牛粪与卷心菜尾菜混合厌氧发酵产气性能的研究

雷立帆，马厚龙，廖兴，徐华宇，毕少杰，王彦杰

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

蔬菜是农业生产中不可缺少的组成部分，在我国是仅次于粮食的重要副食品。蔬菜产业给菜农带来经济效益的同时，随之产生的尾菜给农业和农村环境保护带来了难题。据《国家统计局》统计，2020 年我国蔬菜总产量超过7 亿t[1]，而随着我国居民生活水平的提高，人民对蔬菜的食用标准也不断提高。据统计，蔬菜在食用时约70%被利用，剩下约30%的根、茎、叶被废弃成为尾菜[2]。尾菜中有机质含量高，易腐烂，滋生植物病菌和蚊虫，处理不当还会造成严重环境污染。因此，尾菜资源化利用成为了现阶段蔬菜产业中亟待解决的问题。

厌氧发酵技术利用厌氧微生物的代谢活动，将生物质的有机组分降解并转化生成大量主成分为甲烷的生物燃气，产生的沼液可用作有机肥，从而使有机固体废弃物得到合理的利用，是最适宜处理尾菜的技术之一[3]。但是，尾菜单独发酵不仅产气效率较低[4]，还经常出现有机酸快速积累最终导致运行失败的情况[5]。研究发现混合发酵可以提高发酵体系的稳定性和原料的产气率[6]。牛粪中营养丰富，既含有丰富的C、N 等大量元素，又富含Fe、Co、Ni、Se 等微量元素[7-8]，是优质的混合厌氧消化原料。Li 等[9]添加牛粪与水稻秸秆进行共消化（与牛粪之比为1∶1），水稻秸秆产甲烷产率提高了9.6%。Abdullah 等[10]探究了蔬菜废弃物与牛粪混合发酵性能，发现混合发酵的产气效率要高于单独发酵。Xiomara 等[11]通过添加牛粪与废甜菜浆进行混合发酵，结果表明共消化的产气性能要高于单消化，废弃甜菜浆与牛粪混合比例为1∶3 时产气效果最佳。上述研究均表明添加牛粪进行混合发酵相较于单一发酵而言有更高的产气效率以及系统稳定性。

黑龙江省是地处国家北部的农业大省，尾菜产量大，可利用资源丰富。同时，据国家统计黑龙江省2021 年底牛存栏数约515.8 万头[1]，按每头牛平均日产5 kg 牛粪计算，我省年产约940 万t 牛粪，混合厌氧发酵具有较大的应用前景。目前，有关于混合厌氧发酵的研究日益增多，然而现阶段的研究大多从分析混合发酵产甲烷特性的角度开展[12-13]，关于卷心菜尾菜与牛粪混合发酵产甲烷动力学的研究鲜有报道。因此，研究针对卷心菜尾菜单独厌氧发酵产气效率低的问题，通过调整卷心菜尾菜与牛粪的混合比例，利用一级动力学模型对卷心菜尾菜与牛粪混合厌氧发酵产气动力学进行分析，研究添加牛粪对卷心菜尾菜厌氧发酵产气性能的影响，以期提高卷心菜尾菜发酵系统稳定性及产气效率，为卷心菜尾菜及牛粪的资源化利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

卷心菜取自黑龙江省大庆市九区蔬菜批发市场，在分拣出石头、杂草等杂质后，将卷心菜剪切至5 cm 大小，牛粪取自黑龙江八一农垦大学动物科技学院实验基地，筛去样品中的杂质后使用破壁机破碎，将处理后的供试样品置于4 ℃冰箱储存备用，以保证原料的均一性和稳定性[14-15]。接种物来自实验室驯化的稳定厌氧消化发酵液。试验材料的主要特性见表1。

表1 试验材料性质Table 1 Substrate properties

表2 试验组配置表Table 2 Test group configuration table

1.2 试验装置

试验装置为实验室设计的简易厌氧发酵装置，主要由发酵瓶、导气管、取样口、集气袋等4 部分组成如图1 所示。发酵瓶为1 L 具橡胶塞和塑料封口玻璃瓶，橡胶塞上打双孔，分别用于发酵液采样和连接集气袋；集气袋为5 L 铝箔气体采样袋。发酵瓶、集气袋之间以橡胶管和塑料接头连接。

图1 厌氧发酵试验装置组成示意图Fig.1 Anaerobic fermentation test device composition schematic

1.3 试验设计

为确定添加不同比例牛粪对卷心菜尾菜厌氧发酵的影响，设定料液浓度为3%，接种量为30%，保证其他条件相同，将卷心菜尾菜与牛粪按干物质质量比配置成比例为0∶1（T1）、1∶0（T2）、1∶1（T3）、1∶2（T4）、1∶3（T5）、2∶1（T6）和3∶1（T7）的7 个处理，装入容积为1 L 的发酵瓶中，加蒸馏水定容至800 mL，调节pH值至8.0 后封装。发酵物料混匀完全后，将发酵瓶和集气袋整体放入37 ℃的恒温培养箱内发酵30 d。每组设置3 个平行，发酵数据取平均值进行分析。试验期间充分混匀发酵液，观察瓶内发酵情况，防止发酵液分层结壳，并测定发酵过程中甲烷含量、沼气产量的变化，计算日产甲烷率、产沼气速率、产甲烷速率。

1.4 测试方法

料液中的TS、VS 采用烘干称重法测定[16]；使用气体转子流量计（LZB-WB）来测定沼气日产气量，每日取样测定一次并做好记录；通过利用便携式沼气分析仪（BIOGAS5000）测定沼气中甲烷含量。沼气累积产量与甲烷累积产量为发酵30 d 内的沼气日产量总和与甲烷日产量总和；采用便携式pH 计（B-712）测定pH 值。

产甲烷速率通过一级动力学模型计算[17-18]，计算产甲烷速率常数，公式可见：

Cs0 是最大产气量mL·gTS-1，Cs 为最大产气量减去t 时刻的累积产气量mL·gTS-1，k 为速率常数d-1；t是产气时间d。

1.5 数据处理

每组处理均有3 组重复，每组测定1 次，即为3 组数据。数据均以平均数±标准差表示。采用Microsoft Excel 对公式及图表进行制作，采用SPSS 等分析软件对数据进行图表分析和数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 添加牛粪对卷心菜厌氧发酵甲烷含量的影响

图2 显示了添加不同比例牛粪对卷心菜尾菜厌氧发酵过程中甲烷含量的影响。总体来看，发酵过程中的甲烷含量呈现出先升高后缓慢降低的趋势，高峰值主要集中出现在7～13 d。卷心菜与牛粪混合比例为2∶1 时甲烷含量最高，达到64.6%，比卷心菜单独发酵产甲烷含量增加16.0%，达到最大甲烷含量的时间比卷心菜单独发酵提前4 d。因此，当卷心菜与牛粪比例达到2∶1 时进行混合发酵时，甲烷含量的峰值明显提高，达到峰值的时间提前，更利于厌氧发酵产甲烷。

图2 添加牛粪对尾菜厌氧发酵甲烷含量的影响Fig.2 Changes in the content of fermented methane in the mix of cow dung and cabbage tails

2.2 添加牛粪对卷心菜尾菜厌氧发酵产气性能的影响

日产甲烷率可以形象直观地反映混合物料的产甲烷性能，是厌氧消化过程中重要监测指标[19]。添加不同比例牛粪对卷心菜尾菜厌氧消化日产甲烷率的影响如图3 所示。厌氧发酵过程中的日产甲烷率曲线整体上呈现出先增加后减少的趋势，峰值集中出现在第7～13 天之间。添加牛粪与卷心菜尾菜进行混合发酵，日产甲烷率的峰值有明显提高。其中，当卷心菜与牛粪混合比例为2∶1 时，混合发酵获得了最高的日产甲烷率，达到55.3 mL·gTS-1，比单一牛粪和单一卷心菜尾菜厌氧发酵最高产甲烷率分别提高11.8%和40.0%。

图3 添加牛粪对尾菜厌氧发酵日产甲烷率的影响Fig.3 Change of daily methane yield in anaerobic fermentation with different mixing ratio

表3 总结了添加不同比例牛粪和尾菜厌氧发酵的产气性能。在产气率上，尾菜单独厌氧发酵（T2）的产气率最低，添加牛粪进行混合发酵（T3～T7）可以显著提高产气率，尾菜与牛粪混合比例为1∶3（T5）和2∶1（T6）时，产气率提升效果最佳，甲烷产率较尾菜单独厌氧发酵（T2）分别提高了87.4%和111.6%，沼气产率分别提高了46.4%和61.1%。在产气速率上，尾菜单独厌氧发酵（T2）的产气速率较低，添加牛粪进行混合发酵（T5 和T6）也可以显著提高产气速率，产甲烷速率相较于尾菜单独发酵（T2）分别提高了68.2%和90.0%，产沼气速率分别提高了35.9%和37.5%。其中T6 处理组与T5 处理组差异性表现为不显著。相较于其他处理组，产气率和产气速率均有明显提升。试验结果表明，菜粪比例为2∶1 时，产气速率达到最高水平，更适合产生沼气和甲烷。

表3 不同混合比例厌氧发酵的产气性能Table 3 Gas production performance of anaerobic fermentation with different mixing ratio

2.3 添加不同比例牛粪对卷心菜尾菜厌氧发酵的动力学分析

一级动力学模型可以忽略厌氧微生物生长所造成的影响，常用来描述水解、酸化和产甲烷速率[20-21]。表4 为添加牛粪与卷心菜混合厌氧发酵对动力学产气常数k 值的影响。单一卷心菜尾菜发酵的动力学产气常数k 值为0.129 d-1；当卷心菜尾菜与牛粪混合比例为2∶1 时，动力学产气常数k 值最大，为0.150 d-1，反应速率比尾菜单独发酵提高了16.3%，相较于其他处理均有明显升高，产甲烷速率也达到最高水平，产气速率最快。

表4 不同混合比例厌氧发酵动力学常数Table 4 Kinetics constants of anaerobic fermentation with different mixing ratios

表5 不同原料与牛粪混合发酵相关研究Table 5 Study on mixed fermentation of different raw materials and cow dung

3 讨论

卷心菜尾菜易降解，单独厌氧发酵容易出现有机酸积累最终导致运行失败的情况。为增强尾菜厌氧发酵性能，需要采取措施提高发酵系统稳定性及产气效率。牛粪中的营养丰富，可以缓冲厌氧发酵过程中pH 的变化，是优质的混合发酵原料[22]。刘芳等[23]使用蔬菜废弃物与牛粪进行混合厌氧发酵，产气量增加最高202.3%，郑泽慧[24]添加牛粪使柳枝稷厌氧发酵甲烷产量与甲烷产率明显增加，与蔬菜废弃物混合发酵使其产气量提升了165.5%，甲烷产量提升了21.5%。牛粪与芦苇和水葫芦等植物混合发酵，产气量、甲烷含量和甲烷产率均有不同程度的增加，都表现为促进作用[25-27]。王彦杰等[28]用餐厨垃圾和牛粪进行混合发酵，产气量、甲烷含量和甲烷产率分别提升113.6%、250.0%和52.4%。马旭光等[29]添加牛粪使油菜秸秆厌氧发酵产气性能大幅提高。Sihlangu 等[30]使用奶牛牛粪与卷心菜、土豆进行混合厌氧发酵，产气量、甲烷产率分别提高18.9%、103.1%。白岩[31]使用牛粪与卷心菜尾菜进行混合厌氧发酵，甲烷产率提高了52.7%。大量研究表明，添加适宜比例的牛粪与其他原料混合发酵可以有效提产气性能，与研究获得的结果一致。

在同一温度和同一底物原料的条件下，卷心菜尾菜与牛粪混合比例的不同也会影响到甲烷产率。在研究中，随着添加牛粪比例的升高，甲烷产率逐渐升高且峰值前移，当卷心菜尾菜与牛粪的比例达到2∶1 时出现最大值且出现时间最早，一级动力学模型分析结果显示，混合比例下动力学速率常数k 高于其他处理组，分析认为混合比例为2∶1 时反应体系中有机物消化效率高于其他比例，更适合甲烷的产生。

黑龙江省位于我国东北地区，气候寒冷，全年平均气温较低，受温度限制，沼气工程全年仅有二分之一的时间处于正常运行状态下。一般的中型沼气池有效容积约为2 000 m3[32]，通过调整物料的不同混合比例优化产气效果可以有效的提升经济效益。假设在此期间沼气池可达到最优产气效果，以此为前提分别计算不同混合比例下厌氧发酵的年总甲烷产量并换算为代替标准煤的质量，按照近期黑龙江省标准煤市场价格（1 070 元·t-1）计算不同混合比例的年经济效益，计算结果如表6 所示。结果表明，尾菜与牛粪混合比例为1∶3（T5）、2∶1（T6）、3∶1（T7）时经济效益均高于牛粪单独消化（T1）与尾菜单独消化（T2），其中尾菜与牛粪混合比例为2∶1（T6）时经济效益最高为176 123.37 元·年-1。并且混合发酵所用底物均为农牧业废弃产物，成本较低，因此适宜应用于实际生产中。

表6 牛粪与尾菜不同混合比例厌氧发酵年产气经济效益分析Table 6 Analysis of annual gas production income of anaerobic fermentation with different proportions of cattle manure and tailings

4 结论

（1）添加牛粪进行混合发酵可以提高尾菜厌氧发酵的甲烷含量峰值，在卷心菜尾菜与牛粪混合比例为2∶1 时获得最高值64.6%。

（2）添加牛粪进行混合发酵可以提高尾菜厌氧发酵的日产甲烷率和沼气产率，卷心菜尾菜与牛粪混合比例为2∶1 时，日产甲烷率和沼气产率的提升率最高，日产甲烷率较卷心菜尾菜单独发酵提高40.0%，沼气产率较卷心菜尾菜提高61.1%。

（3）添加牛粪进行混合发酵可以提高尾菜厌氧发酵产气速率，卷心菜尾菜与牛粪混合比例为2∶1时，动力学产气常数k 值最大，为0.150 d-1，反应速率提高效果最好，相较于尾菜单独发酵提高了16.3%。

综上所述，添加牛粪与卷心菜混合发酵可以有效地提高甲烷含量、甲烷产量和产甲烷速率，可以有效地改善卷心菜厌氧消化性能。卷心菜尾菜与牛粪混合比例为2∶1 进行混合厌氧发酵时，甲烷发酵产气效果更强，更适合甲烷的产生。