废弃大白菜厌氧消化产甲烷的实验研究

吉喜燕， 肖志海， 林卫东， 张无敌，尹芳， 赵兴玲， 王昌梅， 柳静， 杨红， 刘士清

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.红河农业环保工作站，云南 蒙自 6661199)



废弃大白菜厌氧消化产甲烷的实验研究

吉喜燕1， 肖志海2， 林卫东1， 张无敌1，尹芳1， 赵兴玲1， 王昌梅1， 柳静1， 杨红1， 刘士清1

(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；2.红河农业环保工作站，云南 蒙自 6661199)

以废弃大白菜为原料，使用全自动厌氧消化产甲烷潜力测量仪测定了其在30 ℃条件下的甲烷产量.厌氧消化反应系统为30 g新鲜大白菜浆和170 g接种污泥.结果表明，经过40 d的发酵周期，大白菜的TS产甲烷潜力为291 NmL/g TS，VS产甲烷潜力为331 NmL/g VS.分析厌氧消化过程中产甲烷的规律，证明厌氧消化可以有效处理废弃大白菜，使其转化为甲烷.

废弃大白菜；厌氧消化；产甲烷潜力

1 引 言

有资料显示，我国蔬菜的种植面积和其所占总农作物面积的比例正呈线性增加，在我国云南省滇池地区附近，大多数菜农将蔬菜废弃物堆弃在河沟渠塘之中，加重了水体富营养化严重的滇池的污染程度[1].蔬菜废弃物占到我国城市生活垃圾总量的20%～50%，每年大约有1亿吨的废弃蔬菜产生[2].对于这些给环境带来巨大污染的废弃蔬菜，学者们作了不同研究.杨鹏提出，将废弃蔬菜与粪便混合进行厌氧发酵处理将会是处理果蔬废弃物的一种发展方向[3].张无敌对菠菜叶秆进行了厌氧消化产沼气的研究[4].

经测定分析，大白菜的TS含量为15.2%，VS含量为87.9%[5].有文献指出各种糖类在大部分废弃蔬菜中的总含量达70%以上，这表明废弃蔬菜具备厌氧消化处理的条件.目前针对废弃大白菜的厌氧消化产甲烷潜力的研究还未见报道，本文探究了大白菜废弃物的产甲烷潜力，为大白菜废弃物的生物处理和沼气能源转换打下理论基础.

2 材料与方法

2.1 实验材料

实验所用的废弃大白菜来自昆明市呈贡区云南师范大学附近柏枝营社区菜市场，收集后将其用清水洗净，MDJ-A01Y1型粉碎机打成浆态.接种污泥来自实验室运行良好的厌氧反应器中，驯化良好.实验之前将接种污泥以及大白菜浆进行TS、VS含量的测定，结果显示，接种物TS：3.63%，VS：22%；大白菜浆TS：10.3%，VS：87.9%.

2.2 实验装置

采用全自动甲烷潜力测试系统进行30 ℃中温厌氧消化实验.实验装置如图1所示.

(A.自动控温水浴箱 B.NaOH吸收瓶 C.气体计量装置 D.计算机)

整套实验装置分为厌氧消化单元、吸附单元和气体计量单元，各个单元之间用防腐蚀胶管连接.在厌氧消化单元中，装有反应底物的玻璃反应瓶容量为500 mL，带有机械搅拌装置.吸附单元装有80 mL的3 mol/L的NaOH溶液用以吸附厌氧消化过程中产生的CO2和H2S等酸性气体，并加百里酚酞作为指示剂.在气体计量单元中，微量流量计浸于去离子水中，每当甲烷气体达到5 mL，便计量一次存储于仪器内部.实验结束，从连接的计算机中导出所有实验数据.

2.3 实验方法

实验设置3个平行对照组和3个平行实验组.对照组只装入170 g的接种物，加蒸馏水至200 g.实验组接种物和大白菜浆的VS比为0.25.实验组每个大白菜浆与接种污泥的总质量为200 g.将计算称量好的鲜制大白菜浆和接种污泥在容器中混合均匀后加入发酵瓶中.将每一组发酵瓶中充入氮气，直至排空发酵瓶中剩余空气.从与设备连接的电脑进入控制系统，设置厌氧消化的温度为30 ℃，在消化过程中每两分钟搅拌一次，每次搅拌时间为15 s，搅拌的转速设定为80 rpm.实验中所产生的气体由发酵瓶经由连接导管进入吸附液瓶，CO2和酸性气体被吸收净化，剩余的甲烷气体进入计量单元.所得气体99.8%为甲烷.

3 实验结果与分析

3.1 TS和VS产气潜力分析

在30 ℃自动恒温条件下，对废弃大白菜浆进行完整的厌氧消化产甲烷测定实验，从厌氧消化系统启动即开始对甲烷产气量进行自动监测测量，直到消化反应的甲烷产气量小于5 mL的天数作为消化反应的终点，实验共进行40 d，将40 d作为消化底物的反应周期，在此周期内，每天的产甲烷量记为日产气量，周期内所产的总甲烷量为累积产气量.根据自动收集记录装置所收集的实验数据，绘制得到废弃大白菜的累积产气量变化曲线(图2)、日产甲烷量变化曲线(图3)以及产甲烷速率变化曲线来分析废弃大白菜的厌氧消化产甲烷规律及其产期潜力.

图2 废弃大白菜浆累积产甲烷量曲线

从图2可看出，A区域的曲线斜率最大，说明第1天至第8天大白菜浆产甲烷速率最快.平均日产甲烷速率为71.1 NmL/d.大白菜被机械粉碎后在厌氧微生物的作用下，糖分和有机物质被充分分解利用，且有机物质的量在此段时间较为充分，所以累积产甲烷量在A段时期增长较为迅速.在日产甲烷量变化曲线图中，通过绘图软件中的“拣峰”操作，找到了日产气量的最高峰恰为发酵周期的第8天，即88.4 NmL.从第9天至第33天，日产气量明显逐渐下降，日平均产甲烷速率变为11.7 NmL/d.这是由于随着废弃大白菜浆中有机物质的快速消耗，纤维素以及半纤维素在微生物的作用下逐渐水解成为单糖，发酵产生乙醇进而被产甲烷菌利用[6].从第34天至第40天，随着反应底物的消耗殆尽，甲烷日产气量和累积产气量基本不再变化.

图3 废弃大白菜浆日产甲烷量变化曲线

经过计算，在发酵周期的第14天，累积产甲烷量达到了总累积产气量的80%，表明废弃大白菜浆厌氧消化的水利滞留时间(HRT)为14 d，如图4所示.

图4 废弃大白菜浆产甲烷速率变化图

在实验条件(30 ℃)下，进行厌氧消化产甲烷的测定，从实验启动直至甲烷日产气量低于5 NmL，以此时段作为反应底物的产甲烷周期，为40 d，周期内累计产甲烷量900.5 NmL.废弃大白菜浆的原料产气率为30 NmL/g，TS产气率为291 NmL/g TS，VS产气率为331 NmL/g VS，见表1.

表1 废弃大白菜浆产甲烷潜力Table 1 The methane production potential of wate cabbage pulp

3.2 废弃大白菜与同类消化底物产甲烷潜力对比

为全面说明废弃大白菜浆的厌氧消化产甲烷潜力，将它与其他同类消化底物进行比较，结果如表2所示.

表2 废弃大白菜浆与同类果蔬原料产甲烷潜力对比Table 2 Methane production potential of waste cabbage and other similar fruits and vegetables

表2中所罗列的对比中，废弃大白菜的VS产气潜力参数为甲烷产气率，而其他4组参数均为沼气产气率.显然从表中可看出，废弃大白菜浆厌氧消化产甲烷的VS产气潜力和表中其他同类废弃蔬菜底物的沼气VS产气潜力几乎相同，废弃蔬菜混合物类和果皮类的产VS产沼气潜力略高于其他单一型废弃蔬菜，但其产甲烷的潜力仍然低于废弃大白菜浆.由于甲烷只是沼气的主要成分，所以，在同等消化温度和环境下，废弃大白菜浆的产甲烷潜力要明显优于同类底物.

4 结 论

以废弃大白菜浆为发酵底物，在30 ℃进行厌氧消化实验.结果表明：第1天即产甲烷46.5 mL，故发酵滞留时间较短，不足1 d.第34天到第40天间，甲烷产气量不再发生变化，维持在900 mL，由此确定发酵时间为40 d.到第14天所产生的总甲烷量占累积产量的80%，得出工程设计的HRT为14 d.

废弃大白菜浆的产甲烷潜力为TS产气率291 NmL/g TS，VS产气率331 NmL/g VS.与同类消化底物相比，废弃大白菜厌氧消化产沼气的潜力较高，并且废弃大白菜的厌氧消化产甲烷潜力要明显优于厌氧消化同类底物.所以如果将废弃大白菜投入沼气工程中进行批量处理，将是一种高效优良的消除废弃蔬菜污染的好方法.

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Research on Methane Production of Anaerobic Digestion of Waste Cabbage

JI Xi-yan1, XIAO Zhi-hai2, LIN Wei-dong1, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, WANG Chang-mei1, LIU Jing1, YANG Hong1, LIU Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650500,China；2.Honghe Agricultural Environmental Workstation,Mengzi 661100,China)

With waste Chinese cabbage as raw material,the amount of methane production at 30 ℃ constant temperature conditions was measured using the anaerobic digestion methanogenic potential automatic measuring instrument.Anaerobic digestion system was made up with 30 g fresh cabbage pulp and 170 g sludge inoculation.The results showed that after the fermentation period of 40 d,as calculated,TS methane production rate of cabbage was 291 NmL/g TS,VS methane production was 331 NmL/g VS.Analyzed the anaerobic digestion process,anaerobic digestion is proved as an effective disposal to deal with waste cabbage.So it can make the waste Chinese cabbage into useful methane resources.

Waste cabbage; Anaerobic digestion; Methane production potential

2015-03-28

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20135303110001)；国家自然科学基金资助项目(51366015)；云南省应用基础研究基金重点资助项目(2014FA030)；云南省科技创新平台建设计划(2013DH041)资助项目.

吉喜燕(1989- )，女，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程方面研究.

张无敌(1965- )，男，云南石屏人，研究员/博士生导师，主要从事生物质能的开发与利用方面研究.Email: wootichang@163.com.

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0010-04