孟艷，汪微，葸全財，李屹，陳來生，杜中平，韓睿*

（1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016；2.青海賽緯生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，青海湟中 810003）

化石燃料作為人類活動和工業(yè)活動的基礎(chǔ)，其消耗量與日俱增。國際能源署預(yù)測到2035年能源的需求量將會上升35%[1]。尋求易獲取、廉價同時能夠產(chǎn)生清潔能源的原料已迫在眉睫。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)在生產(chǎn)可再生能源方面具有巨大潛力，是一種能夠長期獲得并可替代化石燃料的優(yōu)質(zhì)原料[2-3]。我國蔬菜產(chǎn)量居世界第一，年產(chǎn)量約7.69億t[4]。在蔬菜種植收獲過程中會產(chǎn)生大量的秸稈等廢棄物，約占蔬菜總產(chǎn)量的30%；且隨著蔬菜種植面積的擴(kuò)大，蔬菜秸稈每年以8%左右的速度增加[5]。目前，蔬菜秸稈常被焚燒或填埋，缺乏合理利用，不僅污染環(huán)境還造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。厭氧消化技術(shù)在處理秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的同時能夠產(chǎn)生甲烷等能源氣體，是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的理想手段。蔬菜秸稈中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，其在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)物負(fù)荷條件下，能夠被厭氧微生物很好地降解利用并最終轉(zhuǎn)化為甲烷[6]。但因其木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)緊密復(fù)雜且對相關(guān)降解酶及微生物有較強(qiáng)的抗性，導(dǎo)致水解效率差、甲烷產(chǎn)量相對較低[7]。對秸稈進(jìn)行適宜的預(yù)處理可有效解決上述問題，從而提高蔬菜秸稈的轉(zhuǎn)化利用率和甲烷產(chǎn)量[8-9]。

沼液是厭氧消化后主要的剩余產(chǎn)物，其中含有大量可降解纖維素的微生物種群和氮、磷、鉀有機(jī)物及較高含量的氨氮，直接排放易造成環(huán)境污染[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，將沼液用于秸稈預(yù)處理，可以有效破壞秸稈結(jié)構(gòu)、提高秸稈產(chǎn)氣速率和甲烷產(chǎn)量[12-13]。同時，相較于其他預(yù)處理方式，沼液預(yù)處理可降低成本并能有效減少其排放量，用于處理小麥秸稈[14]、水稻秸稈[15]和玉米秸稈[16-17]進(jìn)行厭氧消化時均能提高秸稈的物能轉(zhuǎn)化率，改善厭氧消化性能。然而，目前探討沼液預(yù)處理對蔬菜秸稈厭氧消化性能影響的研究鮮見報道。因此，本研究采用豬糞沼液預(yù)處理4種蔬菜秸稈，探究不同預(yù)處理時間對蔬菜秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷特性的影響，并采用修正的Gompertz模型對產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行動力學(xué)分析，以期為蔬菜秸稈和沼液等農(nóng)業(yè)廢棄物無害化、合理化及資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以番茄、黃瓜、辣椒和茄子4種蔬菜秸稈為試驗(yàn)材料，均取自青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院園藝創(chuàng)新基地。4種蔬菜秸稈自然條件下風(fēng)干后，用粉碎機(jī)粉碎，于陰涼通風(fēng)處保存?zhèn)溆?。接種物取自青海知源特色農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司以羊糞為原料穩(wěn)定運(yùn)行的農(nóng)用沼氣池，取回后在中溫(35±1)℃厭氧條件下培養(yǎng)7 d以減小背景甲烷產(chǎn)量。豬糞沼液取自青海賽緯生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。發(fā)酵原料的pH及接種物的總固體（total solid，TS）和揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）含量詳見表1。

表1 發(fā)酵原料及接種物的基本特性Table 1 Characteristics of raw materialsand inoculum

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 蔬菜秸稈預(yù)處理 黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈粉碎過4目尼龍篩后，分別稱取20 g加入到發(fā)酵反應(yīng)瓶中，分別添加45 g豬糞沼液，調(diào)節(jié)含水率為70%左右，用發(fā)酵瓶蓋密封后于（35.0±0.5）℃下進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理時間分別為3、5、7和9 d。將4種蔬菜秸稈不同時間沼液預(yù)處理分別編號，其中，黃瓜秸稈為H3、H5、H7和H9；番茄秸稈為F3、F5、F7和F9；茄子秸稈為Q3、Q5、Q7和Q9；辣椒秸稈為L3、L5、L7和L9。另設(shè)置未經(jīng)沼液處理的各蔬菜秸稈作為對照，分別編號為H0、F0、Q0和L0。預(yù)處理時含水率(WC)計算公式如下。

式中，m1為蔬菜秸稈的添加量（g）；m2為豬糞沼液的添加量（g）；TS1為蔬菜秸稈中的總固體含量(%)；TS2為豬糞沼液中的總固體含量（%）。

1.2.2 厭氧消化試驗(yàn) 預(yù)處理完成后，采用全自動甲烷潛力測試儀（MultiTalent 203）進(jìn)行批式厭氧消化試驗(yàn)。添加接種污泥及物料的總量為400 g，調(diào)節(jié)接種物與物料的比例為2∶1（以VS計），攪拌均勻后置于（35.0±0.5）℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行厭氧消化。每組設(shè)置3個平行，另設(shè)純接種物作為空白對照。厭氧消化階段全自動甲烷潛力測試儀每天自動記錄甲烷產(chǎn)生量，測定厭氧消化結(jié)束后消化液的pH、氨態(tài)氮（ammonia nitrogen，AN）含量、總 堿 度（total alkalinity，TA）和 揮 發(fā) 性 脂 肪 酸（volatile fatty acids，VFAs）含量。

1.2.3 指標(biāo)測定 總固體（TS）采用烘干法測定（105℃烘6 h），揮發(fā)性固體（VS）采用灼燒法測定（550℃灼燒4 h）；木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量采用中性洗滌劑-酸性洗滌劑法測定[18]；pH采用pH計（pHS-2F）進(jìn)行測定；氨態(tài)氮（AN）采用靛酚藍(lán)比色法測定[19]；揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）采用比色法進(jìn)行測定[20]。堿度采用滴定法（ZDJ-4A自動電位滴定儀）進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin 2018軟件進(jìn)行制圖，采用SPSS 26軟件進(jìn)行單因素方差分析。并采用修正的Gompertz模型對甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理[21]。

式中，M為發(fā)酵期間某一時間的甲烷產(chǎn)率（mL·g-1，基于VS）；P為產(chǎn)甲烷潛力（mL·g-1，基于VS）；Rm為產(chǎn)甲烷速率（mL·g-1·d-1，基于VS）；e為常數(shù)（2.718 282），λ為遲滯時間（d）；t為厭氧消化時間（d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液預(yù)處理后蔬菜秸稈組分變化

由表2可知，與未處理相比，沼液預(yù)處理后各蔬菜秸稈中的纖維素和半纖維素均有不同程度的降解，其中，預(yù)處理5 d以上的試驗(yàn)組與未處理間差異顯著，說明預(yù)處理時間對木質(zhì)纖維素的含量有較大影響。隨著預(yù)處理時間的延長，各蔬菜秸稈中纖維素和半纖維素的降解率逐漸提高。對于半纖維素，黃瓜秸稈的降解程度最高，降解率為2.11%～52.48%；番茄和茄子秸稈次之，降解率分別為12.08%～39.37%和11.59%～26.12%；辣椒秸稈降解率最小，為8.19%～17.75%。對于纖維素，辣椒秸稈的降解率最高，為16.40%～24.48%，其余蔬菜秸稈的降解率從高到低依次為：黃瓜秸稈(9.27%～22.06%)、茄子秸稈(1.53%～18.33%)和番茄秸稈(3.51%～15.06%)。與未處理相比，沼液預(yù)處理后的蔬菜秸稈木質(zhì)素含量均呈上升趨勢，說明木質(zhì)素難以降解，不易被厭氧微生物利用。

表2 沼液預(yù)處理后蔬菜秸稈木質(zhì)纖維素含量Table 2 Lignocellulose content of vegetable straw after pretreatment of biogas slurry

2.2 沼液預(yù)處理對蔬菜秸稈甲烷產(chǎn)量的影響

分析沼液預(yù)處理后各蔬菜秸稈厭氧消化日產(chǎn)甲烷量的變化，結(jié)果（圖1）表明，在30 d的厭氧消化過程中，沼液預(yù)處理各蔬菜秸稈的日產(chǎn)甲烷量均呈先升高后降低趨勢。各蔬菜秸稈達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時間不同。番茄秸稈各處理均在第2天達(dá)到第1個產(chǎn)氣高峰，且F3處理最大，為74.52 mL·d-1；隨后在第10到第11天出現(xiàn)第2個產(chǎn)氣高峰，消化20 d后僅有少量甲烷產(chǎn)生。黃瓜秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈各處理的最大日產(chǎn)甲烷高峰分別出現(xiàn)在第3、第4和第2天，日產(chǎn)甲烷峰值分別為75.82（H7）、65.55（Q7）和68.50 mL·d-1（L3），產(chǎn)甲烷高峰過后，日甲烷產(chǎn)量逐漸下降，至10 d以后日甲烷產(chǎn)量變化趨勢平緩，25 d后基本不再產(chǎn)氣。相較于未處理，各蔬菜秸稈的日產(chǎn)甲烷峰值均有所增加；且隨著沼液處理時間的延長，達(dá)到日產(chǎn)甲烷高峰的時間提前。

圖1 沼液預(yù)處理后4種蔬菜秸稈的日甲烷產(chǎn)量Fig.1 Daily methane production of 4 vegetable straws with pretreatment of biogas slurry

由圖2可知，與未處理相比，沼液預(yù)處理組的累積甲烷產(chǎn)量均顯著增加，說明沼液預(yù)處理能夠有效改善蔬菜秸稈的產(chǎn)甲烷性能。4種蔬菜秸稈中，黃瓜秸稈各處理的累積甲烷產(chǎn)量較高，為110.45～152.42 mL·g-1；番茄秸稈和茄子秸稈次之，累積甲烷產(chǎn)量分別為108.37～147.95 mL·g-1和101.90～129.84 mL·g-1；辣椒秸稈各處理累積甲烷產(chǎn)量較低，僅為78.50～99.17 mL·g-1。同時，隨著預(yù)處理時間的延長，各蔬菜秸稈累積甲烷產(chǎn)量均呈先升高后降低趨勢，在處理時間為5～7 d時，各蔬菜秸稈分別達(dá)到組內(nèi)最高值。其中，番茄秸稈和辣椒秸稈均為預(yù)處理5 d效果最優(yōu)，累積甲烷產(chǎn)量分別為147.95和99.17 mL·g-1，較未處理分別提高36.52%和26.33%；黃瓜秸稈和茄子秸稈為預(yù)處理7 d產(chǎn)氣效果最佳，最大累積甲烷產(chǎn)量分別為152.42和129.84 mL·g-1，較 未 處 理 分 別 提 升38.00%和27.42%。說明沼液預(yù)處理時間的優(yōu)化對改進(jìn)蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關(guān)重要。

圖2 沼液預(yù)處理后4種蔬菜秸稈的累積產(chǎn)甲烷量Fig.2 Cumulative methane production of 4 vegetable straws after pretreatment of biogas slurry

T90是厭氧工藝中的重要參數(shù)，指厭氧消化過程中累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量90%時所用的時間，是反映厭氧消化效率較為直觀的指標(biāo)之一，對實(shí)際沼氣工程運(yùn)營具有重要指導(dǎo)意義[22]。由表3可知，經(jīng)沼液預(yù)處理后，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈的T90分別比未處理縮短了5～8、4～5、3～4和4～6 d，說明沼液預(yù)處理能夠縮短蔬菜秸稈的厭氧消化周期，提高產(chǎn)甲烷效率。

2.3 動力學(xué)分析

利用修正的Gompertz方程對不同處理厭氧消化累積甲烷產(chǎn)量進(jìn)行擬合，結(jié)果（表3）表明，不同處理擬合出的甲烷產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量接近，R2為0.966～0.997，表明修正的Gompertz模型能較好地模擬沼液預(yù)處理蔬菜秸稈的厭氧消化過程。4種蔬菜秸稈經(jīng)沼液處理的最大甲烷日產(chǎn)率均高于未處理，說明沼液處理蔬菜秸稈更容易提高其厭氧消化的水解速率。延滯期（λ）通常表示滯后階段，可以間接反映消化效率[23]。盡管λ與消化性能沒有直接關(guān)系，但較高的λ值表明厭氧消化周期較長，對大型工程項(xiàng)目不利。經(jīng)沼液處理后的4種蔬菜秸稈的λ值均較各自未處理降低，說明厭氧消化過程的滯后期縮短。

表3 沼液預(yù)處理蔬菜秸稈厭氧消化時間及甲烷產(chǎn)量擬合結(jié)果及消化時間T90Table 3 Fitting model parametersof methaneproduction of 4 vegetablestrawsafter pretreatmentof biogasslurry and digestion time T90

2.4 各處理發(fā)酵液p H、VFAs含量、堿度和氨氮含量的變化

pH是影響厭氧消化進(jìn)程的主要因素之一，適宜產(chǎn)甲烷菌生長的pH為6.5～8.2[24]。VFAs是厭氧消化過程中重要的中間代謝產(chǎn)物，與厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)VFAs含量超過5 000 mg·L-1時，對產(chǎn)甲烷菌有毒害作用[25-27]。由表4可知，各處理厭氧消化后消化液中VFAs和pH均適宜甲烷菌生長。厭氧消化過程中適宜的氨氮含量和堿度能有效維持發(fā)酵液的緩沖力。厭氧微生物生長的最適氨氮含量應(yīng)低于2 000 mg·L-1，堿度應(yīng)大于4 000 mg·L-1[28-29]；同時，VFAs與堿度的比值可反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比值高于0.4時，會對厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用[30]。經(jīng)厭氧消化后，各處理的氨氮含量為604.42～864.34 mg·L-1，總堿度為4 373.12～9 359.35 mg·L-1；且VFAs與堿度的比值為0.07～0.24，遠(yuǎn)低于0.4。由此可見，沼液預(yù)處理前后的蔬菜秸稈厭氧消化系統(tǒng)具有較強(qiáng)的緩沖能力。

表4 厭氧消化后消化液的pH、VFAs含量、堿度和氨氮含量Table 4 pH，VFAs content，alkalinity and ammonia nitrogen content of biogas slurry after anaerobic digestion

3 討論

沼液作為厭氧消化后主要的剩余產(chǎn)物，直接排放易造成環(huán)境污染，對其進(jìn)行廢物處理也有一定難度。若將沼液作為厭氧消化的預(yù)處理劑不但能減少其排放還能降低預(yù)處理的成本。因其含有豐富的微生物菌群和氮源，可以改善物質(zhì)配比并有效降解木質(zhì)纖維素，一定程度上能夠起到提升甲烷產(chǎn)量的作用[12-14]。本研究中經(jīng)過沼液浸潤處理后的蔬菜秸稈木質(zhì)纖維素組分含量發(fā)生了明顯變化，其中纖維素和半纖維素含量隨預(yù)處理時間的延長不斷降低。王英琪等[12]和鄭子喬等[28]也發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈木質(zhì)纖維素的降解率隨沼液處理時間的延長逐漸升高。這主要是由于沼液中含有可產(chǎn)生纖維素酶的微生物種群，酶作用于秸稈各組分，使其得以降解[31]。然而，經(jīng)沼液預(yù)處理后，蔬菜秸稈木質(zhì)素含量隨預(yù)處理時間的延長逐漸增大，這說明蔬菜秸稈中的木質(zhì)素難以被微生物分解利用。趙昆煬等[32]對玉米秸稈進(jìn)行厭氧消化處理時也發(fā)現(xiàn),厭氧處理前后木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)差異較小，能夠較好地保留木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。

本研究表明，經(jīng)沼液預(yù)處理后蔬菜秸稈的累積甲烷產(chǎn)量均顯著增加，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈較未處理分別提高38.00%、26.33%、27.42%和36.52%，說明沼液預(yù)處理能夠有效改善蔬菜秸稈的產(chǎn)甲烷性能。一方面是因?yàn)檎右褐锌山到饽举|(zhì)纖維素的微生物菌群對秸稈中有機(jī)物的作用加快了厭氧消化系統(tǒng)的水解，提升了甲烷產(chǎn)量[33]；另一方面可能是因?yàn)檎右褐泻写罅康腘H+4-N，可作為氮源調(diào)整系統(tǒng)C/N比，進(jìn)而改善其厭氧消化性能[17]。盡管豬糞沼液預(yù)處理能提高蔬菜秸稈的累積甲烷產(chǎn)量，但不同蔬菜秸稈達(dá)到最高積累甲烷產(chǎn)量的預(yù)處理時間不同。番茄秸稈和辣椒秸稈的最佳預(yù)處理時間為5 d，而黃瓜秸稈和茄子秸稈的最佳預(yù)處理時間為7 d；預(yù)處理時間過長時，蔬菜秸稈的甲烷產(chǎn)量會有所降低，可見沼液預(yù)處理時間的優(yōu)化對改進(jìn)蔬菜秸稈厭氧消化工藝至關(guān)重要。若處理時間太短，對蔬菜秸稈破壞程度不夠，釋放的有機(jī)物相對較少，甲烷產(chǎn)量相對較低；但處理時間過長，蔬菜秸稈中有機(jī)物質(zhì)被利用的同時也能夠被沼液體系中的厭氧微生物所利用，導(dǎo)致底物減少，從而影響甲烷產(chǎn)量[34-35]。研究表明，沼液預(yù)處理玉米秸稈最優(yōu)時間是5 d，甲烷產(chǎn)量較對照提高30.76%[12]；雞糞沼液預(yù)處理玉米秸稈的最優(yōu)預(yù)處理時間為7 d，甲烷產(chǎn)量較對照提高32.41%[28]；小麥秸稈沼液預(yù)處理6 d時產(chǎn)氣效果最好，較對照提高69.50%[36]；沼液浸泡預(yù)處理花椰菜廢棄物4 d后效果最好，甲烷產(chǎn)量較對照提高73.90%[37]。由此可知，秸稈類廢棄物的最佳沼液預(yù)處理時間為5～7 d，而含水量較高的尾菜等廢棄物的沼液預(yù)處理時間相對較短，但這也取決于供試材料的特性及沼液的種類?？傊?，應(yīng)用沼液作為預(yù)處理劑進(jìn)行厭氧消化時，根據(jù)不同材料及沼液的基本特性優(yōu)化最適宜的預(yù)處理時間是關(guān)鍵步驟。

本研究還發(fā)現(xiàn)，黃瓜秸稈、番茄秸稈、茄子秸稈和辣椒秸稈最優(yōu)處理達(dá)到T90的時間較未處理分別縮短47.06%、31.25%、17.65%和22.22%，說明沼液預(yù)處理能夠明顯縮短蔬菜秸稈的厭氧消化周期，與前人研究結(jié)果一致[14,16-17,28,35-36,38]。4種經(jīng)沼液處理的蔬菜秸稈厭氧消化T90不盡相同，可能是由于蔬菜秸稈成分的差異，木質(zhì)化嚴(yán)重的蔬菜秸稈需要更長的時間進(jìn)行消化分解。在實(shí)際應(yīng)用中，可以用沼液對蔬菜秸稈進(jìn)行5～7 d的處理，同時將厭氧消化周期控制在15 d以內(nèi)，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)的時間成本，增加沼氣工程的經(jīng)濟(jì)效益。