楊先榮， 張傳， 張亞松， 李云龍， 董繼宗，林衛(wèi)東， 趙興玲， 尹芳， 張無敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650092)

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不同溫度對(duì)水葫蘆渣干發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的影響

楊先榮， 張傳， 張亞松， 李云龍， 董繼宗，林衛(wèi)東， 趙興玲， 尹芳， 張無敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650092)

以水葫蘆渣為原料，分別在常溫與恒溫(30 ℃)下進(jìn)行產(chǎn)氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究，探究?jī)煞N不同溫度下的產(chǎn)氣情況和水力滯留時(shí)間，為其以后的工程利用提供基礎(chǔ).結(jié)果表明，在恒溫(30 ℃)和常溫下，干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了38 d，其產(chǎn)氣潛力分別為75 mL/g TS、87 mL/g VS和54 mL/g TS、62 mL/g VS；按總產(chǎn)氣量的80%設(shè)計(jì)，在干發(fā)酵工程工藝中，常溫和恒溫下的水力滯留時(shí)間可分別設(shè)計(jì)為28 d和25 d.

水葫蘆渣；干發(fā)酵；產(chǎn)氣潛力；沼氣

1 引 言

水葫蘆(Eichhornia crassipes (Martius))，又名鳳眼蓮，屬雨久花科鳳眼蓮的多年生漂浮水生草本植物，是當(dāng)前世界上危害最嚴(yán)重的多年生雜草，它具有生命力極強(qiáng)，光合效率極高的特點(diǎn)，能凈化污水[1-2]；并且含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，包括粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、無氮浸出物以及許多氨基酸、維生素C、胡蘿卜素和多種微量元素[3-4].目前水葫蘆的利用主要是在凈化污水、加工食品、飼料、種植蘑菇、開發(fā)形成沼氣資源[5-6]等方面.俄羅斯莫斯科州利用水葫蘆處理生活、生產(chǎn)污水，用來處理養(yǎng)雞場(chǎng)和養(yǎng)豬場(chǎng)的污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)它不僅可以有效地去除Cu、Fe、NH4NO3、P、石油有機(jī)化合物等物質(zhì)，還可以殺死大量的病菌，處理后的污泥可以用來養(yǎng)殖蚯蚓，使產(chǎn)量翻倍，而繁殖蚯蚓后的污泥更是一種高效有機(jī)肥.石油化工廠用其處理廢水時(shí)，凈化率平均可到46%，最高時(shí)可達(dá)到90%[7].查國(guó)君等人的研究發(fā)現(xiàn)以水葫蘆為原料進(jìn)行固液分離，在室溫條件下，采用批量連續(xù)發(fā)酵工藝對(duì)水葫蘆殘?jiān)M(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)沼氣的試驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)過1個(gè)周期(30 d)的運(yùn)行后，發(fā)酵液日產(chǎn)氣量較穩(wěn)定，TS產(chǎn)氣率為181 L/Kg，VS產(chǎn)氣率為237 L/Kg，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)55%～59%，發(fā)酵后的有機(jī)物可以制成有機(jī)肥料，便于運(yùn)輸[8].鄧春芳等人通過對(duì)發(fā)酵水葫蘆汁液浸種的研究發(fā)現(xiàn)，低濃度沼液促進(jìn)種子發(fā)芽，高濃度沼液抑制種子發(fā)芽[9].而在葉小梅[10]、吳紅林[11]和程志斌等[12]等人的研究中也發(fā)現(xiàn)，無論是水葫蘆的擠壓渣還是發(fā)酵后的汁液，都具有一定的利用價(jià)值.本文針對(duì)水葫蘆進(jìn)行集中壓榨、固液分離后，再對(duì)他們分別加以利用的處理方式，對(duì)水葫蘆渣的發(fā)酵產(chǎn)氣情況進(jìn)行研究，使其達(dá)到資源化利用處理的目的.

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)用材

2.1.1 發(fā)酵原料及接種物

水葫蘆(取自昆明滇池)，經(jīng)壓榨(出汁率為70%左右)后，將水葫蘆渣風(fēng)干1～2 d，經(jīng)測(cè)定其TS為33.4%，VS為86.58%.

接種物為本實(shí)驗(yàn)室特別馴化后的混合厭氧消化活性污泥，經(jīng)測(cè)定，其TS為10.06%，VS為41.8%.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用自制500 mL的發(fā)酵罐，分別在常溫與恒溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).裝置示意圖如圖1.

(a)常溫條件實(shí)驗(yàn)裝置圖 (b)恒溫條件實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置常溫與恒溫(30 ℃)兩個(gè)溫度條件.每個(gè)溫度條件下設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)組.

稱取2 kg新鮮水葫蘆，經(jīng)壓榨后，得到渣約600 g.經(jīng)風(fēng)干1～2 d左右，稱取300 g水葫蘆渣，與450 g接種物混合均勻后，等分為6份，分別放入6個(gè)罐體中進(jìn)行干發(fā)酵實(shí)驗(yàn).

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量80%左右的天數(shù)為水力滯留時(shí)間(HRT).

2.2.2 測(cè)試項(xiàng)目及方法

⑴TS測(cè)定：將發(fā)酵原料樣品放在(105±5) ℃溫度下烘干至恒重，然后進(jìn)行計(jì)算.

TS%=W1/W0×100%[13]

式中，W0——樣品重量；W1表示樣品烘干至恒重后的重量，單位為g.

⑵VS測(cè)定[13]：將烘干后恒重樣品置于(550±20)℃的條件下灼燒至恒重，然后進(jìn)行計(jì)算.

VS%=(W1-W2)/W1×100%[13]

式中，W2——灰分重量，單位為g.

⑶pH值：采用精密pH試紙進(jìn)行測(cè)定[13].

⑷產(chǎn)氣量：采用排水集氣法進(jìn)行測(cè)定.實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后每天定時(shí)記錄各組的產(chǎn)氣量，并計(jì)算平均值，以此得出發(fā)酵過程中每天的氣體產(chǎn)量.

⑸甲烷含量：根據(jù)氣體燃燒時(shí)的火焰顏色，采用火焰顏色光譜法[14]確定氣體中甲烷的含量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 發(fā)酵前后原料的TS、VS、pH值

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了38 d，實(shí)驗(yàn)前后，發(fā)酵原料的TS、VS及pH值變化見表1.

表1 發(fā)酵原料發(fā)酵前后的TS、VS、pH值Table 1 TS,VS and pH values of raw materials before and after fermentation

從表1可以看出，發(fā)酵前后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的TS和VS都有降低.通過計(jì)算可知，常溫和恒溫下的TS利用率分別為18.21%、19.58%；VS利用率分別為64.35%、64.51%.通過對(duì)比可看出，兩者之間的差別很小.

3.2 產(chǎn)氣情況

3.2.1 日產(chǎn)氣量

實(shí)驗(yàn)開始后，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣量，得出水葫蘆渣的產(chǎn)氣量與時(shí)間的關(guān)系.如圖2所示.

圖2 日產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)圖

從圖中可以看出，在恒溫條件下，從第1天到第6天，產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，并且在第6天達(dá)到了日產(chǎn)氣量的高峰，為300 mL；從第6天后，產(chǎn)氣量逐漸下降，但在第16天又達(dá)到了一個(gè)小高峰，為120 mL；但從第16天后，產(chǎn)氣量基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在第26天后，雖然還在產(chǎn)氣，而且產(chǎn)氣量與前面基本持平，而在第38天以后產(chǎn)氣量雖然還有40～50 mL，但是氣體已經(jīng)不能持續(xù)燃燒.

圖3 產(chǎn)氣速率圖

在室溫條件下，從第1天到第8天，產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，并且在第8天達(dá)到了頂峰，為212 mL；第8天后，產(chǎn)氣量逐漸下降，但在第16天出現(xiàn)第二個(gè)高峰，為102 mL，在第16天后，產(chǎn)氣量有逐漸增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著氣溫的升高，產(chǎn)氣量有所增加，在第24天后，產(chǎn)氣量便呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵显谇捌诖罅勘幌?，在?8天后，產(chǎn)氣量已經(jīng)很少了，且氣體不能持續(xù)燃燒.

3.2.2 產(chǎn)氣速率

對(duì)本實(shí)驗(yàn)中每五天的產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得表2.

表2 累計(jì)產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)表Table 2 The accumulative gas production statistics

由表2可以看出，整個(gè)水葫蘆渣干發(fā)酵過程中，在恒溫條件下，前15天的產(chǎn)氣量增加較快，尤其是第5-10天，增加了1 030 mL，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到2 342 mL，第15天后，產(chǎn)氣量增幅逐漸下降，在第20天后，產(chǎn)氣量增幅相對(duì)平穩(wěn).由此可知，在恒溫條件下，水葫蘆渣干發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前20天，最快的階段為第5-10天.在室溫條件下，前10天的產(chǎn)氣量增加較快，最高的為第5-10天，增加了698 mL，在第10天后，每5天的氣體增量均在300 mL左右，相對(duì)平穩(wěn).有此可知，在室溫條件下，水葫蘆渣干發(fā)酵產(chǎn)氣量增速較快的時(shí)間為前10天，而后逐漸趨于平穩(wěn).

對(duì)水葫蘆渣整個(gè)干發(fā)酵過程的產(chǎn)氣速率進(jìn)行分析可知(如圖3)，水葫蘆渣干發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣速率先是增加，而后趨于平穩(wěn).恒溫條件下，前20天的增速都比后期的要大；而在室溫條件下，前10天的增速要大一些，而后趨于平穩(wěn)增長(zhǎng).在恒溫條件下，在第25天達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%左右；在室溫條件下，在第28天達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%左右.所以，在以水葫蘆渣為發(fā)酵原料的干發(fā)酵工程設(shè)計(jì)中，發(fā)酵的水力滯留時(shí)間可分別定為25 d和28 d，符合一般沼氣工程的設(shè)計(jì)要求，也可以減少投資，提高效率，避免生產(chǎn)資源的占用、浪費(fèi).

3.2.3 甲烷含量

在發(fā)酵過程，對(duì)產(chǎn)生的沼氣點(diǎn)燃后，觀察其顏色，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，確定沼氣中甲烷的含量，其結(jié)果參見表3和表4.

表4 常溫發(fā)酵條件下沼氣中的甲烷含量Table 4 Methane content in the gas under the normal temperature

3.3 產(chǎn)氣潛力分析

對(duì)圖2、圖3中水葫蘆渣干發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行分析，可得出表5中的結(jié)果.

表5 水葫蘆渣干發(fā)酵產(chǎn)氣潛力表Table 5 Dry fermentation gas potential of the water hyacinth residue

4 結(jié) 論

以水葫蘆渣為發(fā)酵原料進(jìn)行干發(fā)酵，在恒溫(30℃)和常溫下都能很好地實(shí)現(xiàn)干發(fā)酵產(chǎn)沼氣，其產(chǎn)氣潛力分別為137 mL/g TS、174 mL/g VS和100 mL/g TS、128 mL/g VS，總產(chǎn)氣量分別為3 754 mL和2 749 mL，恒溫條件下產(chǎn)氣量約為常溫的1.4倍.

水葫蘆渣在常溫和恒溫(30℃)條件下進(jìn)行干發(fā)酵，其原料的TS和VS利用率分別為18.21%，64.35%和19.58%，64.51%.它們的TS、VS利用率相差不大.

在以水葫蘆渣為原料的干發(fā)酵工程工藝中，常溫和恒溫下的水力滯留時(shí)間可分別設(shè)計(jì)為28 d和25 d.而且相關(guān)研究[5-16]表明，水葫蘆渣發(fā)酵后的K、P、N的含量仍然較高，采用干發(fā)酵工藝，其殘留物含水量低，既節(jié)水又易于肥料的加工，因此，對(duì)殘留物進(jìn)行加工，可以制成為一種理想的富K有機(jī)肥.

[1] HOLM L G,PLUCKNETT D L,PANCHO J V,et al.World worst weeds:distribution and biology[M].Honolulu:University of Hawaii Press,1977.

[2] 段惠，強(qiáng)勝，吳海容，等.水葫蘆[J].雜草科學(xué)，2003(2)：39-40.

[3] 余有成.水葫蘆的營(yíng)養(yǎng)成分及青貯方法[J].畜產(chǎn)研究，1988(2)：38-41.

[4] 柏美娟，孔祥峰，印遇龍，等.水葫蘆不同部位主要營(yíng)養(yǎng)成分和體外發(fā)酵特性的比較研究[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2009 (21)：40-45.

[5] 謝桂英，郭金春.水葫蘆的發(fā)生特點(diǎn)、防治及利用[J].農(nóng)藥，2005，44(10)：445-448.

[6] 查國(guó)君，曾國(guó)揆，張無敵，等.水葫蘆發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究[J].新能源及工藝，2006 (6)：50-51.

[7] 江洪濤，張紅梅.國(guó)內(nèi)外水葫蘆防治研究綜述[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2003，5(3)：72-75.

[8] 查國(guó)君，劉波，張無敵.水葫蘆固液分離后殘?jiān)B續(xù)干發(fā)酵的研究[J].可再生能源，2010，28(5)：84-87.

[9] 鄧春芳，吳紅林，朱妤婷，等.發(fā)酵水葫蘆汁液對(duì)蔬菜種子發(fā)芽的影響[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，33(6)：48-53.

[10]葉小梅，杜靜，常志州，等.水葫蘆擠壓渣的厭氧發(fā)酵特性[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，27(6)：1261-1266.

[11]吳紅林，朱妤婷，鄧春芳，等.發(fā)酵水葫蘆汁液對(duì)大白菜生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響[C].2013年中國(guó)沼氣學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，昆明：2013，151-157.

[12]程志斌，宋任彬，張紅兵，等.水葫蘆渣常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分及礦物質(zhì)含量分析[J].資源開發(fā)與利用，2011，11(3)：81-82.

[13]李永波，郭德芳，張建鴻，等.西番蓮果皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，33(3)：12-16.

[14]江蘊(yùn)華，余曉華.利用火焰顏色判斷沼氣中甲烷含量[J].中國(guó)沼氣，1984，2(3)：72-75.

[15]CHANAKYA H N,BORGAON KARS,RAJAN M G C,et al.Two-phase anaerobic digestion of water hyacinth or urban garbage[J].Bioresource Technology,1992,42:123-131.

[16]張映蘭，趙興玲，尹芳，等.水葫蘆朝氣利用新工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(9)：4005-4007.

Effect of Temperature on Dry FermentationGas Potential of Water Hyacinth

YANG Xian-rong, ZHANG Chuan, ZHANG Ya-song, LI Yun-long, DONG Ji-zong,LIN Wei-dong, ZHAO Xing-ling, YIN Fang, ZHANG Wu-di

(Yunnan Normal University,Kunming 650092,China)

The dry fermentation gas potential of water hyacinth(Eichhornia crassipes(Martius))under constant temperature(30 ℃)and room temperature were studied.The results showed that the gas production potential under constant temperature and room temperature were 75 mL/g TS、87mL/g VS and 54 mL/g TS、62 mL/g VS respectively with 38 days of anaerobic dry-fermentation.The HRT could be set as 25 days and 28 days.

Solid residue of water hyacinth; Dry-fermentation; Biogas potential; Biogas

2015-03-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010BAD03B01)；云南省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013DH041);云南師范大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目(Ky2013-169).

楊先榮(1993-)，男，云南楚雄人，主要從事生物質(zhì)能開發(fā)方面研究.

張無敵(1965-)，男，云南石屏人，研究員/博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能開發(fā)方面研究.Email: wootichang@163.com.

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0005-05