4种蔬菜废叶批量发酵产沼气的研究

魏丹丹，王昌梅，2，刘健峰，2，3，赵兴玲，2，吴 凯，2，梁承月，杨 斌，张无敌，2，3*，尹 芳，2，3

（1.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.吉林东晟生物质能工程研究院，吉林 通化 134118；3.玉溪市江川宝誉环保有限公司，云南 江川 652600）

随着全国种植业结构的调整和城镇居民生活水平的提高，中国已经成为世界上蔬菜产量最大的国家，每年产生的蔬菜废弃物超过2亿吨[1]，不仅造成严重的环境污染，还浪费了大量的生物质资源。为了环境保护和资源合理利用，针对蔬菜废弃物的特殊性质，采用更低成本的方法来解决蔬菜废弃物存在的问题，无论对减少环境的污染还是对新能源的开发和利用都具有重要意义。

蔬菜废弃物作为一种营养丰富的有机固体废弃物，成分包含糖类、纤维素、半纤维及木质素等，且挥发性固体含量占总固体的80%以上，高含水率使其适合采用生物处理工艺[2]。同时，蔬菜废弃物的化学需氧量与氮素之比为100∶4，产甲烷微生物所需范围为100∶4或者128∶4[3]，因此对蔬菜废弃物进行沼气发酵的厌氧生物处理可以生产沼气，可替代化学能源，减少环境污染。厌氧消化结束后产生的沼渣可以再次利用于蔬菜种植，用来提升蔬菜的品质[4]，产生的沼液可以作为灌溉用水，增强土壤肥力[5]。因此，利用厌氧消化处理蔬菜废弃物不仅改善了环境，而且提供了新的生物质能源[6]。目前，国内外众多利用沼气发酵工艺处理蔬菜废弃物的实验中，大部分是对影响厌氧消化过程的工艺因素进行探索。尹燕等研究了花椰菜厌氧消化过程中利用不同沼液进行预处理对其的影响[7]。刘荣厚等研究温度对甘蓝叶废弃物沼气发酵过程的影响[8]。张艳等对娃娃菜的厌氧发酵性能进行了研究[9]。但是对于不同种类蔬菜废弃物厌氧消化的研究较少，不同种类蔬菜废弃物产气能力的大小可以通过产气潜能实验得出。因此本实验选取4 种常见的叶菜类蔬菜废弃物，对其进行产气特性和规律的研究，并进一步对4种蔬菜废弃物产气参数及有机物降解参数进行分析，以期为蔬菜废弃物沼气发酵的工程实践和市场化应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料及预处理

发酵原料取自于昆明市某菜市场收集的蔬菜废弃叶：大白菜、甘蓝菜、生菜、油麦菜。将从菜市场取回的蔬菜废弃物进行分拣，然后用菜刀切成约1～2 cm的碎粒，再将切碎的蔬菜废弃物分别用榨汁机打成浆状（大白菜和甘蓝菜质量比1∶1混合为A；大白菜、甘蓝菜和生菜质量比1∶1∶1混合为B；大白菜、甘蓝菜、生菜和油麦菜1∶1∶1∶1混合为C）备用。接种物为云南省农村能源工程重点实验室以蔬菜废弃物为原料的CSTR厌氧消化反应器稳定运行2年以上驯化的不产气活性污泥。实验材料的各项基本参数如表1所示。

表1 原料及接种物的理化性质Table1 Physical and chemical properties of raw materials and inoculants

1.2 仪器设备

实验仪器为本实验室自行设计的厌氧发酵装置，主要由恒温装置、发酵瓶、集气瓶和计量瓶等部分组成（见图1）。

图1 批量式厌氧消化装置Figure 1 Batch anaerobic digestion unit

1.3 实验方案

本实验分为实验组和对照组，每组设置3个平行，发酵温度控制在为35±1 ℃。实验组共分为7组，每组分别加入发酵原料60 g，接种物120 mL，沼液220 mL。其中实验1组为大白菜组，实验2组为甘蓝菜组，实验3组为生菜组，实验4组为油麦菜组，实验5组为大白菜和甘蓝菜质量比为1:1混合组，实验6组为大白菜、甘蓝菜和生菜质量比为1∶1∶1混合组，实验7组是大白菜、甘蓝菜、生菜和油麦菜质量比为1∶1∶1∶1混合组。对照组和实验组进行批量式沼气发酵，直到实验结束。发酵料液的配比如表2所示。

表2 发酵料液的配比Table 2 Proportion of fermentation broth

1.4 分析方法

（1）总固体含量和挥发性固体含量：采用标准灼烧法测定[10]。

（2）以3个平行实验组的平均产气量作为日产气量，使用气相色谱仪（GC9700II）对甲烷含量进行测定。

（3）发酵物料的酸碱度（pH）：用pH5.5-9.0精密试纸测定。

（4）产气潜力：实验结束后，综合利用实验数据进行产气潜力分析，包括原料产气率、TS产气率和VS产气率。计算公式为：

式中，总产气量，单位为mL；原料质量，单位为g；W为原料质量，单位为g；TS为总固体含量，单位为%；VS为挥发性固体含量，单位为%[10]。

2 结果与分析

2.1 发酵料液前后相关指标测定

各实验组进行批量式沼气发酵前后TS含量、VS含量和pH值的变化情况见表3。由表3可以看出，发酵前实验组1 至实验组7 的TS和VS含量分别为4.71%～6.23%和56.03%～66.64%，发酵后TS和VS含量分别为3.83%～4.74%和52.05%～55.14%。各实验组发酵前的TS和VS含量都比较高，但是随着发酵过程中有机质发生了液化和水解酸化，导致发酵液的TS和VS含量下降，发酵后各实验组的TS和VS含量分别下降0.88%～1.49%和3.98%～11.5%，说明实验发酵情况良好。各实验组的pH初始值范围为6.6～7.2，在经过批量式厌氧消化、微生物降解过程后，各实验组发酵后的pH值为7.3～8.0，相比发酵前pH值有所上升。这是因为正常沼气发酵时，pH值是影响厌氧消化的一个重要因素[11]，大多数厌氧菌在5.5～8.5的pH范围内虽然能够发挥作用，但是最理想的pH范围是6.8～7.6。说明整个实验过程处于正常厌氧消化。

表3 发酵料液前后的pH、TS和VSTable 3 pH，TS and VS before and after fermentation stock solution

2.2 发酵过程中日产气量和日产甲烷量

本次实验共进行了30 d，7组实验组在厌氧消化过程中的日产气量和日产甲烷含量变化（日产气量为日产沼气量；日产甲烷含量为日产沼气的甲烷含量百分比）如图2所示。由图2中可以看出，除实验组1外其他各实验组前3 d产气量较高，且在第1 d出现第1个产气高峰，此时所有实验组的甲烷含量占比均较低，但是日产沼气中的CO2含量相比其他含量较高，可能是因为在厌氧消化初期，甲烷菌的生长速度要慢于产氢产乙酸菌，导致产甲烷菌的消耗速率低于产氢产乙酸菌产生CO2的速率。在第7 d各实验组均出现第2个产气高峰，日产沼气量分别为131、250、185、181、168、166和191 mL，此时甲烷含量占比达到40%左右。第11～18 d，各实验组日产气量在上下波动中缓慢下降，此时除实验组1外，其他实验组甲烷含量占比均达到60%左右，实验组5 达到了65.20%，之后实验组2 至7 均在60%上下，但实验组1 在第10 d 时甲烷含量下降到47.19%，而后甲烷含量相比其他6组较低，出现上述现象的原因是大白菜废弃物在打成浆状的过程中存在没有打碎的废叶，导致发酵过程中发酵液的混合不均匀[12]。这一现象与研究的大白菜产甲烷含量变化规律相吻合[13]。实验组2和实验组5在第19 d达到最后一个产气高峰，分别为109和122 mL，随后各实验组日产沼气量在上下波动中缓慢下降，直到实验结束。

图2 日产气量和日产甲烷含量曲线图Figure 2 Curves of daily gas production and daily methane content

2.3 发酵过程中累积产气量和累积产甲烷含量的变化

蔬菜废弃物沼气发酵过程中累积产气量和累积产甲烷含量的变化情况如图3 所示。从图3 中可以看出：各实验组的累积产气量和累积产甲烷含量均呈现出相同的变化趋势。沼气发酵前期，累积产气量和累积产甲烷含量增长快速，这是因为早期蔬菜废叶中的有机质和水分含量较高，有充足的营养物质可用于厌氧菌的生物降解。在第10～20 d，实验处于厌氧消化中期，累积产气量和累积产甲烷含量上下变化幅度较大，可能是厌氧消化过程中挥发性有机酸的积累抑制了甲烷菌的活性导致产气量下降，随着反应的进行，产酸过程减弱，挥发性有机酸逐渐被甲烷菌利用，产气量回升，从而出现了产气量上下波动的现象[14]。整个发酵阶段处于正常厌氧消化，实验组1至7的累积产气量分别为1 634、3 215、2 363、2 486、2 981、2 300和2 603 mL，平均甲烷含量分别为44.54%、53.48%、54.33%、53.72%和56.39%。

图3 累积产气量和累积产甲烷含量曲线图Figure 3 Cumulative gas production and accumulated methane content graphs

2.4 产气潜力分析

在35±1 ℃进行批量式厌氧消化，7 个实验组的产沼气潜力如表4 所示。通过表中数据可知，在质量相同、各反应条件一致的条件下，不同种类蔬菜废弃物表现出的产气潜力存在差异。混合蔬菜组中产气潜力最优的是大白菜、甘蓝菜质量比为1∶1 的实验组5，其原料产气率、TS产气率和VS产气率分别为50、761、1 035 mL/g，与吉喜燕和刘芳研究的废弃大白菜和甘蓝菜分别进行厌氧消化的TS产气率（291 mL/g 和93.2 mL/g）相比较高，因此二者混合发酵的效果要高于单一发酵[14-15]。单一蔬菜组中产气潜力最优的是甘蓝菜组的实验组2，其原料产气率、TS产气率和VS产气率分别为54、947、1 073 mL/g。单一生菜组实验组3和大白菜、甘蓝菜、生菜质量比为1∶1∶1 的混合蔬菜实验组6 产气潜力和产甲烷潜力接近，即实验效果相似。实验组4和实验组7的产气潜力上下相差不大，但是产甲烷潜力相差3%左右。除实验组1外其他实验组的平均甲烷含量均在53%以上，但是实验组1的产气潜力和产甲烷潜力最低，平均甲烷含量只有44.54%，出现这种现象的原因可能是不同蔬菜组成成分及其含量的不同导致甲烷含量不同。

表4 厌氧消化的产气指标Table 4 Gas production index of anaerobic digestion

3 结论

（1）发酵前期，产气迅速，且产气主要集中在前9 d，日产沼气中的甲烷含量基本在第7 d达到50%左右。发酵后期，各实验组的累积产甲烷量逐渐减小，符合发酵规律，实验设计合理。

（2）在35 ± 1 ℃及厌氧条件下，采用批量式发酵工艺，实验组1～7 的TS产气率分别为820、947、985、964、1 090、761和871 mL/g，相比一些厌氧消化底物，本实验的设计可以更好地实现发酵产沼气。

（3）采用单一蔬菜和混合蔬菜废叶进行30 d批量式厌氧消化实验，单一蔬菜的实验组1～4在发酵的30 d 中水力滞留时间可设为13～18 d，平均甲烷含量最高为54.33%；混合蔬菜的实验组5～7 的水力滞留时间可设为16～21 d，平均甲烷含量最高为56.39%。混合蔬菜组的水力滞留时间要长于单一蔬菜组3 d，但是单一蔬菜组的平均甲烷含量要小于混合蔬菜组2.06%。