基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵的影響*

劉靜輝， 張無敵， 劉士清， 尹芳，趙興玲， 柳靜， 楊紅， 許玲， 陳玉保

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

基質(zhì)微生物比(F/M)是指發(fā)酵料液中所含有發(fā)酵原料的總固體(Total Solid,TS)或者揮發(fā)性固體(Volatile solid,VS)與接種物的TS與VS之比.為了維持正常啟動(dòng)的批式反應(yīng)器正常運(yùn)行，必須在反應(yīng)器內(nèi)加入適量的物料和一定量的接種物.一些研究表明基質(zhì)微生物比(F/M)對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣性能有一定的影響.張無敵等[1]在選擇人糞為發(fā)酵原料并且投加量相同的情況下，加入不同比例的接種物，發(fā)現(xiàn)接種物的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)沼氣池的啟動(dòng)和運(yùn)行產(chǎn)氣關(guān)系密切.Hashimoto[2]指出底物和接種物的比值對(duì)批式反應(yīng)器的運(yùn)行和某種物料的產(chǎn)氣潛能(BMP)評(píng)估非常重要.Lopes等[3]研究發(fā)現(xiàn)在以牛胃液為接種物對(duì)城市有機(jī)垃圾進(jìn)行厭氧消化時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)牡孜锱c接種物的質(zhì)量比(F/M)對(duì)維持系統(tǒng)穩(wěn)定性非常重要.對(duì)水果蔬菜廢物、樹葉、雜草、城市固體廢物等可降解有機(jī)物進(jìn)行厭氧消化，系統(tǒng)均在F/M小于等于l的情況下穩(wěn)定運(yùn)行[4-6].Guangqing Liu等[7]在中溫((35±2)℃)和高溫((50±2)℃)情況下，將F/M分別控制為1.6、3.1、4.0和5.0對(duì)食品廢物、草及其混合物進(jìn)行批式厭氧消化，結(jié)果顯示F/M對(duì)兩種原料的產(chǎn)氣速率均有顯著影響.F．Raposo等[8]通過對(duì)玉米中溫厭氧消化過程的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)F/M分別為1/3、1/2、2/3和1時(shí)對(duì)甲烷產(chǎn)率影響不大.油菜種植是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，但對(duì)于油菜籽餅粕的研究利用卻甚少，不同基質(zhì)微生物比在以油菜籽餅粕為原料的批量式沼氣發(fā)酵中對(duì)產(chǎn)氣性能影響的相關(guān)研究尚未出現(xiàn).實(shí)驗(yàn)在30 ℃條件下以油菜籽餅粕為發(fā)酵原料，分別選擇基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)為0.20、0.15，通過批量式發(fā)酵研究了不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的影響.

1 材料與方法

1.1 材料與接種物

發(fā)酵原料為油菜籽餅粕，來源于云南大理.經(jīng)測(cè)定油菜籽餅粕的TS為94.00%，VS為84.65%.

接種物為經(jīng)本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的混合厭氧活性污泥(接種物1)和經(jīng)過油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵后的殘留物(接種物2)，經(jīng)測(cè)定二者的TS分別為8.32%、4.78%，VS分別為50.23%、73.88%，pH均為7.0.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自制，參見圖1.

1．溫控裝置； 2．水槽；3．發(fā)酵瓶； 4．集氣瓶；5．計(jì)量瓶

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

⑴發(fā)酵模式：全混合批量式發(fā)酵；

⑵發(fā)酵溫度：30 ℃；

⑶發(fā)酵液的配制：配制基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)分別為0.20、0.15的發(fā)酵料液.其中F/M(VS/VS)=[原料原料用量(g)×原料VS(%)]/[接種物用量(g)×接種物VS(%)]，(其中1 mL接種物≈1 g接種物)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)酵液的配置

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組按表1加入原料和相應(yīng)的接種物120 mL后，加水至400 mL，調(diào)節(jié)pH至7.0，設(shè)置3個(gè)平行.

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用常規(guī)分析法測(cè)定發(fā)酵原料(油菜籽餅粕)、接種物以及料液發(fā)酵前后的TS、VS、pH.

⑴產(chǎn)氣情況記錄：采用排水法收集沼氣，從發(fā)酵啟動(dòng)的第2 d開始每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)瓶中所收集水的體積.沼氣中甲烷的含量根據(jù)火焰的顏色通過與火焰比色卡(火焰顏色比色卡法[9])比較來確定.

⑵TS(總固體含量)、VS(揮發(fā)性固體含量)的測(cè)定[1]：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)即為總固體含量，以TS表示.將上述測(cè)定后恒重的總固體在(550±20)℃下燒至恒重，計(jì)算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為VS.

⑶pH的測(cè)定：采用5.7～8.5的精密pH試紙測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵的影響

2.1.1 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

以油菜籽餅粕為發(fā)酵原料進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均發(fā)酵27 d，采用各組中3個(gè)平行樣產(chǎn)氣量的平均值做日產(chǎn)氣量的變化曲線，結(jié)果如圖2.

圖2 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)組1在啟動(dòng)后迅速產(chǎn)氣，第2 d產(chǎn)氣量高達(dá)1 200 mL，沼氣燃燒狀況良好，火焰呈藍(lán)色，處于產(chǎn)氣相對(duì)旺盛階段；第3～5 d產(chǎn)氣量逐漸減少，但仍處于產(chǎn)氣旺盛階段，甲烷含量較高，燃燒狀況良好；從第6 d開始發(fā)酵處于酸化階段，幾乎不產(chǎn)氣，一直持續(xù)到第9 d.從第10 d開始發(fā)酵逐漸恢復(fù)產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量很少，直至停止產(chǎn)氣，沼氣燃燒火焰呈黃色，甲烷含量接近70%.實(shí)驗(yàn)組2在啟動(dòng)后雖然也迅速產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量和其中的甲烷含量較實(shí)驗(yàn)組1均低，前6 d最高產(chǎn)氣量?jī)H達(dá)100 mL；從第7 d開始產(chǎn)氣量逐漸增加，火焰顏色呈黃色，甲烷含量達(dá)60%～70%，處于產(chǎn)氣旺盛階段，持續(xù)到第17 d，產(chǎn)氣量逐漸減少，直至停止產(chǎn)氣.對(duì)照組在發(fā)酵過程中產(chǎn)氣較少.

2.1.2 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)量的影響

不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)量的影響結(jié)果參見圖3.由圖3可知，基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.20的實(shí)驗(yàn)組在啟動(dòng)后，產(chǎn)氣速率穩(wěn)步上升，第1～4 d產(chǎn)氣速率增幅最快，而此時(shí)基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.15的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣速率趨于平緩.基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.15的實(shí)驗(yàn)組在第7～17 d，才達(dá)到主產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣速率增幅較大，此后產(chǎn)氣速率增幅較小.基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.20實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣速率在第4天達(dá)到了84.84%，而基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.15實(shí)驗(yàn)組到第17 d產(chǎn)氣速率才達(dá)到總產(chǎn)氣量的80.45%.由此可見，選擇適宜的基質(zhì)微生物比能夠明顯提高油菜籽餅粕的產(chǎn)氣速率.

圖3 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)量的影響

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 不同基質(zhì)微生物比對(duì)以油菜籽餅粕為原料的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響

根據(jù)圖2和表1，通過計(jì)算，可得出在不同基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)下，以油菜籽餅粕為原料的批量式沼氣發(fā)酵中的總產(chǎn)氣量、達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間、TS產(chǎn)氣率及VS產(chǎn)氣率，結(jié)果見表2.

表2 不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕原料產(chǎn)氣性能的影響

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)組1的總產(chǎn)氣量、TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率均高于實(shí)驗(yàn)組2，且達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的發(fā)酵時(shí)間比實(shí)驗(yàn)組2要短.

2.2.2 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕產(chǎn)氣潛力的影響，對(duì)發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性發(fā)酵原料TS產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(參見表4).由表4可知，基質(zhì)微生物比F/MVS/VS=0.20組的油菜籽餅粕的TS產(chǎn)氣潛力明顯高于基質(zhì)微生物比為F/M(VS/VS)=0.15的實(shí)驗(yàn)組，是后者的1.74倍,和蠶豆殼、稻稈、竹子葉的TS產(chǎn)氣潛力相當(dāng)；但TS產(chǎn)氣潛力小于小桐子殼、花生殼、銀杏葉、菠蘿蜜果皮.這是因?yàn)樾⊥┳託?、銀杏葉、菠蘿蜜果皮所含有機(jī)物較高，故TS產(chǎn)氣潛力較高.而基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.15的油菜籽餅粕TS產(chǎn)氣潛力明顯低于基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.20的油菜籽餅粕和蠶豆殼、豌豆殼、小桐子殼、花生殼的TS產(chǎn)氣潛力.由此可知，基質(zhì)微生物比對(duì)油菜籽餅粕的TS產(chǎn)氣潛力有著顯著影響.

表4 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力

3 結(jié) 論

對(duì)水果蔬菜廢物、雜草和城市生活垃圾等有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧消化，可以提供潔凈、高效的燃料，其殘留物經(jīng)加工后還可作為有機(jī)肥料，既節(jié)約資源又保護(hù)環(huán)境[12，15-17].以油菜籽餅粕為原料，在30 ℃下進(jìn)行批量式發(fā)酵，結(jié)果表明：基質(zhì)微生物比F/M(VS/VS)=0.20的實(shí)驗(yàn)組TS、VS產(chǎn)氣率、總產(chǎn)氣量、達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間分別為165 mL/g·TS、184 mL/g·VS、2 310 mL、4d，而F/M(VS/VS)=0.15的實(shí)驗(yàn)組TS、VS產(chǎn)氣率、總產(chǎn)氣量、達(dá)到總產(chǎn)氣量80%的時(shí)間分別為95 mL/g·TS、106 mL/g·VS、1 330 mL、17 d.

基質(zhì)微生物比在以油菜籽餅粕為發(fā)酵原料的批量式沼氣發(fā)酵過程中對(duì)產(chǎn)氣性能有著顯著影響.

參 考 文 獻(xiàn):

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