是其乙酸最高积累浓度(2 274 mg/L)高于对照组(1 478 mg/L)的原因之一。当接种微生物换成甲烷微生物活性较好的颗粒污泥时，乙酸含量(图4a)随着发酵时间的变化在一定范围内波动。该体系稳定的原因是在剩余污泥改变发酵体系有机营养结构的基础上，颗粒污泥的存在丰富了体系中的微生物种类，尤其是产甲烷微生物菌群。丙酸、丁酸和戊酸不能够被直接利用产沼气，只能通过产氢产乙酸菌将其转化为乙酸才能够进一步被产甲烷菌利用，所以颗粒污泥的调控使微生物种群足够丰富，丙酸、丁酸和戊酸逐渐被转化为乙酸再生成沼气[11]；而对照组和剩余污泥调控的丙酸、丁酸和戊酸浓度随发酵时间延长而增加，它们的不断积累不利于产甲烷菌的生存，因此产甲烷进程不能顺利进行。在发酵初期，对照组和剩余污泥调控的丁酸和戊酸含量相当低，几乎检测不到，发酵后期稍微增加，这可能是发酵初期系统内微生物种群不够丰富。利用颗粒污泥调控时，丁酸和戊酸含量随发酵时间减少，直至被彻底降解(浓度未检测到)。

2.4蛋白质和碳水化合物变化

番茄茎叶的氮含量较高，所以发酵过程中会溶出蛋白质，蛋白质也是剩余污泥的主要成分，所以由污泥调控的番茄茎叶发酵体系的中间产物主要包括蛋白质和碳水化合物，其中蛋白质和碳水化合物都属大分子化合物，不能直接被产甲烷微生物所利用，首先要被分解和水解为小分子有机物，才能被微生物吸收转化。蛋白质和碳水化合物是水解阶段的产物、酸化阶段的底物，研究其发酵过程中的变化(图5)非常重要。

图5　蛋白质和碳水化合物含量随发酵时间的变化Fig.5　Variations of protein and carbohydrate with anaerobic fermentation time

由图5可知，对照组和利用剩余污泥调控的发酵液中蛋白质和碳水化合物含量均随发酵时间的延长而增加，说明底物溶出蛋白质和碳水化合物的速率高于它们的降解速率，体系中的VFAs不断积累，导致体系酸性过高，从而致使体系中的微生物活性普遍不高。而图5a显示对照组的蛋白质的浓度显著低于剩余污泥调控的蛋白质浓度，这是由于剩余污泥本身含蛋白质较多，且比番茄茎叶易于发酵，同时接种的厌氧污泥微生物在发酵初期也适宜于污泥发酵环境，所以蛋白质溶出速率快。当接种微生物调整为颗粒污泥时，发酵液中蛋白质含量先升高，直至第9 d达到最大值413.8 mg/L，发酵9 d后蛋白质含量逐渐降低，说明发酵9 d后体系中的微生物降解蛋白质速率增大，使蛋白质水解成氨氮等中间产物，从而促进发酵体系顺利进行，增加体系的产沼气量。这也很好地诠释了图2中沼气产气速率在第9 d后提高的原因。碳水化合物通常易于被降解，尤其是在微生物种群丰富(接种颗粒污泥)的番茄茎叶发酵体系里，其浓度始终在40～110 mg/L之间波动，之后于发酵末期降低至42 mg/L(图5b)。

2.5减量化

此外，本研究还分析了番茄茎叶在厌氧发酵下的固体减量化情况。在发酵结束后，反应器内番茄茎叶固体含量明显降低，剩余的固体部分仅2.8 g，肉眼观察为番茄植物杆的外壳部分，这部分多为纤维成分，属于难降解的生物组分。通过对加入的番茄茎叶的质量和最终未被消化的稳定产物质量计算可知番茄茎叶固体去除率为质量分数95%左右，表明番茄茎叶固体减量化效果明显，说明该处理方法非常适宜于番茄茎叶这类废弃物。

3结语

剩余污泥与番茄茎叶共发酵能够调整发酵底物的有机营养成分，利于产甲烷菌的生长，提高沼气产量，但依旧呈现蛋白质、碳水化合物和有机酸等中间产物积累的问题，而且发酵时间较长。所以接种物由普通的厌氧污泥替换为驯化的颗粒污泥(高效产甲烷菌)来补充发酵体系产甲烷微生物的不足，解除有机酸积累对产甲烷阶微生物的抑制，保障番茄茎叶单相发酵产沼气的顺利进行，使番茄茎叶中挥发性有机质(VS)发酵的沼气产率提高至263 mL/g。番茄茎叶发酵完成后，难降解部分主要为纤维成分含量较高的番茄植物杆外壳部分，在今后的研究中将通过物理化学和生物的预处理方法来提高其发酵特性。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.009

收稿日期：2016-04-15

基金项目：国家科技支撑计划(2014BAD02B00)；山东省自然科学基金(ZR2014EEQ023)

作者简介：牧辉(1985-)，女，副研究员，研究方向为有机废弃物转化为生物沼气。 *通讯作者。Email:zhangxd@sderi.cn

中图分类号：Q939.97

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)03-0048-07

Optimizing the biogas production from single-phase anaerobic fermentation of tomato stems and leaves using sludge

MU Hui, LI Yan, HUA Dong-liang, ZHANG Xiao-dong, XU Hai-peng, JIN Fu-qiang

(Shandong Provincial Key Laboratory of Biogas Gasification Technology, Energy Research Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶Due to the slow natural anaerobic fermentation characteristics of tomato stems and leaves,waste activated sludge was closed to be added into the digestor of tomato stems and leaves (VS ratio of waste activated sludge and tomato stems and leaves of 1∶2) to improve substrate nutrient composition.Anaerobic granular sludge of 0.1 g/mL was inoculated to compenstaes the deficiency of methanogenesis microbes.Under such regulation,the removal rate of tomato stems and leaves was increased to more than 95 %,and the corresponding biogas yield of organie fermentation was improved to 263 mL/g (7.5 times improvement).Meanwhile,methane volume fraction in biogas was also increased by 64.5%.This method achieves not only the goal of waste control by waste, but also that of the maximization of resource utilization.

Key words∶tomato stems and leaves; anaerobic fermentation; waste activated sludge; anaerobic granular sludge