牛紅志，李連華，孔曉英?，孫永明，袁振宏，周賢友

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

三種能源草厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)獬醪窖芯?

牛紅志1,2，李連華1，孔曉英1?，孫永明1，袁振宏1，周賢友1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

以華南地區(qū)生長(zhǎng)的多年生草本植物象草、芒草和五節(jié)芒為原料，采用序批式中溫（35±1℃）厭氧發(fā)酵工藝，研究這三種能源草制備生物燃?xì)獾男阅?。結(jié)果表明：象草、芒草和五節(jié)芒的最高日產(chǎn)氣率分別為31.33、24.84和19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1，原料產(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)甲烷率分別為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1，占理論產(chǎn)甲烷率的33.83%、21.67%和19.48%，象草的厭氧發(fā)酵性能優(yōu)于芒草和五節(jié)芒的主要原因是象草中纖維素、半纖維素等易降解的有機(jī)物含量較高。修正的Gompertz方程擬合效果較好，象草、芒草和五節(jié)芒的累積產(chǎn)氣量分別為344.81、290.11和279.01 Nml·(gVSadded)?1，延滯期分別為5.96、0.71和0 d。

能源草；厭氧發(fā)酵；生物燃?xì)?；甲?/p>

0 引 言

隨著化石能源的減少和生態(tài)環(huán)境的惡化，可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用日益受到重視，尤其是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是綠色植物通過(guò)光合作用把CO2和H2O等無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，伴隨著將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存生物體中的能量。生物質(zhì)能具有清潔、安全、可貯藏、可再生、可固碳等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境危機(jī)最理想的新能源之一[1-3]。

我國(guó)華南地區(qū)氣候以亞熱帶季風(fēng)性氣候?yàn)橹鳎鄶?shù)地方年降水量為1 400～2 000mm，是一個(gè)高溫多雨、四季常綠的熱帶?南亞熱帶區(qū)域，具有豐富的生物質(zhì)資源。生長(zhǎng)在該地區(qū)的禾本科狼尾草屬植物象草和芒屬植物五節(jié)芒及芒草均為多年生纖維類(lèi)草本植物[4-7]，一方面能夠高效利用太陽(yáng)能固定CO2和H2O等，具有生長(zhǎng)速度快、纖維素含量高等優(yōu)點(diǎn)，適合作為禽畜飼料以及造紙、能源等工業(yè)領(lǐng)域的原料[7,8]，另一方面其頑強(qiáng)的野外生長(zhǎng)和抗逆能力，適宜在鹽堿、山地、旱地等不適宜種植糧食作物的邊際土地上推廣種植[8,9]，具有綠化環(huán)境、防風(fēng)固沙、保持水土、生態(tài)修復(fù)等作用[7,10]，很適合作為生物質(zhì)能源原料。

厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)馐巧镔|(zhì)資源能源化利用的重要途徑之一[11-13]，國(guó)外開(kāi)展了較多以能源草為原料的厭氧發(fā)酵研究，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在西南和華北地區(qū)，而具有能源草資源優(yōu)勢(shì)的華南地區(qū)研究報(bào)道偏少。因此本文選取了華南地區(qū)多年生能源草本植物作為研究對(duì)象，分析其厭氧發(fā)酵性能，為該地區(qū)能源草資源的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料是華南地區(qū)自然條件下生長(zhǎng)的三種多年生草本植物——象草、芒草和五節(jié)芒。象草采自廣東省廣州市華南理工大學(xué)北校區(qū)，刈割于2010年7月1日；五節(jié)芒取自廣州市增城區(qū)寧西，刈割于2010年11月11日；象草和五節(jié)芒刈割后，首先人工將原料切割成2～3 cm小段，之后用粉碎機(jī)粉碎約1 min，放于 ?20℃冰箱中保存。芒草來(lái)自廣州市番禺地區(qū)，刈割于2010年10月29日，原料粉碎烘干后用于厭氧發(fā)酵性能研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及操作

實(shí)驗(yàn)裝置采用有效容積為1.5 L的玻璃反應(yīng)器，反應(yīng)器側(cè)壁上下各有1個(gè)取樣口，上口為取氣樣口，下出口為取液樣口，反應(yīng)器頂部連接集氣瓶，內(nèi)裝有飽和食鹽水，集氣瓶后連通集液瓶，通過(guò)排飽和食鹽水法收集生物燃?xì)?。發(fā)酵采用中溫發(fā)酵，通過(guò)水浴鍋控制反應(yīng)溫度為35±1℃。反應(yīng)器中加入的接種物量為800 mL，象草和五節(jié)芒按發(fā)酵固體濃度為5%加入，芒草則按3%加入。實(shí)驗(yàn)中添加2.5%的NH4HCO3作為緩沖劑和補(bǔ)充氮源。僅加入接種物的反應(yīng)器為對(duì)照組。沖入高純N2排出反應(yīng)器頂部的空氣，試驗(yàn)期間每天手動(dòng)搖動(dòng)反應(yīng)器2次，當(dāng)連續(xù)5天日產(chǎn)氣率低于1 Nml·(gVSadded)?1時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

1.3 分析測(cè)試方法

總固體含量（Total solid, TS）和揮發(fā)性固體含量（Volatile solid, VS）分別經(jīng)105℃烘干和550℃煅燒后測(cè)定；C、N、S和H含量采用Vario EL元素分析儀（德國(guó)elementar公司）測(cè)定；pH值測(cè)定采用雷磁pHS-3C型pH計(jì)（上海精科科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠(chǎng)）。原料中的木質(zhì)纖維素成分測(cè)定參考美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法（LAP, NREL）[14]。

揮發(fā)酸的測(cè)定采用HPLC，柱子為Shodex KC-811，柱溫為50℃；流動(dòng)相為0.1% H3PO4，流速為0.7 mL/min。分析前樣品首先在12 000 r/min離心15 min，離心后的樣品再通過(guò)0.2 um纖維素乙酸酯膜過(guò)濾后進(jìn)樣。

生物燃?xì)獾某煞旨昂坎捎肏P-6890型高效氣相色譜（美國(guó)安捷倫儀器公司）測(cè)定，TCD檢測(cè)器，載氣為Ar，進(jìn)樣口和檢測(cè)器溫度分別為100℃和150℃。柱箱采用程序升溫，初始溫度40℃，保持2 min，然后以10℃/min升到80℃并保持1 min。

1.4 數(shù)據(jù)分析和計(jì)算

1.4.1 累積產(chǎn)氣量曲線(xiàn)擬合

厭氧發(fā)酵過(guò)程是厭氧微生物生長(zhǎng)的過(guò)程，微生物典型生長(zhǎng)曲線(xiàn)包括延滯期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰退期，而累積產(chǎn)氣量不存在衰退期，故可用修正Gompertz方程[13,15]式（1）來(lái)模擬累積產(chǎn)氣曲線(xiàn)。

式中，x為發(fā)酵時(shí)間，d；y為前x天的累積產(chǎn)氣量，Nml·(gVSadded)?1；P為最高產(chǎn)氣量，Nml·(gVSadded)?1；Rm為最高日產(chǎn)氣率，Nml·(gVSadded)?1·d?1；k為延滯期，d；P、Rm、k可由厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9.0進(jìn)行繪圖和曲線(xiàn)擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料特性

原料的總固體和揮發(fā)性固體含量見(jiàn)表1，象草的TS含量約為15.16%，而芒草和五節(jié)芒的TS含量接近，為53.86%～55.38%，這主要與原料的生長(zhǎng)時(shí)期有關(guān)。象草刈割時(shí)期為7月份，此時(shí)雨水和光照充足，象草處于生長(zhǎng)旺盛期，故含水率高；而芒草和五節(jié)芒的刈割時(shí)期分別為10月底和11月中旬，兩種植物處于花果期，部分莖葉已枯萎，故干物質(zhì)含量相對(duì)較高。草本植物不同生長(zhǎng)時(shí)期的含水量變化顯著，荻在北京地區(qū)7～12月的含水量分別為68.5%、55%、53%、45%、10%和7%[16]，柳枝稷、荻、蘆竹和雜交狼尾草在7月份的含水量可達(dá)到70%～76%以上，之后逐漸降低[17]。

原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量見(jiàn)表1，象草中纖維素和半纖維素成分含量高，而木質(zhì)素成分低；芒草和五節(jié)芒中纖維素和半纖維素總含量有所下降，而木質(zhì)素含量卻明顯上升，尤其是芒草的木質(zhì)素含量達(dá)到24.47%。生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量也會(huì)因生長(zhǎng)階段不同而發(fā)生變化。荻的纖維素含量在苗期、孕穗至開(kāi)花期和生育后期分別為20%～25%、30%以上和45%[18]。雜交狼尾草中的纖維素和半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著刈割時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后稍有降低，其中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由28.02%升高至37.11%，半纖維素含量增加了25.47%，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，從15.22%增加到22.87%[19]。

象草、五節(jié)芒和芒草的C含量在40.94%～45.08%之間，生長(zhǎng)期越長(zhǎng)C含量相對(duì)越高。象草和芒草的N含量接近，但五節(jié)芒的N含量較低，為0.206%，因此五節(jié)芒C/N較高，達(dá)到167.57。象草、芒草、五節(jié)芒的熱值分別為16.57、17.13、17.50 kJ·g?1，與已發(fā)表文獻(xiàn)[4,11,18]中生物質(zhì)原料的熱值一致。

表1 三種能源草原料的理化特性Table 1 Characteristics of three kinds of perennial plants

2.2 厭氧發(fā)酵性能

2.2.1 發(fā)酵液pH和VFA變化

厭氧消化過(guò)程中發(fā)酵液pH變化見(jiàn)圖1，發(fā)酵初期象草、五節(jié)芒和芒草發(fā)酵系統(tǒng)的pH逐漸下降，并分別在第4、3和5 d時(shí)降至最低，隨后發(fā)酵液的pH緩慢上升，到發(fā)酵后期pH穩(wěn)定在7.9～8.17。芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中揮發(fā)酸成分變化見(jiàn)圖2，發(fā)酵初期原料迅速降解并生成乙酸、丙酸、異丁酸、戊酸和乳酸等揮發(fā)性有機(jī)酸，且有機(jī)酸的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于消耗速率，有機(jī)酸濃度不斷上升。發(fā)酵3～5 d時(shí)，芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中總揮發(fā)酸含量達(dá)到最高分別為7 399 mg·L?1和6 693 mg·L?1，其中乙酸和丙酸含量占總揮發(fā)酸含量的88.30%～98.39%，揮發(fā)酸的大量積累是導(dǎo)致發(fā)酵液pH降低的主要原因。隨著產(chǎn)甲烷微生物大量生長(zhǎng)，揮發(fā)酸物質(zhì)逐漸被消耗，至發(fā)酵結(jié)束時(shí)僅剩乙酸和丙酸且含量均在100 mg·L?1以下。可見(jiàn)，乙酸和丙酸是整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中重要的中間代謝物。

圖1 三種能源草發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵液pH的變化Fig. 1 The varation of pH value during the anaerobic digestion process

圖2 芒草和五節(jié)芒發(fā)酵液中VFA的變化Fig. 2 VFA during the digestion process of Miscanthus sinensis and Miscanthus floridulus

2.2.2 生物燃?xì)猱a(chǎn)氣變化

三種能源草厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣變化情況見(jiàn)圖3。五節(jié)芒產(chǎn)氣最快，加料后第1 d就達(dá)到日產(chǎn)氣高峰，為24.84 Nml·(gVSadded)?1·d?1，第3～28 d日產(chǎn)氣率穩(wěn)定在5～12 Nml·(gVSadded)?1·d?1；芒草加料后在第3 d達(dá)到日產(chǎn)氣高峰，為19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1，第4～26 d日產(chǎn)氣率穩(wěn)定在7～12 Nml·(gVSadded)?1·d?1。象草在進(jìn)料后的前6 d內(nèi)未檢測(cè)到明顯氣體產(chǎn)生，在第7 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，為31.33 Nml·(gVSadded)?1·d?1，之后日產(chǎn)氣率逐漸下降。能源草厭氧發(fā)酵過(guò)程中日產(chǎn)氣率與發(fā)酵液pH和VFA含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化顯著相關(guān)。發(fā)酵初期，能源草原料在產(chǎn)酸微生物的作用下快速降解產(chǎn)生揮發(fā)酸物質(zhì)，揮發(fā)酸的產(chǎn)生速度遠(yuǎn)大于消耗速度，引起pH下降，不利于產(chǎn)CH4微生物的生存，日產(chǎn)CH4率很低；在揮發(fā)酸物質(zhì)的產(chǎn)生與消耗平衡點(diǎn)后，發(fā)酵液pH開(kāi)始上升，CH4微生物開(kāi)始大量繁殖，日產(chǎn)CH4率也上升；到厭氧消化后期，揮發(fā)酸的濃度低于200 mg·L?1，發(fā)酵系統(tǒng)的pH穩(wěn)定在8左右，產(chǎn)氣基本停止。

圖3 三種能源草發(fā)酵的日產(chǎn)氣率變化Fig. 3 Daily biogas production of energy grasses

三種能源草厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣情況見(jiàn)圖4，象草、芒草和五節(jié)芒的厭氧發(fā)酵的生物燃?xì)猱a(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)CH4率為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1，生物燃?xì)庵蠧H4最高含量分別為58%、48%和53%。三種原料的厭氧發(fā)酵性能差異主要與原料的刈割時(shí)間有關(guān)[19,20]。象草刈割時(shí)正處于生長(zhǎng)旺期，雨水、光照、溫度條件適宜，原料中纖維素和半纖維素等易發(fā)酵產(chǎn)氣的有機(jī)物含量高。芒草和五節(jié)芒刈割時(shí)處于花果期，原料中木質(zhì)素等難降解發(fā)酵的有機(jī)物含量高。木質(zhì)素降解需要有氧環(huán)境，且木質(zhì)素會(huì)影響纖維素和半纖維素的降解。因此，生長(zhǎng)旺盛時(shí)期的能源草更適合作為厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)獾脑稀?/p>

圖4 能源草厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣率及其擬合曲線(xiàn)Fig. 4 Cumulative biogas productions and fit curves of modified Gompertz equation

理論產(chǎn)CH4能力指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下原料完全降解所獲得的最大甲烷體積，可通過(guò)Buswell[21]方程計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)原料中的C、H、O和N元素含量（見(jiàn)表1）分析得到原料中有機(jī)物近似化學(xué)式CnHaObNc，從而計(jì)算象草、五節(jié)芒和芒草理論產(chǎn)甲烷能力的方程如下。

根據(jù)方程可計(jì)算出象草、芒草和五節(jié)芒的理論產(chǎn)甲烷率分別為492、507和499 Nml·(gVSadded)?1。這三種能源草厭氧發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)CH4率分別占理論產(chǎn)CH4的33.83%、21.67%和19.48%。實(shí)際產(chǎn)甲烷率低的主要原因有兩方面：一方面厭氧發(fā)酵過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)代謝會(huì)消耗掉一部分有機(jī)物，這部分有機(jī)物不能轉(zhuǎn)化為CH4；另一方面與原料特性有關(guān)，原料中易降解轉(zhuǎn)化為CH4的有機(jī)物如纖維素和半纖維素等含量高，而木質(zhì)素等難降解或阻止易降解有機(jī)物降解的有機(jī)物含量低，因此象草的產(chǎn)CH4率占理論的比例高于芒草和五節(jié)芒。篩選高效的產(chǎn)CH4微生物和對(duì)原料預(yù)處理是提高生物質(zhì)產(chǎn)CH4率的重要途徑[22-24]。

2.2.3 產(chǎn)氣曲線(xiàn)擬合

三種能源草厭氧消化過(guò)程的累積產(chǎn)氣率變化經(jīng)修正Gompertz方程擬合后見(jiàn)圖4，相應(yīng)的模型參數(shù)見(jiàn)表2。利用修正的Gompertz方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的效果較好，R-Square均大于0.99，該方程準(zhǔn)確反映了三種能源草序批式中溫厭氧發(fā)酵過(guò)程中延滯期和累積產(chǎn)氣量的變化。根據(jù)擬合結(jié)果，象草、芒草和五節(jié)芒的累積產(chǎn)氣量分別為344.81、290.11和279.01 Nml·(gVSadded)?1，最大日產(chǎn)氣量分別為27.39、11.67和8.87 Nml·(gVSadded)?1·d?1，厭氧發(fā)酵延滯期分別為5.96、0.71和0 d，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，修正Gompertz方程能夠準(zhǔn)確地模擬能源草的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過(guò)程。

表2 修正Gompertz方程的模型參數(shù)Table 2 Model parameters of modified Gompertz equation

3 結(jié) 論

能源草的含水率及木質(zhì)纖維素含量隨生長(zhǎng)時(shí)期不同而變化。生長(zhǎng)期越長(zhǎng)，水分、纖維素和半纖維含量相對(duì)越低，而木質(zhì)素含量相對(duì)升高。

能源草厭氧發(fā)酵過(guò)程中，日產(chǎn)氣率、發(fā)酵液pH和VFA三者變化顯著相關(guān)。揮發(fā)酸含量高導(dǎo)致pH低，抑制產(chǎn)CH4微生物生長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)CH4率低。乙酸和丙酸是厭氧發(fā)酵過(guò)程重要的中間代謝物。

象草、芒草和五節(jié)芒的生物燃?xì)饫鄯e產(chǎn)氣率分別為355.78、285.58和235.38 Nml·(gVSadded)?1，產(chǎn)CH4率為166.43、109.89和97.20 Nml·(gVSadded)?1。象草的厭氧發(fā)酵性能優(yōu)于芒草和五節(jié)芒的主要原因是原料中纖維素、半纖維素等易降解的有機(jī)物含量較高，難降解發(fā)酵的木質(zhì)素含量低。木質(zhì)纖維素含量可作為篩選制備生物燃?xì)獾哪茉床莸闹匾獦?biāo)準(zhǔn)。

修正的Gompertz方程能夠準(zhǔn)確模擬序批式中溫厭氧發(fā)酵工藝中能源草的延滯期和累積產(chǎn)氣量等指標(biāo)。實(shí)際CH4產(chǎn)率占理論值比例低，提高能源草厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率還有巨大空間，需進(jìn)一步深入研究。

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Study on Anaerobic Digestion Performance of Three Kinds of Perennial Energy Grasses from South China Area

Niu Hong-zhi1,2, Li Lian-hua1, Kong Xiao-ying1, Sun Yong-ming1, Yuan Zhen-hong1, Zhou Xian-you1,2
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The three kinds of energy grasses: Pennisetum purpureu, Miscanthus sinensis and Miscanthus floridulus from the Southchina area were conducted for biogas by using batch anaerobic digestion technical process at mesophilic temperature (35±1oC), in this paper. The experiment results showed that the three kinds of energy grasses had different anaerobic fermentation performances: the highest daily biogas production were 31.33, 24.84 and 19.51 Nml·(gVSadded)?1·d?1, the cumulative biogas production were 355.78, 285.58 and 235.38 Nml·(gVSadded)?1, and the cumulative CH4production were 166.43, 109.89 and 97.20 Nml·(gVSadded)?1, accounted for 33.83%, 21.67% and 19.48% of the theoretical CH4production, respectively. Biogas yield of Pennisetum purpureu was obviously higher than that of the others, which was mainly because it had higher content of easily biodegradable organics. Modified Gompertz equation could be used well to fit the anaerobic digestion process of energy grass producing biogas. The simulation results were that the cumulative biogas production of the three kinds of grasses were 344.81, 290.11 and 279.01 Nml·(gVSadded)?1, and the delay times of anaerobic digestion tests were 5.96, 0.71 and 0 d.

energy grass； anaerobic digestion； biogas； methane

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.005

2095-560X（2015）03-0191-06

牛紅志（1989-），男，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能源生化轉(zhuǎn)化技術(shù)研究。

2015-03-11

2015-05-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA101802）；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KGZD-EW-304-1）；中國(guó)科學(xué)院院地合作項(xiàng)目

? 通信作者：孔曉英，E-mail：kongxy@ms.giec.ac.cn

孔曉英（1973-），女，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源生化轉(zhuǎn)化和微生物燃料電池研究。