甜高粱發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗(yàn)研究

郭 成，尚朝秋，王 強(qiáng)，章文杰，趙興玲，馮 艷，尹 芳，張無敵

(1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南省沼氣工程技術(shù)研究中心，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 教育部生物能源持續(xù)開發(fā)利用工程研究中心，云南 昆明650500； 2.云南省科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明650032)

甜高粱發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗(yàn)研究

郭 成1，尚朝秋2，王 強(qiáng)1，章文杰2，趙興玲1，馮 艷2，尹 芳1，張無敵1

(1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南省沼氣工程技術(shù)研究中心，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 教育部生物能源持續(xù)開發(fā)利用工程研究中心，云南 昆明650500； 2.云南省科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明650032)

為了探究甜高粱厭氧消化產(chǎn)沼氣的潛力，采用批量發(fā)酵工藝，在恒溫(30±0.2)℃的條件下，進(jìn)行了甜高粱莖稈和甜高粱穗的沼氣發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，甜高粱莖稈和穗的發(fā)酵周期分別為36、40 d；實(shí)際工程中，甜高粱發(fā)酵產(chǎn)沼氣的水力滯留時(shí)間(HRT)可設(shè)計(jì)為22 d。甜高粱莖稈的TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率分別為583、618 mL·g-1；甜高粱穗的TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率分別為 899、950 mL·g-1。

甜高粱；沼氣發(fā)酵；產(chǎn)沼氣潛力

甜高粱起源于非洲，為世界上生物學(xué)產(chǎn)量最高的作物。中國科學(xué)院植物研究所的試驗(yàn)表明，甜高粱品種‘M-81E’和‘泰斯’的莖稈產(chǎn)量和鮮生物量分別為89 445、94 800 kg·hm-2和128 130、124 905 kg·hm-2[1]。甜高粱的光合效率是大豆、甜菜和小麥等作物的2～3倍。甜高粱不僅是高能作物，而且具有抗旱、耐澇、耐貧瘠、耐鹽堿等特性。因此，甜高粱成為人們最受青睞的農(nóng)作物品種之一。甜高粱的用途十分廣泛，它不僅可作為糧食，也可產(chǎn)糖，還可以作粗飼料、酒、產(chǎn)氫氣、乙醇和味精，其纖維還可以造紙，并能被用來生產(chǎn)聚乙烯塑料[2-7]。研究表明，甜高粱在制乙醇方面的產(chǎn)量優(yōu)勢明顯。 張文彬等[8]對生產(chǎn)燃料乙醇的糖料作物進(jìn)行比較，研究表明每公頃作物產(chǎn)乙醇量的大小順序?yàn)椋禾鸶吡磺o稈>鮮馬鈴薯>稻米>甜菜>玉米>小麥。中國科學(xué)院植物研究所植物園的試驗(yàn)表明，甜高粱的乙醇產(chǎn)量每公頃可達(dá)6 000 L[3]。MATSAKAS等[9]對干甜高粱莖稈進(jìn)行酶處理(11.12 FPU)且在接種物與原料質(zhì)量比為0.35的情況下，得到最大的甲烷產(chǎn)量為296 mL·g-1VS。 OSTOVAREH等[10]對甜高粱在溫度為100～160 ℃，硫酸做催化劑的條件下進(jìn)行有機(jī)溶劑(乙醇)預(yù)處理30 min后進(jìn)行沼氣發(fā)酵，試驗(yàn)表明達(dá)到甜高粱產(chǎn)甲烷理論值的92%。而本研究采取批量式發(fā)酵工藝在未作化學(xué)預(yù)處理的條件下，分別對甜高粱的莖稈和穗進(jìn)行了厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)，以便于更全面地了解甜高粱作為沼氣開發(fā)和利用的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 發(fā)酵原料 來自湖南省某甜高粱種植區(qū)隨機(jī)采樣的已成熟的甜高粱，并將其莖稈和穗(未脫粒)分開。

1.1.2 接種物 采用自制的豬糞馴化的厭氧消化活性污泥作為接種物。

1.1.3 試驗(yàn)裝置 采用容積為500 mL的塑料瓶，以排水集氣法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置。

測得原料和接種物的總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)見表1。

表1 發(fā)酵原料和接種物的TS和VSTable 1 TS and VS of materials and inocula

1.2方法

1.2.1 原料預(yù)處理 莖稈：用粉碎機(jī)將其粉碎成

1 cm左右；穗：用菜刀將其切碎，直徑約0.8 mm。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)為應(yīng)用批量發(fā)酵工藝，水浴恒溫(30±0.2)℃。于同等條件下，試驗(yàn)組和對照組各設(shè)置3個(gè)重復(fù)，加水使發(fā)酵料液的有效體積均為400 mL，試驗(yàn)組總固體含量(TS)為5%，對照組不添加原料。發(fā)酵料液的組成如表2。

表2 發(fā)酵料液的配比Table 2 Ratio of fermentation liquid

1.2.3 參數(shù)測定及方法

1.2.3.1 總固體含量(TS)的測定 將樣品放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中(溫度為(105±5)℃)烘干至恒重，并計(jì)算出TS[11]。

1.2.3.2 揮發(fā)性固體含量(VS)的測定 將上述烘干至恒重的樣品放入箱形電阻爐中(溫度為(550±20)℃ )灼燒至恒重，并計(jì)算出VS[11]。

1.2.3.3 pH值的測定 采用精密試紙(測定范圍5.5～9.0)。

1.2.3.4 產(chǎn)氣量 產(chǎn)氣數(shù)據(jù)于每天21:00記錄，分別以試驗(yàn)組和對照組中3個(gè)重復(fù)組的平均值作為每天的產(chǎn)氣量。

1.2.3.5 甲烷含量 采用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀測定沼氣中的甲烷含量，色譜條件為氣化室溫度80 ℃、柱箱溫度80 ℃ 、TCD溫度120 ℃ 、載氣為純氮?dú)?，流速?0 mL·min-1。

2 結(jié)果與分析

2.1發(fā)酵前后料液TS、VS及pH值的比較

發(fā)酵前后試驗(yàn)組和對照組的TS、VS及pH值的測定結(jié)果見表3、表4。

表3 試驗(yàn)組發(fā)酵料液前后的TS、VS及pH值Table 3 TS, VS and pH value of fermentation liquid in the beginning and ending of the experiment group

表4 對照組發(fā)酵料液前后的TS、VS及pH值Table 4 TS, VS and pH value of fermentation liquid in the beginning and ending of the control group

根據(jù)TS降解率 =(發(fā)酵前TS-發(fā)酵后TS)/發(fā)酵前TS，VS降解率 =(發(fā)酵前VS-發(fā)酵后VS)/發(fā)酵前VS，經(jīng)計(jì)算，莖稈發(fā)酵試驗(yàn)組的TS和VS降解率分別是18.8%和10.7%，穗發(fā)酵試驗(yàn)組的TS和VS降解率分別是18.6%和11.4%。這說明甜高粱莖稈和穗在發(fā)酵前后，其TS降解率都較低，但從有機(jī)物質(zhì)的消耗程度，即VS降解率，甜高粱莖稈小于甜高粱穗。就對照組而言，發(fā)酵前后TS、VS變化很小，這是因?yàn)樽鳛榻臃N的活性污泥中所含的能夠被降解的有機(jī)物幾乎為零。試驗(yàn)組和對照組發(fā)酵前后的pH值都在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的正常范圍之內(nèi)(pH值為6.5～7.5)[11]。

2.2日產(chǎn)沼氣分析

甜高粱莖稈和穗發(fā)酵在同一天開始，莖稈發(fā)酵的時(shí)間為36 d，穗發(fā)酵的時(shí)間為40 d。以試驗(yàn)組每天的凈產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)得到甜高粱的產(chǎn)氣變化見圖1。

圖1 凈產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.1 Net gas production curve

在發(fā)酵第1天，莖稈產(chǎn)氣達(dá)到550 mL，對氣體成分進(jìn)行測定，結(jié)果顯示甲烷含量僅為5.56%，所測氣體中絕大部分為二氧化碳，這是因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵初期，產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段比產(chǎn)甲烷階段反應(yīng)過快，導(dǎo)致較多的二氧化碳未來得及被產(chǎn)甲烷菌消化利用[12-14]。因此，該天所產(chǎn)生的氣體不能有效地表征產(chǎn)沼氣量。所以，莖稈和穗的產(chǎn)沼氣高峰分別出現(xiàn)在第7天和第6天。以后，莖稈和穗的產(chǎn)氣量總體都呈下降趨勢，并都于第11天達(dá)到各自產(chǎn)氣的次高峰，這說明莖稈和穗在厭氧發(fā)酵時(shí)具有幾乎相同的日產(chǎn)氣規(guī)律。

2.3甲烷含量

對對照組產(chǎn)生的氣體進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果在整個(gè)發(fā)酵過程中均不能點(diǎn)燃，所以，對照組中的甲烷含量均在40%以下[12]。發(fā)酵過程中試驗(yàn)組所產(chǎn)沼氣的甲烷含量結(jié)果見圖2。

圖2 甲烷含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.2 Methane content of biogas

甜高粱穗在發(fā)酵的第7天，其甲烷含量是65%，幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過程的峰值；而莖稈的甲烷含量最高值出現(xiàn)在第10天，為57%，滯后穗發(fā)酵3 d。隨著發(fā)酵的繼續(xù)，甜高粱莖稈和穗發(fā)酵的甲烷含量呈下降趨勢，最后都降至50%以下。從整個(gè)發(fā)酵過程來看，沼氣中的甲烷含量平均約為50%。

2.4累計(jì)產(chǎn)氣速率

對累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比率進(jìn)行計(jì)算得到甜高粱的累計(jì)產(chǎn)氣速率(圖3)。

圖3 累計(jì)產(chǎn)氣速率隨發(fā)酵時(shí)間的變化曲線Fig.3 Cumulative gas production rate curve

由圖3可以看出，在發(fā)酵前20 d，穗的累計(jì)產(chǎn)氣速率要高于莖稈，而在發(fā)酵20 d以后，莖稈的累計(jì)產(chǎn)氣速率要高于穗。說明穗發(fā)酵啟動(dòng)較快，原因可能是穗發(fā)酵的接種量要多于秸稈發(fā)酵的接種量，穗的發(fā)酵料液中菌種數(shù)量較多，使得穗降解較快[15]。甜高粱莖稈和穗分別在第21天、第23天達(dá)到各自中產(chǎn)氣量的80%，可以得出甜高粱厭氧消化產(chǎn)沼氣主要集中在前22 d。因此，在實(shí)際的沼氣工程中水力滯留時(shí)間(HRT)可設(shè)計(jì)為22 d。

2.5產(chǎn)氣潛力分析

根據(jù)甜高粱的TS和VS及凈產(chǎn)氣量等數(shù)值，計(jì)算出原料產(chǎn)氣率、TS和VS產(chǎn)氣率[11]，以此來表征其產(chǎn)氣潛力，結(jié)果見表5。

表5 產(chǎn)氣潛力Table 5 Biogas production potential

表5顯示穗的原料產(chǎn)氣率是莖稈的2倍多，這表明穗是一種更好的發(fā)酵產(chǎn)沼氣原料。值得注意的是，穗的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率也都要高于莖稈，說明相比莖稈，穗含的有機(jī)物質(zhì)更多，同時(shí)在厭氧發(fā)酵時(shí)也消化得更完全。

2.6產(chǎn)氣潛力的比較

為了更客觀地評價(jià)甜高粱厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的潛力，與其他秸稈類作物的產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行比較(表6)。從表6可以看出，甜高粱穗的TS產(chǎn)氣量高于其他任何秸稈類發(fā)酵原料。而甜高粱莖稈的TS產(chǎn)氣量比玉米秸、麥秸、稻草和油菜秸稈都高，但比玉米芯低。除此之外，甜高粱的發(fā)酵周期比其他秸稈原料都要短，說明它的產(chǎn)氣速率快。綜合表明，甜高粱的TS產(chǎn)氣量較高且產(chǎn)氣較快，是一種產(chǎn)沼氣潛力較好的發(fā)酵原料。

表6 秸稈類原料的產(chǎn)沼氣潛力比較Table 6 Comparison on biogas productionpotential of straw materials

3 結(jié)論

1)在未對甜高粱進(jìn)行任何化學(xué)預(yù)處理和接種量為30%及溫度為30℃的情況下，其莖稈和穗在厭氧條件下均能產(chǎn)出沼氣且產(chǎn)氣潛力均較高。

2)莖稈和穗的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率經(jīng)平均折算分別達(dá)到741 mL·g-1和784 mL· g-1，混合發(fā)酵仍有較高的產(chǎn)氣率，說明甜高粱是一種產(chǎn)沼氣潛力較佳的原料。

3)甜高粱沼氣發(fā)酵周期相對較短，產(chǎn)氣速率較快；水力滯留時(shí)間(30 ℃發(fā)酵，工程上可設(shè)計(jì)為22 d)內(nèi)75%左右的發(fā)酵時(shí)間，其甲烷含量均在40%以上。

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

Experimentalresearchofbiogasproductionfromsweetsorghum

GUO Cheng1, SHANG Chaoqiu2, WANG Qiang1, ZHANG Wenjie2, ZHAO Xingling1, FENG Yan2, YIN Fang1, ZHANG Wudi1

(1.School of Energy and Environment Science of Yunnan Normal University, Yunnan Research Center of Biogas Engineering and Technology, Yunnan Key Laboratory of Rural Energy Engineering, The Ministry of Education Research Center of Sustainable Development and Utilization of Bioenergy, Kunming 650500, China; 2.Yunnan Institute of Science and Technology, Kunming 650032, China)

The experiment was conducted with batch fermentation in (30±2) ℃ to explore the potential of biogas production of sweet sorghum. The results showed that the fermentation period of sweet sorghum was 36 days (stem) and 40 days (panicle), respectively; and in engineering, its hydraulic retention time can be designed for 22 days. Biogas generation rate of its stem and panicle was 583 mL·g-1TS, 618 mL·g-1VS and 899 mL·g-1TS, 950 mL·g-1VS respectively.

sweet sorghum; biogas fermentation; biogas production potential

2016-12-22

云南省新能源重大專項(xiàng)(2015ZB001、2015ZB005)；云南省國際科技特派員(2015IA022)；西南地區(qū)可再生能源研究與開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(05300205020516009)

郭 成(1993- )，男，湖南衡陽人，碩士研究生，從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面的研究。

張無敵(1965- )，男，云南石屏人，研究員，博士生導(dǎo)師。

1000-2340(2017)05-0683-04

S216.4

A