魏丹丹 劉健峰 鄧成杰 趙興玲 王昌梅 尹芳 楊斌 張無敵

摘要 為了探究不同蔬菜廢棄物的產沼氣潛力，以4種不同葉菜類蔬菜廢棄物為發(fā)酵原料，采用批量式厭氧消化工藝，在恒溫（35±1）℃的條件下，對蔬菜廢棄物產沼氣潛力及特性進行研究。結果表明：混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜作為底物進行厭氧消化，TS產氣率分別為658、601、804和1 136 mL/g，VS產氣率分別為833、881、1 093和1 544 mL/g，生菜組產氣潛力最大，油麥菜組次之，混合白菜組產氣潛力最小，可見單一蔬菜的產氣潛力要高于混合蔬菜。蔬菜廢棄物的有機物含量高，可生物降解，適宜用作厭氧消化原料。

關鍵詞 蔬菜廢棄物;厭氧消化;產沼氣潛力

中圖分類號 S 216.4 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）14-0176-04

Abstract In order to explore the biogas production potential of different vegetable waste products， with four different leaf vegetables waste as raw materials， using batch anaerobic digestion process， under the conditions of constant temperature （35±1） ℃， the biogas production potential and characteristics of vegetable waste were studied. The results showed that when the hybrid cabbage， mixed vegetables， romaine lettuce（ Lactuca sativa ?L.） and lettuce（ Lactuca sativa ?L. var. ?ramosa ?Hort.） as substrate for anaerobic digestion， TS gas rate was 658， 601， 804 and 1 136 mL/g respectively， VS gas rate was 833， 881， 1 093 and 1 544 mL/g respectively. The biogas production potential in lettuce group was the highest， followed by romaine lettuce group， and that in hybrid cabbage group was the lowest. These indicated the biogas production potential of single vegetable group was higher than that of mixed vegetable.Vegetable wastes had high content of organic matter and they could be biodegraded， so they were suitable to be used as the materials for anaerobic digestion.

Key words Vegetable waste;Anaerobic digestion;Biogas production potential

基金項目 云南省萬人計劃產業(yè)技術領軍人才項目（20191096）;吉林省科技發(fā)展計劃項目（20200402099NC，20200403010SF）;云南省國際科技特派員項目（2015IA022）。

作者簡介 魏丹丹（1995—），女，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：生物質能。

*通信作者，研究員，博士生導師，從事生物質能與環(huán)境工程教學科研工作。

收稿日期 2020-10-26

蔬菜是我國除糧食作物外經濟地位最重要、栽培面積最廣的作物[1]。截至2019年12月底，我國蔬菜產量規(guī)模穩(wěn)定增長，市場供應充足。據農業(yè)農村部統(tǒng)計，2008—2019年我國蔬菜播種面積從1 787.56萬hm2上升到2 314.49萬hm2，年均增速2.9%。我國蔬菜播種和產量連續(xù)多年居世界首位[2]。隨著我國蔬菜產量的增長，每年產生的蔬菜廢棄物超過蔬菜總產量的30%[3]。蔬菜廢棄物的總固體含量為4%～19%，揮發(fā)固體的含量占總固體的80%以上。該廢棄物中含75%的糖類和半纖維素、9%的纖維素及5%的木質素，且蔬菜廢棄物有機質和水分含量高，適用于生物技術處理，即好氧處理和厭氧處理[4]。如果采用好氧處理，需要消耗大量的能源動力，采用厭氧消化就可以避免好氧發(fā)酵所帶來的問題[5]。厭氧消化產生的沼氣不僅是清潔能源，而且可以帶來經濟效益;厭氧消化結束后產生的沼渣可以再次用于蔬菜種植，不僅可以降低蔬菜的病蟲害，而且可以提升蔬菜的品質[6]。

迄今為止，已經出現了許多用蔬菜廢棄物作為原料進行產沼氣潛力的研究。在國外，Zhang等[7]在蔬菜廢棄物厭氧分解方面進行了研究;在國內，阮越強等[8]、劉榮厚等[9]對蔬菜廢棄物發(fā)酵潛力進行了研究。大多數報道是關于單一蔬菜廢棄物的研究，而目前對混合蔬菜廢棄物厭氧消化對比或混合蔬菜廢棄物和單一蔬菜廢棄物厭氧消化對比尚需進一步研究。筆者探索不同混合蔬菜廢棄物和單一蔬菜廢棄物厭氧消化的效果，以期為蔬菜廢棄物厭氧消化的產業(yè)化應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蔬菜來自昆明市呈貢區(qū)某菜市場，包括4種葉菜類蔬菜廢棄物：大白菜、普通白菜、生菜、油麥菜。從菜市場取回后將這些蔬菜廢棄物用菜刀切成約1～2 cm的小片。然后，再將切碎的蔬菜廢棄物用榨汁機打成漿狀物質（大白菜和普通白菜混合打成漿狀;生菜單獨打成漿狀;油麥菜單獨打成漿狀;大白菜、普通白菜、生菜和油麥菜混合打成漿狀），備用。接種物取自試驗室長期馴化的厭氧消化活性污泥。試驗材料各項基本性質如表1所示。

1.2 試驗裝置

試驗裝置為實驗室自制厭氧消化裝置，如圖1所示。發(fā)酵裝置主要由廣口發(fā)酵瓶（玻璃材質容積為500 mL）、氣柜和恒溫裝置組成。發(fā)酵溫度由恒溫水浴鍋控制，廣口發(fā)酵瓶中產生的沼氣通過導氣管進入氣柜的集氣瓶中，記錄集氣瓶中的沼氣量。

1.3 試驗設計

該試驗設置2個組別，分別為試驗組和對照組。試驗組分4組進行對比研究，發(fā)酵原料分別為混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜;對照組1組。每組設置3個平行，接種物濃度為30%，總發(fā)酵體積400 mL，發(fā)酵溫度為（35±1）℃。對照組和試驗組進行厭氧消化試驗，直到產氣結束。發(fā)酵原料配比如表2所示。

1.4 試驗方法

1.4.1 測定項目與方法。

1.4.1.1 總固體（TS）含量。將樣品在（105±5）℃溫度下烘至恒重后進行總固體含量計算[10] 。

TS= W1W0×100%（1）

式中，W0 為樣品重量; W1 為樣品烘干至恒重后的重量。

1.4.1.2 揮發(fā)性固體（VS）含量。將TS測定的總固體的恒重樣品置于（550±20）℃條件下灼燒至恒重，得到灰分質量（ W 2），計算揮發(fā)性固體含量[10]。

VS= W1-W2W1×100% （2）

1.4.1.3 發(fā)酵物料的酸堿度（pH）。使用pH 5.5～9.0精密試紙測定 pH。

1.4.1.4 甲烷含量。使用氣相色譜儀（GC9700Ⅱ）測定甲烷含量。

1.4.2 數據分析。

1.4.2.1 累計產氣量。累計產氣量=各試驗組累計產氣量-對照組累計產氣量。

1.4.2.2 TS產氣率。

TS產氣率=（總累計產氣量-對照組累計產氣量）/ W ×TS。式中， W 為原料質量，TS為原料總固體含量。

1.4.2.3 VS產氣率。

VS產氣率=TS產氣率VS。式中，VS為揮發(fā)性固體含量，單位%。

1.4.2.4 原料產氣率。按以下公式計算原料產氣率：

原料產氣率=總產氣量原料質量。其中，總產氣量單位為mL，原料質量單位為g。

2 結果與分析

2.1 日產氣量的對比

試驗共進行13 d，4個試驗組在厭氧消化過程中的日產氣量（每個試驗組的日產氣量減去對照組的日產氣量后各重復的平均值）變化如圖2所示。從圖2可以看出，生菜組和混合白菜組在發(fā)酵第1天就達到整個發(fā)酵周期的最高峰，分別為220和170 mL，這是因為發(fā)酵體系中有機物的降解。但是，生菜組在第2天和第3天日產氣量從220 mL下降到100 mL，第4天出現第2個產氣高峰（115 mL），第5～6天日產氣量略有增加。第7天以后，日產氣量逐漸下降直到停止產氣?；旌习撞私M在第2～5天日產氣量急劇下降，從170 mL降到25 mL，第6天出現小高峰（60 mL），第7天以后又開始下降，直到產氣結束?；旌鲜卟私M第2天達到產氣高峰，日產氣量150 mL，第3天產氣量又迅速降到70 mL，第3～8天又出現上下波動。這種現象出現的原因可能是混合蔬菜在打成漿狀的過程中存在沒有打碎的蔬菜廢棄物，導致發(fā)酵過程中發(fā)酵料液混合不均勻[11]。油麥菜組和生菜組情況類似，第1天和第4天出現2個產氣高峰，分別為120和115 mL，第2天和第3天日產氣量急劇下降，從120 mL下降到40 mL。這是因為油麥菜組在發(fā)酵過程中出現揮發(fā)性有機酸（VFA）的積累，導致產甲烷菌的活性降低。隨著厭氧反應的進行，產酸過程減弱，揮發(fā)性有機酸（VFA）又逐漸被甲烷菌利用[6]，導致產氣量增加。第5天以后，油麥菜組的產氣量在波動過程中緩慢下降，直到試驗結束。在整個發(fā)酵周期中，pH是影響產氣量的主要因素之一[12]，由于pH的波動，導致4個試驗組中均出現2個或者2個以上的峰值。在厭氧消化后期，日產氣量趨于穩(wěn)定，因為厭氧消化過程中的pH有一個自然平衡的過程，一般情況下不用調節(jié)[10]。

2.2 累計產氣量的對比

從試驗開始到試驗結束，所有試驗組的產氣量均呈現上升趨勢，說明試驗過程處于正常厭氧消化。其中，生菜組累計產氣量最高，累計產氣量為1 038 mL，可能生菜的有機質和水分含量較高，使其有充足的營養(yǎng)物質，可用于厭氧菌的生物降解。混合白菜組的累計產氣量最低，混合白菜的含水率要稍高于生菜，但累計產氣量（571 mL）小于生菜組。大白菜厭氧消化試驗中，在厭氧微生物的作用下，糖分和有機物質較容易被充分分解利用，有利于產氣[13]。該試驗中可能因為普通白菜和大白菜混合進行厭氧消化而造成產氣量較低，具體原因有待進一步探究。油麥菜組和混合蔬菜組的累計產氣量在發(fā)酵前7 d相差不大，分別為616和599 mL。在第7天至試驗結束，油麥菜組的累計產氣量始終高于混合蔬菜組。生菜組、油麥菜組、混合蔬菜組和混合白菜組在厭氧消化結束后的累計產氣量分別為1 038、809、748和571 mL。整個發(fā)酵過程中的累計產氣量如圖3所示。

2.3 甲烷含量的對比

在發(fā)酵期間每2 d測量1次沼氣中甲烷含量，結果如圖4所示。從圖4可以看出，沼氣發(fā)酵過程中，油麥菜組在試驗第2天甲烷含量在40%以上，其他3組甲烷含量也在38%左右。第2～6天，4個試驗組甲烷含量均以較快的速度增加，除了生菜組外，其他試驗組甲烷含量均在50%以上，并保持上升趨勢。在發(fā)酵后期，油麥菜組的甲烷含量在60%左右。生菜組在第6～8天出現甲烷含量明顯降低的現象，可能是因為生菜組在發(fā)酵過程中揮發(fā)性有機酸（VFA）的積累抑制了甲烷菌的活性導致甲烷含量下降。第8天以后，生菜組的甲烷含量呈現上升的趨勢，由于產酸過程減弱，揮發(fā)性有機酸（VFA）逐漸被甲烷菌利用，從而出現了生菜組甲烷含量的第2次高峰[13]。油麥菜組、混合白菜組和混合蔬菜組的平均甲烷含量分別為53%、51%和49%，但生菜組的平均甲烷含量較低，僅45%左右，可能受揮發(fā)性有機酸（VFA）的影響，在后期沒有完全恢復過來。

2.4 產氣潛力的對比

通過計算原料產氣率、TS產氣率和VS產氣率，得到各試驗組的產氣潛力。從表3可以看出，生菜組的產氣潛力最大，油麥菜組次之，而混合白菜組產氣潛力最低。

2.5 與其他批量發(fā)酵處理蔬菜廢棄物研究結果的對比

從表4可以看出，單一型蔬菜廢棄物油麥菜和生菜的產氣潛力要高于大白菜、菠菜葉稈、甘藍和青筍。從產氣潛力來看，混合白菜比單一的大白菜更適合作為發(fā)酵底物進行厭氧消化。

3 結語

（1）該研究選取菜市場常見的4種葉菜類蔬菜廢棄物進行厭氧消化試驗，混合白菜、混合蔬菜、油麥菜和生菜的原料產氣率分別為29、37、40和52 mL/g，TS產氣率分別為658、601、804和1 136 mL/g，VS產氣率分別為833、881、1 093和1 544 mL/g。這些蔬菜廢棄物可生物降解有機物含量較高，適宜作為沼氣發(fā)酵原料。生菜組產氣潛力最大，油麥菜組次之，而混合白菜組產氣潛力最小。由此可見，單一蔬菜組產氣潛力要高于混合蔬菜組。

（2）混合白菜組、混合蔬菜組、油麥菜組和生菜組產生沼氣的平均甲烷含量分別為51%、49%、53%和45%。油麥菜組的平均甲烷含量比生菜組高15%，油麥菜組的產甲烷潛力要高于生菜組，但生菜組的產沼氣潛力要高于油麥菜組。

（3）蔬菜廢棄物進行批量厭氧消化時，產氣量不穩(wěn)定，上下浮動較大。試驗中混合白菜廢棄物厭氧消化的日產氣量前后2 d波動相差95 mL。單一油麥菜和混合蔬菜廢棄物厭氧消化的日產氣量前后2 d波動相差80 mL。由此可見，采用連續(xù)發(fā)酵，可以大幅度提高蔬菜廢棄物的處理能力，同時也可以增加在工藝運行上的穩(wěn)定性。

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