廢棄的植物培養(yǎng)基厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究

成鏡等

摘要[目的]弄清廢棄植物培養(yǎng)基厭氧消化潛力與特性。[方法]以廢棄的植物培養(yǎng)基為發(fā)酵原料，以沼氣池底部的活性污泥為接種物，在常溫條件下進行了批式厭氧消化試驗，研究了廢棄的植物培養(yǎng)基與接種污泥各處理厭氧消化的產(chǎn)氣速率、潛力和產(chǎn)氣量。[結果]常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥的TS比例為8∶1、濃度12%的處理，產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，并且發(fā)酵天數(shù)為5 d左右，發(fā)酵速度較快，產(chǎn)氣效果最好；混合培養(yǎng)基與接種污泥的TS比例為6∶1、濃度8%的處理，原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發(fā)酵天數(shù)為4 d左右，說明原料被利用的水平高。 [結論]該研究為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設計提供了科學依據(jù)。

關鍵詞厭氧發(fā)酵；廢棄的植物培養(yǎng)基；沼氣；產(chǎn)氣速率

中圖分類號S216.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）29-267-06

培養(yǎng)基是一類為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng)的物質，經(jīng)組織培養(yǎng)后，廢棄的培養(yǎng)基仍是富含大量有機質的可利用資源。能進行厭氧消化產(chǎn)生沼氣的原料主要有畜禽養(yǎng)殖廢棄物，如豬、雞、牛、羊、鴨、兔等家畜家禽糞便；農(nóng)作物的秸稈、雜草、樹葉等農(nóng)產(chǎn)品加工的廢物、廢水（酒精廢醪、丙酮丁醇廢醪、味精、檸檬酸、淀粉、豆制品等加工廢水）。為了將廢棄物資源化利用，許多學者以人糞、馬糞、玉米秸、麥稈、稻草、青草、西瓜皮、馬蹄蓮秸稈、蠶豆殼、豬糞、羊糞、牛糞、兔糞、浮萍、奶牛糞、餐廚垃圾、魔芋、醋糟等為原料進行產(chǎn)沼氣潛力的試驗。但都是以常見的廢棄物作為發(fā)酵原料進行產(chǎn)沼氣潛力的研究，目前，還沒有以廢棄培養(yǎng)基為原料進行產(chǎn)沼氣潛力研究。筆者以廢棄培養(yǎng)基為發(fā)酵原料，研究其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，以期為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設計提供基礎參數(shù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用混合培養(yǎng)基（是將愈傷誘導培養(yǎng)基、體胚發(fā)生培養(yǎng)基、出苗培養(yǎng)基按質量比例1∶1∶1進行混合）取自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所五隊組培室，接種污泥取中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場三隊沼氣池。廢棄培養(yǎng)基、接種污泥及廢水理化性質見表1。

1.2試驗裝置該試驗采用批式厭氧消化工藝。試驗裝置包括厭氧消化裝置（500 ml 自制玻璃發(fā)酵罐）、管道系統(tǒng)（玻璃管和乳膠管）、氣體收集測量系統(tǒng)（濕式氣體流量計、1 L 廣口瓶、帶刻度集水瓶）、恒溫系統(tǒng)（普通型電熱恒溫水浴鍋）（圖1）。

1.3試驗方法

將取回的新鮮混合培養(yǎng)基去除雜質，并對其中的植物殘余進行粉碎。試驗在常溫下進行，混合培養(yǎng)基與接種污泥設置4種TS比例（10∶1、8∶1、6∶1、4∶1），然后分別加洗滌廢水稀釋成總固體（TS）濃度為8%、10%、12%的發(fā)酵液，然后將0.4 L發(fā)酵料液裝入消化罐內(nèi)，每個處理重復 3 次。調(diào)節(jié)初始 pH 為 7.2 左右。并分別做接種污泥空白樣品，計算產(chǎn)氣量時扣除空白樣品產(chǎn)氣量。每天上午、下午分別震蕩反應瓶1 min，以起到攪拌作用。用 4 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH，使其維持在 7.2 左右。每次取樣或調(diào)節(jié) pH 后，往反應瓶中通氮氣 2 min， 以保證厭氧環(huán)境。

1.4分析方法

pH：玻璃電極法；CODCr：重鉻酸鉀法；NH+4N：鈉氏試劑光度計；總固體（TS）：烘干法；VS（揮發(fā)性固體）：烘干法；全氮：紫外分光光度法；全磷：鉬銻抗分光光度法；全

鉀：火焰原子吸收法；有機碳：非分散紅外吸收法。以上分析方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》第 4 版[19]。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel2003和SPSS16.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2結果與分析

2.1原料產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣潛力分析

2.1.1混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1。由表2和圖2可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1時，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達最大值，發(fā)酵前3 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的65.2%，前4 d占92.4%；濃度為10%的混合培養(yǎng)基發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第16天達最大值，發(fā)酵前10 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的34.9%，前15 d占63.8%；濃度為12%的混合培養(yǎng)基發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達最大值，發(fā)酵前4 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的64.3%，前10 d占98.8%。對比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的3.98、2.18倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1，發(fā)酵液濃度為8%時的產(chǎn)氣效果最好。

2.1.2混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1。由表3

和圖3可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1時，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第4天達最大值，發(fā)酵前4 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的82.2%；濃度

為10%的發(fā)酵液

產(chǎn)氣速率在第3天達最大值，發(fā)酵前3 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)

2.1.3混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為6∶1。由表4和圖4可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為6∶1時，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達最大值，發(fā)酵前3 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的85.9%；濃度為10%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2 d達最大值，發(fā)酵前2 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的68.9%；濃度為12%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達最大值，發(fā)酵前3 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的90.7%。對比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1，發(fā)酵液濃度為8%時原料被利用的水平高。

2.1.4混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為4∶1。

由表5和圖5可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為4∶1時，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達最大值，發(fā)酵前2 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的60.7%；濃度為10%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達最大值，發(fā)酵前2 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的92.8%；濃度為12%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達最大值，發(fā)酵前2 d累計產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的74.8%。對比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度10%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為4∶1，發(fā)酵液濃度為10%時原料被利用的水平高。

2.2混合培養(yǎng)基與接種污泥不同TS比例、不同發(fā)酵液濃度的產(chǎn)氣量比較

由表6可知，常溫條件下，TS比例8∶1、濃度12%處理的產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，并且發(fā)酵天數(shù)為5 d，發(fā)酵速度比較快。其他處理產(chǎn)氣量由高到低依次為TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例6∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。

2.3混合培養(yǎng)基與接種污泥不同TS比例、不同發(fā)酵液濃度的原料產(chǎn)氣率比較。由表7可知，常溫條件下，TS比例6∶1、濃度8%處理的原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發(fā)酵天數(shù)為4 d左右，說明原料被利用的水平高。其他處理的原料產(chǎn)氣率由高到低依次為TS比例8∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。其中，前4個處

理間在0.05水平上存在顯著性差異，TS比例10∶1、濃度

2.4不同混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例、發(fā)酵液濃度的產(chǎn)氣量的方差分析

從方差分析的結果（表8）可以看出，不同TS比例對產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時的產(chǎn)氣量優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵液濃度對產(chǎn)氣量有顯著影響，且濃度為12%時的產(chǎn)氣量優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產(chǎn)氣量最高。從多重比較結果（表9和10）可以看出，TS比例4∶1與其他TS比例的產(chǎn)氣量有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間的產(chǎn)氣量有顯著性差異，前兩者的產(chǎn)氣量之間沒有顯著性差異；不同濃度間的產(chǎn)氣量也有顯著性差異，由高到低表現(xiàn)為12%>10%>8%。

2.5不同混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例、發(fā)酵料液濃度的原料產(chǎn)氣率的方差分析

根據(jù)方差分析的結果（表11）可以看出，不同TS比例對沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時的原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且濃度為8%時原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為6∶1、濃度為8%的組合原料產(chǎn)氣率最高。從表12、13的多重比較結果可以看出，不同TS比例間的原料產(chǎn)氣率有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間的原料產(chǎn)氣率也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

3結論與討論

（1）在常溫條件下進行厭氧沼氣發(fā)酵，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1，發(fā)酵液濃度為8%時的產(chǎn)氣效果最好 ，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的3.98、218倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1，發(fā)酵液濃度為12%時的產(chǎn)氣效果最好，濃度12%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、10%的3.21、2.47倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1，發(fā)酵液濃度為8%時的產(chǎn)氣效果最好，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為4∶1，發(fā)酵液濃度為10%時的產(chǎn)氣效果最好，濃度10%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。

（2）常溫條件下，進行混合培養(yǎng)基厭氧發(fā)酵，不同TS比例對沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時的產(chǎn)氣量優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對產(chǎn)氣量有顯著影響，且濃度為12%時產(chǎn)氣量優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產(chǎn)氣量最高。TS比例4∶1與其他TS比例有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間有顯著性差異，前兩者之間沒有顯著性差異；不同濃度間有顯著性差異，從高到低依次是12%>10%>8%。不同TS比例對沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時的原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且濃度為8%時原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對原料產(chǎn)氣率有顯著性影響，且TS比例為6∶1、發(fā)酵液濃度為8%的組合原料產(chǎn)氣率最高。不同TS比例間有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

（3）從整個發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量角度來看，常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1、濃度12%的處理，其發(fā)酵天數(shù)為5 d，產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，發(fā)酵效果比較好。如從原料產(chǎn)氣率的角度來看，常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1、濃度為8%處理的原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg（TS）。通常在進行厭氧發(fā)酵時，接種污泥的量占總發(fā)酵料液的30%，但是該研究接種污泥的比例只占總發(fā)酵料液的16.7%，這可能是因為該研究采用的發(fā)酵底物是廢棄的植物培養(yǎng)基，植物培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分很容易被微生物利用，不像作物秸稈、餐廚垃圾、豬糞等需要更多的微生物來降解，所以接種污泥的比例低，發(fā)酵速度快。

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