不同含固率和接种比对尾菜厌氧消化的影响

甄月月，葛一洪，施国中，封海东，张 敏

(1.农业农村部沼气科学研究所，成都 610041；2.十堰市农业科学院，湖北 十堰 442000)

国家统计局数据表明，2018年中国蔬菜年产量为7.03亿吨。而每100吨蔬菜在采收及流通过程中大约会产生20吨尾菜[1]，即每年约产生1.40亿吨尾菜。若处理不当，将会造成大气污染和温室气体排放等环境问题[2]。研究表明，尾菜具有高水分(>80%)、有机物含量高(>95%干基)和易生物降解等特性，因此其适宜进行厌氧消化[3]。该消化工艺能产生清洁能源沼气，且消化产物还可用作土壤改良剂或者生产有机肥，是实现尾菜资源化和减量化的有效途径[4]。

厌氧消化是一个利用微生物将各种有机废弃物转化为可再生清洁能源的生物过程[5]，它受多种因素的影响，其中含固率和接种比均为影响启动时间和基质产甲烷能力的直接因素[6]。含固率会影响厌氧消化过程中的传质效果，进而影响产气效果，此外还会影响体系有机酸积累的水平[7]。接种比决定了体系抗有机酸负荷的能力，接种比的合理选择对厌氧消化的运行效果和稳定性来说非常重要[8]。而受底物性质、接种物来源及产甲烷活性和抑制物浓度等因素影响，研究获得的最优接种比存在很大差异[9]。因此，含固率和接种比是决定厌氧消化效率的关键工艺参数，而目前含固率和接种比对尾菜厌氧消化交互影响的研究较少，需要进一步探索。

因此，本研究采用中温厌氧消化，研究不同含固率和接种比对尾菜厌氧消化特性的影响，以期为尾菜厌氧消化工艺的调控和优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选用的尾菜取自成都玉林菜市场，由芹菜、白菜、油菜、卷心菜、空心菜、莴笋等比例混合而成，使用粉碎机破碎至粒径为3～5 mm，并将其混合均匀后保存在4 ℃冰箱中备用。接种物取自农业农村部沼气科学研究所实验基地的猪粪厌氧消化污泥。表1为原料及接种物特性(其中TS和VS以湿基计，其余均以干基计)。

表1 尾菜及接种污泥理化特性 (%)

1.2 实验设计

实验设置两个总固体浓度，分别为4%TS和8%TS，每个TS下分别设置3个接种比(接种物挥发性固体：尾菜挥发性固体)0.8，1.0，1.23，详见表2。厌氧消化实验采用1000 mL发酵瓶，有效体积为700 mL，分别在不同发酵瓶中加入对应含量的接种污泥和尾菜，用自来水补充至700 mL，每组设置3个重复。反应温度为35℃±0.5℃，每天将发酵瓶摇动2次，每次摇动5 min。每天记录沼气产量、采集气体样品测定气体成分，每4～5天采集液体样品，测定pH值和挥发酸含量。实验设计见表2。

表2 实验设计表

1.3 测试方法

总固体浓度(TS)、挥发性固体浓度(VS)分别采用烘干法和灼烧减重法测定，测定温度分别为105℃和600℃。粗纤维、粗蛋白、粗脂肪均使用国标法测定，沼气产量采用排水集气法测定，气体成分使用气相色谱测定，挥发性脂肪酸含量采用气相色谱法测定，仪器型号为安捷伦公司生产的GC7820A型气相色谱，色谱柱为填充柱(1.5 mGDX103 + 5%磷酸色谱柱)，柱箱温度180℃，进样器温度200 ℃，检测器温度230℃。pH值采用便携式pH计测定，pH计型号为LAQUAtwin-pH-33。通过Excel 2013进行数据处理，利用OroginPro 9.1制图。

2 结果与讨论

2.1 含固率和接种比对产沼气的影响

由图1可以看出，TS为4%时各处理组在实验开始时日产气量逐渐增加，到达产气峰值后又逐渐下降而后波动至产气结束。由图2可以看出，TS为8%的各处理组表现为日产气量先上升后下降然后再上升又回落的过程。这两者沼气产量变化规律不同主要是因为TS为4%的处理组总固体含量低，厌氧微生物在启动后较短的时间内将大部分可利用的有机物消耗完毕，T1，T2，T3处理组在厌氧消化第11～18天,第11～17天,第10～15天的产气量已达到该处理组总产气量的70%以上。而TS为8%的处理组由于总固体含量较高，微生物迅速将较容易降解的物质消耗殆尽，启动后日沼气产量迅速上升，产生第1个产气高峰，T1,T2,T3处理组的最高日沼气量分别达到840，850，750 mL。而体系中较难降解的有机物仍残留在其中，在厌氧消化后期微生物逐步将较难利用的有机物降解，因此产生第2个产气高峰。T1，T2，T3，T4，T5，T6处理组累计沼气产量分别为321.78，308.05，303.94，365.83，362.61，344.83 mL·g-1VS，在含固率相同的条件下，产气量随接种比的增大而降低。在所有处理中，TS为8%，RI/S为0.8时沼气产率最大，为365.83 mL·g-1VS，且显著高于其他各处理组(p<0.05)。

图1 4%TS日沼气产量随时间变化曲线

图2 8%TS日沼气产量随时间变化曲线

根据不同处理下的累计沼气产量，计算其平均值I，由I值计算同一影响因素不同处理水平时累计沼气产量变化的极值R，用以表征该影响因素的变化给累计沼气产量带来变化的大小。计算得TS为4%和8%含固率下其平均值I分别为311.26和357.75 mL·g-1VS，RI/S为0.8，1.0，1.2不同接种比下其平均值I分别为343.81，335.33，324.39 mL·g-1VS，可见含固率TS为8%，接种比RI/S为0.8时为最优处理。当仅考虑含固率TS对累计沼气产量的影响时，发现I8%>I4%,即体系的TS越高，产沼气能力越强。而当仅考虑接种比RI/S对累计沼气产量的影响时，发现I0.8>I1.0>I1.2,即体系的接种比越高，产沼气能力越强。同时，当仅考虑含固率影响时，计算得到Ra为46.49，仅考虑接种比影响时，Rb为19.42，Ra>Rb，表明含固率对累计沼气产量的影响力大于接种比。

如图1和图2所示，8%TS的处理组较4%TS的处理组启动更快，8%TS的处理组产甲烷延滞期为9天，4%TS的处理组产甲烷延滞期为10天，产甲烷延滞期随含固率的提高而略有缩短，产甲烷延滞期是因为水解酸化后积累了大量挥发酸抑制了产甲烷菌的生长。由图3可以看出，TS为4%处理组启动前甲烷体积分数较8%TS处理组低，说明TS为4%的处理组体系微生物自我调节能力弱于TS为8%的处理组，T4，T5，T6处理组能更快地使酸化得到缓解，pH值更快地恢复到适宜甲烷菌生长的范围内，甲烷菌大量繁殖并且开始利用前期积累的挥发酸。

图3 厌氧消化过程中甲烷体积分数的变化

2.2 含固率和接种比对累计甲烷产量的影响

T1，T2，T3，T4，T5，T6累计甲烷产量分别为218.39，210.28，203.11，253.81，253.50，242.75 mL·g-1VS。8%TS，RI/S为0.8时累计甲烷产量最大，为253.81 mL·g-1VS，且显著高于其他各处理(p<0.05)。含固率一定时，随着接种比的提高，累计甲烷产量呈下降趋势(见图4和图5)。

图5 8%TS下累计甲烷产量随时间变化曲线

图4 4%TS下累计甲烷产量随时间变化曲线

Lawal[10]等研究表明，含固率一定时，累计甲烷产量随接种比的增加而增加。徐晓秋[11]等以牛粪为厌氧消化底物，设置3个接种浓度10%，30%，50%，发现当接种量为30%时厌氧发酵效果较好。本研究可能是因为使用的接种污泥活性较好，单位接种污泥中含有更多的微生物，在接种比较低时就能为尾菜厌氧消化提供充足的接种物，而接种量过多则导致发酵料液中可以被微生物所利用的营养成分减少，微生物生长代谢缓慢，对底物利用不充分[12]。当接种比较高时为了保证高厌氧消化效率，反应器的容积需增大[13]。如图6～图8所示，在接种比相同的条件下，TS为4%时，累计甲烷产量更低，可能是因为在含固率较低的体系中底物中可利用的营养成分不足，导致产气率降低[12]。

图6 RI/S=0.8时累计甲烷产量随时间变化曲线

图7 RI/S=1.0时累计甲烷产量随时间变化曲线

图8 RI/S=1.2时累计甲烷产量随时间变化曲线

如表3所示，TS为4%时，T1，T2，T3分别在第14，14，12天时出现产甲烷峰值，分别为33.11，37.31，38.07 mL·g-1VS·d-1；TS为8%时，T4，T5，T6分别在第15，15，13天时出现产甲烷峰值，分别为29.47，34.32，34.80 mL·g-1VS·d-1。在含固率一定时，随着接种比RI/S的提高，产甲烷峰值逐渐增大，峰值出现的时间提前，厌氧消化周期缩短，累计甲烷产量降低。房明[14]等在研究接种比对餐厨垃圾中温厌氧消化批式实验中，设置接种比为1，2，3，4，实验结果表明接种比为最低值1时，产气峰值出现时间最晚，产气周期最长，这与本实验结果基本一致。4% TS，RI/S为1.2时产甲烷峰值最大，为38.07 mL·g-1VS·d-1，但是累计甲烷产量最低，为203.11 mL·g-1VS，这可能是因为在总固体含量较低时，传质效果好，因此降解底物的速率较快，但底物中可利用的营养成分不足，导致单位底物累计产甲烷量较低[12]。

表3 各处理组产甲烷情况比较

2.3 含固率和接种比对厌氧消化液特性的影响

2.3.1 pH值

由图9和图10可知，所有处理组的pH值均呈先下降后上升的趋势，厌氧消化初期由于尾菜水解酸化造成VFAs大量积累，pH值随之迅速降低，厌氧消化第3天时各处理组pH值均为最低，T1，T2，T3，T4，T5，T6处理组pH值分别达到5.70，5.79，5.93，5.73，5.72，5.61。T6处理组pH值下降幅度最大，pH值最低至5.61。适宜产甲烷菌生长的pH值范围为6.5～7.2[15]，pH值变化可引起产甲烷菌生存和代谢途径的剧烈变化[14, 16]。随着产甲烷菌活性的恢复，大量积累的VFAs被逐渐消耗，转化为CH4和CO2，pH值亦随之逐渐上升，并稳定在7.6～8.4。本研究pH值的变化与刘芳[17]等的研究相似，均是先上升后下降，且在刘芳等的研究中，pH值最低至5.0～5.5，而最终稳定在7.0。

图9 TS4%时pH值随时间变化曲线

图10 TS8%时pH值随时间变化曲线

2.3.2 挥发性脂肪酸

挥发性脂肪酸(VFAs)是厌氧消化过程中重要的中间代谢产物，VFAs的浓度反映了底物进入反应器内被有效微生物降解后中间代谢产物的情况[18]，因此VFAs的浓度可以较好地体现反应器内基质的水解酸化程度和代谢产物产气情况[19-20]。

如图11所示，厌氧消化初期TS为8%的处理组乙酸含量明显高于TS为4%的处理组，各处理组厌氧消化初期乙酸含量波动下降，与其他处理组相比较，T4处理组厌氧消化后期乙酸含量有一个明显的上升，在第21天时乙酸出现一个峰值，浓度达到2955.14 mg·L-1，这可能是由于产酸菌将前期发酵体系中未完全利用的底物进一步降解产生的。

图11 乙酸含量随时间变化曲线

图12为各处理组在厌氧消化过程中丙酸含量的变化趋势，TS为8%的处理组丙酸浓度明显高于TS为4%的处理组，各处理组丙酸含量在第0～16天内均是呈先上升后下降又波动上升的趋势，第16天后T1，T2，T3，T6处理组丙酸含量随厌氧消化进程缓慢下降，T4和T5处理组丙酸含量在第16～21天内呈先下降后上升的趋势，在第21天时，T4和T5的丙酸含量分别达到峰值1981.522 mg·L-1，1580.061 mg·L-1，厌氧消化第33天时，这部分丙酸最终被全部降解。厌氧消化初期丙酸含量迅速上升是由于发酵细菌利用水解阶段的产物作为生长底物，并将它们进一步转化成乳酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸及乙醇，H2和CO2等小分子物质。厌氧消化后期各处理组均出现了不同程度的丙酸抑制现象，含固率越高，接种比越低，丙酸抑制现象越明显，接种比较高时，厌氧消化系统对丙酸消耗更快，能更加快速地解除丙酸抑制，使后续厌氧消化更为顺利地进行。而含固率越高，丙酸抑制现象越严重，TS为8%，RI/S为0.8时，丙酸抑制现象最严重，丙酸浓度最高可达1981.522 mg·L-1。Wang[20]等研究发现的丙酸抑制浓度为900 mg·L-1，本研究中各处理组丙酸浓度峰值均高于900 mg·L-1，但是随着厌氧消化的不断进行，各处理组积累的丙酸最终均被完全降解。

图12 丙酸含量随时间变化曲线

如图13所示，丙酸型发酵和丁酸型发酵同时存在于尾菜厌氧消化过程中，丁酸在厌氧消化第18天时基本被完全利用，而丙酸在第18天时依然保持较高浓度，在18 d以后丙酸浓度持续上升，这说明与丁酸相比，丙酸更难降解。

图13 丁酸含量随时间变化曲线

本研究产生丙酸抑制的原因除丙酸自身较难降解[21]外，还可能是因为接种比较低，当丙酸超过一定浓度时，抑制了产甲烷菌的活性，进而导致产甲烷量的降低，同时丙酸积累更加严重。但本研究中体系内可利用的底物有限，因此丙酸不会无限上升。Yeole[22]等研究表明，丙酸浓度达到5000 mg·L-1时，牛粪厌氧消化甲烷产量降低了22%～38%。研究表明，可以通过增大接种量、添加粒状活性炭、添加微量元素和稀释等[23]方式加快丙酸降解速度。

图14为各处理组在厌氧消化过程中总挥发性脂肪酸的含量变化趋势图，尾菜含有大量的碳水化合物，碳水化合物在厌氧消化初期迅速水解酸化导致挥发酸大量积累[21]，在第3天时各处理组均出现第1个峰值。厌氧消化后期，T4处理组在第21天时再次出现峰值，是由于乙酸、丙酸含量增加，进而导致总酸浓度上升。徐颂[6]等研究发现VFAs浓度范围在1810～6960 mg·L-1时，产甲烷过程受到抑制。本研究中，厌氧消化第3天时各处理组总酸浓度均达到最高，且浓度均超过6960 mg·L-1，此时产甲烷过程被完全抑制，但是后续产甲烷菌活性逐渐恢复后厌氧消化反应正常启动。

图14 总酸含量随时间变化曲线

2.3.3 TS及VS去除效果

如图15所示，T1，T2，T3，T4，T5,T6处理组TS的去除率分别为42.75%，41.75%，37.25%，43.38%，42.38%，40.25%；VS去除率依次为50.19%，49.04%，43.36%，51.78%，49.71%，47.76%。接种比相同时，8%TS的处理组TS去除率及VS去除率均高于4%TS的处理组。在所有处理组中，T4处理组去除率最高。结果表明，含固率一定时，去除率随着接种比的增加而降低。在接种比相同的条件下，含固率越高，去除率越高。

图15 不同处理下TS及VS去除率

3 结论

(1)本实验中，含固率相同的条件下，厌氧消化产气量随接种比的增大而降低。通过计算可知，含固率对产沼气能力的影响大于接种比。

(2)在实验设计范围内，含固率越高产甲烷能力越强，接种比越低产甲烷能力越大。尾菜厌氧消化最优处理为：TS为8%，RI/S为0.8，最大累计产甲烷量为253.81 mL·g-1VS，并且显著高于其他各处理组(p<0.05)。

(3)在尾菜厌氧消化过程中，丙酸累积是抑制体系甲烷化过程的主要因素。各处理条件下尾菜厌氧消化后期均出现了丙酸抑制现象，含固率越高，接种比越低，丙酸抑制现象越严重。8%TS，RI/S为0.8时，丙酸浓度最高可达1981.522 mg·L-1。