空心蓮子草厭氧發(fā)酵制沼氣性能研究

張婭玲， 楊 姝， 秦向東， 朗昌義， 張 超

(1.云南農(nóng)業(yè)大學 基礎與信息工程學院，云南 昆明 650201；2. 云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術工程研究中心， 云南 昆明 650201)

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空心蓮子草厭氧發(fā)酵制沼氣性能研究

張婭玲1,2， 楊 姝1,2， 秦向東1,2， 朗昌義1， 張 超1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學 基礎與信息工程學院，云南 昆明 650201；2. 云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術工程研究中心， 云南 昆明 650201)

空心蓮子草作為外來入侵物種，防除和綜合利用是其主要的研究方向。文章進行了空心蓮子草的厭氧發(fā)酵試驗，并與水葫蘆、玉米秸稈的產(chǎn)氣性能進行比較。結果表明，空心蓮子草厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣具有發(fā)酵啟動迅速、產(chǎn)氣量大的優(yōu)點，可作為理想的沼氣原料。

空心蓮子草；水葫蘆；玉米秸稈；厭氧發(fā)酵

空心蓮子草又名水花生、革命草，原產(chǎn)于巴西，是入侵性很強的植物種，現(xiàn)已遍及美洲、澳洲、亞洲及非洲的許多國家和地區(qū)。其生命力強，適應水生和陸生環(huán)境，在我國許多地區(qū)滋生蔓延，危害嚴重。目前，對空心蓮子草的研究包括防除與綜合利用兩個方向，其中綜合利用主要為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、治理污染水體以及在食物中的應用等方面[1-3]，但綜合利用后的廢棄物，特別是用于凈化水體的植物殘株，如處置不當，很可能造成二次污染。

筆者以空心蓮子草為原料開展厭氧發(fā)酵制沼氣試驗，并與常見的沼氣原料玉米秸稈、水葫蘆的產(chǎn)氣性能進行比較，分析研究空心蓮子草制沼氣的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

空心蓮子草采自學校路邊溝渠，玉米秸稈為學校實驗田灌漿期的新鮮秸稈，水葫蘆采自滇池。將新鮮原料切成2～3 cm的小段，備用。接種物為水溝底污泥，總干物質(zhì)量(TS)為18.9%，揮發(fā)性有機物(VS)為11.71%，pH值為6.8。

1.2 試驗儀器和裝置

厭氧發(fā)酵裝置是由橡皮塞封口的1 L玻璃燒瓶作為反應器(見圖1)，通過恒溫水浴鍋增溫和保溫，采用排水集氣法測定產(chǎn)氣量。

圖1 發(fā)酵裝置示意圖

1.3 試驗設計

發(fā)酵原料配制：根據(jù)前人的經(jīng)驗[4-5]和前期的預試驗，確定總TS濃度控制在6%，接種物和原料干物質(zhì)質(zhì)量比為2∶1，發(fā)酵溫度控制在35℃±1℃。將不同的原料與接種污泥、水混勻，總質(zhì)量800 g置于1 L的發(fā)酵瓶內(nèi)?？瞻讟又袃H加入同等質(zhì)量的污泥和水。發(fā)酵45 d，每日定時測定產(chǎn)氣量和甲烷含量。

1.4 分析項目及測定方法

TS和VS的測定：按照國標進行，TS采用105℃±5℃烘干法，VS采用灼燒(500℃～600℃)法。

pH值：采用精密試紙測定。經(jīng)測量發(fā)酵期間pH值為6.5～7.5。

產(chǎn)氣量：采用排水法收集發(fā)酵產(chǎn)生的氣體，根據(jù)集氣瓶中水的體積計量每日產(chǎn)生氣體的體積。

甲烷含量：使用甲烷氣體檢測儀每日定時測定產(chǎn)生氣體的甲烷含量。

2 結果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化

日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化如圖2所示，3種原料在發(fā)酵開始1 d～3 d均出現(xiàn)了產(chǎn)氣高峰，對比這3 d的甲烷含量，均在一個較低的范疇，產(chǎn)氣主要是空氣加熱膨脹及物料排放的廢氣。此外，空心蓮子草在第7 d和第29 d有產(chǎn)氣高峰，峰值分別為605 mL·d-1和315 mL·d-1。水葫蘆在第10 d出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，峰值為545 mL·d-1，隨后逐漸減少。玉米秸稈在第11 d到16 d出現(xiàn)連續(xù)的產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量大約為500 mL·d-1左右，之后在第24 d和30 d分別有2個小的產(chǎn)氣高峰。

空心蓮子草和水葫蘆的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)較早，而玉米秸稈相對靠后，原因可能和原料的形態(tài)結構和C/N有關?？招纳徸硬萸o中空為管狀，水花生中部膨脹成囊狀、內(nèi)有氣室，二者疏松的形態(tài)結構有利于發(fā)酵微生物分泌的水解酶與原料充分接觸。玉米秸稈利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，表面結構致密，呈現(xiàn)有序有規(guī)律的排列且質(zhì)地堅硬，纖維表面平整光滑，使水解酶對原料的可及度下降[6]，產(chǎn)氣進程減緩。同時，C/N也對厭氧發(fā)酵的進程產(chǎn)生了影響：已有研究表明，空心蓮子草和水葫蘆為富氮原料，C/N<25∶1，代謝分解和產(chǎn)氣速率較快。玉米秸稈屬于富碳原料，C/N>30∶1，具有產(chǎn)氣速度慢，發(fā)酵周期長的特點[7-8]。另外，由于有機物降解難易程度不同，當大分子有機質(zhì)水解、產(chǎn)酸的速率與產(chǎn)甲烷的速率不能保持平衡時，造成沼氣日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)上下起伏的變化[9]。

圖2 發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化

2.2 厭氧發(fā)酵甲烷含量的變化

甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化如圖3所示。3種原料的甲烷含量變化趨勢基本相同，在發(fā)酵初期就出現(xiàn)顯著增加，水葫蘆在第2 d甲烷含量就超過40%，在第5 d達到50%，最高可達61.13%?？招纳徸硬菰诘? d甲烷含量達到50%，最高可達63.84%。玉米秸稈甲烷含量的增加幅度最慢，在第9 d達到50%，但最大值可達66.19%。

甲烷含量的增長幅度的差異，同樣與原料的形態(tài)結構和C/N相關，原料疏松的結構與相對較低的C/N，提高了原料與微生物酶的作用面積，加快了發(fā)酵速率。

圖3 發(fā)酵過程中甲烷含量的變化

2.3 厭氧發(fā)酵過程中累計產(chǎn)氣量的變化

3種原料的累計產(chǎn)氣量見圖4。在發(fā)酵前期，水花生累計產(chǎn)氣量迅速增加，水葫蘆累計產(chǎn)氣量增長幅度在第10 d達到日產(chǎn)氣高峰后逐漸放緩，在第27 d累計產(chǎn)氣量已達總產(chǎn)氣量的90%，產(chǎn)氣進入平臺期?？招纳徸硬萸捌诶塾嫯a(chǎn)氣量的變化與水葫蘆基本一致，但在26 d后隨第2個產(chǎn)期高峰期的出現(xiàn)，累計產(chǎn)氣量出現(xiàn)第2次快速增加，在發(fā)酵的第32 d累計產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量的90%。而玉米秸稈的累計產(chǎn)氣量在發(fā)酵前7 d增長相對較慢，隨后迅速增加，在第27 d累計產(chǎn)氣量超過空心蓮子草和水葫蘆，之后保持相同的增長趨勢，發(fā)酵第35 d累計產(chǎn)氣量達到總產(chǎn)氣量的90%。

有機物的水解是厭氧發(fā)酵的限速階段。一般來說，碳水化合物的降解最快，其次是蛋白質(zhì)、脂肪，最慢的是纖維素和木質(zhì)素。累計產(chǎn)氣量呈現(xiàn)不同的變化趨勢，這和原料的纖維素結構和含量有關。纖維素是生物質(zhì)能源化中主要的利用物質(zhì)，玉米秸稈中的纖維素含量要高于其它兩種[10-12]。前人[13-15]研究也表明，水葫蘆、空心蓮子草的纖維素含量主要為無定形態(tài)，占纖維素總量的80%左右，其纖維素的聚合度和結晶度遠遠低于常見的陸生植物秸稈如玉米秸稈、水稻稈的纖維素。這使得水葫蘆和空心蓮子草中參與發(fā)酵的微生物酶對纖維素的可及度增加，利用速率加快。

圖4 發(fā)酵過程中累計產(chǎn)氣量的變化

2.4 TS產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率

試驗對不同原料的TS產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷量進行統(tǒng)計，扣除作為空白對照的接種污泥的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)，計算出各原料的TS產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率。如圖5所示，空心蓮子草和玉米秸稈的TS產(chǎn)氣率分別為618.5 mL·g-1和611 mL·g-1，TS甲烷產(chǎn)率分別為333.2 mL·g-1和344.3 mL·g-1。水葫蘆產(chǎn)氣量相對較低，TS產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率分別為510.7 mL·g-1，276.2 mL·g-1。實驗數(shù)據(jù)顯示，空心蓮子草的產(chǎn)氣量與玉米秸稈的產(chǎn)氣量相近，TS產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率均高于水葫蘆，這與李榮峰[16]的研究結果一致。

3 結論

文章開展了空心蓮子草的厭氧發(fā)酵試驗，并與常用的沼氣原料水葫蘆、玉米秸稈的產(chǎn)氣性能進行比較。空心蓮子草的TS產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率高于水葫蘆，與玉米秸稈相近，但其發(fā)酵前期產(chǎn)氣進程又優(yōu)于玉米秸稈。綜合來說，空心蓮子草厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣具有發(fā)酵啟動快、產(chǎn)氣量大的優(yōu)點，可作為理想的沼氣原料進行能源化、生態(tài)化利用。

圖5 發(fā)酵產(chǎn)率的比較

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Anaerobic Fermentation Performance of Alternanthera Philoxeroides

ZHANG Ya-ling1,2, YANG Shu1,2, QIN Xiang-dong1,2, LANG Chang-yi1, ZHANG Chao1

(1.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China；2.Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University, Kunming 650201, China)

As an alien invasive species, the main research direction forAlternantheraphiloxeroidesis control and comprehensive utilization. This paper carried out an anaerobic fermentation test ofAlternantheraphiloxeroides. Its biogas production capacity was compared withEichhorniacrassipesand Corn stover. The result showed that anaerobic fermentation ofAlternantheraphiloxeroideswas fast start-up, and had high biogas yield, could be an ideal biogas feedstock.

AlternantheraPhiloxeroides;Eichhorniacrassipes; Corn stover; anaerobic fermentation

2015-09-22

項目來源： 云南省教育廳科學研究基金(2013Y471)

張婭玲(1979-)，女，漢族，云南安寧人，碩士，主要從事生物天然氣的研究利用，E-mail：zyl_yn@163.com 通信作者： 張 超，E-mail：zc1314km@163.com

S216.4; S451

B

1000-1166(2016)01-0029-03