KOH固态预处理对蔬菜秸秆厌氧消化性能的影响*

孟 艳 李 屹 杜中平 陈来生 韩 睿

(青海大学农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016)

蔬菜是我国种植业中仅次于粮食作物的第二大农作物，其播种量和产量连年居世界首位。据统计，截止到2019年，我国蔬菜种植面积已达2 314.49万hm2[1]。在蔬菜生产、收获的过程中产生了大量秸秆，富含有机质(可消化蛋白、纤维素和半纤维素)和N、P、K等多种营养元素，具有较高的再利用潜力[2]。但我国大部分蔬菜秸秆却未能得到有效利用，就地填埋和焚烧的现象仍普遍存在，造成极大的资源浪费和环境污染。厌氧消化是有机固体废物无害化、资源化利用的有效途径，已广泛应用于木质纤维素类废弃物处理的研究中[3-5]。然而，蔬菜秸秆中因木质纤维素组成复杂，直接利用会影响底物的水解速度从而导致厌氧消化的效率降低[6]9290-9291,[7]。因此，降低秸秆中木质纤维素之间的聚合度对于提高蔬菜秸秆厌氧消化性能至关重要。

预处理技术是提高木质纤维素类废弃物厌氧消化效率的有效手段，其中碱法预处理是最为常见且高效的方法之一。相对于其他碱处理试剂，KOH作为一种强碱，不但能有效破坏木质纤维素之间的相互连接，增加木质素的溶解性以及半纤维素和纤维素的水解性，提高厌氧消化效率，而且更能被回收利用，降低对环境的污染[8]。JAFFAR等[9]用6%(质量分数，下同)KOH预处理小麦秸秆后其累积甲烷产量提高了41%，同时增加了沼液沼渣中的K含量，提高了肥效。KORAI等[6]9291及屈若然等[10]研究发现KOH预处理可以改善秸秆产气性能，提高厌氧消化效率，并减少回收预处理试剂的成本，降低对环境的污染。同时，传统的碱法预处理因其固体负荷较低，大量废液排出，可能会污染环境。固态预处理具有耗水量少、不产生化学废液、无需固液分离及能耗低等优点，更适合秸秆厌氧消化的工程化应用[11]11034。为了在有效提高蔬菜秸秆厌氧消化性能的同时，进一步降低其对环境的污染，本研究采用不同浓度的KOH对4种蔬菜秸秆进行固态预处理，探讨KOH预处理对蔬菜秸秆厌氧消化性能的影响，同时对比分析最优处理条件下发酵液的营养价值，以期为蔬菜秸秆资源的最大化、无害化利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

蔬菜秸秆(番茄秸秆、黄瓜秸秆、辣椒秸秆和茄子秸秆)取自青海大学农林科学院园艺创新基地。自然条件下风干后，采用AQ-180E型磨粉机粉碎后，过8目尼龙筛(粒径<2.5 mm)，自封袋密封保存备用。接种物取自青海某农业有限责任公司以牛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。发酵原料基本特性见表1。

1.2 预处理方法

预处理系统的含水率设定为70%，KOH摩尔浓度设置为0.2、0.4、0.6、0.8 mol/L。将配制好的KOH溶液均匀喷洒在蔬菜秸秆上，装入锥形瓶中，封口膜密封后室温下处理24 h。0.2、0.4、0.6、0.8 mol/L KOH预处理的4种蔬菜秸秆进行如下标记：番茄秸秆，KT1、KT2、KT3和KT4；黄瓜秸秆，KC1、KC2、KC3和KC4；辣椒秸秆，KP1、KP2、KP3和KP4；茄子秸秆，KE1、KE2、KE3和KE4。同时，分别取未处理的番茄秸秆、黄瓜秸秆、辣椒秸秆和茄子秸秆作为对照，依次记为T0、C0、P0和E0。

1.3 实验方法

预处理完成后，采用MultiTalent 203型全自动甲烷潜力测试仪进行批式厌氧消化实验。添加接种物及物料的总量为400 g，调节接种物与物料的质量为2∶1(基于VS计算)，搅拌均匀后置于(35.0±0.5) ℃恒温水浴锅中进行厌氧消化，搅拌设置为工作1 min、停止3 min，每组设置3个平行；另设纯接种物作为空白对照。在运行过程中，甲烷潜力测试仪每天自动记录甲烷产生量，采集日产甲烷量和累积甲烷产量的数据。厌氧消化结束后测定发酵液的pH、氨氮浓度、碱度、挥发性脂肪酸(VFAs)浓度，同时选取最优处理组和对照组测定全氮、全磷和全钾含量。

1.4 指标测定

TS和VS用干燥法测定；木质素、纤维素和半纤维素含量采用F800纤维素仪测定；傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析采用固体溴化钾压片法；pH采用pHS-2F型pH计测定；氨氮和VFAs均采用比色法测定；碱度采用滴定法测定(使用ZDJ-4A自动电位滴定仪)；全氮、全磷和全钾分别采用硫酸-催化剂消解法、NaOH熔融—钼锑抗比色法和火焰光度法测定；有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定(使用普兰德Titrette滴定仪)。

1.5 数据分析

采用修正的Gompertz模型(见式(1))对甲烷产量数据进行拟合处理[12]：

(1)

式中：M为某时刻甲烷产量，基于VS计算，mL/g；Pm为产甲烷潜力，基于VS计算，mL/g；Rm为最大产甲烷速率，基于VS计算，mL/(g·d)；e为常数，取2.718282；λ为迟滞时间，d；t为厌氧消化时间，d。

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

采用SPSS 26软件进行数据显著性统计分析，各处理间差异采用单因素方差(ANOVA)分析，p<0.05则认为存在显著差异。

2 结果与讨论

2.1 预处理对蔬菜秸秆甲烷产量的影响

图1为KOH固态预处理后蔬菜秸秆的日产甲烷量。由图1可知，30 d的厌氧消化时期内，KOH预处理前后各蔬菜秸秆日产甲烷量均呈先升高后降低的趋势。不同浓度KOH预处理后各蔬菜秸秆达日产甲烷高峰的时间不同，但日产甲烷高峰均高于各自的对照组。其中黄瓜秸秆各处理日产甲烷量最大，在第2～3天出现高峰，峰值为84.91～96.12 mL，均高于第2天出现的对照组峰值(77.88 mL)；番茄秸秆各处理在第4～6天出现峰值(64.52～77.89 mL)，均高于第4天出现的对照组峰值(61.94 mL)；茄子秸秆和辣椒秸秆各处理均在第2天达日产甲烷高峰，峰值分别为77.81～95.08、54.91～75.05 mL，均高于各自的对照组峰值(茄子秸秆54.00 mL、辣椒秸秆49.92 mL)。这说明，经KOH固态预处理后蔬菜秸秆的日产甲烷量得到了有效提升。同时，与低浓度相比，0.6、0.8 mol/L KOH预处理后各蔬菜秸秆的日产甲烷量相对较高，说明0.6、0.8 mol/L KOH预处理对蔬菜秸秆的日产甲烷量的提升效果最为明显。

由图2可知，各浓度KOH预处理均能提高蔬菜秸秆的累积甲烷产量，且与对照相比差异显著(p<0.05)。李琳等[13]及SHEN等[14]分别对玉米秸秆及柳枝稷进行预处理，同样发现KOH预处理能有效提升秸秆的产甲烷性能。4种蔬菜秸秆中，黄瓜秸秆累积甲烷产量最高，番茄秸秆和茄子秸秆次之，辣椒秸秆最低。随着KOH浓度的增加，蔬菜秸秆的累积甲烷产量逐渐增大。各蔬菜秸秆经0.6、0.8 mol/L KOH固态预处理后所得到的累积甲烷产量无显著差异(p>0.05)，从减少化学试剂用量、节约成本的角度出发，选择0.6 mol/L KOH预处理蔬菜秸秆更适宜。经0.6 mol/L KOH预处理后，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆累积甲烷产量分别为203.08、183.62、166.05、120.56 mL/g，较各自的对照组分别提高了33.83%、38.74%、32.40%和32.48%。

值得注意的是，本研究中最佳KOH固态预处理试剂的使用量为0.6 mol/L，换算成质量分数为3.36%，处理25 g蔬菜秸秆需消耗1.95 g KOH。与其他木质纤维素类原料相比：麦草最佳的预处理条件为处理25 g麦草添加5 g KOH[15]；玉米秸秆KOH固态预处理最佳条件为处理25 g秸秆添加2 g KOH[16]；朱哲[17]发现4% KOH预处理下茄子秸秆甲烷产量最高，为159.00 mL/g；柳丽等[18]采用KOH和氨水联合预处理青稞秸秆，发现最优KOH质量分数为5.13%。由此可见，本研究中使用的KOH剂量更低。此外，本研究采用了固态预处理的方法，并不会产生大量废液，无需对预处理试剂进行二次回收，整体上操作更为简便且同样能明显提升蔬菜秸秆的甲烷产量。

图1 KOH固态预处理蔬菜秸秆的日产甲烷量Fig.1 Daily methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

动力学模型经常被用来评估厌氧消化的工艺参数，对进一步了解厌氧消化过程至关重要。由表2可知，不同处理拟合出的Pm与实际累积甲烷产量很接近，R2介于0.982～0.997，表明修正的Gompertz模型对所有处理均具有较高的拟合度。经KOH预处理后，4种蔬菜秸秆的Rm大体高于各自的对照组，说明KOH预处理蔬菜秸秆能够提高其厌氧消化的水解速率。λ可以间接反映消化效率[19]。辣椒秸秆各处理的λ均小于零，表明预处理前后的辣椒秸秆厌氧消化过程中未出现滞后期。其余3种蔬菜秸秆经KOH预处理后的λ均低于对照组，说明厌氧消化过程的滞后期缩短，厌氧消化效率得到了提升。

2.2 预处理前后蔬菜秸秆木质纤维素含量变化

由表3可知，预处理后各蔬菜秸秆的木质素、纤维素和半纤维素含量均有不同程度降低。与对照组相比，随着KOH浓度的增加，各蔬菜秸秆半纤维素和纤维素降解率逐渐增加，且与对照组差异显著(p<0.05)。其中，半纤维素的降解效果最明显，降解率分别为黄瓜秸秆7.17%～23.01%、番茄秸秆11.55%～36.86%、茄子秸秆12.96%～44.64%和辣椒秸秆18.16%～41.75%；而纤维素的降解率为3.12%～13.09%。对于木质素，当KOH摩尔浓度较低时(0.2、0.4 mol/L)，其降解率不高(0.37%～7.64%)，且与对照组相比大体上差异不显著(p>0.05)；当KOH摩尔浓度≥0.6 mol/L时，各蔬菜秸秆处理组与对照组差异显著(p<0.05)，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆的木质素降解率分别为9.04%～10.72%、23.74%～24.55%、14.11%～14.69%和16.67%～19.25%。这说明，较高浓度KOH预处理能有效溶解木质素，增加细胞外酶对底物的可及性，有利于提高其厌氧消化效率。该结果与ZHENG等[20]的研究结果一致。

注：采用了多重比较字母标记法，不同字母标记代表同一蔬菜秸秆不同处理间的差异显著(p<0.05)，表3同。图2 KOH固态预处理蔬菜秸秆的累积甲烷产量Fig.2 Cumulative methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表2 KOH固态预处理蔬菜秸秆甲烷产量的拟合结果Table 2 Fitting model parameters of methane yields of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表3 预处理前后蔬菜秸秆木质纤维素的质量分数Table 3 Lignocellulose content of vegetable straws before and after pretreatment %

2.3 FTIR分析

为进一步了解KOH固态预处理对蔬菜秸秆官能团的影响，采用了FTIR对0.6 mol/L KOH处理组及对照组进行了分析。由图3可知，KOH固态预处理前后各蔬菜秸秆的吸收峰形状相似，主要差异集中在800～1 800 cm-1。其中，1 729 cm-1附近为非共轭羰基伸缩振动的吸收峰，1 052 cm-1附近为醚键的伸缩振动峰，两者均为半纤维素的特征吸收峰[21]1857,[22]。与对照组相比，处理后各蔬菜秸秆在1 729、1 052 cm-1附近吸收峰强度均出现不同程度减弱，这说明KOH预处理后各蔬菜秸秆中半纤维素含量降低。同时，预处理后各蔬菜秸秆在与纤维素密切相关的1 415、896 cm-1附近[21]1857，吸收峰强度均减弱，说明预处理后蔬菜秸秆中纤维素含量降低，这与表3的结果一致。此外，1 243、1 515 cm-1处为木质素特征吸收峰，前者代表酚类中C—O伸缩振动的吸收峰，后者代表芳香环的框架振动和C—H拉伸的吸收峰[23-24]；预处理后各蔬菜秸秆这两处吸收峰相比对照组均减弱，说明在0.6 mol/L KOH预处理过程中木质素的芳香环结构被破坏，木质素发生了溶解。

2.4 发酵液pH、VFAs浓度、碱度、氨氮浓度及营养元素含量分析

pH、VFAs浓度、碱度和氨氮浓度等指标与厌氧消化系统的稳定性密切相关。由表4可知，各处理pH为6.58～7.32，均在产甲烷菌适宜生长的pH范围内(6.5～8.2)[25]。各处理的氨氮质量浓度为346.92～742.81 mg/L，远小于SHI等[26]报道的氨氮抑制浓度，说明系统均未出现氨抑制现象。VFAs是厌氧消化过程中重要的中间代谢产物，它和碱度的比值可以反映厌氧消化系统的稳定性和缓冲能力[27]。各处理发酵液中VFAs均低于900 mg/L，碱度介于3 807.55～5 509.25 mg/L，且各处理的VFAs与碱度的比值介于0.06～0.22，小于0.4，说明系统具有良好的缓冲能力和稳定性。

图3 KOH固态预处理蔬菜秸秆的FTIR图谱Fig.3 FTIR spectra of vegetable straws with KOH solid-state pretreatment

表4 发酵液的pH、VFAs、碱度和氨氮Table 4 pH,VFAs,alkalinity and ammonia nitrogen of fermentation liquid

由表5可知，与对照组相比，0.6 mol/L KOH预处理后的黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆中的K含量分别提高了2.90%、26.54%、4.88%和3.80%。这表明，KOH预处理过程中添加的K能够有效保留在发酵液中，不会随着厌氧消化的进行而消耗。K是增加土壤肥力和促进植物生长不可或缺的营养元素，在消化系统中添加K可以提高发酵液的营养价值[28]。LIU等[11]11038采用KOH处理玉米秸秆也发现添加的K在沼液中保存良好。MOSET等[29]研究也发现，采用KOH处理后，沼液沼渣中K可增加肥效且无环境污染。相较于对照组，KOH预处理后各蔬菜秸秆更有效保留了K，发酵液的营养价值更高；同时减少了回收预处理试剂的成本，降低了对环境的污染。同时，KOH预处理前后各蔬菜秸秆发酵液中含有丰富的N(20.19～24.51 g/kg)和P(6.28～8.10 g/kg)，可以作为有机肥施用于农作物，能够提高土壤肥力和改善作物品质，这对于物质的循环利用具有重要意义。此外，K+进入环境中也不会引起土壤盐渍化等危害土壤的现象[30]。更有研究表明，我国不同区域间K亏缺与盈余程度有差异，但大多数农田的土壤有效K含量仍处于偏低水平；种植产量高的作物从土壤中吸收带走的K也呈增加趋势，农田K总体呈亏缺状态[31-32]。采用KOH预处理蔬菜秸秆沼液沼渣还田后不仅可以弥补K的亏缺，还能减少化肥的施用。因此，KOH固态预处理是一种高效且环保的蔬菜秸秆等木质纤维素类废弃物预处理方法。

表5 发酵液中营养元素Table 5 Nutrient content of fermentation liquid

3 结 论

(1) KOH固态预处理能显著提高蔬菜秸秆的累积甲烷产量(p<0.05)。随着KOH浓度的增加，蔬菜秸秆的累积甲烷产量逐渐增大。0.6、0.8 mol/L KOH预处理后获得的累积甲烷产量无显著差异(p>0.05)，从减少化学试剂用量、节约成本的角度出发，选择0.6 mol/L KOH更适宜。经0.6 mol/L KOH预处理后，黄瓜秸秆、番茄秸秆、茄子秸秆和辣椒秸秆累积甲烷产量分别为203.08、183.62、166.05、120.56 mL/g，较各自的对照组分别提高了33.83%、38.74%、32.40%和32.48%。

(2) KOH固态预处理能有效降解蔬菜秸秆的木质纤维素，且KOH浓度越大，降解率越大。其中半纤维素降解效果最明显，降解率为7.17%～44.64%；当KOH摩尔浓度≥0.6 mol/L时，可有效降解木质素，降解率为9.04%～24.55%。

(3) KOH固态预处理过程中添加的K能够有效保留在发酵液中，提高发酵液营养价值(各处理K含量比对照组提高了2.90%～26.54%)，同时减少回收预处理试剂的成本，降低对环境的污染。KOH固态预处理是一种高效且环保的蔬菜秸秆预处理方法。