玫瑰秸稈產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究

摘要：以玫瑰秸稈為發(fā)酵原料，在恒溫30 ℃條件下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，發(fā)酵歷時44 d，當(dāng)發(fā)酵體系出現(xiàn)酸化時，在微生物的調(diào)節(jié)下，pH能夠很快恢復(fù)，產(chǎn)氣未受到任何影響。當(dāng)提高玫瑰秸稈的發(fā)酵總固體含量到20%時，發(fā)酵體系表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。玫瑰秸稈的產(chǎn)氣潛力為305 mL/g TS，324 mL/g VS。

關(guān)鍵詞：玫瑰秸稈；沼氣發(fā)酵；pH；發(fā)酵濃度；產(chǎn)氣潛力

中圖分類號：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）17-4086-04

Experimental Study on Potential of Biogas Fermentation with Rose Straw

YANG Hong，YIN Fang，ZHANG Wu-di，XU Ling，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，CHEN Yu-bao，LIU Shi-qing

（Yunnan Normal University， Kunming 650092， China）

Abstract： This paper studies the biogas production yield using the rose straw as raw material. The fermentation was conducted batch by batch at constant temperature 30 ℃. Fermented liquid became acidic in the fermentation of the gerbera straw but could be restored to normal quickly with the reaction of adjustment of the anaerobic microbe. The biogas yield of rose straw could not be the influence of pH value. When the fermentation concentration is 20%， the law of fermentation is same as the above results. So biogas yield of the rose straw is 305 mL/g TS and 324 mL/g VS with 44 days of anaerobic digestion.

Key words： rose straw； biogas fermentation； pH； fermentation concentration； biogas potential

收稿日期：2012-10-18

基金項(xiàng)目：云南省科技條件平臺建設(shè)項(xiàng)目（2010DH012）

作者簡介：楊 紅（1987-），女，云南施甸人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能與環(huán)境工程，（電話）13888734595（電子信箱）

appletree53539@163.com；通訊作者，張無敵（1965-），男，云南石屏人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能的研究與開發(fā)利用

工作，（電子信箱）wootichang@163.com。

花卉產(chǎn)業(yè)作為云南省最具特色的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，被列為21世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的五大支柱產(chǎn)業(yè)之一。在國際花卉市場受生產(chǎn)成本、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)增長等因素影響發(fā)展放緩甚至開始下滑的趨勢下，云南省憑借其獨(dú)特的地理優(yōu)勢、資源優(yōu)勢及勞動優(yōu)勢迅速崛起，并取得了令人矚目的成績[1]。早在1999年，云南省花卉的種植面積已達(dá)到1 729 hm2，主要的品種結(jié)構(gòu)比例為康乃馨40.9%、玫瑰15.4%、百合6.0%、劍蘭3.0%、非洲菊4.0%、菊花3.2%、滿天星5.0%、情人草和勿忘我10.0%、孔雀草2.0%、馬蹄蓮2.0%及其他鮮花和配花配材8.5%[2]。云南省已經(jīng)成為最大的鮮切花生產(chǎn)基地，而玫瑰作為主要的鮮切花種類，種植面積也逐年上升，從1998年的90.7 hm2已經(jīng)上升到2005年的2 380.65 hm2[3]。與此同時，云南省近年來熱銷的食用玫瑰的種植面積也超過333.3 hm2，每公頃的純收入達(dá)到90 000元，年產(chǎn)值達(dá)3 000萬元[4]。在大力拓展玫瑰種植面積的同時，如何合理而有效地對玫瑰廢棄秸稈進(jìn)行處理，也成為了花卉種植業(yè)所面臨的關(guān)鍵問題。目前，云南花卉市場花卉秸稈的利用方式主要是直接填埋或者是簡單堆漚后做肥料[5]，大量的秸稈直接堆漚存在污染環(huán)境、利用率低、肥效差等問題。本研究以玫瑰秸稈為原料，探究其產(chǎn)沼氣潛力，為實(shí)現(xiàn)玫瑰秸稈的資源化利用、提高其能源轉(zhuǎn)化效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

發(fā)酵原料為玫瑰秸稈，經(jīng)測定總固體含量為36.87%，揮發(fā)性固體含量為94.17%、pH 6.0。接種物為長期馴化的厭氧發(fā)酵活化污泥，經(jīng)測定總固體（TS）含量為8.07%，揮發(fā)性固體（VS）含量為56.07%，pH 7.5。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自制的容積為500 mL的批量式發(fā)酵裝置。裝置示意圖如圖1所示。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理 將玫瑰秸稈清理后切碎成長度短于2 cm的小段，以便其與接種物充分混合均勻。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與料液配比 試驗(yàn)分別設(shè)置試驗(yàn)組和對照組，每組分別設(shè)3個平行。為保證試驗(yàn)的一致性，進(jìn)行單瓶配料。料液的配比如下：1）5%試驗(yàn)組為120 mL接種物，28.0 g玫瑰秸稈，加去離子水至400 mL；2）20%試驗(yàn)組為120 mL接種物，35.0 g玫瑰秸稈（所用玫瑰秸稈已經(jīng)放置過一段時間，水分散失，重新測定TS為71.26%，VS為95.60%），加去離子水25 mL；對照組為120 mL接種物，加去離子水至400 mL。采用自動控溫裝置恒溫30 ℃下厭氧發(fā)酵，每天定時記錄產(chǎn)氣量及火焰顏色。

1.3.3 測試項(xiàng)目及方法

1）產(chǎn)氣量：排水法收集沼氣，統(tǒng)計(jì)每天特定時間下計(jì)量瓶中所收集水的體積。同時采用火焰顏色比色卡法[6]，根據(jù)火焰的顏色確定沼氣中甲烷的含量。

2）總固體含量測定：將樣品在（105±2） ℃下烘至恒重，計(jì)算樣品除水分后干物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

3）揮發(fā)性固體含量測定：將TS測定后的總固體在（550±20） ℃下燒至恒重，計(jì)算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

4）pH測定：采用pH 5.7～8.5的精密pH試紙。

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了5%和20% TS濃度下發(fā)酵液每天的產(chǎn)氣量，對產(chǎn)氣速率進(jìn)行計(jì)算，對5%發(fā)酵濃度的發(fā)酵液前后的TS、VS、pH進(jìn)行測定，最后得出玫瑰秸稈的產(chǎn)氣潛力。

3.1 產(chǎn)氣情況分析

每天記錄玫瑰秸稈的產(chǎn)氣量，得出產(chǎn)氣量與發(fā)酵時間的規(guī)律，如圖2所示。

由圖2可知，對于5% TS發(fā)酵濃度試驗(yàn)組，整個沼氣發(fā)酵過程歷時44 d，日平均產(chǎn)氣量達(dá)71 mL，共出現(xiàn)3個產(chǎn)氣高峰，最高產(chǎn)氣量為230 mL，最高甲烷含量達(dá)70%，發(fā)酵過程符合沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，產(chǎn)氣量先是逐漸上升，達(dá)到最高峰后再逐漸減少，直到發(fā)酵結(jié)束。玫瑰秸稈發(fā)酵啟動較快，在第2天產(chǎn)氣量就達(dá)到第一個高峰，但是點(diǎn)燃火焰顏色為淡藍(lán)色，甲烷含量較低。在發(fā)酵體系水解性細(xì)菌的作用下，體系在第4天出現(xiàn)酸化，pH 5.5，產(chǎn)氣停止，但是體系酸化期較短，到第6天產(chǎn)氣恢復(fù)，pH 6.0，直到沼氣發(fā)酵結(jié)束，體系的pH一直維持在沼氣發(fā)酵的正常范圍，未再一次出現(xiàn)酸化，說明玫瑰秸稈是較好的沼氣發(fā)酵原料。為進(jìn)一步確定玫瑰秸稈發(fā)酵過程中pH的變化，也進(jìn)行了發(fā)酵濃度為20%的玫瑰秸稈干發(fā)酵試驗(yàn)。由圖2產(chǎn)氣曲線可知，玫瑰秸稈干發(fā)酵表現(xiàn)出與稀發(fā)酵一致的規(guī)律，在第4天出現(xiàn)酸化，但是從5 d開始，產(chǎn)氣量持續(xù)上升，玫瑰秸稈產(chǎn)氣效果較好，最高產(chǎn)氣量達(dá)到320 mL，未再一次出現(xiàn)酸化，發(fā)酵體系穩(wěn)定。

3.2 產(chǎn)氣速率分析

對整個試驗(yàn)過程中累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。由表1可知，對于玫瑰秸稈，體系酸化對其沼氣發(fā)酵幾乎沒有任何影響，產(chǎn)氣量平穩(wěn)上升，主要產(chǎn)氣階段集中在第10～30天，從第10天的895 mL增加到第30天的2 710 mL。最快的產(chǎn)氣階段集中在第10天到第20天，從895 mL增加到2 250 mL。

對發(fā)酵過程中產(chǎn)氣速率進(jìn)行計(jì)算（圖3）。由圖3可知，對于5% TS玫瑰秸稈發(fā)酵，在第3天至第5天，產(chǎn)氣速率較平緩，此時整個發(fā)酵的體系處于pH的調(diào)整期。從第5天開始，產(chǎn)氣量快速增加，產(chǎn)氣速率急速上升，曲線較陡峭，增幅較大，到第25天時，產(chǎn)氣速率達(dá)到80%，若在實(shí)際的沼氣工程運(yùn)用中HRT一般設(shè)為25 d。從25 d后，產(chǎn)氣速率趨于平緩，穩(wěn)步增加，但是總體上增加較小，產(chǎn)氣速率曲線逐漸趨于平緩。而對于發(fā)酵濃度為20% TS的驗(yàn)證試驗(yàn)組，在發(fā)酵的前25 d，產(chǎn)氣速率曲線的變化規(guī)律與5%試驗(yàn)組幾乎一致，前5 d 產(chǎn)氣速率曲線平緩，第5天后產(chǎn)氣速率急速增加，曲線變得陡峭，斜率增加。從5%和20%試驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率曲線的變化規(guī)律可知，對于玫瑰秸稈發(fā)酵來說，體系酸化期較短，完全可以依靠微生物的自我調(diào)節(jié)作用使pH恢復(fù)到正常的范圍，同時從20%試驗(yàn)組的26 d的產(chǎn)氣效果來看，玫瑰秸稈干發(fā)酵是可行的。

3.3 發(fā)酵前后TS、VS、pH的統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)對玫瑰秸稈發(fā)酵前后的TS、VS、pH進(jìn)行了測定（表2）。由表2可知，試驗(yàn)組和對照組的TS和VS在發(fā)酵后都有所降低，但是對照組的TS和VS的降解量極低，降解率都小于5%，這與發(fā)酵過程中對照組幾乎從不產(chǎn)氣的規(guī)律是相符的。而實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵前后的TS和VS都有明顯減少，TS的降解率是對照組的7.4倍，而VS降解率是對照組的1.9倍，表明沼氣發(fā)酵過程中，玫瑰秸稈的營養(yǎng)成分被微生物充分利用。

3.4 產(chǎn)氣潛力分析

通過玫瑰秸稈的TS和VS含量可以計(jì)算出原料的TS和VS產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力（表3）。由表3可知對于玫瑰秸稈，TS和VS產(chǎn)氣率都超過300 mL/g TS，而玫瑰秸稈的原料產(chǎn)氣率較高，達(dá)到112 mL/g，玫瑰秸稈若進(jìn)行沼氣發(fā)酵，能源化潛力十分可觀。

3.5 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力分析

為進(jìn)一步評價(jià)玫瑰秸稈的產(chǎn)氣潛力，對發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性的發(fā)酵原料的發(fā)酵時間及TS產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表4）。由表4可知，與其他的植物性原料相比，玫瑰秸稈的TS產(chǎn)氣潛力僅小于香蕉桿、水葫蘆、菠蘿皮和早熟禾，主要是因?yàn)榕c其相比，玫瑰秸稈的纖維素含量更高，糖分較低。但與其他結(jié)構(gòu)成分相似的植物性原料相比，玫瑰秸稈TS產(chǎn)氣潛力都高于其他的植物性原料，是其他的原料的1.15～5.65倍，同時玫瑰秸稈的發(fā)酵時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于其他的植物性原料，比如在同樣的發(fā)酵溫度下，玫瑰秸稈與豆稈的TS產(chǎn)氣潛力接近，但豆稈的發(fā)酵時間為70 d，玫瑰秸稈的僅為44 d，若應(yīng)用于實(shí)際的沼氣工程中，以玫瑰秸稈為原料，可減少投資成本，經(jīng)濟(jì)效益更高。

4 結(jié)論

1）以玫瑰秸稈為發(fā)酵原料，30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，5%發(fā)酵濃度的試驗(yàn)組產(chǎn)氣潛力為305 mL/g TS，324 mL/g VS。整個發(fā)酵過程中發(fā)酵體系在第3天出現(xiàn)酸化，不需要外源物質(zhì)的調(diào)節(jié)，發(fā)酵體系能夠很快恢復(fù)，并一直保持在正常的pH范圍。進(jìn)行20%發(fā)酵濃度的預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律，pH對玫瑰秸稈沼氣發(fā)酵的影響很小。利用玫瑰秸稈為發(fā)酵原料是可行的，避免了秸稈原料容易出現(xiàn)的體系酸化問題，同時試驗(yàn)結(jié)果也為玫瑰秸稈干發(fā)酵提供了理論依據(jù)，玫瑰秸稈進(jìn)行沼氣發(fā)酵具有較強(qiáng)的可行性，能源利用率更高。

2）玫瑰秸稈與其他的植物性原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行比較，在秸稈組成結(jié)構(gòu)成分相似的條件下，玫瑰秸稈具有發(fā)酵時間短、TS產(chǎn)氣潛力高的特點(diǎn)，若將玫瑰秸稈用于實(shí)際的沼氣工程中，HRT較短，發(fā)酵罐體積小，可以較小的投資成本獲得較高的能源轉(zhuǎn)化率，而沼氣發(fā)酵后的殘留物可作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥直接用于玫瑰基地的用肥，種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)之間物質(zhì)和能量得以循環(huán)，實(shí)現(xiàn)玫瑰秸稈的綜合利用。

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（責(zé)任編輯 張 毅）