孫 娟 ，李 東 ，鄭 濤 ?，劉曉風(fēng)

（1. 常州大學(xué)城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇 常州，213164；2. 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041）

0 引 言

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)蔬菜產(chǎn)量位居世界第一，占世界總量的 49%[1]，同時(shí)我國(guó)每年產(chǎn)生的蔬菜廢棄物達(dá)到了1億t[2]。日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的蔬菜廢棄物，新鮮果蔬廢棄物占我國(guó)城市生活的20% ～ 50%[3]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)集約化種植的迅速發(fā)展，果蔬廢棄物的產(chǎn)量急劇增加，在農(nóng)作物中所占比重越來(lái)越大[4]。目前對(duì)蔬菜廢棄物的處理主要有焚燒、堆肥、衛(wèi)生填埋等。其中焚燒和衛(wèi)生填埋是中國(guó)最常見(jiàn)的垃圾處理方式，但其產(chǎn)生的二次污染、能耗以及大范圍占地將對(duì)環(huán)境問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)麻煩[4]。蔬菜廢棄物含水率和有機(jī)質(zhì)含量高，非常適宜厭氧消化處理，該工藝能產(chǎn)生沼氣清潔能源，消化產(chǎn)物還可用作土壤改良劑或者有機(jī)肥，是實(shí)現(xiàn)蔬菜廢棄物垃圾資源化和減量化的最佳途徑[5-6]。

然而，蔬菜廢棄物是一種極易腐敗的原料，在厭氧消化過(guò)程中容易出現(xiàn)酸化抑制產(chǎn)氣，尤其是在高負(fù)荷厭氧消化條件下，水解酸化與產(chǎn)甲烷兩個(gè)過(guò)程不能較好地匹配，極易引起揮發(fā)性有機(jī)酸積累，產(chǎn)甲烷受到抑制，最終導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)[7]。因此，大部分沼氣工程選擇在低負(fù)荷條件下運(yùn)行，雖能保證沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定，但無(wú)法兼顧效率，造成反應(yīng)器體積資源的浪費(fèi)，使得工程整體的經(jīng)濟(jì)性比較差[8]。

微量元素（trace element, TE）Fe、Co、Ni的添加已成功地促進(jìn)不同底物的厭氧消化系統(tǒng)，比如玉米秸稈、小麥秸稈、餐廚垃圾、屠宰場(chǎng)垃圾等[9-12]。金屬酶是產(chǎn)甲烷化和產(chǎn)酸化階段重要的輔助因子，同時(shí)，微量元素在金屬酶中會(huì)形成酶活性中心，其中金屬酶包括氫化酶、輔脫氫酶、甲基轉(zhuǎn)移酶、甲酸脫氫酶，微量元素對(duì)厭氧消化系統(tǒng)非常重要[13-16]。

目前，對(duì)微量元素調(diào)控蔬菜廢棄物厭氧消化系統(tǒng)的研究還非常少，為使蔬菜廢棄物厭氧消化過(guò)程能夠在高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)添加微量元素來(lái)及時(shí)調(diào)控，強(qiáng)化穩(wěn)定厭氧消化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 發(fā)酵原料

蔬菜廢棄物取自四川省成都市海吉星蔬菜交易區(qū)，每次取樣100 kg，一共取樣3次。利用濕物粉碎機(jī)將蔬菜樣粉碎至粒徑4 ～ 5 mm并攪拌均勻，放置于4℃冰柜中冷藏保存。原料基本性質(zhì)列于表1。

表1 蔬菜廢棄物理化性質(zhì)Table 1 Physical-chemical characteristics indexes of the vegetable waste

1.1.2 接種物

本試驗(yàn)接種物取自成都市雙流縣某沼氣基地沼氣池，以豬糞為主。往反應(yīng)器中加入59.5 L接種物，在中溫條件下（35℃）進(jìn)行為期20 d的馴化培養(yǎng)。馴化后接種物pH值在7 ～ 8范圍內(nèi)，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%以上。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置為連續(xù)攪拌全混式反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor, CSTR），在線(xiàn)監(jiān)測(cè)pH、ORP、溫度、產(chǎn)氣量。發(fā)酵罐總體積70 L，有效體積59.5 L，頂部配有攪拌電機(jī)，每天攪拌8次，每次攪拌30 min，轉(zhuǎn)速30 ～ 40 r/min。反應(yīng)器外部有加熱保溫裝置，將反應(yīng)罐內(nèi)溫度控制在35℃。試驗(yàn)反應(yīng)裝置如圖1所示。

圖1 70- L厭氧消化試驗(yàn)反應(yīng)裝置圖Fig. 1 The reactor of 70 L AD experiment

試驗(yàn)運(yùn)行條件如表2所示。每天定時(shí)從發(fā)酵罐排放出2.98 L沼液，并將沼液中沼渣過(guò)濾。向反應(yīng)器投加回流的沼液體積與原料體積之和等于排放沼液的體積。除了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，每天監(jiān)測(cè)沼氣中的CH4濃度。當(dāng)CH4濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì)時(shí)，立即添加微量元素（Fe、Co、Ni）至系統(tǒng)指標(biāo)恢復(fù)穩(wěn)定值，再提高有機(jī)負(fù)荷率（organic Loading rate, OLR）。微量元素投加量為 Fe 1.0 mg/(L·d)、Co 0.1 mg/(L·d)、Ni 0.2 mg/(L·d)。

表2 試驗(yàn)運(yùn)行條件Table 2 Operating condition of the digestion

1.3 指標(biāo)分析方法

總固體（total solid, TS）采用烘干法、揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）采用稱(chēng)重法進(jìn)行測(cè)定；C、N采用元素分析儀測(cè)定；粗纖維、粗蛋白和粗脂肪采用國(guó)標(biāo)法（GB/T2009-2003）測(cè)定；氣體成分采用Agilent 7890A氣相色譜進(jìn)行分析，主要分析CH4和CO2含量，色譜柱為 G3591-70015 3m 1/8 2mm MOLSIEVE 13X 80/100 SS，TCD檢測(cè)器，載氣為氬氣，流速為 30 mL/min，進(jìn)樣口、柱箱和檢測(cè)器溫度分別為100℃、70℃和150℃。

微量元素（Fe、Co、Ni）采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）檢測(cè)分析（HJ 776-2015）。

2 結(jié)果與討論

2.1 池容產(chǎn)甲烷率與微量元素

微量元素的促進(jìn)效果需從厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力來(lái)評(píng)價(jià)，即沼氣的甲烷含量及池容產(chǎn)甲烷率（volumetric methane production rate,VMPR）。

圖2是CH4含量和微量元素的變化趨勢(shì)圖。在厭氧消化啟動(dòng)初期，蔬菜廢棄物逐漸替代原有反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵物料。原有反應(yīng)器的發(fā)酵物料為氨氮含量較高的豬糞，產(chǎn)生的沼氣中CH4含量較高；而蔬菜廢棄物的氨氮含量較低，產(chǎn)生的沼氣中CH4含量相對(duì)較低。因此，在OLR 0.5 gVS/(L·d) 的運(yùn)行條件下，CH4含量呈下降趨勢(shì)。在OLR 1.0 ～ 1.5 gVS/(L·d)的運(yùn)行條件下，CH4含量穩(wěn)定在50% ～ 55%，說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)較為穩(wěn)定。當(dāng)OLR提高到2.0 gVS/(L·d)，CH4含量開(kāi)始快速下降，從50%降到了40%，說(shuō)明系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的能力在下降，產(chǎn)甲烷菌可能受到揮發(fā)性脂肪酸的抑制。從第103天開(kāi)始添加微量元素，CH4含量出現(xiàn)了快速上升的趨勢(shì)，最高達(dá)到了72.6%。添加5天后，CH4含量再次穩(wěn)定在50% ～ 55%，說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。此后的運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)一步提高OLR。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至OLR 3.0 gVS/(L·d)的第20天，CH4含量從58.9%降至53.4%，雖仍保持在50%以上，但下降的幅度較大，說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)可能受到輕微的揮發(fā)酸抑制，此時(shí)立即添加微量元素。3天后CH4含量再次恢復(fù)到了55%以上。

圖2 CH4含量和微量元素含量趨勢(shì)圖Fig. 2 Evaluation of CH4 and trace elements

圖3是VMPR隨OLR的變化趨勢(shì)圖。在OLR 0.5 gVS/(L·d) 運(yùn)行條件下，VMPR呈下降趨勢(shì)，后10 天則趨于穩(wěn)定。在 OLR 1.0 ～ 1.5 gVS/(L·d) 的運(yùn)行條件下，VMPR呈現(xiàn)出階梯式的增長(zhǎng)，說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能良好。然而在OLR 2.0 gVS/(L·d) 開(kāi)始階段，VMPR值相對(duì)OLR 1.5 gVS/(L·d) 沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)產(chǎn)氣受到抑制。從第103天開(kāi)始添加微量元素，VMPR出現(xiàn)了快速上升的趨勢(shì)，從 0.38 L/(L·d) 升到最高 1.43 L/(L·d)，此后穩(wěn)定在0.6 L/(L·d) 左右。繼續(xù)提高OLR，VMPR也有明顯增大。第二次微量元素的添加對(duì)VMPR也起到積極作用。整體來(lái)看，VMPR隨OLR增大而增大。

圖3 VMPR變化趨勢(shì)圖Fig. 3 Evaluation of VMPR

兩次添加后，F(xiàn)e、Co、Ni含量都明顯增大，CH4含量和VMPR均隨之快速上升。這是由于Co的補(bǔ)給可以促進(jìn)厭氧消化系統(tǒng)乙酸化，給產(chǎn)甲烷菌提供更多的直接消化底物，同時(shí)微量元素 Fe、Co、Ni又能促進(jìn)產(chǎn)甲烷化[17-19]。停止微量元素添加后，厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)的微量元素仍然能夠保證厭氧消化微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷代謝需求，因此厭氧消化系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 揮發(fā)性脂肪酸含量、pH和ORP的變化規(guī)律

表3是添加微量元素前后揮發(fā)性脂肪酸濃度的變化情況。第一次添加是103天到112天，第一天微量元素的添加未能迅速改變各揮發(fā)性脂肪酸的高含量狀態(tài)，但在添加了 10天后，揮發(fā)性脂肪酸主要為乙酸和丙酸，且含量都比較低，乙酸從3815.24 mg/L降至108.53 mg/L，丙酸從772.10 mg/L降至48.10 mg/L，正/異丁酸和正/異戊酸含量都為0。第二次添加是在196天到198天，這次添加的第一天，乙酸、丙酸、異丁酸和異戊酸含量都迅速降低，在199天時(shí)，乙酸含量已降至132.55 mg/L，丙酸、異丁酸和異戊酸含量均低于100 mg/L。

表3 微量元素添加前后揮發(fā)性脂肪酸含量的變化Table 3 VFAs changes for trace elements addition

由于微量元素Fe和Co能夠促進(jìn)乙酸化，同時(shí)Ni又能夠促進(jìn)乙酸的利用率[17-19]，因而在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸大量累積后添加微量元素能夠加快其轉(zhuǎn)化。

圖4是系統(tǒng)pH和ORP的變化趨勢(shì)圖。在OLR 0.5 ～ 1.5 gVS/(L·d) 期間，pH 基本維持在 7.5 ～ 7.9，ORP則基本小于-530 mV，除了厭氧消化啟動(dòng)初期pH和ORP的波動(dòng)稍大，OLR 0.5 gVS/(L·d) 穩(wěn)定期后都呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)。但當(dāng)厭氧消化過(guò)程運(yùn)行到OLR 2.0 gVS/(L·d) 時(shí)，pH出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，ORP則明顯上升，這說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸的積累。為避免系統(tǒng)進(jìn)一步惡化，從第113天開(kāi)始添加微量元素，添加之后，pH迅速?gòu)?.21升至7.65，與此同時(shí)ORP迅速降低，從-509 mV降至-539 mV，添加5天后，pH與ORP都基本恢復(fù)到之前穩(wěn)定的狀態(tài)。第二次添加后，pH迅速?gòu)?.16升至7.34，再穩(wěn)定在7.20左右。第一次添加微量元素與第二次添加之間隔了83 d，且這期間 OLR 從 2.0 gVS/(L·d) 升到了 3.0 gVS/(L·d)。

厭氧消化過(guò)程 pH值下降一般意味著有揮發(fā)性脂肪酸累積，ORP則反映微生物細(xì)胞內(nèi)部的氧化還原狀態(tài)，若呈上升趨勢(shì)說(shuō)明系統(tǒng)的丙酸增加使得NADH被氧化為 NAD+。微量元素的添加促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的降解，從而使得pH和ORP出現(xiàn)顯著變化，說(shuō)明微量元素對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的降解起了促進(jìn)作用，穩(wěn)定了厭氧消化過(guò)程。

圖4 pH和ORP趨勢(shì)圖Fig. 4 Evaluation of pH and ORP

3 結(jié) 論

微量元素添加能夠有效提高蔬菜廢棄物厭氧消化穩(wěn)定運(yùn)行的有機(jī)負(fù)荷。蔬菜廢棄物中溫厭氧消化系統(tǒng)在沼液全回流的進(jìn)料方式下，運(yùn)行至OLR 2.0 gVS/(L·d) 時(shí)，消化過(guò)程中CH4含量快速下降，通過(guò)添加微量元素Fe、Co、Ni，CH4含量、pH和ORP均快速地恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，且厭氧消化過(guò)程可在高負(fù)荷條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)微量元素的添加可有效提高池容產(chǎn)甲烷率，VMPR在穩(wěn)定狀態(tài)下可達(dá)到 1.0 L/(L·d)。

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