三種能源草厭氧發(fā)酵制備生物燃氣初步研究*

牛紅志，李連華，孔曉英?，孫永明，袁振宏，周賢友

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

三種能源草厭氧發(fā)酵制備生物燃氣初步研究*

牛紅志1,2，李連華1，孔曉英1?，孫永明1，袁振宏1，周賢友1,2

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

以華南地區(qū)生長的多年生草本植物象草、芒草和五節(jié)芒為原料，采用序批式中溫（35±1℃）厭氧發(fā)酵工藝，研究這三種能源草制備生物燃氣的性能。結(jié)果表明：象草、芒草和五節(jié)芒的最高日產(chǎn)氣率分別為31.33、24.84和19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1，原料產(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)甲烷率分別為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1，占理論產(chǎn)甲烷率的33.83%、21.67%和19.48%，象草的厭氧發(fā)酵性能優(yōu)于芒草和五節(jié)芒的主要原因是象草中纖維素、半纖維素等易降解的有機物含量較高。修正的Gompertz方程擬合效果較好，象草、芒草和五節(jié)芒的累積產(chǎn)氣量分別為344.81、290.11和279.01 Nml·(gVSadded)?1，延滯期分別為5.96、0.71和0 d。

能源草；厭氧發(fā)酵；生物燃氣；甲烷

0 引 言

隨著化石能源的減少和生態(tài)環(huán)境的惡化，可再生清潔能源的開發(fā)與利用日益受到重視，尤其是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用把CO2和H2O等無機物轉(zhuǎn)化為有機物，伴隨著將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能而貯存生物體中的能量。生物質(zhì)能具有清潔、安全、可貯藏、可再生、可固碳等優(yōu)點，是應(yīng)對能源和環(huán)境危機最理想的新能源之一[1-3]。

我國華南地區(qū)氣候以亞熱帶季風性氣候為主，多數(shù)地方年降水量為1 400～2 000mm，是一個高溫多雨、四季常綠的熱帶?南亞熱帶區(qū)域，具有豐富的生物質(zhì)資源。生長在該地區(qū)的禾本科狼尾草屬植物象草和芒屬植物五節(jié)芒及芒草均為多年生纖維類草本植物[4-7]，一方面能夠高效利用太陽能固定CO2和H2O等，具有生長速度快、纖維素含量高等優(yōu)點，適合作為禽畜飼料以及造紙、能源等工業(yè)領(lǐng)域的原料[7,8]，另一方面其頑強的野外生長和抗逆能力，適宜在鹽堿、山地、旱地等不適宜種植糧食作物的邊際土地上推廣種植[8,9]，具有綠化環(huán)境、防風固沙、保持水土、生態(tài)修復(fù)等作用[7,10]，很適合作為生物質(zhì)能源原料。

厭氧發(fā)酵制備生物燃氣是生物質(zhì)資源能源化利用的重要途徑之一[11-13]，國外開展了較多以能源草為原料的厭氧發(fā)酵研究，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在西南和華北地區(qū)，而具有能源草資源優(yōu)勢的華南地區(qū)研究報道偏少。因此本文選取了華南地區(qū)多年生能源草本植物作為研究對象，分析其厭氧發(fā)酵性能，為該地區(qū)能源草資源的開發(fā)利用提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原料

實驗原料是華南地區(qū)自然條件下生長的三種多年生草本植物——象草、芒草和五節(jié)芒。象草采自廣東省廣州市華南理工大學北校區(qū)，刈割于2010年7月1日；五節(jié)芒取自廣州市增城區(qū)寧西，刈割于2010年11月11日；象草和五節(jié)芒刈割后，首先人工將原料切割成2～3 cm小段，之后用粉碎機粉碎約1 min，放于 ?20℃冰箱中保存。芒草來自廣州市番禺地區(qū)，刈割于2010年10月29日，原料粉碎烘干后用于厭氧發(fā)酵性能研究。

1.2 實驗裝置及操作

實驗裝置采用有效容積為1.5 L的玻璃反應(yīng)器，反應(yīng)器側(cè)壁上下各有1個取樣口，上口為取氣樣口，下出口為取液樣口，反應(yīng)器頂部連接集氣瓶，內(nèi)裝有飽和食鹽水，集氣瓶后連通集液瓶，通過排飽和食鹽水法收集生物燃氣。發(fā)酵采用中溫發(fā)酵，通過水浴鍋控制反應(yīng)溫度為35±1℃。反應(yīng)器中加入的接種物量為800 mL，象草和五節(jié)芒按發(fā)酵固體濃度為5%加入，芒草則按3%加入。實驗中添加2.5%的NH4HCO3作為緩沖劑和補充氮源。僅加入接種物的反應(yīng)器為對照組。沖入高純N2排出反應(yīng)器頂部的空氣，試驗期間每天手動搖動反應(yīng)器2次，當連續(xù)5天日產(chǎn)氣率低于1 Nml·(gVSadded)?1時結(jié)束實驗。

1.3 分析測試方法

總固體含量（Total solid, TS）和揮發(fā)性固體含量（Volatile solid, VS）分別經(jīng)105℃烘干和550℃煅燒后測定；C、N、S和H含量采用Vario EL元素分析儀（德國elementar公司）測定；pH值測定采用雷磁pHS-3C型pH計（上海精科科學儀器有限公司雷磁儀器廠）。原料中的木質(zhì)纖維素成分測定參考美國國家可再生能源實驗室標準測定方法（LAP, NREL）[14]。

揮發(fā)酸的測定采用HPLC，柱子為Shodex KC-811，柱溫為50℃；流動相為0.1% H3PO4，流速為0.7 mL/min。分析前樣品首先在12 000 r/min離心15 min，離心后的樣品再通過0.2 um纖維素乙酸酯膜過濾后進樣。

生物燃氣的成分及含量采用HP-6890型高效氣相色譜（美國安捷倫儀器公司）測定，TCD檢測器，載氣為Ar，進樣口和檢測器溫度分別為100℃和150℃。柱箱采用程序升溫，初始溫度40℃，保持2 min，然后以10℃/min升到80℃并保持1 min。

1.4 數(shù)據(jù)分析和計算

1.4.1 累積產(chǎn)氣量曲線擬合

厭氧發(fā)酵過程是厭氧微生物生長的過程，微生物典型生長曲線包括延滯期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰退期，而累積產(chǎn)氣量不存在衰退期，故可用修正Gompertz方程[13,15]式（1）來模擬累積產(chǎn)氣曲線。

式中，x為發(fā)酵時間，d；y為前x天的累積產(chǎn)氣量，Nml·(gVSadded)?1；P為最高產(chǎn)氣量，Nml·(gVSadded)?1；Rm為最高日產(chǎn)氣率，Nml·(gVSadded)?1·d?1；k為延滯期，d；P、Rm、k可由厭氧發(fā)酵實驗數(shù)據(jù)擬合得到。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9.0進行繪圖和曲線擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料特性

原料的總固體和揮發(fā)性固體含量見表1，象草的TS含量約為15.16%，而芒草和五節(jié)芒的TS含量接近，為53.86%～55.38%，這主要與原料的生長時期有關(guān)。象草刈割時期為7月份，此時雨水和光照充足，象草處于生長旺盛期，故含水率高；而芒草和五節(jié)芒的刈割時期分別為10月底和11月中旬，兩種植物處于花果期，部分莖葉已枯萎，故干物質(zhì)含量相對較高。草本植物不同生長時期的含水量變化顯著，荻在北京地區(qū)7～12月的含水量分別為68.5%、55%、53%、45%、10%和7%[16]，柳枝稷、荻、蘆竹和雜交狼尾草在7月份的含水量可達到70%～76%以上，之后逐漸降低[17]。

原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量見表1，象草中纖維素和半纖維素成分含量高，而木質(zhì)素成分低；芒草和五節(jié)芒中纖維素和半纖維素總含量有所下降，而木質(zhì)素含量卻明顯上升，尤其是芒草的木質(zhì)素含量達到24.47%。生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量也會因生長階段不同而發(fā)生變化。荻的纖維素含量在苗期、孕穗至開花期和生育后期分別為20%～25%、30%以上和45%[18]。雜交狼尾草中的纖維素和半纖維素的質(zhì)量分數(shù)隨著刈割時間的延長先增加后稍有降低，其中纖維素質(zhì)量分數(shù)由28.02%升高至37.11%，半纖維素含量增加了25.47%，木質(zhì)素的質(zhì)量分數(shù)顯著增加，從15.22%增加到22.87%[19]。

象草、五節(jié)芒和芒草的C含量在40.94%～45.08%之間，生長期越長C含量相對越高。象草和芒草的N含量接近，但五節(jié)芒的N含量較低，為0.206%，因此五節(jié)芒C/N較高，達到167.57。象草、芒草、五節(jié)芒的熱值分別為16.57、17.13、17.50 kJ·g?1，與已發(fā)表文獻[4,11,18]中生物質(zhì)原料的熱值一致。

表1 三種能源草原料的理化特性Table 1 Characteristics of three kinds of perennial plants

2.2 厭氧發(fā)酵性能

2.2.1 發(fā)酵液pH和VFA變化

厭氧消化過程中發(fā)酵液pH變化見圖1，發(fā)酵初期象草、五節(jié)芒和芒草發(fā)酵系統(tǒng)的pH逐漸下降，并分別在第4、3和5 d時降至最低，隨后發(fā)酵液的pH緩慢上升，到發(fā)酵后期pH穩(wěn)定在7.9～8.17。芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中揮發(fā)酸成分變化見圖2，發(fā)酵初期原料迅速降解并生成乙酸、丙酸、異丁酸、戊酸和乳酸等揮發(fā)性有機酸，且有機酸的產(chǎn)生速率遠大于消耗速率，有機酸濃度不斷上升。發(fā)酵3～5 d時，芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中總揮發(fā)酸含量達到最高分別為7 399 mg·L?1和6 693 mg·L?1，其中乙酸和丙酸含量占總揮發(fā)酸含量的88.30%～98.39%，揮發(fā)酸的大量積累是導(dǎo)致發(fā)酵液pH降低的主要原因。隨著產(chǎn)甲烷微生物大量生長，揮發(fā)酸物質(zhì)逐漸被消耗，至發(fā)酵結(jié)束時僅剩乙酸和丙酸且含量均在100 mg·L?1以下?？梢?，乙酸和丙酸是整個厭氧發(fā)酵過程中重要的中間代謝物。

圖1 三種能源草發(fā)酵過程發(fā)酵液pH的變化Fig. 1 The varation of pH value during the anaerobic digestion process

圖2 芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中VFA的變化Fig. 2 VFA during the digestion process of Miscanthus sinensis and Miscanthus floridulus

2.2.2 生物燃氣產(chǎn)氣變化

三種能源草厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣變化情況見圖3。五節(jié)芒產(chǎn)氣最快，加料后第1 d就達到日產(chǎn)氣高峰，為24.84 Nml·(gVSadded)?1·d?1，第3～28 d日產(chǎn)氣率穩(wěn)定在5～12 Nml·(gVSadded)?1·d?1；芒草加料后在第3 d達到日產(chǎn)氣高峰，為19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1，第4～26 d日產(chǎn)氣率穩(wěn)定在7～12 Nml·(gVSadded)?1·d?1。象草在進料后的前6 d內(nèi)未檢測到明顯氣體產(chǎn)生，在第7 d達到產(chǎn)氣高峰，為31.33 Nml·(gVSadded)?1·d?1，之后日產(chǎn)氣率逐漸下降。能源草厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣率與發(fā)酵液pH和VFA含量隨發(fā)酵時間的變化顯著相關(guān)。發(fā)酵初期，能源草原料在產(chǎn)酸微生物的作用下快速降解產(chǎn)生揮發(fā)酸物質(zhì)，揮發(fā)酸的產(chǎn)生速度遠大于消耗速度，引起pH下降，不利于產(chǎn)CH4微生物的生存，日產(chǎn)CH4率很低；在揮發(fā)酸物質(zhì)的產(chǎn)生與消耗平衡點后，發(fā)酵液pH開始上升，CH4微生物開始大量繁殖，日產(chǎn)CH4率也上升；到厭氧消化后期，揮發(fā)酸的濃度低于200 mg·L?1，發(fā)酵系統(tǒng)的pH穩(wěn)定在8左右，產(chǎn)氣基本停止。

圖3 三種能源草發(fā)酵的日產(chǎn)氣率變化Fig. 3 Daily biogas production of energy grasses

三種能源草厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣情況見圖4，象草、芒草和五節(jié)芒的厭氧發(fā)酵的生物燃氣產(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)CH4率為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1，生物燃氣中CH4最高含量分別為58%、48%和53%。三種原料的厭氧發(fā)酵性能差異主要與原料的刈割時間有關(guān)[19,20]。象草刈割時正處于生長旺期，雨水、光照、溫度條件適宜，原料中纖維素和半纖維素等易發(fā)酵產(chǎn)氣的有機物含量高。芒草和五節(jié)芒刈割時處于花果期，原料中木質(zhì)素等難降解發(fā)酵的有機物含量高。木質(zhì)素降解需要有氧環(huán)境，且木質(zhì)素會影響纖維素和半纖維素的降解。因此，生長旺盛時期的能源草更適合作為厭氧發(fā)酵制備生物燃氣的原料。

圖4 能源草厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣率及其擬合曲線Fig. 4 Cumulative biogas productions and fit curves of modified Gompertz equation

理論產(chǎn)CH4能力指在標準狀態(tài)下原料完全降解所獲得的最大甲烷體積，可通過Buswell[21]方程計算。本實驗通過原料中的C、H、O和N元素含量（見表1）分析得到原料中有機物近似化學式CnHaObNc，從而計算象草、五節(jié)芒和芒草理論產(chǎn)甲烷能力的方程如下。

根據(jù)方程可計算出象草、芒草和五節(jié)芒的理論產(chǎn)甲烷率分別為492、507和499 Nml·(gVSadded)?1。這三種能源草厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)CH4率分別占理論產(chǎn)CH4的33.83%、21.67%和19.48%。實際產(chǎn)甲烷率低的主要原因有兩方面：一方面厭氧發(fā)酵過程中微生物的生長代謝會消耗掉一部分有機物，這部分有機物不能轉(zhuǎn)化為CH4；另一方面與原料特性有關(guān)，原料中易降解轉(zhuǎn)化為CH4的有機物如纖維素和半纖維素等含量高，而木質(zhì)素等難降解或阻止易降解有機物降解的有機物含量低，因此象草的產(chǎn)CH4率占理論的比例高于芒草和五節(jié)芒。篩選高效的產(chǎn)CH4微生物和對原料預(yù)處理是提高生物質(zhì)產(chǎn)CH4率的重要途徑[22-24]。

2.2.3 產(chǎn)氣曲線擬合

三種能源草厭氧消化過程的累積產(chǎn)氣率變化經(jīng)修正Gompertz方程擬合后見圖4，相應(yīng)的模型參數(shù)見表2。利用修正的Gompertz方程對實驗數(shù)據(jù)擬合的效果較好，R-Square均大于0.99，該方程準確反映了三種能源草序批式中溫厭氧發(fā)酵過程中延滯期和累積產(chǎn)氣量的變化。根據(jù)擬合結(jié)果，象草、芒草和五節(jié)芒的累積產(chǎn)氣量分別為344.81、290.11和279.01 Nml·(gVSadded)?1，最大日產(chǎn)氣量分別為27.39、11.67和8.87 Nml·(gVSadded)?1·d?1，厭氧發(fā)酵延滯期分別為5.96、0.71和0 d，這與實驗結(jié)果吻合，修正Gompertz方程能夠準確地模擬能源草的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程。

表2 修正Gompertz方程的模型參數(shù)Table 2 Model parameters of modified Gompertz equation

3 結(jié) 論

能源草的含水率及木質(zhì)纖維素含量隨生長時期不同而變化。生長期越長，水分、纖維素和半纖維含量相對越低，而木質(zhì)素含量相對升高。

能源草厭氧發(fā)酵過程中，日產(chǎn)氣率、發(fā)酵液pH和VFA三者變化顯著相關(guān)。揮發(fā)酸含量高導(dǎo)致pH低，抑制產(chǎn)CH4微生物生長，進而導(dǎo)致產(chǎn)CH4率低。乙酸和丙酸是厭氧發(fā)酵過程重要的中間代謝物。

象草、芒草和五節(jié)芒的生物燃氣累積產(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)CH4率為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1。象草的厭氧發(fā)酵性能優(yōu)于芒草和五節(jié)芒的主要原因是原料中纖維素、半纖維素等易降解的有機物含量較高，難降解發(fā)酵的木質(zhì)素含量低。木質(zhì)纖維素含量可作為篩選制備生物燃氣的能源草的重要標準。

修正的Gompertz方程能夠準確模擬序批式中溫厭氧發(fā)酵工藝中能源草的延滯期和累積產(chǎn)氣量等指標。實際CH4產(chǎn)率占理論值比例低，提高能源草厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率還有巨大空間，需進一步深入研究。

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Study on Anaerobic Digestion Performance of Three Kinds of Perennial Energy Grasses from South China Area

Niu Hong-zhi1,2, Li Lian-hua1, Kong Xiao-ying1, Sun Yong-ming1, Yuan Zhen-hong1, Zhou Xian-you1,2
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The three kinds of energy grasses: Pennisetum purpureu, Miscanthus sinensis and Miscanthus floridulus from the Southchina area were conducted for biogas by using batch anaerobic digestion technical process at mesophilic temperature (35±1oC), in this paper. The experiment results showed that the three kinds of energy grasses had different anaerobic fermentation performances: the highest daily biogas production were 31.33, 24.84 and 19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1, the cumulative biogas production were 355.78, 285.58 and 235.38 Nml·(gVSadded)?1, and the cumulative CH4production were 166.43, 109.89 and 97.20 Nml·(gVSadded)?1, accounted for 33.83%, 21.67% and 19.48% of the theoretical CH4production, respectively. Biogas yield of Pennisetum purpureu was obviously higher than that of the others, which was mainly because it had higher content of easily biodegradable organics. Modified Gompertz equation could be used well to fit the anaerobic digestion process of energy grass producing biogas. The simulation results were that the cumulative biogas production of the three kinds of grasses were 344.81, 290.11 and 279.01 Nml·(gVSadded)?1, and the delay times of anaerobic digestion tests were 5.96, 0.71 and 0 d.

energy grass； anaerobic digestion； biogas； methane

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.005

2095-560X（2015）03-0191-06

牛紅志（1989-），男，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能源生化轉(zhuǎn)化技術(shù)研究。

2015-03-11

2015-05-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2012AA101802）；中國科學院重點部署項目（KGZD-EW-304-1）；中國科學院院地合作項目

? 通信作者：孔曉英，E-mail：kongxy@ms.giec.ac.cn

孔曉英（1973-），女，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源生化轉(zhuǎn)化和微生物燃料電池研究。