接種比對(duì)葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能影響的研究

付龍?jiān)? 李彥 趙自超 張柏松 袁長(zhǎng)波 井永蘋 曲召令 王艷芹

摘要：以葉菜類尾菜為主要原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，常因“過酸化”導(dǎo)致產(chǎn)氣失敗，為提高其能源化利用效率，本研究系統(tǒng)比較了10% 、20% 、30%和40%接種比對(duì)產(chǎn)沼氣性能的影響。結(jié)果表明：接種比為10%和20%時(shí)，丙酸、乙酸和氨氮濃度失衡，pH值最低可至4.82和5.50，系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的“過酸化”現(xiàn)象，產(chǎn)氣停滯或大大減少，甲烷含量低;而接種比為30%和40%時(shí)，丙酸、乙酸和氨氮濃度維持良好平衡，pH值基本維持中性，產(chǎn)氣正常。采用較高的接種比對(duì)于葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵正常產(chǎn)氣至關(guān)重要，同時(shí)鑒于30%和40%接種比產(chǎn)氣效果差別不大，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，確定30%為最佳接種比。

關(guān)鍵詞：接種比;葉菜類尾菜;厭氧發(fā)酵;沼氣;過酸化

中圖分類號(hào)：S216.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A ?文章編號(hào)：1001-4942（2020）02-0075-08

Abstract Anaerobic fermentation with leafy vegetable residues as main material to produce biogas might be failed due to the superacidulation. Aimed to promote the energy utilization of leafy vegetable residues， we compared the effects of different inoculation concentrations （10%， 20%， 30% and 40%） on the biogas production performance. The results indicated that with the inoculation concentrations of 10% and 20%， the balance of propionate， acetate and ammonia nitrogen was lost， and the minimum pH value was only 4.82 and 5.50 with superacidulation， so the biogas production was poor and the methane yield was low. But with the inoculation concentrations of 30% and 40%， the balance of propionate， acetate and ammonia nitrogen was well， and the system pH was nearly neutral， so the biogas production performance was well. Therefore， higher inoculation concentration was crucial for better production performance of biogas by anaerobic fermentation with leafy vegetable residues. Considering economical efficiency， the inoculation concentration of 30% was recommended due to the similar biogas production performance between 30% and 40% of inoculation concentration.

Keywords Inoculation concentration; Leafy vegetable residues; Anaerobic fermentation; Biogas; Superacidulation

隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，蔬菜已成為僅次于糧食的第二大類農(nóng)作物。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒，2018年我國(guó)各類蔬菜種植面積逾2 000萬(wàn)公頃，年產(chǎn)量超7億噸，均居于世界首位。山東、遼寧等蔬菜產(chǎn)業(yè)大省已形成集育種、栽培、采收、加工、運(yùn)輸?shù)炔煌h(huán)節(jié)于一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈，不但可供應(yīng)區(qū)域內(nèi)市場(chǎng)，而且可滿足全國(guó)及國(guó)外消費(fèi)者的不同需求。然而，蔬菜產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)中大量尾菜的產(chǎn)生難以避免，已成為影響城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)保和人居環(huán)境的重要因素[1]。尾菜是指蔬菜產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的無(wú)商品價(jià)值的殘葉、爛果、枯枝、藤蔓等農(nóng)業(yè)廢棄物，其總量甚至可達(dá)蔬菜產(chǎn)量的30%以上[2]。大量尾菜堆積在田間地頭、加工廠和菜市場(chǎng)等場(chǎng)所，如果任其腐敗變質(zhì)、孳生蚊蠅，不但嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生，而且造成資源的巨大浪費(fèi)。其中，白菜、萵苣、芹菜等葉菜類產(chǎn)生的尾菜含水量高，糖類、蛋白質(zhì)等組分豐富，更難以長(zhǎng)期儲(chǔ)存和運(yùn)輸，極易腐敗變質(zhì)而引發(fā)固廢、污水、惡臭等各種環(huán)境問題，亟需進(jìn)行合理的無(wú)害化和資源化處理。目前常用的處理途徑主要有飼料化、能源化、肥料化、基質(zhì)化和材料化等方式[3]，其中，以厭氧沼氣發(fā)酵為代表的能源化利用方式對(duì)尾菜品質(zhì)要求不高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蟲卵、植物病菌的高效滅殺，沼渣沼液可作為優(yōu)質(zhì)肥料，尤其適合在露地蔬菜、設(shè)施蔬菜等不同類型蔬菜種植密集區(qū)推廣[4]。

然而，由于葉菜類尾菜自身極易被微生物分解、利用的顯著特點(diǎn)，使得厭氧沼氣發(fā)酵中易出現(xiàn)消化速度過快、大分子有機(jī)物迅速轉(zhuǎn)化為丙酸、乙酸等揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs），超出了乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌為主的沼氣微生物菌群的利用能力，而在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致VFAs的超量累積，環(huán)境pH值迅速下降至沼氣微生物菌群忍受閾值以下，導(dǎo)致產(chǎn)氣停止，出現(xiàn)所謂“過酸化”現(xiàn)象[5，6]。該現(xiàn)象在以蔬菜廢棄物為原料的沼氣發(fā)酵工程中時(shí)有出現(xiàn)，常表現(xiàn)為有機(jī)負(fù)荷陡升引起發(fā)酵失敗，其正常發(fā)酵的保持和恢復(fù)需要耗費(fèi)大量的人力物力，往往需要發(fā)酵過程中投加堿性物質(zhì)、更換發(fā)酵菌群等，手段繁復(fù)而效果不穩(wěn)定[7]。如果在發(fā)酵初始階段即對(duì)“過酸化”現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防，穩(wěn)定厭氧發(fā)酵進(jìn)程，可減少中間人工干預(yù)環(huán)節(jié)，從根本上保證發(fā)酵產(chǎn)氣的正常進(jìn)行。目前常見的預(yù)防“過酸化”措施主要從底物構(gòu)成、發(fā)酵工藝和接種物等角度著手，分為：使用不同物料混合發(fā)酵、新型厭氧發(fā)酵工藝和使用富含氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的接種物等不同方式[8-10]。但是，這些方式往往會(huì)受到原料來源、技術(shù)設(shè)備、接種物獲取等方方面面的限制。而有研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵中采用適當(dāng)?shù)慕臃N比亦可以有效避免“過酸化”等不良現(xiàn)象，取得不錯(cuò)的產(chǎn)氣效果，如：陳智遠(yuǎn)等[11]研究玉米秸稈厭氧發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，提高接種量可以有效防止發(fā)酵前期偏酸，并縮短發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間;任海偉等[12]在研究不同接種量對(duì)青貯玉米秸稈與牛糞混合消化產(chǎn)沼氣性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，30%的接種量相對(duì)于20%和25%的接種量，發(fā)酵時(shí)秸稈木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，產(chǎn)氣效果最好。

為促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣化合理利用，結(jié)合山東省蔬菜種植區(qū)葉菜類尾菜資源豐富的特點(diǎn)，本試驗(yàn)以收獲后丟棄的白菜、芹菜和萵苣混合尾菜為原料，以豬糞厭氧發(fā)酵后的沼渣沼液為接種物，研究不同接種比對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能的影響及發(fā)酵過程中丙酸、乙酸、氨氮（NH4+-N）、pH值等重要參數(shù)的變化，以避免“過酸化”不利影響和提高產(chǎn)沼氣效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

發(fā)酵原料為收獲后丟棄的白菜、芹菜和萵苣混合尾菜，取自山東省某設(shè)施菜田，粉碎至1～2 cm顆粒。接種物為豬糞厭氧發(fā)酵后的沼渣沼液混合物。發(fā)酵物料及接種物的總固體（total solid，TS）、揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）、總碳（total carbon，TC）、全氮（total nitrogen，TN）、碳氮比（C/N）、可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrate，WSC）、粗蛋白（crude protein，CP）、粗脂肪（ether extract，EE）、粗纖維（crude fiber，CF）等理化性質(zhì)見表1。

1.2 發(fā)酵裝置

試驗(yàn)裝置主要由發(fā)酵瓶、集氣袋和培養(yǎng)箱組成。發(fā)酵瓶為2.5 L具橡膠塞玻璃瓶，橡膠塞上打雙孔，分別用于發(fā)酵液采樣和連接集氣袋;集氣袋為5 L鋁箔氣體采樣袋（普萊特，大連）。發(fā)酵瓶、集氣袋之間以玻璃彎管、橡膠管連接。發(fā)酵物料裝載并混勻后，將發(fā)酵瓶和集氣袋整體移入培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為35℃。試驗(yàn)期間每天手動(dòng)搖動(dòng)發(fā)酵瓶?jī)纱?，確保發(fā)酵物料混合均勻，并防止發(fā)酵液分層、結(jié)殼。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用中溫厭氧發(fā)酵，溫度35℃，運(yùn)行周期30天。根據(jù)接種比（接種物與所有發(fā)酵物料的質(zhì)量百分比）的不同設(shè)4個(gè)處理，即：10%、20%、30%、40%，同時(shí)設(shè)置1個(gè)只含接種物的對(duì)照，分別記為T1、T2、T3、T4和T0。每處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)各發(fā)酵瓶總裝樣量均為2 000 g，葉菜類尾菜統(tǒng)一為500 g，尾菜和接種物裝入后，均以無(wú)菌水補(bǔ)足至2 000 g，上部留出空間為產(chǎn)氣室。所有物料一次性裝入后，充分混勻，用N2向發(fā)酵瓶?jī)?nèi)上部空間連續(xù)吹入2 min以排出空氣。試驗(yàn)周期內(nèi)每天采集氣體測(cè)定產(chǎn)沼氣量和甲烷濃度，每3天抽取發(fā)酵液測(cè)定pH值、乙酸、丙酸等化學(xué)指標(biāo)。具體發(fā)酵物料組成詳見表2。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

沼氣產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)（TG1，Ritter，德國(guó)）測(cè)定;甲烷含量采用氣相色譜儀（GC1100，普析，北京）測(cè)定，色譜方法設(shè)置為：使用填充色譜柱（TDX-01，島津，日本），以高純H2為載氣，用熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD 檢測(cè)器），分別設(shè)置儀器進(jìn)樣口、檢測(cè)器溫度為110、150℃，柱箱初始溫度設(shè)為40℃，保持2 min后以10℃/min升溫至80℃并保持1 min;丙酸、乙酸濃度采用氣相色譜儀（GC2014，島津，日本）測(cè)定，色譜條件：使用毛細(xì)管柱（DB-WAX，安捷倫，美國(guó)），以高純N2為載氣，用氫離子火焰檢測(cè)器（FID檢測(cè)器），分別設(shè)置儀器進(jìn)樣口、檢測(cè)器溫度為250、300℃，柱箱程序升溫，初始溫度設(shè)置為110℃，保持1 min后以10℃/min升溫至250℃并保持5 min;WSC采用硫酸-蒽酮比色法測(cè)定[13];氨氮、CP采用凱氏定氮儀（Kjel master K-375，BUCHI，瑞士）測(cè)定;EE按照乙醚索氏抽提法測(cè)定[14];CF采用全自動(dòng)纖維分析儀（Fibertec 2010，F(xiàn)OSS，瑞典）測(cè)定;TC、TN采用總有機(jī)碳/有機(jī)氮分析儀（vario TOC，Elementar，德國(guó)）測(cè)定;TS、VS和pH值均按照文獻(xiàn)[15]所述方法進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013和Origin 2018軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理沼氣日產(chǎn)量變化與累積產(chǎn)氣量比較

不同接種物濃度條件下，各處理組沼氣日產(chǎn)量情況如圖1所示。30 d的試驗(yàn)周期，各處理組沼氣日產(chǎn)量均呈先升高后再降低的總趨勢(shì)，且均在試驗(yàn)開始的第一天出現(xiàn)一個(gè)“產(chǎn)氣高峰”，但結(jié)合甲烷濃度分析（圖3），此“產(chǎn)氣高峰”甲烷含量很低，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道可知，此時(shí)產(chǎn)生的大量氣體主要由尾菜細(xì)胞自身呼吸代謝、微生物分解作用等途徑產(chǎn)生，并非進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段[16，17]。發(fā)酵第2 d各組產(chǎn)氣驟降，此后各處理組產(chǎn)氣逐步升高，逐漸啟動(dòng)產(chǎn)甲烷發(fā)酵，進(jìn)入主產(chǎn)氣階段：當(dāng)接種比為10%時(shí)，第5 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，為1.43 L/d，此后迅速降低至基本不產(chǎn)氣;當(dāng)接種比為20%時(shí)，第6 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，為2.05 L/d，此后逐漸降低并在第22 d出現(xiàn)一個(gè)明顯的次產(chǎn)氣高峰;而接種比為30%和40%時(shí)，沼氣日產(chǎn)量變化曲線比較接近，均在第6 d到達(dá)產(chǎn)氣高峰，分別為2.95 L/d和3.17 L/d，此后也逐步降低，并又分別出現(xiàn)多個(gè)次產(chǎn)氣高峰。多個(gè)產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)與物料中WSC、CP、EE和CF等不同成分降解難易程度和發(fā)酵菌群適應(yīng)性等因素有關(guān)[18，19]。接種比為30%和40%時(shí)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)較多，也一定程度上說明此接種比條件下物料各成分能夠得到較好利用。

由圖2看出，接種比分別為10%、20%、30%和40%時(shí)，扣除完全為接種物的空白對(duì)照組T0產(chǎn)氣量后，T1、T2、T3、T4各處理累積產(chǎn)氣量分別為5.84、22.00、42.91、43.22 L。T1累積產(chǎn)氣量顯著較低，T2累積產(chǎn)氣量高于T1 2.77倍，而T3和T4處理累積產(chǎn)氣量相近且較高，分別高于T1 6.35倍和6.40倍。說明本試驗(yàn)條件下，接種比對(duì)產(chǎn)氣量影響較大，采用較高的接種比能夠獲得更優(yōu)的產(chǎn)氣效果，但是超過一定限度則提升不大。此結(jié)果與任海偉[12]、劉榮厚[20]等的研究結(jié)論一致。

2.2 不同處理甲烷（CH4）濃度變化

試驗(yàn)周期內(nèi)，各處理組甲烷濃度變化如圖3所示。T1、T2處理組甲烷濃度變化呈現(xiàn)顯著的先升高后降低趨勢(shì)，甲烷濃度均在發(fā)酵第6 d達(dá)到最高值，分別為25.08%和37.80%，隨后迅速下降。T1組在產(chǎn)氣迅速停止的同時(shí)，甲烷濃度也逐步趨近于0;而T2組甲烷濃度則在降至約15%后，降速逐步放緩，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為8.35%。結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道和生產(chǎn)實(shí)踐來看，低甲烷濃度的沼氣缺乏利用價(jià)值，不但占用儲(chǔ)氣空間，經(jīng)濟(jì)性差，而且給發(fā)電、燃用、提純等后續(xù)利用環(huán)節(jié)造成較大難度[21]。相對(duì)而言，T3和T4處理組甲烷濃度峰值較高，分別為67.21%和67.33%，分別高于T1最高值1.68倍和1.69倍，而且甲烷濃度升高后，均能夠在試驗(yàn)周期內(nèi)保持基本穩(wěn)定，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍分別高達(dá)62.67%和63.76%，具有良好的利用價(jià)值。可見，不同接種比對(duì)葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣濃度影響顯著，采用較高接種比時(shí)，接種物能夠給發(fā)酵體系迅速帶來足夠的產(chǎn)甲烷菌群，確保甲烷的順利產(chǎn)生;而采用較低的接種比則嚴(yán)重影響產(chǎn)甲烷菌群優(yōu)勢(shì)的建立，并將直接導(dǎo)致高質(zhì)量沼氣無(wú)法順利獲得。

2.3 不同處理pH值與丙酸、乙酸濃度變化

作為一個(gè)復(fù)雜微生物過程，厭氧沼氣發(fā)酵一般分為有機(jī)串聯(lián)的“大分子分解”、“脂肪酸產(chǎn)生”和“甲烷產(chǎn)生”三個(gè)重要步驟，由包含梭菌、產(chǎn)甲烷菌等多種功能微生物的沼氣微生物菌群共同完成。其體系pH值保持一定范圍的相對(duì)穩(wěn)定對(duì)于維持菌群活性十分重要。有研究表明，當(dāng)環(huán)境pH值低于5.0時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性即受到完全抑制[22]。由于葉菜類尾菜可生化性好、極易被微生物分解，揮發(fā)性脂肪酸累積速度快，很容易超過產(chǎn)甲烷菌耐受范圍而出現(xiàn)“過酸化”現(xiàn)象，因而此類原料發(fā)酵過程中pH值和揮發(fā)性脂肪酸的變化情況需要重點(diǎn)監(jiān)控。如圖4所示，接種比為10%時(shí)，發(fā)酵液pH值在發(fā)酵開始后逐步降低，至第6 d低至4.82，此后一直在5.0以下未能恢復(fù);接種比為20%時(shí)，發(fā)酵液pH值第6 d低至5.50，此后有所恢復(fù)，但一直低于6.5;而接種比為30%和40%時(shí)，雖然發(fā)酵液pH值第6 d出現(xiàn)檢測(cè)最低值，分別為6.02和6.15，但都能迅速恢復(fù)至7.0左右，并一直穩(wěn)定在中性范圍。

丙酸、乙酸均為厭氧發(fā)酵中產(chǎn)生的主要揮發(fā)性脂肪酸種類，是由有機(jī)物料向沼氣轉(zhuǎn)化過程的重要中間產(chǎn)物，其濃度變化不但關(guān)系到反應(yīng)器運(yùn)行效率，而且是判斷體系是否穩(wěn)定的重要標(biāo)志之一[23-25]。有研究表明，過高的丙酸濃度會(huì)直接抑制產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)。關(guān)于丙酸抑制濃度閾值的報(bào)道各不相同，可能與原料種類、產(chǎn)甲烷菌類型、緩沖物質(zhì)含量等諸多因素有關(guān)[26]。圖5、圖6展示了不同接種比條件下，發(fā)酵液中丙酸、乙酸的變化情況。與pH值變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)的是，各處理組在試驗(yàn)初期，丙酸、乙酸濃度均出現(xiàn)快速上升過程，而高接種比條件下升幅更快，T1、T2、T3、T4處理組最高丙酸濃度分別為665.34、805.35、910.40、923.36 mg/L，最高乙酸濃度分別為742.14、1 006.08、1 303.64、1 314.42 mg/L;接種比20%、30%與40%處理組的丙酸在6 d后、乙酸在15 d后逐步下降，而10%處理組則基本維持不變。這可能是由于更多接種物雖然提供了較多的產(chǎn)酸微生物而產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，但是也能提供更多的產(chǎn)甲烷微生物消耗揮發(fā)性脂肪酸。

可見，高接種比條件下，雖然更多的微生物會(huì)較快地將大分子有機(jī)物分解為揮發(fā)性脂肪酸導(dǎo)致pH值下降，但是接種物中富含的產(chǎn)甲烷菌等也能更快地消耗有機(jī)酸產(chǎn)生甲烷，同時(shí)有更多的氨氮等緩沖物質(zhì)產(chǎn)生，使得發(fā)酵體系pH值更加趨于中性并能保持穩(wěn)定，因而更加有利于甲烷的產(chǎn)生。而接種物過少時(shí)，揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生速度遠(yuǎn)超過消耗速度，導(dǎo)致pH值逐漸降低后難以恢復(fù)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)甲烷菌群造成毒害，形成負(fù)反饋效應(yīng)，引起發(fā)酵體系崩潰，產(chǎn)氣停滯[27]?？傮w而言，較高的接種物含量是發(fā)酵體系pH值和揮發(fā)性脂肪酸保持動(dòng)態(tài)平衡的重要保障。

2.4 不同處理氨氮濃度變化

厭氧沼氣發(fā)酵過程中氨氮的產(chǎn)生，主要是由于蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等含氮有機(jī)物被微生物分解所致[28]。同pH值和揮發(fā)性脂肪酸類似，氨氮濃度須穩(wěn)定維持在一定范圍內(nèi)才能保證甲烷的順利產(chǎn)生。適當(dāng)濃度的氨氮不但為沼氣微生物菌群的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，而且可以對(duì)酸性物質(zhì)起到良好的緩沖;氨氮過低則體系緩沖能力下降，而氨氮超量累積是厭氧發(fā)酵失衡的另一重要因素。任南琪[29]、Koster[30]等認(rèn)為若氨氮濃度超過1 700 mg/L，則乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)會(huì)受到很大抑制。本研究結(jié)果（圖7）表明，試驗(yàn)周期內(nèi)T1、T2、T3、T4處理組氨氮濃度均有所上升，各組氨氮濃度變化范圍分別為：152.45～213.87、165.29～372.90、184.38～972.45、198.20～1 010.21 mg/L?？梢?，隨接種物用量的增大，接種物中的分解菌群能夠更快地將物料中的含氮有機(jī)物降解為無(wú)機(jī)態(tài)的氨氮，從而提高發(fā)酵液中的氨氮濃度。而較高的氨氮濃度又可以及時(shí)中和部分揮發(fā)性脂肪酸，升高pH值，避免“過酸化”現(xiàn)象的不利影響，起到保護(hù)正常厭氧發(fā)酵順利進(jìn)行的作用。同時(shí)，由于本研究中使用的發(fā)酵原料為葉菜類尾菜，蛋白質(zhì)等含氮物質(zhì)含量低，未觀察到明顯的由氨抑制引起的發(fā)酵停滯現(xiàn)象。

3 討論與結(jié)論

利用集約蔬菜產(chǎn)區(qū)豐富的葉菜類尾菜進(jìn)行厭氧發(fā)酵獲取沼氣和有肥料利用價(jià)值的沼渣、沼液，是實(shí)現(xiàn)資源高效利用、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方式。然而，由于葉菜類尾菜自身原料特點(diǎn)，極易在發(fā)酵中出現(xiàn)“過酸化”現(xiàn)象而導(dǎo)致產(chǎn)氣效率大大下降?！斑^酸化”現(xiàn)象出現(xiàn)的原因雖然是多方面的，但根本原因是沼氣微生物菌群不足以及時(shí)消耗迅速產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸，導(dǎo)致酸過量累積和pH值驟降超出微生物耐受閾值的負(fù)反饋效應(yīng)。接種物中含有數(shù)量豐富、種類多樣的沼氣微生物菌群，是厭氧發(fā)酵中產(chǎn)甲烷菌群的唯一來源，而產(chǎn)甲烷菌通常生長(zhǎng)代謝較為緩慢，是厭氧沼氣發(fā)酵的限速因素，其利用揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生甲烷的效率直接決定了酸累積程度[31，32]。因此在厭氧發(fā)酵的起始階段增加接種物用量，迅速提高產(chǎn)甲烷菌數(shù)量，就有可能提高系統(tǒng)的有機(jī)酸分解能力、促進(jìn)酸堿平衡進(jìn)而提高產(chǎn)沼氣性能。Li[33]、Zhu[34]、Yang[35]等在研究不同農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧沼氣發(fā)酵時(shí)，均認(rèn)為較高的接種比具有縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間、平衡酸堿、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加沼氣產(chǎn)量等優(yōu)勢(shì)。

然而，具體到每種不同種類的農(nóng)業(yè)廢棄物，其最佳接種比可能存在很大不同。Lesteur等[36]研究指出，以不同物料、按不同工藝進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵時(shí)，揮發(fā)性脂肪酸的累積情況和系統(tǒng)緩沖能力均有可能差異巨大，需要通過試驗(yàn)確定最佳接種比，才能保證產(chǎn)沼氣潛力的正常發(fā)揮。白菜、芹菜和萵苣等在種植和采收過程中會(huì)附帶產(chǎn)生大量的尾菜，這些尾菜含有糖類、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，含水量高，“易分解”是其明顯區(qū)別于農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便等常見農(nóng)業(yè)廢棄物的特征。比較而言，以葉菜類尾菜為主要原料的厭氧沼氣發(fā)酵更容易受到“過酸化”現(xiàn)象的危害，選擇合適的接種比是該類農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

氨抑制是厭氧沼氣發(fā)酵中與“過酸化”相并列的另一類有害因素，高濃度的氨氮與揮發(fā)性脂肪酸一樣毒害沼氣微生物菌群，不利于系統(tǒng)酸堿平衡和產(chǎn)氣進(jìn)行。但是，氨抑制一般發(fā)生在禽畜糞便、餐廚垃圾等蛋白質(zhì)含量高的物料厭氧發(fā)酵過程中[37]。葉菜類尾菜蛋白質(zhì)含量較低，發(fā)酵過程中一般不會(huì)形成氨抑制，此時(shí)較高濃度的氨氮反而可以中和揮發(fā)性脂肪酸，起到平衡酸堿的積極作用。采用較高的接種比時(shí)，數(shù)量更豐富的分解菌群能夠更快地水解原料產(chǎn)生氨氮，提高系統(tǒng)酸緩沖能力，有利于產(chǎn)甲烷菌等其它微生物生存、生長(zhǎng)和正常發(fā)酵的進(jìn)行。

本研究比較了10%、20%、30%和40%接種比條件下葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵的情況，結(jié)果表明，不同接種比對(duì)葉菜類尾菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能影響顯著。若接種比過低（10%和20%），則發(fā)酵中會(huì)出現(xiàn)丙酸乙酸大量累積、pH值驟降、酸堿平衡失調(diào)的“過酸化”現(xiàn)象，沼氣菌群失活或活性降低，無(wú)法保證正常的產(chǎn)甲烷過程;而較高的接種比（30%和40%）能夠維持發(fā)酵體系丙酸、乙酸、氨氮?jiǎng)討B(tài)平衡和pH值相對(duì)穩(wěn)定，避免發(fā)生“過酸化”現(xiàn)象，有利于沼氣菌群正?；顒?dòng)，確保甲烷順利產(chǎn)生。這同任海偉[12]、Li[33]、Zhu[34]、Yang[35]等的研究結(jié)果相一致。30%和40%接種比處理組最高沼氣日產(chǎn)量分別為2.95 L和3.17 L，累積產(chǎn)氣量分別為42.91 L和43.22 L，最高甲烷濃度分別為67.21%和67.33%，數(shù)值接近。因此，綜合產(chǎn)氣效率和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，30%的接種物濃度為本試驗(yàn)的最佳接種比。

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