蔬菜废弃物产沼气潜力及特性研究

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  摘要 为了探究不同蔬菜废弃物的产沼气潜力,以4种不同叶菜类蔬菜废弃物为发酵原料,采用批量式厌氧消化工艺,在恒温(35±1)℃的条件下,对蔬菜废弃物产沼气潜力及特性进行研究。结果表明:混合白菜、混合蔬菜、油麦菜和生菜作为底物进行厌氧消化,TS产气率分别为658、601、804和1 136 mL/g,VS产气率分别为833、881、1 093和1 544 mL/g,生菜组产气潜力最大,油麦菜组次之,混合白菜组产气潜力最小,可见单一蔬菜的产气潜力要高于混合蔬菜。蔬菜废弃物的有机物含量高,可生物降解,适宜用作厌氧消化原料。
  关键词 蔬菜废弃物;厌氧消化;产沼气潜力
  中图分类号 S 216.4  文献标识码 A  文章编号 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
  基金项目 云南省万人计划产业技术领军人才项目(20191096);吉林省科技发展计划项目(20200402099NC,20200403010SF);云南省国际科技特派员项目(2015IA022)。
  作者简介 魏丹丹(1995—),女,河南驻马店人,硕士研究生,研究方向:生物质能。
  *通信作者,研究员,博士生导师,从事生物质能与环境工程教学科研工作。
  收稿日期 2020-10-26
  蔬菜是我国除粮食作物外经济地位最重要、栽培面积最广的作物[1]。截至2019年12月底,我国蔬菜产量规模稳定增长,市场供应充足。据农业农村部统计,2008—2019年我国蔬菜播种面积从1 787.56万hm2上升到2 314.49万hm2,年均增速2.9%。我国蔬菜播种和产量连续多年居世界首位[2]。随着我国蔬菜产量的增长,每年产生的蔬菜废弃物超过蔬菜总产量的30%[3]。蔬菜废弃物的总固体含量为4%~19%,挥发固体的含量占总固体的80%以上。该废弃物中含75%的糖类和半纤维素、9%的纤维素及5%的木质素,且蔬菜废弃物有机质和水分含量高,适用于生物技术处理,即好氧处理和厌氧处理[4]。如果采用好氧处理,需要消耗大量的能源动力,采用厌氧消化就可以避免好氧发酵所带来的问题[5]。厌氧消化产生的沼气不仅是清洁能源,而且可以带来经济效益;厌氧消化结束后产生的沼渣可以再次用于蔬菜种植,不僅可以降低蔬菜的病虫害,而且可以提升蔬菜的品质[6]。
  迄今为止,已经出现了许多用蔬菜废弃物作为原料进行产沼气潜力的研究。在国外,Zhang等[7]在蔬菜废弃物厌氧分解方面进行了研究;在国内,阮越强等[8]、刘荣厚等[9]对蔬菜废弃物发酵潜力进行了研究。大多数报道是关于单一蔬菜废弃物的研究,而目前对混合蔬菜废弃物厌氧消化对比或混合蔬菜废弃物和单一蔬菜废弃物厌氧消化对比尚需进一步研究。笔者探索不同混合蔬菜废弃物和单一蔬菜废弃物厌氧消化的效果,以期为蔬菜废弃物厌氧消化的产业化应用提供依据。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料
  蔬菜来自昆明市呈贡区某菜市场,包括4种叶菜类蔬菜废弃物:大白菜、普通白菜、生菜、油麦菜。从菜市场取回后将这些蔬菜废弃物用菜刀切成约1~2 cm的小片。然后,再将切碎的蔬菜废弃物用榨汁机打成浆状物质(大白菜和普通白菜混合打成浆状;生菜单独打成浆状;油麦菜单独打成浆状;大白菜、普通白菜、生菜和油麦菜混合打成浆状),备用。接种物取自试验室长期驯化的厌氧消化活性污泥。试验材料各项基本性质如表1所示。    1.2 试验装置
  试验装置为实验室自制厌氧消化装置,如图1所示。发酵装置主要由广口发酵瓶(玻璃材质容积为500 mL)、气柜和恒温装置组成。发酵温度由恒温水浴锅控制,广口发酵瓶中产生的沼气通过导气管进入气柜的集气瓶中,记录集气瓶中的沼气量。
  1.3 试验设计
  该试验设置2个组别,分别为试验组和对照组。试验组分4组进行对比研究,发酵原料分别为混合白菜、混合蔬菜、油麦菜和生菜;对照组1组。每组设置3个平行,接种物浓度为30%,总发酵体积400 mL,发酵温度为(35±1)℃。对照组和试验组进行厌氧消化试验,直到产气结束。发酵原料配比如表2所示。
  1.4 试验方法
  1.4.1 测定项目与方法。
  1.4.1.1 总固体(TS)含量。将样品在(105±5)℃温度下烘至恒重后进行总固体含量计算[10] 。
  TS= W1W0×100%(1)
  式中,W0 为样品重量; W1 为样品烘干至恒重后的重量。
  1.4.1.2 挥发性固体(VS)含量。将TS测定的总固体的恒重样品置于(550±20)℃条件下灼烧至恒重,得到灰分质量( W 2),计算挥发性固体含量[10]。
  VS= W1-W2W1×100% (2)
  1.4.1.3 发酵物料的酸碱度(pH)。使用pH 5.5~9.0精密试纸测定 pH。
  1.4.1.4 甲烷含量。使用气相色谱仪(GC9700Ⅱ)测定甲烷含量。
  1.4.2 数据分析。
  1.4.2.1 累计产气量。累计产气量=各试验组累计产气量-对照组累计产气量。
  1.4.2.2 TS产气率。
  TS产气率=(总累计产气量-对照组累计产气量)/ W ×TS。式中, W 为原料质量,TS为原料总固体含量。
  1.4.2.3 VS产气率。
  VS产气率=TS产气率VS。式中,VS为挥发性固体含量,单位%。
  1.4.2.4 原料产气率。按以下公式计算原料产气率:
  原料产气率=总产气量原料质量。其中,总产气量单位为mL,原料质量单位为g。
  2 结果与分析
  2.1 日产气量的对比
  试验共进行13 d,4个试验组在厌氧消化过程中的日产气量(每个试验组的日产气量减去对照组的日产气量后各重复的平均值)变化如图2所示。从图2可以看出,生菜组和混合白菜组在发酵第1天就达到整个发酵周期的最高峰,分别为220和170 mL,这是因为发酵体系中有机物的降解。但是,生菜组在第2天和第3天日产气量从220 mL下降到100 mL,第4天出现第2个产气高峰(115 mL),第5~6天日产气量略有增加。第7天以后,日产气量逐渐下降直到停止产气。混合白菜组在第2~5天日产气量急剧下降,从170 mL降到25 mL,第6天出现小高峰(60 mL),第7天以后又开始下降,直到产气结束。混合蔬菜组第2天达到产气高峰,日产气量150 mL,第3天产气量又迅速降到70 mL,第3~8天又出现上下波动。这种现象出现的原因可能是混合蔬菜在打成浆状的过程中存在没有打碎的蔬菜废弃物,导致发酵过程中发酵料液混合不均匀[11]。油麦菜组和生菜组情况类似,第1天和第4天出现2个产气高峰,分别为120和115 mL,第2天和第3天日产气量急剧下降,从120 mL下降到40 mL。这是因为油麦菜组在发酵过程中出现挥发性有机酸(VFA)的积累,导致产甲烷菌的活性降低。随着厌氧反应的进行,产酸过程减弱,挥发性有机酸(VFA)又逐渐被甲烷菌利用[6],导致产气量增加。第5天以后,油麦菜组的产气量在波动过程中缓慢下降,直到试验结束。在整个发酵周期中,pH是影响产气量的主要因素之一[12],由于pH的波动,导致4个试验组中均出现2个或者2个以上的峰值。在厌氧消化后期,日产气量趋于稳定,因为厌氧消化过程中的pH有一个自然平衡的过程,一般情况下不用调节[10]。
  2.2 累计产气量的对比
  从试验开始到试验结束,所有试验组的产气量均呈现上升趋势,说明试验过程处于正常厌氧消化。其中,生菜组累计产气量最高,累计产气量为1 038 mL,可能生菜的有机质和水分含量较高,使其有充足的营养物质,可用于厌氧菌的生物降解。混合白菜组的累计产气量最低,混合白菜的含水率要稍高于生菜,但累计产气量(571 mL)小于生菜组。大白菜厌氧消化试验中,在厌氧微生物的作用下,糖分和有机物质较容易被充分分解利用,有利于产气[13]。该试验中可能因为普通白菜和大白菜混合进行厌氧消化而造成产气量较低,具体原因有待进一步探究。油麦菜组和混合蔬菜组的累计产气量在发酵前7 d相差不大,分别为616和599 mL。在第7天至试验结束,油麦菜组的累计产气量始终高于混合蔬菜组。生菜组、油麦菜组、混合蔬菜组和混合白菜組在厌氧消化结束后的累计产气量分别为1 038、809、748和571 mL。整个发酵过程中的累计产气量如图3所示。
  2.3 甲烷含量的对比
  在发酵期间每2 d测量1次沼气中甲烷含量,结果如图4所示。从图4可以看出,沼气发酵过程中,油麦菜组在试验第2天甲烷含量在40%以上,其他3组甲烷含量也在38%左右。第2~6天,4个试验组甲烷含量均以较快的速度增加,除了生菜组外,其他试验组甲烷含量均在50%以上,并保持上升趋势。在发酵后期,油麦菜组的甲烷含量在60%左右。生菜组在第6~8天出现甲烷含量明显降低的现象,可能是因为生菜组在发酵过程中挥发性有机酸(VFA)的积累抑制了甲烷菌的活性导致甲烷含量下降。第8天以后,生菜组的甲烷含量呈现上升的趋势,由于产酸过程减弱,挥发性有机酸(VFA)逐渐被甲烷菌利用,从而出现了生菜组甲烷含量的第2次高峰[13]。油麦菜组、混合白菜组和混合蔬菜组的平均甲烷含量分别为53%、51%和49%,但生菜组的平均甲烷含量较低,仅45%左右,可能受挥发性有机酸(VFA)的影响,在后期没有完全恢复过来。   2.4 产气潜力的对比
  通过计算原料产气率、TS产气率和VS产气率,得到各试验组的产气潜力。从表3可以看出,生菜组的产气潜力最大,油麦菜组次之,而混合白菜组产气潜力最低。
  2.5 与其他批量发酵处理蔬菜废弃物研究结果的对比
  从表4可以看出,单一型蔬菜废弃物油麦菜和生菜的产气潜力要高于大白菜、菠菜叶秆、甘蓝和青笋。从产气潜力来看,混合白菜比单一的大白菜更适合作为发酵底物进行厌氧消化。
  3 结语
  (1)该研究选取菜市场常见的4种叶菜类蔬菜废弃物进行厌氧消化试验,混合白菜、混合蔬菜、油麦菜和生菜的原料产气率分别为29、37、40和52 mL/g,TS产气率分别为658、601、804和1 136 mL/g,VS产气率分别为833、881、1 093和1 544 mL/g。这些蔬菜废弃物可生物降解有机物含量较高,适宜作为沼气发酵原料。生菜组产气潜力最大,油麦菜组次之,而混合白菜组产气潜力最小。由此可见,单一蔬菜组产气潜力要高于混合蔬菜组。
  (2)混合白菜组、混合蔬菜组、油麦菜组和生菜组产生沼气的平均甲烷含量分别为51%、49%、53%和45%。油麦菜组的平均甲烷含量比生菜组高15%,油麦菜组的产甲烷潜力要高于生菜组,但生菜组的产沼气潜力要高于油麦菜组。
  (3)蔬菜废弃物进行批量厌氧消化时,产气量不稳定,上下浮动较大。试验中混合白菜废弃物厌氧消化的日产气量前后2 d波动相差95 mL。单一油麦菜和混合蔬菜废弃物厌氧消化的日产气量前后2 d波动相差80 mL。由此可见,采用连续发酵,可以大幅度提高蔬菜废弃物的处理能力,同时也可以增加在工艺运行上的稳定性。
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