新鮮薇甘菊在不同溫度下厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的研究*

張莉娟， 季梅， 張無敵， 澤桑梓,3，王昌梅， 尹芳， 趙興玲， 柳靜， 楊紅

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明650500；2.云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650201；3.云南省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224)

薇甘菊(MikaniamicranthaH.B.K)又名小花假澤蘭，菊科假澤蘭屬多年生草質(zhì)藤本植物，原產(chǎn)自中美洲和南美洲，目前在東南亞以及太平洋地區(qū)分布廣泛，蔓延至大洋洲和澳大利亞，成為了主要害草.在我國，1919年香港首次發(fā)現(xiàn)薇甘菊后，20世紀(jì)80年代末傳入海南島、珠江三角洲等地并廣泛傳播[1-3].目前，已經(jīng)有生態(tài)學(xué)家提出薇甘菊作為外來物種，必然將對(duì)我國原有生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，并對(duì)此展開了深入探究.另外已有利用薇甘菊開發(fā)牲畜飼料、植物藥、殺蟲劑和除草劑的報(bào)道[4].郭珍[5]等人提取薇甘菊染料分析并對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示薇甘菊色素提取液中具有相對(duì)含量最高的植物膽甾類成分，植物甾類常作為醫(yī)藥、食品添加、化妝品及化工方面的原料，在紡織工業(yè)中常將其作為柔軟劑[6-7].

目前關(guān)于薇甘菊的防治及利用研究還不充分，本實(shí)驗(yàn)對(duì)薇甘菊的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行研究，對(duì)后續(xù)薇甘菊的處理及應(yīng)用提供一種新型途徑，為雜草應(yīng)用及治理提供新的方法.

1 材料和方法

1.1 材料

供試薇甘菊于2014年7月采自云南西雙版納，由西雙版納州林科院人員鑒定.經(jīng)測定TS(總固體含量)為10.72%，VS(揮發(fā)性固體含量)為81.49%，pH為6.5.接種物是由牛糞為原料在中溫富集而成的活性污泥，測定TS(總固體含量)為10.56%，VS(揮發(fā)性固體含量)為69.58%，pH為7.0.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

薇甘菊沼氣發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)室自制(見圖1)，由發(fā)酵瓶、集氣瓶、體積計(jì)量瓶以及溫控系統(tǒng)等組成.發(fā)酵瓶為500 mL廣口瓶，封口用帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞；集氣瓶采用500 mL下口三角瓶，封口用帶玻璃三通的橡皮塞；計(jì)量瓶采用500 mL廣口瓶，發(fā)酵瓶、集氣瓶和體積計(jì)量瓶通過乳膠管連接.中溫發(fā)酵溫控系統(tǒng)主要包括加熱棒(XL-999型)、水泵(AP-1400行)、溫控儀(C3W-221智能數(shù)顯溫控儀)三部分.

A.溫控儀；B.水槽；C.集氣瓶；D.計(jì)量瓶；E.發(fā)酵瓶；F.點(diǎn)火口；G.刻度

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

將原料薇甘菊切碎成長度小于2 cm的小段，以便發(fā)酵充分混勻.分別設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)發(fā)酵液濃度為5%并進(jìn)行單瓶配制，料液配比如表1.采用全混合批量式發(fā)酵，在中溫30 ℃和常溫24 ℃下厭氧發(fā)酵.

表1 料液的配比

1.3.2 測試項(xiàng)目及方法

⑴采用常規(guī)分析法測定總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)[8-9].

①TS測定：將薇甘菊、接種物以及發(fā)酵前后料液在(105±5)℃的電熱恒溫干燥箱(202型)中烘干至恒重進(jìn)行計(jì)算[9]；

TS= W1/W0×100%

式中，W0表示樣品重量，W1表示樣品烘至恒重后的重量，單位為g.

②VS測定：在(550±20)℃箱形電阻爐(SX2-2.5-12型)中灼燒至恒重得到灰分重量，計(jì)算如下[9].

VS=(W1-W2)/W1×100%

式中，W2表示灰分重量，單位為g．

⑵pH的測定：采用測定范圍6.4～8.0精密pH試紙測定原料、接種物以及發(fā)酵前后料液的pH.

⑶產(chǎn)氣量及甲烷含量測定.產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定，發(fā)酵啟動(dòng)后，每天定時(shí)記錄各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量，取3個(gè)平行組的平均值.同時(shí)采用火焰顏色比色卡法參照結(jié)合火焰顏色和氣相色譜儀(GC-6890A)確定氣體中的甲烷含量[10].

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣情況分析

每天定時(shí)測量薇甘菊的凈產(chǎn)氣量及每3 d測定一次甲烷含量，由此得出產(chǎn)氣量、甲烷含量與發(fā)酵時(shí)間的規(guī)律，如圖2所示.由圖2可以看出，中溫30 ℃和常溫平均24 ℃條件下，整個(gè)沼氣發(fā)酵歷時(shí)32 d，日產(chǎn)氣量分別達(dá)116 mL、86 mL.30 ℃實(shí)驗(yàn)組有兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，第2天達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量為260 mL；第二個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第6天，產(chǎn)氣量為300 mL.24 ℃實(shí)驗(yàn)組同樣出現(xiàn)兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，第一個(gè)產(chǎn)氣高峰在第2天，產(chǎn)氣量為200 mL；第9天出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量達(dá)180 mL.每3天測定一次甲烷含量，中溫30 ℃和常溫24 ℃條件下甲烷含量剛開始在50%左右，隨著發(fā)酵進(jìn)行逐漸上升趨于平緩，30 ℃實(shí)驗(yàn)組的甲烷平均含量為62.41%，而24 ℃實(shí)驗(yàn)組的甲烷平均含量為59.89%.

圖2 產(chǎn)氣量、甲烷含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化曲線

2.2 產(chǎn)氣速率分析

通過日產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)在中溫和常溫兩種條件下厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化，如表2所示.

表2 累積產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，30 ℃實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵主要集中在第4～12天，從第4天的920 mL增加到第12天的2 780 mL；最快的產(chǎn)氣階段集中在第4～8天，增加了1 080 mL.24 ℃實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵同樣集中在第4～12天，從第4天的540 mL增加到第12天的1 600 mL，最快的產(chǎn)氣階段集中在第8～12天，增加了580 mL.30 ℃實(shí)驗(yàn)組在第14天產(chǎn)氣速率達(dá)到80%以上，而24 ℃實(shí)驗(yàn)組則是在第18天，中溫30 ℃要比常溫24 ℃水力滯留時(shí)間(HRT)短，中溫30 ℃更有利于厭氧發(fā)酵進(jìn)行及應(yīng)用.

2.3 發(fā)酵前后TS、VS、pH的統(tǒng)計(jì)分析

采用常規(guī)分析法對(duì)不同溫度下新鮮薇甘菊發(fā)酵前后的TS、VS、pH進(jìn)行測定(見表3).由表3可知，在30 ℃實(shí)驗(yàn)組的TS利用率、VS利用率分別為35.74%、9.86%，24 ℃實(shí)驗(yàn)組的TS利用率、VS利用率分別為27.88%、9.62%都明顯高于對(duì)照組，表明在沼氣發(fā)酵過程中，薇甘菊的有機(jī)營養(yǎng)成分被發(fā)酵體系中微生物充分利用.

表3 發(fā)酵前后料液TS、VS、pH值

2.4 產(chǎn)氣潛力分析

薇甘菊的TS和VS產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力如表4所示.由表4結(jié)果顯示，在30 ℃和24 ℃兩個(gè)溫度下發(fā)酵，薇甘菊的TS和VS產(chǎn)氣潛力都超過350 mL/g，中溫30 ℃下產(chǎn)氣潛力為511 mL/gTS、627 mL/gVS，表明對(duì)薇甘菊進(jìn)行沼氣發(fā)酵，能充分利用其有機(jī)質(zhì).

表4 薇甘菊的產(chǎn)沼氣潛力

2.5 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力分析

對(duì)發(fā)酵溫度30 ℃的各類植物性原料的厭氧發(fā)酵時(shí)間及TS產(chǎn)氣潛力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，綜合比較薇甘菊的產(chǎn)氣潛力(見表5).由表5可以看出，薇甘菊的TS產(chǎn)氣潛力僅小于小桐子種子(895 mL/g TS)，但小桐子種子發(fā)酵時(shí)間為64 d是薇甘菊發(fā)酵時(shí)間的兩倍.薇甘菊的TS產(chǎn)氣潛力高于其他結(jié)構(gòu)成分相似的雜草、落葉、秸稈等原料.若在實(shí)際沼氣工程運(yùn)用中，以薇甘菊作為發(fā)酵原料，水力滯留時(shí)間(HRT)為14 d，沼氣工程設(shè)計(jì)時(shí)可減小發(fā)酵罐體體積.

表5 各種原料的產(chǎn)氣潛力

2.6 薇甘菊沼氣工程設(shè)計(jì)

下面對(duì)處理20 t薇甘菊中溫沼氣發(fā)酵工程進(jìn)行計(jì)算.薇甘菊的總固體含量為10.72%，按80%產(chǎn)氣速率計(jì)算產(chǎn)氣潛力為417 mL/gTS，水力滯留時(shí)間為14 d，以5%發(fā)酵濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)，日進(jìn)料量設(shè)計(jì)為40 t/d.

發(fā)酵罐容積=日進(jìn)料量×HRT=40 t/d×14 d，則厭氧發(fā)酵罐體積設(shè)計(jì)為600 m3.

日進(jìn)料量為40 t，其中薇甘菊20 t，則干物質(zhì)量為薇甘菊量×薇甘菊TS=20 t×10%=2 t，，產(chǎn)氣潛力為400 m3/tTS，則日產(chǎn)沼氣為：2 t×400 m3/tTS=800 m3，則貯氣柜體積設(shè)計(jì)為800 m3×30%=240 m3≈250 m3.

日產(chǎn)沼渣(含一定水分)日產(chǎn)量約等于日進(jìn)料干物質(zhì)50%：2 t×50%=1 t

日產(chǎn)沼液量為沼液日產(chǎn)量近似等于日進(jìn)料量的85%：40 t×85%=34 t

厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣用于供氣或發(fā)電，沼渣和沼液可用于對(duì)周邊農(nóng)田的灌溉及施肥運(yùn)用.該沼氣工程不僅處理薇甘菊，還能回收利用沼渣和沼液，有效控制害草的生長，保護(hù)生態(tài)環(huán)境.

3 結(jié) 論

⑴以薇甘菊為發(fā)酵原料，在中溫30 ℃和常溫24 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵總時(shí)間為32 d，中溫30 ℃下的產(chǎn)氣潛力為511 mL/gTS，627 mL/gVS；常溫24 ℃下的產(chǎn)氣潛力為379 mL/TS，465 mL/gVS.中溫條件下第14天產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%以上，沼氣發(fā)酵工程設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的HRT為14 d.

⑵設(shè)計(jì)20 t薇甘菊中溫發(fā)酵，發(fā)酵罐體體積600 m3，貯氣柜體積為250 m3，日產(chǎn)沼渣1 t，沼液34 t，不僅為處理薇甘菊提供新型途徑，還有能源回收利用，改善環(huán)境，節(jié)省資源.

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 宋玉雙.十九種林業(yè)檢疫性有害生物簡介[J].中國森林病蟲，2005，24(1)：30-35.

[2] 李鳴光，張煒銀，廖文波，等.薇甘菊研究歷史與現(xiàn)狀[J].生態(tài)科學(xué)，2000，19(3)：41-45.

[3] WANG B X,LIAO W B,MIAO R H.Revision of Mikania from China and the key of four relative species[J].Acta Sci Nat Univ Sunyatseni,2001,40(5):72-75.

[4] 邵華，彭少麟，王繼東，等.薇甘菊的綜合開發(fā)與利用前景[J].生態(tài)科學(xué)，2001，20(2)：132-135.

[5] 郭珍，宋曉靜，李化，等.薇甘菊染料化學(xué)成分分[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(22)：11698-11700.

[6] 周寶蘭.植物甾醇的應(yīng)用[J].中國油脂，1992(4)：33-38.

[7] PIIRONRN V,LINDSAY DG,MIETTINEN TA,et al.Plant sterols biosynthesis, biological function and their importance to human nutrition[J].Journal of the Sci of Food and Agric,2000,80(7):939-966.

[8] 中國科學(xué)院成都生物研究所.沼氣發(fā)酵常規(guī)分析[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[9] 張無敵，宋洪川，尹芳，等.沼氣發(fā)酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2003.

[10]江蘊(yùn)華，余曉華.利用火焰顏色判斷沼氣中甲烷含量[J].中國沼氣，1983，(3)：28.

[11]孫樹貴，任廣鑫，翟寧寧，等.中溫下3種落葉厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(19)：10164-10166.

[12]邱凌，王曉曼，邱玉橋，等.不同草坪草廢料厭氧發(fā)酵試驗(yàn)研究[J].中國沼氣，2009，27(5)：15-17.

[13]楊紅，尹芳，張無敵，等.玫瑰秸稈產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(17)：4086-4089.

[14]楊紅，馬煜，張無敵，等.康乃馨秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，31(增刊)：81-84.

[15]郭德芳，李秋敏，劉麗春，等.不同溫度下蘆薈皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，33(3)：6-11.

[16]李永波，郭德芳，張建鴻，等.西番蓮果皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，33(3)：12-16.

[17]阮越強(qiáng)，劉麗春，郭德芳，等.菠蘿蜜廢棄物沼氣發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，33(3)：22-25.

[18]馬煜，張無敵，尹芳，等.小桐子種子產(chǎn)沼氣潛力及其能源轉(zhuǎn)換效率的研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，31(3):20-24.