野艾蒿產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究

劉靜輝+張無敵+尹芳+柳靜+趙興玲+劉士清+許玲+陳玉保+楊紅

摘要：以野艾蒿為發(fā)酵原料，在恒溫30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗，探討野艾蒿的產(chǎn)沼氣潛力。為其資源化利用提供新的途徑。結(jié)果表明，野艾蒿發(fā)酵的總固體、揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力分別為349、376 mL/g，野艾蒿是一種很好的沼氣發(fā)酵的原料。

關(guān)鍵詞：野艾蒿;沼氣發(fā)酵;產(chǎn)氣潛力

中圖分類號：S216 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）21-5148-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.024

Biogas Production Potential of Artemisia lavandulaefolia DC.

LIU Jing-hui，ZHANG Wi-di，YIN Fang，LIU Jing，ZHAO Xing-ling，LIU Shi-qing，XU Ling，

CHEN Yu-bao，YANG Hong

（Yunnan Normal University， Yunnan 650092， China）

Abstract： Artemisia lavandulaefolia DC. was used and a bath of fermentation experiments were carried out at 30 ℃ to study the biogas production potential of Artemisia lavandulaefolia DC. In the fermentation of Artemisia lavandulaefolia DC.， TS and VS potential of biogas production from Artemisia lavandulaefolia DC. were 349 mL/g TS and 376 mL/g VS， respectively. Artemisia lavandulaefolia DC. is a kind of good raw materials of biogas fermentation. It will provide a new way to use Artemisia lavandulaefolia DC. as a resource of biogas.

Key words： Artemisia lavandulaefolia DC; Biogas fermentation; Biogas production potential

野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia DC.）為菊科蒿屬多年生草本植物，植株具有濃烈芳香氣味，在我國分布甚廣，分布于東北、華北、華東、西南各省區(qū)。尤其在云南省有較豐富的資源，主要分布于路旁、荒野、林緣、山坡、田邊路旁、灌叢及河湖濱草地均有生長。野艾蒿可入藥作艾篙（Artemisia argyi）的代用品[1]，有散寒、祛濕、溫經(jīng)、止血等作用。其在臨床上應(yīng)用于膽囊炎、肝硬化、口腔炎、發(fā)熱等疾病的治療[2，3]，且其揮發(fā)油對一些病菌的生長具有明顯的抑制作用，如玉米紋枯病菌和水稻稻瘟病菌[4]。目前我國對野艾蒿的利用主要集中在中藥材使用上，近年來有關(guān)野艾蒿精油提取的報道在逐年增加。在云南對于野艾蒿的利用僅限于作為藥方配方和端午節(jié)的芳香吉祥植物使用，農(nóng)民一般在庭院中零星種植將其作為馨香植物或視為雜草除之，目前對于野艾蒿在沼氣發(fā)酵方面資源的開發(fā)利用尚未見報道，因此對野艾蒿的產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行研究使其能開發(fā)利用，進(jìn)一步實現(xiàn)對云南省野艾蒿植物資源的高效利用。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

發(fā)酵原料為野艾蒿，來源于云南大理。野艾蒿的TS（總固體含量）為50.48%，VS（揮發(fā)性固體含量）為89.26%。接種物為本實驗室長期馴化的混合厭氧活性污泥，其TS為9.18%，VS為74.99%。

1.2 ?試驗裝置

本試驗沼氣發(fā)酵裝置為實驗室自制裝置見圖1。

1.3 ?試驗設(shè)計

為了使原料與接種物混合均勻，將野艾蒿切碎成小于2 cm的小段。試驗設(shè)置試驗組和對照組，每組設(shè)置3個平行。料液的配比如下：試驗組，120 mL接種物，25.72 g野艾蒿，去離子水定容至400 mL; 對照組：120 mL接種物，去離子水定容至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。

1.4 ?測定方法

本研究采用常規(guī)分析法測定發(fā)酵原料（野艾蒿）、接種物（沼氣發(fā)酵活性污泥）以及料液發(fā)酵前后的TS、VS、pH。

1）產(chǎn)氣情況記錄。本試驗采用排水法收集沼氣，從發(fā)酵啟動的第2天開始每天定時統(tǒng)計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[5]）比較來確定。

2）TS、VS的測定[6]。將樣品在（105±2） ℃下烘至恒重，計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。將上述測定后恒重的總固體在（550±20） ℃下燒至恒重，計算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為VS。

3）pH的測定。采用5.7～8.5的精密pH試紙測定。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?產(chǎn)氣量分析

2.1.1 ?日產(chǎn)氣量 ?每天記錄野艾蒿的產(chǎn)氣量，得出了產(chǎn)氣量與發(fā)酵時間的規(guī)律（圖2）。由圖2可知，野艾蒿試驗啟動很快，第1天產(chǎn)氣量就達(dá)到90 mL，但不可連續(xù)燃燒;到第2天時，產(chǎn)氣量達(dá)到350 mL，由于里面CO2含量較高，仍不能連續(xù)燃燒。第3～8天產(chǎn)氣量逐漸減少，處于酸化階段，此時甲烷含量逐漸升高，火焰呈藍(lán)色。從第9天開始產(chǎn)氣量逐步上升，在第16天達(dá)到產(chǎn)氣量最大值，產(chǎn)氣量為430 mL，此時，點燃火焰顏色為黃色，甲烷含量達(dá)70%。第16天后產(chǎn)氣量逐漸下降，第17～38天平均日產(chǎn)氣量為110 mL，仍處于產(chǎn)氣旺盛階段，點燃火焰顏色為黃色，甲烷含量達(dá)70%。第39～43天產(chǎn)氣逐漸下降，直至停止產(chǎn)氣。

2.1.2 ?累計產(chǎn)氣量 ?將圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按每4 d進(jìn)行一次產(chǎn)氣量的累計，結(jié)果見表1。由表1可知，對于野艾蒿發(fā)酵的起始階段，發(fā)酵體系迅速產(chǎn)氣，前4天產(chǎn)氣量達(dá)645 mL。第5～12天處于酸化階段，產(chǎn)氣量逐漸減少，僅為425 mL。酸化產(chǎn)生的有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌利用，pH逐漸升高，進(jìn)入產(chǎn)氣旺盛階段，從第12天后產(chǎn)氣量明顯增加。整個發(fā)酵過程產(chǎn)氣的主要階段集中在第1～36天，而最快的產(chǎn)氣階段是在第12～20天，總產(chǎn)氣量為4 360 mL。

2.2 ?發(fā)酵前后TS、VS、pH變化

發(fā)酵前后測量發(fā)酵液的TS、VS、pH變化結(jié)果見表2。由表2可知，試驗組發(fā)酵前后的TS和VS都有明顯降低，總固體、揮發(fā)性固體的降解率分別達(dá)30.92%、11.14%，而對照組發(fā)酵前后的總固體和揮發(fā)性固體降解率較小，與實際試驗產(chǎn)氣規(guī)律是相符合，對照組幾乎不產(chǎn)氣。發(fā)酵前后，試驗組和對照組的pH都在正常范圍內(nèi)。

2.3 ? 產(chǎn)氣潛力分析

2.3.1 ?野艾蒿產(chǎn)氣潛力 ?通過野艾蒿的總固體、揮發(fā)性固體及產(chǎn)氣量，可以計算出原料的總固體和揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力。野艾蒿產(chǎn)氣潛力見表3。

2.3.2 ?不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力 ?為進(jìn)一步評價野艾蒿的產(chǎn)氣潛力，對發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性發(fā)酵原料總固體產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了統(tǒng)計（表4）。野艾蒿的總固體產(chǎn)氣潛力明顯高于大多數(shù)的植物性原料，最高是野菠菜的2.64倍;其總固體產(chǎn)氣潛力僅小于香根草、水葫蘆，最小是水葫蘆的0.54倍。這是因為香根草、水葫蘆所含有機(jī)物較高，故總固體產(chǎn)氣潛力較高。而與物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成較相似的其他植物性原料相比，野艾蒿TS產(chǎn)氣潛力具有明顯優(yōu)勢。

3 ?結(jié)論

1）以野艾蒿為發(fā)酵原料，在30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗，其總固體、揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力分別為349、376 mL/g，該研究為表明野艾蒿是一種很好的沼氣發(fā)酵的原料。

2）野艾蒿與其他的植物性原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行比較，野艾蒿的產(chǎn)生潛力除小于香根草、水葫蘆等原料外，其揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力明顯高于其他的植物性原料，是其他原料的1.31～2.64倍。野艾蒿作為發(fā)酵原料顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該試驗結(jié)果為野艾蒿的后續(xù)利用提供了理論依據(jù)，也提供了新的資源化利用途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吉林省中醫(yī)中藥研究所，長白山植物藥志[M].長春：吉林人民出版社，1982.

[2] 王登奎，吳 ?剛，程向暉，等.野艾篙中氨基酸、維生素、微量元素的含量分析[J].中成藥，2006，28（11）：1658-1660.

[3] CHA JD，KIM Y H，KIM J Y. Essential oil and l，8-cineole from Artemisia lavandulaefolia induees aPoptosisin KB cells via Mitoehondrial Stress and casPase activ ation[J]. Food Sei·Bioteehnol， 2010， 19（l）：185-191.

[4] 顧靜文，劉立鼎，等.艾篙和野艾篙精油的化學(xué)成分[J].江西科學(xué)，1998，16（4）：273-275.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 朱洪光，陳小華，唐集興.以互花米草為原料生產(chǎn)沼氣的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（5）：201-204.

[8] 鄭 ?敏.聚合草厭氧發(fā)酵特性和產(chǎn)氣潛力的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[9] 胡曉明，張建萍，張無敵，等.香根草中溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗研究[J].科技信息，2008（27）：8-9.

[10] 查國君，曾國揆，張無敵，等.水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的試驗研究[J].能源工程，2006（6）：50-51.

[11] 張無敵.惡性有毒雜草紫莖澤蘭的利用[J].云南林業(yè)科技，1996 （1）：78-81.

[12] 邵艷秋，邱 ?凌.野菠菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力[J].西北農(nóng)林學(xué)報，2011，20（1）：190-193.

[13] 楊 ?紅，馬 ?煜，張無敵，等.康乃馨秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究[J].2011，云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），31（增刊2）：81-84.

[14] 張建鴻，楊 ?紅，郭德芳，等.不同溫度下滇池藍(lán)藻沼氣發(fā)酵的試驗研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，33（3）：17-21.

（責(zé)任編輯 ?張 ?毅）

2.1.2 ?累計產(chǎn)氣量 ?將圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按每4 d進(jìn)行一次產(chǎn)氣量的累計，結(jié)果見表1。由表1可知，對于野艾蒿發(fā)酵的起始階段，發(fā)酵體系迅速產(chǎn)氣，前4天產(chǎn)氣量達(dá)645 mL。第5～12天處于酸化階段，產(chǎn)氣量逐漸減少，僅為425 mL。酸化產(chǎn)生的有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌利用，pH逐漸升高，進(jìn)入產(chǎn)氣旺盛階段，從第12天后產(chǎn)氣量明顯增加。整個發(fā)酵過程產(chǎn)氣的主要階段集中在第1～36天，而最快的產(chǎn)氣階段是在第12～20天，總產(chǎn)氣量為4 360 mL。

2.2 ?發(fā)酵前后TS、VS、pH變化

發(fā)酵前后測量發(fā)酵液的TS、VS、pH變化結(jié)果見表2。由表2可知，試驗組發(fā)酵前后的TS和VS都有明顯降低，總固體、揮發(fā)性固體的降解率分別達(dá)30.92%、11.14%，而對照組發(fā)酵前后的總固體和揮發(fā)性固體降解率較小，與實際試驗產(chǎn)氣規(guī)律是相符合，對照組幾乎不產(chǎn)氣。發(fā)酵前后，試驗組和對照組的pH都在正常范圍內(nèi)。

2.3 ? 產(chǎn)氣潛力分析

2.3.1 ?野艾蒿產(chǎn)氣潛力 ?通過野艾蒿的總固體、揮發(fā)性固體及產(chǎn)氣量，可以計算出原料的總固體和揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力。野艾蒿產(chǎn)氣潛力見表3。

2.3.2 ?不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力 ?為進(jìn)一步評價野艾蒿的產(chǎn)氣潛力，對發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性發(fā)酵原料總固體產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了統(tǒng)計（表4）。野艾蒿的總固體產(chǎn)氣潛力明顯高于大多數(shù)的植物性原料，最高是野菠菜的2.64倍;其總固體產(chǎn)氣潛力僅小于香根草、水葫蘆，最小是水葫蘆的0.54倍。這是因為香根草、水葫蘆所含有機(jī)物較高，故總固體產(chǎn)氣潛力較高。而與物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成較相似的其他植物性原料相比，野艾蒿TS產(chǎn)氣潛力具有明顯優(yōu)勢。

3 ?結(jié)論

1）以野艾蒿為發(fā)酵原料，在30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗，其總固體、揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力分別為349、376 mL/g，該研究為表明野艾蒿是一種很好的沼氣發(fā)酵的原料。

2）野艾蒿與其他的植物性原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行比較，野艾蒿的產(chǎn)生潛力除小于香根草、水葫蘆等原料外，其揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力明顯高于其他的植物性原料，是其他原料的1.31～2.64倍。野艾蒿作為發(fā)酵原料顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該試驗結(jié)果為野艾蒿的后續(xù)利用提供了理論依據(jù)，也提供了新的資源化利用途徑。

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[6] 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.

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[8] 鄭 ?敏.聚合草厭氧發(fā)酵特性和產(chǎn)氣潛力的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[9] 胡曉明，張建萍，張無敵，等.香根草中溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗研究[J].科技信息，2008（27）：8-9.

[10] 查國君，曾國揆，張無敵，等.水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的試驗研究[J].能源工程，2006（6）：50-51.

[11] 張無敵.惡性有毒雜草紫莖澤蘭的利用[J].云南林業(yè)科技，1996 （1）：78-81.

[12] 邵艷秋，邱 ?凌.野菠菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力[J].西北農(nóng)林學(xué)報，2011，20（1）：190-193.

[13] 楊 ?紅，馬 ?煜，張無敵，等.康乃馨秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究[J].2011，云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），31（增刊2）：81-84.

[14] 張建鴻，楊 ?紅，郭德芳，等.不同溫度下滇池藍(lán)藻沼氣發(fā)酵的試驗研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，33（3）：17-21.

（責(zé)任編輯 ?張 ?毅）

2.1.2 ?累計產(chǎn)氣量 ?將圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按每4 d進(jìn)行一次產(chǎn)氣量的累計，結(jié)果見表1。由表1可知，對于野艾蒿發(fā)酵的起始階段，發(fā)酵體系迅速產(chǎn)氣，前4天產(chǎn)氣量達(dá)645 mL。第5～12天處于酸化階段，產(chǎn)氣量逐漸減少，僅為425 mL。酸化產(chǎn)生的有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌利用，pH逐漸升高，進(jìn)入產(chǎn)氣旺盛階段，從第12天后產(chǎn)氣量明顯增加。整個發(fā)酵過程產(chǎn)氣的主要階段集中在第1～36天，而最快的產(chǎn)氣階段是在第12～20天，總產(chǎn)氣量為4 360 mL。

2.2 ?發(fā)酵前后TS、VS、pH變化

發(fā)酵前后測量發(fā)酵液的TS、VS、pH變化結(jié)果見表2。由表2可知，試驗組發(fā)酵前后的TS和VS都有明顯降低，總固體、揮發(fā)性固體的降解率分別達(dá)30.92%、11.14%，而對照組發(fā)酵前后的總固體和揮發(fā)性固體降解率較小，與實際試驗產(chǎn)氣規(guī)律是相符合，對照組幾乎不產(chǎn)氣。發(fā)酵前后，試驗組和對照組的pH都在正常范圍內(nèi)。

2.3 ? 產(chǎn)氣潛力分析

2.3.1 ?野艾蒿產(chǎn)氣潛力 ?通過野艾蒿的總固體、揮發(fā)性固體及產(chǎn)氣量，可以計算出原料的總固體和揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力。野艾蒿產(chǎn)氣潛力見表3。

2.3.2 ?不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力 ?為進(jìn)一步評價野艾蒿的產(chǎn)氣潛力，對發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性發(fā)酵原料總固體產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了統(tǒng)計（表4）。野艾蒿的總固體產(chǎn)氣潛力明顯高于大多數(shù)的植物性原料，最高是野菠菜的2.64倍;其總固體產(chǎn)氣潛力僅小于香根草、水葫蘆，最小是水葫蘆的0.54倍。這是因為香根草、水葫蘆所含有機(jī)物較高，故總固體產(chǎn)氣潛力較高。而與物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成較相似的其他植物性原料相比，野艾蒿TS產(chǎn)氣潛力具有明顯優(yōu)勢。

3 ?結(jié)論

1）以野艾蒿為發(fā)酵原料，在30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗，其總固體、揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力分別為349、376 mL/g，該研究為表明野艾蒿是一種很好的沼氣發(fā)酵的原料。

2）野艾蒿與其他的植物性原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行比較，野艾蒿的產(chǎn)生潛力除小于香根草、水葫蘆等原料外，其揮發(fā)性固體產(chǎn)氣潛力明顯高于其他的植物性原料，是其他原料的1.31～2.64倍。野艾蒿作為發(fā)酵原料顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該試驗結(jié)果為野艾蒿的后續(xù)利用提供了理論依據(jù)，也提供了新的資源化利用途徑。

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[3] CHA JD，KIM Y H，KIM J Y. Essential oil and l，8-cineole from Artemisia lavandulaefolia induees aPoptosisin KB cells via Mitoehondrial Stress and casPase activ ation[J]. Food Sei·Bioteehnol， 2010， 19（l）：185-191.

[4] 顧靜文，劉立鼎，等.艾篙和野艾篙精油的化學(xué)成分[J].江西科學(xué)，1998，16（4）：273-275.

[5] 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.

[6] 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.

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[8] 鄭 ?敏.聚合草厭氧發(fā)酵特性和產(chǎn)氣潛力的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[9] 胡曉明，張建萍，張無敵，等.香根草中溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗研究[J].科技信息，2008（27）：8-9.

[10] 查國君，曾國揆，張無敵，等.水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的試驗研究[J].能源工程，2006（6）：50-51.

[11] 張無敵.惡性有毒雜草紫莖澤蘭的利用[J].云南林業(yè)科技，1996 （1）：78-81.

[12] 邵艷秋，邱 ?凌.野菠菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力[J].西北農(nóng)林學(xué)報，2011，20（1）：190-193.

[13] 楊 ?紅，馬 ?煜，張無敵，等.康乃馨秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究[J].2011，云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），31（增刊2）：81-84.

[14] 張建鴻，楊 ?紅，郭德芳，等.不同溫度下滇池藍(lán)藻沼氣發(fā)酵的試驗研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，33（3）：17-21.

（責(zé)任編輯 ?張 ?毅）