廣玉蘭樹葉中溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究

曾 錦，孫 蓉,施彥岑，徐 銳，賀 俊，衡圓圓，鄭 昊

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

廣玉蘭，又名百花果、洋玉蘭、荷花玉蘭等，是木蘭科木蘭屬植物。它四季常青，樹形優(yōu)美，花大而香，具有很好的觀賞價(jià)值，常作為行道樹綠化道路，目前廣泛種植于長(zhǎng)江以南及長(zhǎng)江流域[1]。其花、葉可提取香料，也具有一定的藥用價(jià)值。

廣玉蘭落葉作為城市中常見的園林廢棄物之一，不僅涉及范圍較廣而且數(shù)量較大，因此如何能夠有效地利用處理它們值得深入思考和研究。何開躍等[2]對(duì)廣玉蘭葉片的抗氧化活性做出了評(píng)價(jià)，測(cè)定其葉片成分主要含有黃酮類化合物和酚類化合物。金玉蘭等[3]測(cè)定廣玉蘭葉的乙醇提取物和各萃取部分對(duì)植物病原真菌的抑菌活性，以期能夠開發(fā)一種新的植物源農(nóng)藥殺菌劑。曹艷曉等[4]將廣玉蘭落葉用于生活污水的反硝化處理,作為反硝化的外加碳源。關(guān)于廣玉蘭葉的利用方式多種多樣，然而目前尚未見有以廣玉蘭葉作為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵的相關(guān)研究報(bào)道，具體產(chǎn)氣情況尚不清楚。因此，筆者以掉落的廣玉蘭葉為原料進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣試驗(yàn)，旨在探討其產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣規(guī)律，為廣玉蘭葉厭氧消化產(chǎn)沼氣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 發(fā)酵原料

發(fā)酵原料采用云南師范大學(xué)呈貢主校區(qū)掉落的廣玉蘭葉，經(jīng)測(cè)定廣玉蘭葉TS(總固體含量)為80.92%，VS(揮發(fā)性固體含量)為78.50%。

1.1.2 接種物

接種物為實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的豬糞厭氧消化活化污泥，經(jīng)測(cè)定，其TS為14.32%，VS為60.35%，pH為7.0。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用實(shí)驗(yàn)室自制的容積為500 mL的批量式發(fā)酵裝置，該試驗(yàn)裝置由500 mL的發(fā)酵瓶、1000 mL的集氣瓶、1000 mL的計(jì)量瓶以及溫控系統(tǒng)組成。廣玉蘭葉發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment1．溫控儀; 2．交流接觸器; 3．水槽; 4．電熱管; 5．熱電偶; 6．循環(huán)水泵; 7．發(fā)酵瓶; 8．取樣口; 9．玻璃三通; 10．集氣瓶; 11．計(jì)量瓶。1.Temperature controller; 2.AC contactor; 3.Water channel; 4.Heating element; 5.Thermocouple; 6.Circulating water pump; 7.Fermentation bottle; 8.Sampling hole; 9.Three links of glass; 10.Gas collecting bottle; 11.Gas collecting bottle.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理

廣玉蘭葉切成1～5 cm的條狀；利用粉碎機(jī)(CS-700)將廣玉蘭葉碎成粉狀，使其能夠與接種物充分混合均勻。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)發(fā)酵系統(tǒng)料液的配比。本試驗(yàn)由4個(gè)試驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組構(gòu)成，每組均重復(fù)設(shè)置三個(gè)平行試驗(yàn)，料液配法如下:

試驗(yàn)組A1：接種率為30%的接種物120.00 g，條狀玉蘭葉3.48 g，加水至400 mL，總發(fā)酵濃度控制在5%左右。

試驗(yàn)組A2：接種率為30%的接種物120.00 g，粉狀玉蘭葉3.48 g，加水至400 mL，總發(fā)酵濃度控制在5%左右。

試驗(yàn)組B1：接種率為30%的接種物120.00 g，條狀玉蘭葉15.48 g，加水至400 mL，總發(fā)酵濃度控制在7.4%左右。

試驗(yàn)組B2：接種率為30%的接種物120.00 g，粉狀玉蘭葉15.48 g，加水至400 mL，總發(fā)酵濃度控制在7.4%左右。

對(duì)照組：接種率為30%的接種物120.00 g，加水至400 mL。

(2)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)用智能數(shù)顯溫控儀(C3W-221)確保中溫沼氣發(fā)酵環(huán)境的正常運(yùn)行，使發(fā)酵溫度維持在(30±0.2)℃。

(3)試驗(yàn)啟動(dòng)后，每日定點(diǎn)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(cè)一次甲烷含量。

1.2.3 分析方法

(1)pH測(cè)定：采用5.7～8.5精密pH試紙測(cè)定pH。

(2)TS、VS測(cè)定：按常規(guī)方法分別用烘箱和馬弗爐進(jìn)行測(cè)定[5]。

(3)產(chǎn)氣量測(cè)定：采用排水集氣法收集氣體并測(cè)定產(chǎn)氣量，試驗(yàn)啟動(dòng)以后，每天同一時(shí)間(20: 00)記錄各組的產(chǎn)氣量，通過(guò)計(jì)算各組平行試驗(yàn)的平均產(chǎn)氣量來(lái)最終確定發(fā)酵過(guò)程中每天的產(chǎn)氣量。

(4)甲烷含量測(cè)定：采用實(shí)驗(yàn)室GC9790II氣相色譜儀測(cè)定氣體的甲烷含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣情況分析

2.1.1 日產(chǎn)氣量

試驗(yàn)啟動(dòng)后，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣情況，以試驗(yàn)組每天的凈產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)得到廣玉蘭葉沼氣發(fā)酵時(shí)間和產(chǎn)氣量的規(guī)律。試驗(yàn)組日產(chǎn)氣量變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，廣玉蘭葉發(fā)酵試驗(yàn)啟動(dòng)較快，第1～5 d產(chǎn)氣較多。試驗(yàn)組第1 d產(chǎn)生的氣體均無(wú)法點(diǎn)燃，說(shuō)明甲烷含量較低，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)啟動(dòng)階段廣玉蘭葉被水解產(chǎn)生大量的CO2未及時(shí)被產(chǎn)甲烷菌消化利用[6]；對(duì)試驗(yàn)組第2 d產(chǎn)生的氣體進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，均出現(xiàn)明亮的淡藍(lán)色火焰，初步判定甲烷含量在40%以上[7]；試驗(yàn)組A1和A2的第一產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第2 d，產(chǎn)氣量分別為108 mL、134 mL，試驗(yàn)組B1和B2的第一產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第3 d，產(chǎn)氣量分別為310 mL、378 mL；試驗(yàn)組在發(fā)酵過(guò)程中均出現(xiàn)了多個(gè)產(chǎn)氣高峰，可能是因?yàn)樵囼?yàn)組在第一階段產(chǎn)氣的同時(shí)，不斷產(chǎn)生有機(jī)酸，微生物菌群因pH值降低而抑制了它們活動(dòng)，從而產(chǎn)氣下降，以后隨著氨化作用產(chǎn)生緩沖劑氨，pH值上升，恢復(fù)了產(chǎn)甲烷菌活性，出現(xiàn)第二階段產(chǎn)氣[8]；試驗(yàn)組A1的產(chǎn)氣次高峰出現(xiàn)在第4 d，試驗(yàn)組A2的產(chǎn)氣次高峰出現(xiàn)在第7 d，試驗(yàn)組B1的產(chǎn)氣次高峰出現(xiàn)在第16 d，試驗(yàn)組B2的產(chǎn)氣次高峰出現(xiàn)在第15 d，隨著發(fā)酵濃度提升，產(chǎn)氣次高峰出現(xiàn)的時(shí)間出現(xiàn)了延遲，這可能是因?yàn)殡S著發(fā)酵原料量增加，原料水解階段產(chǎn)生了大量有機(jī)酸，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)被有限的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌消納[9]。

圖2 日產(chǎn)氣量曲線圖Fig.2 Daily gas production graph

對(duì)對(duì)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(guò)程中均不能點(diǎn)燃，所以初步判斷對(duì)照組中的甲烷含量均在40%以下。由圖3可知，試驗(yàn)組A1在發(fā)酵的第4 d，甲烷含量幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中的峰值，為54.40%；試驗(yàn)組A2在發(fā)酵的第4 d，甲烷含量幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中的峰值，為51.02%；試驗(yàn)組B1在發(fā)酵的第4 d，甲烷含量幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中的峰值，為53.88%；試驗(yàn)組B2在發(fā)酵的第4 d，甲烷含量幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中的峰值，為50.29%；5%發(fā)酵濃度的試驗(yàn)組A1和A2發(fā)酵穩(wěn)定后甲烷含量起伏較大，但甲烷含量相對(duì)較高；7.4%發(fā)酵濃度的試驗(yàn)組B1和B2發(fā)酵穩(wěn)定后甲烷含量變化相對(duì)穩(wěn)定，但甲烷含量相對(duì)較低；在發(fā)酵末期，由于發(fā)酵底物即將消耗殆盡，甲烷的含量逐漸降低直至反應(yīng)結(jié)束。

圖3 甲烷含量曲線圖Fig.3 Methane content graph

2.1.2 累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率

統(tǒng)計(jì)本次試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量，詳見表1。

表1 廣玉蘭葉累積產(chǎn)氣量

由表2可知，在整個(gè)廣玉蘭葉發(fā)酵過(guò)程中，經(jīng)粉碎處理后的試驗(yàn)組A2和B2的累計(jì)產(chǎn)氣量分別略高于未經(jīng)粉碎處理的試驗(yàn)組A1和B1，最終的累積產(chǎn)氣量分別提高了4.21%和3.03%；試驗(yàn)組A1、A2、B1、B2在第1～5 d產(chǎn)氣量增速較快，分別達(dá)364 mL、362 mL、1108 mL、1546 mL；第6～10 d、11～15d 產(chǎn)氣量的增加幅度相差不大；試驗(yàn)組A1、A2第21～25 d、26～30 d、31～36 d產(chǎn)氣量增加的幅度不明顯，試驗(yàn)組B1第31～36 d產(chǎn)氣量增加的幅度不明顯，試驗(yàn)組B2第26～30 d、31～36 d產(chǎn)氣量增加的幅度不明顯，這主要是因?yàn)榈搅税l(fā)酵后期，可被降解的有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，無(wú)法提供產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)繁殖所需營(yíng)養(yǎng)，因此菌種活性有所降低，進(jìn)而導(dǎo)致其發(fā)酵后期的產(chǎn)氣量比前期少[10-11]。由上述規(guī)律可知，試驗(yàn)組A1、A2發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前20 d，試驗(yàn)組B1發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前30 d，試驗(yàn)組B2發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前25 d，所有試驗(yàn)組產(chǎn)氣較快階段主要集中在第1～5 d。

關(guān)于累積產(chǎn)氣量的變化規(guī)律，依據(jù)發(fā)酵時(shí)間和累積產(chǎn)氣量，由累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例，得到廣玉蘭葉沼氣發(fā)酵的累積產(chǎn)氣速率，詳見圖4。

圖4 產(chǎn)氣速率Fig.4 Gas production rate

由圖4分析可知：在廣玉蘭葉整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)氣速率是先增加，后逐漸趨于平緩的；在前20 d累積產(chǎn)氣速率總體呈上升趨勢(shì)，特別是第1～5 d曲線最為陡峭。試驗(yàn)組A1、A2在廣玉蘭葉發(fā)酵的第20 d，累積產(chǎn)氣量已達(dá)總產(chǎn)氣量80%以上；試驗(yàn)組B1在廣玉蘭葉發(fā)酵第25 d，累積產(chǎn)氣量已達(dá)總產(chǎn)氣量的80%以上；試驗(yàn)組B2在廣玉蘭葉發(fā)酵第15 d，累積產(chǎn)氣量已達(dá)總產(chǎn)氣量80%以上，可以得出廣玉蘭葉在厭氧消化產(chǎn)沼氣的過(guò)程中主要集中在前20～25 d產(chǎn)氣。同時(shí)由圖4可知，試驗(yàn)組B2的累積產(chǎn)氣速率>試驗(yàn)組A2的累積產(chǎn)氣速率>試驗(yàn)組A1的累積產(chǎn)氣速率>試驗(yàn)組B1的累積產(chǎn)氣速率，試驗(yàn)組B2的產(chǎn)氣速率最快。

2.2 產(chǎn)氣潛力分析

結(jié)合廣玉蘭葉的TS、VS 等值對(duì)其厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 廣玉蘭葉沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力

由表2可知，5%發(fā)酵濃度的試驗(yàn)組(A1、A2)的產(chǎn)氣率均高于7.4%發(fā)酵濃度的試驗(yàn)組(B1、B2)；經(jīng)粉碎處理后的試驗(yàn)組(A2、B2)的產(chǎn)氣率分別略高于相應(yīng)發(fā)酵濃度未經(jīng)粉碎處理的試驗(yàn)組(A1、B1)。試驗(yàn)組A2的TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率是最高的，分別為290 mL/g·TS、370 mL/g·VS。因此我們也可以知道試驗(yàn)組A2的發(fā)酵條件更能激發(fā)廣玉蘭葉的產(chǎn)氣潛力。

為更加客觀地評(píng)價(jià)廣玉蘭葉的產(chǎn)氣潛力，將其與其他植物葉子的產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同植物葉的產(chǎn)氣潛力

由表3可知，廣玉蘭葉的TS產(chǎn)氣率為267 mL/g·TS(平均值)，僅低于銀杏葉，但其發(fā)酵時(shí)間比銀杏葉短。因?yàn)楦鞣N植物葉子含有豐富的纖維素和半纖維素，糖類和淀粉含量較低，所以它們的TS產(chǎn)氣率普遍較低。通過(guò)精密pH試紙測(cè)量，廣玉蘭葉的發(fā)酵體系pH值始終維持在沼氣發(fā)酵微生物最適宜的pH值范圍內(nèi)(pH為6.5～7.5)[5]，在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，無(wú)需其他物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)，可見其具有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力。因此利用廢棄的廣玉蘭葉進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣是一種可行方式，利用率較高。

3 討論與結(jié)論

以廢棄廣玉蘭葉為發(fā)酵原料，在中溫(30±0.2℃)進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，經(jīng)粉碎處理后的試驗(yàn)組A2和B2相比于未經(jīng)粉碎處理的試驗(yàn)組A1和B1，TS產(chǎn)氣率分別提高了4.32%和3.27%，這是因?yàn)闄C(jī)械粉碎破壞了發(fā)酵原料的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，易于微生物菌群侵入和分解發(fā)酵原料，同時(shí)粉碎后的原料能與接種物均勻接觸，致使沼氣發(fā)酵更加充分[16]，但在以廣玉蘭葉為發(fā)酵原料的實(shí)際工藝中需要考慮預(yù)處理的成本費(fèi)用；7.4%發(fā)酵濃度下的試驗(yàn)組B1和B2相比于5%發(fā)酵濃度下的試驗(yàn)組A1和A2，TS產(chǎn)氣率分別下降了11.87%和12.76%，說(shuō)明增加含固率可能會(huì)降低物料的分解轉(zhuǎn)化效率[17-18]，因?yàn)楫a(chǎn)酸菌活性會(huì)隨著發(fā)酵濃度提高而提高[19]，而過(guò)多的產(chǎn)酸菌抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[20]。

本研究發(fā)現(xiàn)，廣玉蘭葉在厭氧消化產(chǎn)沼氣的過(guò)程中主要集中在前20～25 d產(chǎn)氣，經(jīng)粉碎處理后的廣玉蘭葉在7.4%發(fā)酵濃度下產(chǎn)氣速率最快，在5%的發(fā)酵濃度下發(fā)酵效果最好。因此，在以廣玉蘭葉為發(fā)酵原料的實(shí)際工藝中，可以根據(jù)工藝的需求不同選擇合適的沼氣發(fā)酵濃度，而沼氣工程的水力滯留時(shí)間(HRT)可設(shè)計(jì)為20～25 d，這在一定程度上可以減少資金投入，縮短投資回收期。

通過(guò)與表3中同類原料的比較結(jié)果來(lái)看，廢棄的廣玉蘭葉是一種較好的沼氣發(fā)酵原料。該研究為廣玉蘭落葉的資源化利用途徑提供了新的參考，而以新鮮的廣玉蘭葉為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵有待進(jìn)一步研究。