不同接种量对芥菜渣厌氧消化产气的影响研究*

董姚君， 贺密密， 唐彬彬， 魏丹丹， 吴凯， 刘健峰，王昌梅， 赵兴玲， 刘士清， 尹芳， 张无敌

(云南师范大学 云南省沼气工程技术研究中心，云南省农村能源重点实验室，云南 昆明 650500)

蔬菜种植业为了提高产品质量,满足消费者的选购需求，在田间采摘、分选、物流及贩售等环节产生了大量的蔬菜废弃物(如菜叶、菜根和菜茎等).蔬菜废弃物有机质和水分含量高，适用于生物技术处理，但若采用好氧发酵，需要消耗大量的能源动力，且在发酵过程中会产生大量渗滤液，严重污染环境；采用厌氧消化不仅能避免好氧发酵的上述缺点，而且收集发酵过程中产生的沼气能产生经济效益，此外发酵结束后产生的沼渣还可以再次用于种植业，提升蔬菜品质，降低植物发病率等[1].

厌氧消化过程中，温度、挥发性有机酸、pH和氨氮浓度等都会直接影响微生物的活性和丰度，进而影响发酵结果和发酵效率.试验中接种物量与原料的添加量会引起发酵液酸碱度的变化，若原料过多，则会引起发酵液酸化，不适宜产甲烷菌定殖扩增，最终引起反应体系失衡，导致反应原料不能获得有效处理，甚至产甲烷失败，从而影响能源回收效率.芥菜是十字花科芸苔属一年生草本植物[2]，其叶片和叶柄是我国较为常见的蔬菜.试验探究了不同接种物量对芥菜渣厌氧消化产气产甲烷的影响，为芥菜废弃物的资源化利用和能源化回收提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 发酵原料与接种物

发酵原料购于昆明市吴家营菜市场，将原料切碎榨汁滤渣，留滤渣备用.经测定，滤渣总固体含量(TS)为(6.26±0.17)%，挥发性固体含量(VS)为(52.44±1.99)%.

接种物为课题组驯化处理废弃蔬菜2 a的厌氧活性污泥.经测定，接种物总固体含量(TS)为(12.90±0.20)%，挥发性固体含量(VS)为(90.53±0.12)%.

1.2 试验装置

试验发酵装置为批量式厌氧消化反应装置.

1.3 试验设计

设计接种物体积占总发酵液20%、35%和50%的三个实验组试验，并设计一组空白对照(只加入接种物)，每组设三个重复，发酵体积为400 mL，发酵温度为(35±1)℃，发酵液总固体含量(TS)为4%.各组发酵液中原料量和接种物量见表1.

表1 不同处理发酵液中原料量和接种物量

发酵产生的气体通过排水集气法收集，记录数据时通过记录集水瓶中水的体积得到产气量，在取气口处每5 d取一次气样，用于分析气体成分.试验结束后，测定发酵液的pH值、挥发性有机酸(VFA)和氨态氮浓度.

1.4 测定项目与数据分析

甲烷含量：气相色谱仪(GC9790ll)；

发酵液的酸碱度(pH)：精密pH计(PHS-3C)；

挥发性有机酸(VFA)分析：气相色谱仪(GC9790ll)FID；

氨态氮含量：6B-100型COD速测仪；

试验结束后，根据试验前后综合数据来计算TS产气率，反应原料的产气潜力.计算公式如下：

式中：W—原料质量，g ；TS—原料总固体含量，%；

2 结果与分析

2.1 不同接种物量对产气量的影响

2.1.1 不同接种物量对日产气量的影响

试验总计运行21 d，各组每日产气情况如图1所示.在整个实验过程中，第1天三个试验组都有不同量的产气，但在第2天M20和M35的产气量骤降为0，第2天之后，M50产气量下降，在第4天达到产气小高峰，然后产气量逐渐下降，在第11天再次出现小高峰，之后产气量逐渐稳定.

M50产气情况明显优于M20和M35；在试验运行的21 d内，M50持续产气，在前11天产气量都较高；说明在一定范围内，接种物量越高，原料的日产气量越多，发酵情况越好[4].

图1 不同接种物量的每日产气量

Fig.1 Daily biogas production with different concentration of inoculants

2.1.2 不同接种物量对累积产气量的影响

图2给出了各组的累积产气量.可以明显看出，M50前6天产气速率最高，之后产气速率降低，在第11天出现拐点后产气速率进一步降低；原因可能是芥菜渣有机质与水分含量高，有机质的量在前期比较充分，所以产气速率较高；而在第6-11天间产气量速率降低，可能是有机质含量高，短时间水解反应产生抑制；第11天之后，由于原料与中间产物的消耗，产气速率慢慢降低.试验结束后，通过减去对照组产气量，得出M20累积产气量为9.67 mL，M35累积产气量为232.33 mL，M50累积产气量为1 668.33 mL.以上表明，在一定范围内提高接种物量，可以增加原料的产气量与产气速率[5].

图2 不同接种物量的累积产气量

Fig.2 Cumulative biogas production with different concentration of inoculants

2.1.3 不同接种物量对产气甲烷产量的影响

试验每5 d对每组所产气体进行测定，记录产气的甲烷含量(如图3).由图3可以看出，M20整个过程几乎不产甲烷，M35和M50从试验开始，甲烷含量逐渐上升.M35可能由于前期酸化和后期原料不足，所以甲烷含量较低，而M50大约在第7天甲烷含量就达到了气体能够点燃的最低浓度50%，且在剩下的试验阶段一直稳定维持在50%以上，是三个试验组中唯一能点燃、可投入实际工程应用的一组.因此，一定范围内，增加接种物接种量，可以促进厌氧消化的进程和提升反应体系的稳定性，增加产气产甲烷量[6-7].

图3 不同接种物量的甲烷含量变化情况

Fig.3 Change of methane content in different treatments with different concentration of inoculants

2.2 不同接种物量对芥菜渣TS产气率的影响

计算得到M20、M35和M50的TS产气论分别为1.82、65.89 mL/g和987.06 mL/g，接种物量为50%时芥菜废弃物的发酵利用率最高，是三组中最适宜用来处理芥菜废弃物的浓度.与叶小梅等人[8]在温度、接种量及微量元素对水葫芦产甲烷的影响研究中得出的结论一致，即在一定接种物量范围内，随着接种物量的增加，有机质的降解率也随之上升.

2.3 试验结束后发酵液中pH、挥发性有机酸(VFA)和氨态氮含量

试验结束后，对不同接种物量的发酵液进行了挥发性有机酸(VFA)、氨态氮含量以及酸碱度进行了测定，结果见表2.

表2 试验结束后发酵液的pH、VFA和氨态氮含量

由表2可看出M20和M35的VFA含量较高，它们的pH表明两组发酵液酸化，原因可能是M20和M35原料较多，接种物量不足，导致VFA累积无法消耗.M50接种量多，原料少，VFA仅为339.3 mg/L.根据熊向峰等人[9]报道，pH低于6.1或高于8.3时，产甲烷菌可能会停止活动.M20、M35和M50试验结束时测定的pH分别为5.01、5.41和7.70， M50的pH值处在正常范围，所以发酵液环境适宜产甲烷菌正常产气.相关资料研究表明[10]，氨态氮浓度超过1 600 mg/L时，会对产甲烷菌产生抑制作用，但各试验组氨态氮含量最高不超过650 mg/L，所以在此试验中氨态氮含量对各组产气不造成影响.

3 结 语

接种物量对厌氧发酵产沼气有着较大的影响，从一定程度上决定了原料的产气量与产甲烷量.若接种量不足，原料相对过多，容易使挥发性有机酸(VFA)积累，导致发酵液酸化，影响原料产气甚至停止产气.试验中接种物量为50%的试验组累积产气量为1 998.33 mL，最高甲烷含量为57.77%，明显好于其他试验组，是试验中最适宜芥菜渣发酵的浓度.试验为芥菜渣厌氧消化提供了最佳接种物量，也为蔬菜废弃物的资源化利用和能源化回收提供了科学依据.