波斯菊秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究

趙振興 王昌梅 張無敵 丁鵬力 尹芳 趙興玲 吳凱 柳靜 楊紅 劉士清

摘要：以波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）秸稈為原料，在恒溫（30±0.5） ℃的條件下進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，設(shè)計對照組（120 mL接種物）和試驗組（120 mL接種物+11.91 g波斯菊秸稈）。結(jié)果表明，試驗組沼氣發(fā)酵時間為33 d，凈產(chǎn)氣量為3 248 mL，計算得出波斯菊秸稈的總固體含量產(chǎn)氣潛力為289 mL/g，揮發(fā)性固體含量產(chǎn)氣潛力為282 mL/g。

關(guān)鍵詞：波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）;沼氣發(fā)酵;產(chǎn)氣潛力

中圖分類號：S216.4;X705? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）08-0060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.013? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： A batch biogas fermentation experiment was carried out with the straw of Cosmos bipinnata as raw material at （30±0.5） ℃ at constant temperature. The control group （120 mL inoculum） and the experimental group （11.91 g straw of Cosmos bipinnata） were used to test the biogas fermentation. The results showed that the biogas fermentation time of the experimental group was 33 d and the net gas production was 3 248 mL. The gas production potential of the straw of Cosmos bipinnata was calculated， and the gas potential of total solid content was 289 mL/g， and the gas potential of volatile solid content was 282 mL/g.

Key words： Cosmos bipinnata Cav.; biogas fermentation; potential for gas production

波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.），別名大波斯菊、秋英，在甘肅、青海被稱作八瓣梅[1]，在藏區(qū)亦稱“張大人花”[2]，是一年生或多年生草本植物，高1～2 m。根紡錘狀，多須根，或近莖基部有不定根。莖無毛或稍被柔毛?；ㄆ谝话銥?—8月，果期則在9—10月。

波斯菊是一種觀賞植物，原產(chǎn)美洲墨西哥[3]，中國栽培甚廣，在路旁、田埂、溪岸也常自生。云南、四川西部有大面積歸化，海拔可達2 700 m。其喜光，耐貧瘠土地[4]，雖為觀賞植物，但花期結(jié)束后大量的秸稈對環(huán)境造成了較大污染，不僅造成了資源的極大浪費，而且大大降低了自身的附加值，因此對波斯菊秸稈的利用與研究具有重要意義[5]。本試驗通過切碎的波斯菊秸稈進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究，旨在探索廣泛種植的波斯菊秸稈合理利用的途徑。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 發(fā)酵原料? 發(fā)酵原料采用云南省昆明市云南師范大學校園的波斯菊秸稈，經(jīng)測定波斯菊秸稈的TS（總固體含量）為94.11%，VS（揮發(fā)性固體含量）為96.75%。

1.1.2? 接種物? 接種物為云南師范大學太陽能研究所生物質(zhì)能課題組實驗室長期馴化的豬糞厭氧發(fā)酵活化污泥，經(jīng)測定，其TS為10.66%、VS為63.49%，pH為7.0。

1.1.3? 試驗裝置? 采用實驗室自制的容積為500 mL的批量式發(fā)酵裝置，該裝置由500 mL發(fā)酵瓶、? ?500 mL集氣瓶、500 mL計量瓶以及溫控系統(tǒng)組成。波斯菊秸稈發(fā)酵的試驗裝置如圖1所示[6]。

1.2? 方法

1.2.1? 原料預(yù)處理? 將波斯菊秸稈剪切成1 cm的小段，以便厭氧發(fā)酵時與接種物充分接觸混合。

1.2.2? 試驗設(shè)計? 采用批量式沼氣發(fā)酵工藝。①發(fā)酵系統(tǒng)料液的配比。1個試驗組和1個對照組均重復(fù)設(shè)置3個平行試驗，具體配比如下。試驗組TS為10.66%的接種物120 mL，波斯菊秸稈11.91 g，加水至400 mL。對照組TS為10.66%的接種物120 mL，加水至400 mL。②試驗過程中，通過運用智能數(shù)顯溫控儀（C3W-221）確保中溫厭氧發(fā)酵環(huán)境的正常運行，使發(fā)酵溫度維持在（30±0.5） ℃。③試驗啟動后，每天定點記錄各套裝置的產(chǎn)氣量，每隔2～4 d利用氣相色譜儀（GC9790II）測定甲烷的含量。

1.2.3? 測定項目及方法? ①pH的測定。采用5.7～8.5精密pH試紙測定pH，測得pH為7.0。

②TS測定。將樣品放置在（105±1） ℃烘箱內(nèi)烘干4 h至恒重，利用電子天平稱量。計算樣品去除水分后剩余干物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[7]。

式中，W0為樣品重量（g）;W1為樣品烘干至恒重后的重量（g）。

③VS測定。將TS測定后恒重的總固體在（550±5） ℃下燒至恒重，利用電子天平稱量。計算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[7]。

式中，W2為灰分重量（g）。

④產(chǎn)氣量測定。采用排水集氣法收集氣體并測定產(chǎn)氣量，試驗啟動以后，每天同一時間（20：00）記錄各組的產(chǎn)氣量，通過計算各組平行試驗的平均產(chǎn)氣量來確定發(fā)酵過程中每天的產(chǎn)氣量。

⑤甲烷含量測定。采用實驗室GC9790II氣象色譜儀測定其甲烷、氫氣、二氧化碳的含量。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 發(fā)酵前后發(fā)酵材料及接種物各參數(shù)對比

試驗前后發(fā)酵料液的TS、VS及pH等結(jié)果變化見表1。由表1可知，發(fā)酵原料的TS和VS在發(fā)酵之后均有一定程度的降低，其中試驗組的TS和VS降解率明顯高于對照組，對照組的TS和VS的降解率較低，這與發(fā)酵過程中對照組幾乎不產(chǎn)氣的規(guī)律完全相符。根據(jù)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)發(fā)酵料液的pH在發(fā)酵前后有所變化，但仍然維持在發(fā)酵的較佳pH范圍內(nèi)。

2.2? 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1? 凈產(chǎn)氣量? 試驗正式啟動后，每天定時記錄產(chǎn)氣情況，通過對數(shù)據(jù)的計算分析得到波斯菊秸稈厭氧發(fā)酵時間和產(chǎn)氣量的規(guī)律。試驗組的日產(chǎn)氣量變化曲線見圖2。由圖2可知，波斯菊秸稈的產(chǎn)氣曲線符合批量式沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣的一般規(guī)律，即啟動后1 d就開始產(chǎn)氣，隨著發(fā)酵時間的增長，產(chǎn)氣量開始逐漸呈波動增加，達到峰值后，產(chǎn)氣量又逐漸下降，18 d時停止產(chǎn)氣，經(jīng)對料液pH的檢測，確定是原料酸化導(dǎo)致產(chǎn)氣停滯[8]。經(jīng)過一段時間的恢復(fù)，23 d時產(chǎn)氣量又有所回升。沼氣發(fā)酵時間為33 d，33 d后發(fā)酵體系停止產(chǎn)氣，即波斯菊秸稈的發(fā)酵周期為33 d。啟動第一天，雖有產(chǎn)氣，但所產(chǎn)氣體不能點燃，說明甲烷含量很低，所產(chǎn)氣體中其他雜質(zhì)氣體較多。2～7 d，每天的產(chǎn)氣量呈上升趨勢，并在7 d時達到了日產(chǎn)氣量的高峰，達350 mL，此時點燃的火焰為淡藍色，從火焰顏色判斷產(chǎn)氣中的甲烷含量在40%～50%[9]，8 d時開始，產(chǎn)氣量有所下降，下降至? 9 d后開始上升，并在11 d時達到第二個產(chǎn)氣量高峰，為197 mL，此時氣體點燃后火焰顏色為深藍色，根據(jù)顏色判斷，甲烷含量應(yīng)該在60%～70%[9]，此后產(chǎn)氣量開始呈下降趨勢，18 d時停滯，經(jīng)過恢復(fù)，24 d時又開始產(chǎn)少量氣體，達到一個小峰值后，產(chǎn)氣量逐步降低，33 d后發(fā)酵體系停止產(chǎn)氣，表明波斯菊秸稈沼氣發(fā)酵基本結(jié)束。

2.2.2? 所產(chǎn)氣體中CH4含量? 試驗組每3 d測一次產(chǎn)氣量，所測甲烷含量見圖3。由圖3可看出，從產(chǎn)氣開始，甲烷含量持續(xù)上升，并在12 d時達到最大值，此時的甲烷含量為62.58%，而所產(chǎn)氣體點燃后，火焰顏色為深藍色;后隨著產(chǎn)氣量的急劇下降，甲烷含量也隨之下降至0，這主要原因是酸化導(dǎo)致發(fā)酵停滯，經(jīng)過一段時間恢復(fù)，22 d時又逐漸開始產(chǎn)氣，經(jīng)測定，第二階段從開始產(chǎn)氣到試驗結(jié)束，僅在24 d時甲烷含量最高，且所產(chǎn)氣體無法正常點燃，此后逐漸下降，直至反應(yīng)結(jié)束。

2.2.3? 累計產(chǎn)氣量? 試驗組的累計產(chǎn)氣量曲線見圖4。從圖4可以看出，整個發(fā)酵過程累計產(chǎn)氣量為3 248 mL。1～16 d累積產(chǎn)氣量呈陡增狀態(tài)，表明波斯菊秸稈的產(chǎn)氣量增長率變化較大。酸化結(jié)束后，累計產(chǎn)氣量增長趨勢趨于平緩，之后逐漸平穩(wěn)。發(fā)酵前18 d，由于波斯菊秸稈中所含營養(yǎng)物質(zhì)較多，易于微生物生長，故產(chǎn)氣較快[10]，酸化階段結(jié)束后由于發(fā)酵原料中微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)減少，無法為甲烷菌提供足夠的養(yǎng)分，再加之微生物數(shù)量有所下降，導(dǎo)致后期產(chǎn)氣量較少且產(chǎn)氣效益變慢[11]。18 d時，產(chǎn)氣總量已經(jīng)超過總產(chǎn)氣量3 248 mL的89%，由此可確定在實際的工程設(shè)計中，發(fā)酵罐的水力滯留時間（HRT）可設(shè)計為18 d，符合一般沼氣發(fā)酵罐的設(shè)計參數(shù)，資金投資較小，易于回收。

3.3? 不同原料的產(chǎn)氣潛力對比

為進一步評判波斯菊秸稈的產(chǎn)沼氣潛力，對在相同發(fā)酵溫度下，各類植物發(fā)酵原料的發(fā)酵時間以及相應(yīng)TS產(chǎn)氣潛力進行橫向比較，結(jié)果[11-16]見表2。由于溫度是影響沼氣產(chǎn)氣效率、發(fā)酵周期的主要生態(tài)因子[17]，為獲取準確的比較結(jié)果，需在同一溫度段對同類原料的TS產(chǎn)氣率進行比較[8]。表2中的原料均未采取任何化學預(yù)處理，具有可比性。由表2可知，波斯菊秸稈發(fā)酵的TS產(chǎn)氣潛力為289 mL/g，高于落葉類和表中所列大部分植物性原料，是最低TS產(chǎn)氣潛力的5.35倍（三角楓產(chǎn)氣潛力為54 mL/g）。而波斯菊秸稈的TS產(chǎn)氣潛力低于早熟禾秸稈（457 mL/g）、麥秸稈（450 mL/g）、玉米秸稈（447 mL/g）、勿忘我花稈（359 mL/g）和玫瑰秸稈（305 mL/g），但這些原料發(fā)酵時間均長于波斯菊秸稈原料的發(fā)酵時間，在實際沼氣工程中，除了原料的經(jīng)濟成本，還要考慮時間和綜合利用效率，以波斯菊秸稈為發(fā)酵原料，可減少時間等投資成本，有效提升經(jīng)濟效益。

雖然波斯菊秸稈發(fā)酵過程出現(xiàn)了酸化，但發(fā)酵過程不需要添加外源物質(zhì)調(diào)節(jié)，發(fā)酵體系能夠在短時間內(nèi)自動恢復(fù)，且恢復(fù)后產(chǎn)氣狀況較為正常，故可將波斯菊秸稈用來發(fā)酵產(chǎn)沼氣，又因為波斯菊秸稈的TS產(chǎn)氣潛力相對較高，不僅能為實際的沼氣工程提供一定的發(fā)酵原料，還可以有效解決每年大量的秸稈廢棄物資源浪費和環(huán)境污染問題，因此利用波斯菊秸稈進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是可行的，是緩解環(huán)境污染、建立新的生態(tài)平衡、實現(xiàn)整體良性循環(huán)的一條途徑[18]。除了產(chǎn)生沼氣外，沼氣發(fā)酵殘留物可作為沼肥施用于花卉種植基地，其較高的肥效又能促進花卉的生長[19]。

3? 小結(jié)

1）以波斯菊秸稈為發(fā)酵原料，在（30±0.5） ℃進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，當發(fā)酵進行到33 d時，其產(chǎn)氣量變?yōu)榱?，且?9 d時產(chǎn)氣量逐漸下降，說明發(fā)酵原料的厭氧消化幾乎停滯，故發(fā)酵時間為33 d，這個發(fā)酵周期在相同發(fā)酵條件下的秸稈發(fā)酵中是相對較短的。