陳 羚， 鄒永杰， 董保成

(1．浙江農(nóng)林大學(xué) 暨陽學(xué)院， 浙江 諸暨 311800; 2.浙江省諸暨市動物疫病預(yù)防控制中心， 浙江 諸暨 311800; 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站， 北京 100125)

目前我國現(xiàn)有設(shè)施栽培面積6160萬畝，設(shè)施蔬菜面積約占到5700多萬畝[1]。產(chǎn)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展造成以設(shè)施種植廢棄物為主的固體廢棄物產(chǎn)生量日益增多，它們大部分得不到妥善處理[2]，造成農(nóng)村臟亂差。這些廢棄物主要是由蔬菜莖葉和果蔬殘余物等種植廢棄物構(gòu)成，含有大量有機(jī)物。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注種植廢棄物厭氧消化處理技術(shù)的研究[3-7]。但主要是以采集于農(nóng)貿(mào)市場或果蔬加工廠的果蔬殘余物為研究對象，對于分布于種植場所的莖稈類種植廢棄物鮮少有研究。因此，本文以黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種常見的設(shè)施種植廢棄物為原料，對其理化特性和產(chǎn)氣潛力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，旨在確定種植廢棄物厭氧消化處理的可行性，并探討種植廢棄物集中厭氧處理的原料保障問題，為莖稈類種植廢棄物的回收利用提供理論依據(jù)和新出路。

1 材料與方法

1.1 原料

黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草均取自北京市順義區(qū)某設(shè)施大棚。接種菌取自北京某沼氣工程的污泥。

1.2 裝置

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置—可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置，為某研究院的研究成果，已獲得了國家發(fā)明專利。目前，檢測產(chǎn)氣潛力大都采用排水集氣法，由于排水瓶會受到水壓不同，需時常換水等因素影響，會造成較大的誤差。本裝置采用針筒反應(yīng)器，以產(chǎn)生氣體引起的活塞讀數(shù)變化為計量指標(biāo)，計算產(chǎn)氣量，操作簡單，減少人為因素產(chǎn)生的誤差。同時，裝置配有恒溫裝置，可將裝置內(nèi)溫度均勻控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

檢測裝置如圖1～圖3所示[8]，主要由動力機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動圓盤、溫控裝置、針筒反應(yīng)器等幾部分組成。其中動力機(jī)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)速要求帶動圓盤發(fā)生間歇轉(zhuǎn)動；圓盤為雙層結(jié)構(gòu)，相互之間用螺栓固定以保證同步轉(zhuǎn)動；反應(yīng)器為圓柱形帶刻度的玻璃針筒，量程為150 mL，針筒反應(yīng)器出口處用帶有夾子的橡膠管密閉。反應(yīng)溫度由溫控儀控制在38℃±1℃范圍內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方案

1.溫控儀表; 2.發(fā)酵裝置外殼; 3.觀察門; 4.保溫層; 5.圓盤; 6.加熱裝置圖1 可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置正面透視圖

3.觀察門; 4.保溫層; 6.加熱裝置; 7.反應(yīng)器； 8.變頻電機(jī); 9.傳動機(jī)構(gòu)圖2 可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置右面透視圖

圖3 可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置針筒反應(yīng)器

由于針筒反應(yīng)器只有150 mL，空間較小，可加入的原料較少，由于種植廢棄物有莖有葉，原料過少容易引起物料性質(zhì)的不穩(wěn)定，影響試驗(yàn)結(jié)果。為保證測試過程中原料的均勻穩(wěn)定，具備較高的可重復(fù)性，分別從大棚內(nèi)取黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種原料各1 kg，切成5 mm左右長度，充分?jǐn)嚢杈鶆騻溆谩?/p>

分別取切碎后的黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草適量原料檢測密度、總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)、蛋白質(zhì)、纖維素、總糖、總碳、總氮等基本特性。

分別取切碎后的黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草各10 g加入針筒反應(yīng)器，并接種50 g污泥，攪拌均勻后讀取針筒活塞刻度，放入可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置進(jìn)行中溫發(fā)酵。每天根據(jù)產(chǎn)氣情況分時段讀取活塞刻度，并放出氣體保證反應(yīng)足夠體積，每天活塞刻度變化的累計量即為每日的產(chǎn)氣量。當(dāng)連續(xù)3天未有產(chǎn)氣量時，認(rèn)為物料發(fā)揮了全部的厭氧消化能力，結(jié)束試驗(yàn)。為避免污泥對原料產(chǎn)氣量的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)一對照組，針筒反應(yīng)器中加入50 mL污泥。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 檢測方法

原料的密度，TS，VS按照GB/T5009.7-2008進(jìn)行檢測，蛋白質(zhì)、纖維素、總糖含量分別按照GB 5009.5-2010、GBT6434-2006和GBT 5009.7-2008進(jìn)行檢測，原料中的N，P，K含量按照NY 525-2002進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料特性

黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種設(shè)施種植廢棄物的密度分別為0.33，0.34，0.28，0.37和0.29 kg·L-1，小白菜的密度最小，西紅柿莖稈的密度最大，這是由于西紅柿的莖稈比較多，而小白菜的葉比較多。

黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種設(shè)施種植廢棄物的成分性狀檢測結(jié)果見表1。

表1 原料主要成分含量表 (%)

從表中TS含量結(jié)果可以看到，由于小白菜的含葉量較多，且莖部含水較多，因此它的TS含量最低，西瓜蔓和西紅柿莖稈由于莖稈部含量較多，所以TS含量較高，含水率最低；西瓜蔓的蛋白質(zhì)含量最高，小白菜的蛋白質(zhì)含量最低；黃瓜藤的纖維素含量最高，小白菜的纖維素含量最低；小白菜的總糖含量最高，西紅柿莖稈的總糖含量最低；各類物料的總鉀含量大致相同。從蛋白質(zhì)、總糖、纖維素含量等參數(shù)分析，由于小白菜具有較高的總糖含量、較低的纖維素含量，它應(yīng)該更易于進(jìn)行厭氧消化。而西瓜蔓具有較高的蛋白質(zhì)、纖維素含量，因此它應(yīng)該具有更高的產(chǎn)氣潛力。

厭氧消化原料的性質(zhì)中，碳氮比對厭氧消化反應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，碳氮比過高會引起過程氮源不足，過低容易引起氨積累抑制消化過程，適于厭氧消化穩(wěn)定進(jìn)行的較佳碳氮比范圍為25～30。根據(jù)含碳、含氮量計算可得，黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草的碳氮比分別為46.68，14.53，58.79，28.34和47.33，除西紅柿莖稈外其余4種原料都不在最佳碳氮比范圍內(nèi)。根據(jù)碳氮比分析，西紅柿莖稈的厭氧消化進(jìn)程應(yīng)該更穩(wěn)定，其余幾種原料似乎采用單種原料都不能很好地發(fā)揮物料的厭氧消化性能。

2.2 產(chǎn)氣潛力

本研究進(jìn)行到42 d后幾乎沒有氣體產(chǎn)生，因此停止試驗(yàn)。黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、紅柿莖稈和青草的產(chǎn)氣量見圖4所示。從圖4中可以看到，各原料在第2～3天出現(xiàn)了第1個產(chǎn)氣高峰，之后迅速下降，于第6～12天出現(xiàn)了第2個產(chǎn)氣高峰，22 d后產(chǎn)氣較平穩(wěn)，42 d后幾乎沒有氣體產(chǎn)生。不同原料中，西紅柿莖稈和西紅柿莖稈的產(chǎn)氣速率較快，西瓜蔓的產(chǎn)氣較其它平穩(wěn)。

圖4 原料日產(chǎn)氣量圖

圖5 不同原料的累計產(chǎn)氣量

各原料42 d內(nèi)的累計產(chǎn)氣量見圖5。從圖5可以直觀看到，各原料在反應(yīng)進(jìn)行5～10 d即可完成總產(chǎn)氣量的50%，20～25 d后產(chǎn)氣基本平穩(wěn)，42 d后產(chǎn)氣量不再增加。42 d中，西瓜蔓在初始時的產(chǎn)氣速度較慢，42 d后達(dá)到累計產(chǎn)氣量最大，青草和西紅柿莖稈次之，黃瓜藤最低。如果按照沼氣工程的水力停留時間為20 d計算，20 d內(nèi)黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜的產(chǎn)氣量分別占其總產(chǎn)氣量的89.7%，80.1%，88.7%，88.0%和82.6%，即20 d內(nèi)都可發(fā)揮80%以上的產(chǎn)氣潛力，產(chǎn)氣速率可滿足一般沼氣工程的要求。

污泥的TS為0.84%，參與反應(yīng)的物體物質(zhì)質(zhì)量為0.08 g，總產(chǎn)氣量為12.5 mL。去除污泥本身的產(chǎn)氣量后，各原料的總產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)原料的產(chǎn)氣潛力見表2，黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜的產(chǎn)氣潛力分別為0.45，0.51，0.53，0.44和0.38 m3·kg-1TS，小白菜的產(chǎn)氣潛力最高，西瓜蔓次之。這與物料性狀的結(jié)果分析一致：小白菜由于具有較高的總糖含量和較低的纖維素含量，更容易降解，而西瓜蔓由于具有較高的蛋白質(zhì)、纖維素含量，具有更高的產(chǎn)氣潛力。

表2 物料的產(chǎn)氣潛力

試驗(yàn)結(jié)果表明，黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜5種原料僅在切碎的預(yù)處理?xiàng)l件下都具有較高的產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率，可以作為厭氧消化沼氣工程的原料。

3 設(shè)施種植廢棄物原料保障

植株殘株和廢棄果實(shí)等設(shè)施種植物廢棄物是在生長管理、收獲、儲存、銷售等過程中產(chǎn)生的[9]，它們主要產(chǎn)生在種植田地和加工交易場所。若將設(shè)施種植廢棄物用于沼氣工程進(jìn)行集中處理，原料的可靠供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)收集和輸送儲存是工程正常生產(chǎn)的前提條件。然而，加工交易場所的種植廢棄物比較集中且數(shù)量穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一收集和集中處理。但在種植田地產(chǎn)生的原料生產(chǎn)具有季節(jié)性、分布分散、堆積密度低、收集半徑有限、運(yùn)輸費(fèi)用相對較高等特點(diǎn)，致使其收集費(fèi)用高、原料不穩(wěn)定，限制了利用規(guī)模。為保證沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，必須考慮原料的穩(wěn)定供應(yīng)和收集半徑。

針對規(guī)?；r(nóng)貿(mào)市場等加工交易場所產(chǎn)生的種植廢棄物，由于數(shù)量和種類比較穩(wěn)定，且容易集中收集，可直接在加工交易場所附近建立沼氣工程進(jìn)行集中處理，沼氣工程規(guī)模按照加工交易場所產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量確定，工程工藝以干法發(fā)酵為宜，以減少沼液排放量，沼氣產(chǎn)品以發(fā)電供加工交易場所使用為主。針對田間地頭廢棄物收集成本高的問題，在平均收集量一定的情況下，從運(yùn)輸費(fèi)用最小化考慮，原料收集區(qū)域應(yīng)趨向于圓形，在圓心位置建造沼氣工程；為解決原料季節(jié)性問題，可依據(jù)周邊實(shí)際情況，收集多種可用原料，如秸稈、糞便等進(jìn)行混合發(fā)酵。沼氣工程規(guī)模不宜過大，工藝以液體混合發(fā)酵為宜，產(chǎn)生的沼液可供周邊設(shè)施種植地使用，沼氣可用于溫室加溫、二氧化碳施肥和蔬菜瓜果保鮮等。

4 結(jié)論與建議

本文研究了黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種常見的設(shè)施種植廢棄物理化特性和產(chǎn)氣潛力，分析了設(shè)施種植廢棄物用于沼氣工程的可行性，主要結(jié)論如下：

(1)黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和的碳氮比分別為46.68，14.53，58.79，14.53和14.53，產(chǎn)氣潛力分別為0.45，0.51，0.53，0.44和0.38 m3·kg-1TS，從產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率看，是沼氣工程的理想原料。

(2)設(shè)施種植廢棄物的可靠供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)收集和輸送儲存是沼氣工程正常生產(chǎn)的前提條件，為保障以設(shè)施種植廢棄物為原料的沼氣工程的可持續(xù)化運(yùn)行，建議在規(guī)?；庸そ灰讏鏊浇⒄託夤こ?，對于田間地頭的廢棄物，可確定圓形原料收集區(qū)域，建立沼氣工程，在原料供應(yīng)不足的季節(jié)采用畜禽糞便、秸稈等原料補(bǔ)給混合發(fā)酵。