勿忘我花桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實驗研究*

吉喜燕，林衛(wèi)東，張無敵，尹 芳，劉士清，趙興玲，柳 靜，楊 紅

（云南師范大學，昆明 650500）

勿忘我花桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實驗研究*

吉喜燕，林衛(wèi)東，張無敵?，尹 芳，劉士清，趙興玲，柳 靜，楊 紅

（云南師范大學，昆明 650500）

為研究勿忘我花桿的產(chǎn)沼氣潛力和特性，實驗設計對照組（120 mL接種物）和實驗組（120 mL接種物 + 27 g勿忘我花桿），在30℃恒溫條件下，采用全混合批量式發(fā)酵工藝，進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的實驗。結果表明，實驗組沼氣發(fā)酵歷時36 d，凈產(chǎn)氣量為1 650 mL，計算得出勿忘我花桿的產(chǎn)氣潛力為359 mL/(g·TS)，393 mL/(g·VS)。

勿忘我花桿；厭氧消化；產(chǎn)氣潛力

0 引 言

云南地處低緯高原地帶，海拔高差大，氣候類型豐富多樣，兼具有干濕季分明的季風氣候、四季溫差小的低緯氣候和垂直變異顯著的高原氣候三大特點，氣候類型的復雜多樣造就了云南花卉種目繁多的特點[1]。2003年云南全省花卉種植面積達了到10 600 hm2[2]。云南的土地面積占全國的4%，但云南卻有“植物王國”之稱，其鮮切花產(chǎn)量連續(xù)10年穩(wěn)居全國第一，在全國占有50%的市場份額，到2010年，云南花卉種植面積達到了18 000 hm2，花卉產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達90億元[3]。每天有1 500萬枝鮮花從斗南運向全國各地[4]。鮮花產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，廢棄花桿也帶來了巨大的環(huán)境壓力。本文以勿忘我花桿為原料探求其產(chǎn)沼氣潛力，以期為云南廢棄花桿的循環(huán)利用提供參考。經(jīng)過測定，勿忘我花桿中含粗蛋白質32.3%、粗脂肪6.2%、粗纖維8.7%，有機營養(yǎng)價值比較高，具備發(fā)酵的先決條件。早在1999年，云南省花卉的種植面積已達到1 729 hm2，勿忘我的種植面積達到了總面積的10%[5,6]。目前，關于植物秸稈厭氧發(fā)酵的研究多集中于小麥、玉米、水稻，尚未見有將勿忘我花桿作為原料進行厭氧發(fā)酵的研究報道。因此，本實驗以勿忘我花桿為原料進行厭氧發(fā)酵來研究其產(chǎn)沼氣潛力具有一定的探索和創(chuàng)新意義。將大量的勿忘我花桿進行厭氧發(fā)酵，使其中的C、H元素轉化為CH4這種清潔能源的同時也解決了花卉廢棄物填埋或堆放和滋生細菌污染環(huán)境的問題。目前，國內(nèi)關于勿忘我花朵的研究僅涉及到它的花色素的分離以及其組織培養(yǎng)方面。本文也可在一定程度上填補勿忘我花桿厭氧發(fā)酵實驗研究方面的空白。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 發(fā)酵原料

發(fā)酵原料采用云南省昆明市斗南花市某花店殘余的勿忘我花桿，經(jīng)測定，勿忘我花桿的 TS為16.98%，VS為91.2%。

1.1.2 接種物

以實驗室長期馴化的豬糞厭氧發(fā)酵活性污泥為接種物，經(jīng)測定，其TS為16.15%，VS為59.93%。

1.1.3 實驗裝置

采用實驗室自制的容積為500 mL的全混合式批量發(fā)酵裝置，該實驗裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶、體積計量瓶以及溫控系統(tǒng)等組成。發(fā)酵瓶為 500 mL的廣口瓶，用帶玻璃導管的橡皮塞封口；集氣瓶采用玻璃材質、容量為500 mL的三角瓶并用橡皮塞封口；用膠皮管連接玻璃三通管；體積計量瓶采用500 mL的廣口瓶。發(fā)酵瓶、集氣瓶、體積計量瓶通過 Φ8 mm的乳膠管連接。溫控系統(tǒng)由溫控儀（C3W-221型）、熱電偶（WCZT-10型）、交流接觸器（CJT1-10型）、循環(huán)水泵（AP1200型）、電熱管（A-019型）以及水槽組成。勿忘我花桿發(fā)酵的實驗裝置見圖1。

圖1 勿忘我花桿沼氣發(fā)酵實驗裝置Fig. 1 Experimental equipment for biogas fermentation ofLimonium sinuatumstraw

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

將勿忘我花桿清理后切碎成約 1 cm的小段以便與接種物充分混合均勻。

1.2.2 發(fā)酵系統(tǒng)的料液配比

發(fā)酵實驗由對照組和實驗組構成。兩個組均設置有3個平行實驗。發(fā)酵料液的具體配方如下：

實驗組。質量分數(shù)為總體質量30% 的接種物，27 g的勿忘我花桿，加水至400 mL。

對照組。質量分數(shù)為 30%的接種物，加水至400 mL。

實驗中，運用智能數(shù)字顯示溫控儀監(jiān)測，確保溫度控制在（30 ± 0.2）℃，以此保證中溫厭氧發(fā)酵的正常進行。實驗周期中，每日定點記錄厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量（以mL計）和點燃的火焰顏色。

1.2.3 測試項目及方法

（1）pH值測定：采用5.7～8.5精密pH試紙。

（2）TS含量的測定：將樣品置于烘箱，105℃恒溫烘干至恒重后，用電子天平精確稱量，計算樣品除去水分之后所剩余干物質的質量分數(shù)[7]。

（3）VS含量的測定：將TS測定完畢后的恒重總固體置于馬弗爐中。調(diào)節(jié)溫度至 550℃，燒至恒重后，用電子天平精確稱量。計算揮發(fā)性物質的質量分數(shù)[7]。

（4）產(chǎn)氣量測定：采用排水集氣法收集和測定產(chǎn)氣量。實驗啟動之后，每天同一時刻記錄產(chǎn)氣量。以各組3個平行實驗的平均產(chǎn)氣量作為各組的最終產(chǎn)氣量。采用火焰顏色比色卡[8]的方法，依據(jù)火焰顏色來判斷和預測發(fā)酵實驗所產(chǎn)氣體中所具有甲烷的含量。

2 實驗結果及分析

發(fā)酵實驗共進行了36 d，對實驗前后發(fā)酵料液的TS、VS濃度以及pH值進行了測定，對產(chǎn)氣量和沼氣中的甲烷含量進行了計算，最終得出 TS、VS降解的規(guī)律。

2.1 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH

發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值等結果見表1。從表中可以看出：發(fā)酵原料TS和VS在發(fā)酵之后均有一定程度的降低，其中原料TS和VS降解率明顯高于接種物，對照組的TS和VS的降解率很低，這與發(fā)酵過程中對照組幾乎不產(chǎn)氣的規(guī)律是相符的。從表中還可以看出，對照組的各項參數(shù)都明顯低于實驗組，說明實驗組發(fā)酵完全、微生物活性良好，可見接種物對實驗組產(chǎn)氣量的影響是極小的。發(fā)酵料液的 pH值在發(fā)酵前后有所變化，但仍然維持在發(fā)酵的較佳pH范圍內(nèi)。

表1 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值Table 1 The TS, VS and pH value of fermentation liquid before and after the fermentation

2.2 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1 日產(chǎn)氣量

實驗組（已減去對照組產(chǎn)氣量）的日產(chǎn)氣量變化曲線如圖2所示。

圖2 產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化曲線Fig. 2 Gas production curves

每天定時記錄產(chǎn)氣量，通過計算和分析后得到原料發(fā)酵時間與產(chǎn)氣量的規(guī)律。從圖2可以看出，在第36 d，發(fā)酵體系停止產(chǎn)氣，所以它的發(fā)酵周期為36 d。實驗啟動之后的第1 d即開始產(chǎn)氣，第1～4 d產(chǎn)氣比較多，點燃的火焰為微藍色。從火焰顏色判斷產(chǎn)氣中的甲烷含量大約為40%[8]。從第5 d開始，產(chǎn)氣量又有所上升，且點燃火焰顏色為淡晴藍。從沼氣燃燒火焰顏色判斷，其甲烷含量在55%[8]左右。第7 d產(chǎn)氣達到高峰，最高為195 mL。此后的7 d產(chǎn)氣量有所下降，從第15 d開始停止產(chǎn)氣，經(jīng)測定pH值確定是酸化導致產(chǎn)氣停滯。經(jīng)過一段時間的恢復，在第22 d，產(chǎn)氣量有所回升。從第22 d開始，沼氣產(chǎn)量總體呈下降趨勢，中間略有波動，火焰顏色為云水藍，判斷甲烷含量大約為70%[8]；第28～36 d，產(chǎn)氣量低于2 mL，沼氣含量較穩(wěn)定。

2.2.2 累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率

實驗組（已減去對照組累積產(chǎn)氣量）的累積產(chǎn)氣量變化情況見圖3。

從圖 3可以看出，整個發(fā)酵過程的累積產(chǎn)氣量為1 650 mL。在第1～15 d累積產(chǎn)氣量呈陡增趨勢，表明原料產(chǎn)氣量增長率變化較大。酸化恢復后，累積產(chǎn)氣量增長趨勢有所平緩，之后趨于平穩(wěn)。綜合相關文獻內(nèi)容分析其原因，本實驗使用的是勿忘我花的鮮秸稈，其纖維素和木質素含量相對較少，易于被微生物分解利用，從而有利于微生物的生長，所以，在發(fā)酵前期的12 d產(chǎn)氣比較快[9]。到了發(fā)酵的后期，由于可被降解的有機質含量較少，不足以提供甲烷菌生長繁殖所需的營養(yǎng)，菌種的活性也有所降低，從而導致其發(fā)酵后期產(chǎn)氣量比前期少[10,12]。

圖3 累積產(chǎn)氣量曲線圖Fig. 3 Accumulative gas yield curves

如果將整個厭氧發(fā)酵過程的累積產(chǎn)氣1 650 mL記為 100%，通過對比原始實驗數(shù)據(jù)，實驗組發(fā)酵28 d的產(chǎn)氣量占到總產(chǎn)氣量的80%以上，這表明勿忘我花桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要是集中在前28 d之內(nèi)。中間的產(chǎn)氣變化趨勢呈直線發(fā)展，原因是發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)了暫時的酸化，從圖3中看出，勿忘我花桿厭氧發(fā)酵系統(tǒng)經(jīng)過酸化階段后，自行恢復了產(chǎn)氣能力。分析產(chǎn)氣速率呈現(xiàn)如此趨勢的原因，在發(fā)酵初期，有機酸含量較少，甲烷細菌比較活躍，故發(fā)酵前期產(chǎn)氣情況較好；到了中后期，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)酸的量大于被利用的有機酸的量[13]，導致體系出現(xiàn)酸化，但是隨著發(fā)酵過程中勿忘我花桿的分解和甲烷菌的生長繁殖，體系又恢復了正常的產(chǎn)氣；到了發(fā)酵的后期，勿忘我花桿的營養(yǎng)物質被利用殆盡，從而影響了甲烷菌的生長，所以產(chǎn)氣逐漸停止，這也標志著整個發(fā)酵周期的完結。

關于累積產(chǎn)氣量的變化規(guī)律，根據(jù)發(fā)酵時間，通過計算機軟件Matlab擬合出了從發(fā)酵開始、酸化和產(chǎn)氣量逐漸恢復平穩(wěn)三個階段的方程，如圖4。

從圖4中可以看出，在第1～12 d階段，累積產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線基本遵循線性方程為：Y1=112.55X - 63.26，其相關系數(shù)為0.997 6。在第13～20 d酸化階段，累積產(chǎn)氣量隨時間變化的方程為：Y2=1 200；相關系數(shù)為1。在第21～36 d累積產(chǎn)氣量恢復平穩(wěn)階段，累積產(chǎn)氣量隨時間變化的方程為：Y3=1.92X2+ 134.65X - 724.41，其相關系數(shù)為0.999 6。三個階段的擬合方程均與實際實驗數(shù)據(jù)具有較好的相關性，可信度較高。

圖4 累積產(chǎn)氣量擬合曲線方程Fig. 4 The fitting equation of accumulative gas yield curves

2.3 產(chǎn)氣潛力分析

結合圖2、圖3和圖4，對勿忘我花桿的產(chǎn)沼氣潛力進行計算，結果如表2所示。

表2 勿忘我花桿的產(chǎn)沼氣潛力Table 2 The biogas production potential ofLimonium sinuatumstraw

2.4 各種沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力的綜合比較

為進一步評價勿忘我花桿的產(chǎn)沼氣潛力，對相同發(fā)酵溫度下各類植物發(fā)酵原料的發(fā)酵時間以及相應TS產(chǎn)氣潛力進行橫向比較，結果如表3所示。溫度是影響沼氣產(chǎn)氣效率、發(fā)酵周期的主要生態(tài)因子[14,15]，故在同一溫度段對同類原料的TS產(chǎn)氣率進行比較。表3中參比原料和勿忘我花桿一樣，均未采取任何化學預處理，故具有可比性。

由表3可以看出，由于各種植物性原料（包括農(nóng)作物秸稈、落葉類、富含糖和淀粉物質）的 TS產(chǎn)氣率比較高，富含纖維素和半纖維素物質的原料TS產(chǎn)氣率較低。勿忘我花桿發(fā)酵的TS產(chǎn)氣潛力為359 mL/g，高于落葉類和表中所列大部分植物性原料，最高的達到6.65倍（如三角楓TS產(chǎn)氣潛力為54 mL/g）。而勿忘我花桿的TS產(chǎn)氣潛力低于早熟禾（TS產(chǎn)氣潛力457 mL/g），但早熟禾的發(fā)酵時間為75 d，遠長于勿忘我花桿原料的發(fā)酵時間，在實際沼氣工程中要考慮時間和綜合利用效率，以勿忘我花桿為原料發(fā)酵產(chǎn)氣的周期短，可減少投資成本，經(jīng)濟效益更高。

雖然勿忘我花桿發(fā)酵體系出現(xiàn)了酸化，但無需用外加物質來調(diào)節(jié)，發(fā)酵體系能夠很快恢復。由于其恢復正常后產(chǎn)氣狀況較為正常，因此利用勿忘我花桿進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是可行的，并且能源利用效率高。在農(nóng)作物秸稈和落葉類等植物性原料中，勿忘我花桿作為發(fā)酵原料具有較大的優(yōu)勢，其 TS產(chǎn)氣潛力相對較高，為實際的沼氣工程提供一定的實驗理論依據(jù)，也為廢棄花桿的后續(xù)處理提供一條新型的可持續(xù)的利用途徑。另外，云南地處高原地區(qū)，屬于適宜推廣農(nóng)村戶用沼氣池的區(qū)域[24]，加之云南昆明市擁有斗南這樣一個巨大的花卉出口市場，并且普寧具有大型的勿忘我鮮花種植基地，這為建設勿忘我花桿沼氣工程儲備了充足的原料。故勿忘我花桿可以作為沼氣工程和戶用沼池發(fā)酵的一種優(yōu)勢原料。采用勿忘我花桿作為原料的沼氣池，除了產(chǎn)生沼氣外，沼氣發(fā)酵殘留物可作為沼肥施用給勿忘我花朵種植基地，并具有較高的肥效[25]，從而實現(xiàn)了能源的可循環(huán)利用。利用沼氣發(fā)酵進行廢棄花桿處理是緩解環(huán)境污染、建立新的生態(tài)平衡、實現(xiàn)整體良性循環(huán)的一條最佳途徑[26]。

表3 各種原料的產(chǎn)沼氣潛力Table 3 Potential for biogas production from various materials

3 結 論

（1）以勿忘我花桿為發(fā)酵原料，在（30 ± 0.2）℃下進行全混合批量式沼氣發(fā)酵實驗，當發(fā)酵進行到第36 d時，之前已經(jīng)有連續(xù)7d產(chǎn)氣量低于2 mL，說明發(fā)酵原料的厭氧消化幾乎停滯，故發(fā)酵時間為36 d，這個啟動時間在相同發(fā)酵條件下的秸稈發(fā)酵中是相對較短的。

（2）勿忘我花桿的產(chǎn)氣潛力為 359 mL/g·TS，393 mL/g·VS。通過表3中與同類原料的類比結果來看，勿忘我花桿是作為沼氣發(fā)酵的較理想秸稈原料。

（3）利用計算機軟件Matlab擬合出累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化趨勢曲線所遵循的方程。第1～12 d階段：Y1=112.55X - 63.26，相關系數(shù)為0.997 6。第13～20 d酸化階段：Y2=1 200，相關系數(shù)為1；第21～36 d階段：Y3=1.92X2+ 134.65X - 724.41，相關系數(shù)為0.999 6。

（4）勿忘我花桿產(chǎn)沼氣主要集中在前28 d，因此，在勿忘我花桿發(fā)酵工程中，可初步確定實際沼氣工程設計發(fā)酵罐的水力滯留時間（HRT）為28 d[27]，這樣可減少發(fā)酵罐容積，縮短投資回收期。

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Experimental Study on Potential of Biogas Fermentation with Limonium sinuatum Straw

JI Xi-yan, LIN Wei-dong, ZHANG Wu-di, YIN Fang, LIU Shi-qing, ZHAO Xing-ling, LIU Jing, YANG Hong
(Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

In order to study the biogas production potential fromLimonium sinuatumstraw, the anaerobic batch fermentation were performed at 30℃ between the control group (120 mL inoculum) and the experimental group (120 mL inoculum and 27 gLimonium sinuatumstraw). The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time of 36 d was 1 650 mL. Further, it was calculated that the biogas yield ofLimonium sinuatumstraw is 359 mL/(g·TS) or 393 mL/(g·VS).

Limonium sinuatumstraw; anaerobic digestion; biogas production potential

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.006

2095-560X（2014）05-0358-06

吉喜燕（1988-），女，碩士研究生，主要從事生物質能與環(huán)境工程研究。

2014-06-26

2014-07-24

高等學校博士學科點專項科研基金（20135303110001）；國家自然科學基金（51366015）

? 通信作者：張無敵，E-mail：wootichang@163.com

張無敵（1965-），男，研究員，博士生導師，主要從事生物質能的研究與開發(fā)利用。