張莉娟， 季梅， 張無敵， 澤桑梓,3， 王昌梅，尹芳， 趙興玲， 柳靜， 楊紅

(1.云南師范大學，云南 昆明 650500；2.云南省林業(yè)科學院，云南 昆明 650201；3.云南省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650224)

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干燥薇甘菊在不同溫度下厭氧消化產(chǎn)氣潛力的研究

張莉娟1， 季梅2， 張無敵1， 澤桑梓2,3， 王昌梅，尹芳1， 趙興玲1， 柳靜1， 楊紅1

(1.云南師范大學，云南 昆明 650500；2.云南省林業(yè)科學院，云南 昆明 650201；3.云南省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650224)

考察了干燥微甘菊的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣潛力.設(shè)置了兩個實驗組和一個對照組，采用全混合式的發(fā)酵類型，分別在中溫30 ℃和常溫約23 ℃的兩種溫度條件下進行沼氣發(fā)酵實驗.結(jié)果表明，中溫30 ℃和常溫23 ℃實驗組的沼氣發(fā)酵歷時29 d，中溫30 ℃和常溫23 ℃的凈產(chǎn)氣量分別為2 455 mL和1 855 mL.通過計算得出，中溫30 ℃下干燥薇甘菊的TS產(chǎn)氣潛力為347 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為407 mL/g，相比于新鮮薇甘菊的產(chǎn)氣潛力，干燥薇甘菊的TS和VS產(chǎn)氣潛力都有所下降.

薇甘菊；厭氧消化；產(chǎn)氣潛力；全混合式發(fā)酵

薇甘菊(Mkania micratha H.B.K)原產(chǎn)于中美洲和南美洲，21世紀初開始廣泛傳播，是世界熱帶、亞熱帶地區(qū)的主要害草之一.1919年薇甘菊在我國香港首次發(fā)現(xiàn)后，20世紀80年代末作為護灘植物傳入到珠江三角洲、海南島等地并廣泛傳播[1-4].針對薇甘菊對我國原有生態(tài)環(huán)境造成的惡劣影響，已經(jīng)有許多生態(tài)學家對此情況展開了深入考察；但其也有一定的潛在應(yīng)用價值，相關(guān)報道表明利用薇甘菊可開發(fā)植物藥、牲畜飼料、除草劑和殺蟲劑[5]；郭珍等[6]則從薇甘菊中提取出了染料并對其包含的化學成分進行了鑒定分析，發(fā)現(xiàn)薇甘菊的色素提取液中植物膽甾類成分相對含量最高，而植物甾類可作為醫(yī)藥、化妝品、食品添加及化工等方面的原料，還能用作為柔軟劑應(yīng)用于紡織工業(yè)[7-8].

為探討薇甘菊干燥后的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣情況，同時提高薇甘菊的處理量，在不同溫度下對干燥后的薇甘菊進行了沼氣發(fā)酵實驗，并對新鮮薇甘菊和干燥薇甘菊這兩種總固體含量不同的薇甘菊的產(chǎn)氣潛力進行比較分析.

1 材料和方法

1.1 材料

供試的干燥薇甘菊于2014年8月采自云南省德宏州瑞麗市，并由云南省林業(yè)科學院人員鑒定.干燥后的薇甘菊經(jīng)常規(guī)法測定TS(總固體含量)為88.17%，VS(揮發(fā)性固體含量)為85.23%.實驗接種物是以牛糞為原料經(jīng)過半年左右時間在中溫條件下富集培養(yǎng)形成的活性污泥，經(jīng)測定TS為10.52%，VS為70.05%，pH值為7.0.

1.2 裝置及儀器

⑴實驗裝置：沼氣發(fā)酵實驗裝置是自制的批量式發(fā)酵裝置(見圖1)，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、體積計量瓶及溫控系統(tǒng)四部分組成.其中發(fā)酵瓶、計量瓶都采用500 mL廣口瓶，發(fā)酵瓶用帶有玻璃管的橡皮塞封口，集氣瓶為500 mL下口三角瓶并用帶有三通玻璃的橡皮塞封口，同時通過乳膠管連接發(fā)酵瓶、集氣瓶和體積計量瓶形成封閉的系統(tǒng).中溫發(fā)酵溫控系統(tǒng)主要包括加熱棒、水泵、溫控儀.常溫條件下的裝置只包括發(fā)酵瓶、集氣瓶及體積計量瓶.

A.溫控系統(tǒng)；B.鐵皮水槽；C.集氣瓶；D.體積計量瓶；E.發(fā)酵瓶；F.三通管；G.刻度線

⑵實驗儀器：FA/JA電子分析天平(上海上平儀器公司)、DHG-9203A電熱鼓風干燥箱(上海浦東榮豐科學儀器有限公司)、SX2-2.5-12型電阻爐(上海意豐電爐有限公司)、C3W-221智能數(shù)顯溫控儀(昆明眾想科技有限公司)、300 W加熱棒(XL-999型)、水泵(AP-1400型)、GC-6890A氣相色譜儀(滕州魯南分析儀器有限公司)

1.3 實驗方法

1.3.1 設(shè)計方案

干燥后的薇甘菊經(jīng)過機械剪碎成長度小于2 cm的小段，以便厭氧消化過程中能與接種物充分混合均勻發(fā)酵.為了保證實驗結(jié)果的準確性，實驗組設(shè)置3個平行，通過原料及接種物TS含量初步計算確定以5%的發(fā)酵液濃度進行單瓶配制，料液配置方法如表1，實驗采用全混合式發(fā)酵.

表1 料液的配比及條件Table 1 The ratio of solid to liquid and conditions

1.3.2 測試項目及方法

⑴TS、VS采用常規(guī)分析法進行測定[9-10].

⑵牛糞接種物以及發(fā)酵前后料液的pH值采用精密pH試紙來測定，在實驗中定時檢測pH值，考察pH的變化.

⑶干燥的薇甘菊日產(chǎn)氣量采用簡易的排水集氣法測定，在沼氣發(fā)酵開始啟動后每天定時記錄各實驗組的日產(chǎn)氣量，并減去對照組的產(chǎn)氣量得到凈產(chǎn)氣量，取3個實驗平行組凈產(chǎn)氣量的平均值作為實驗最終結(jié)果.沼氣發(fā)酵過程中的甲烷含量采用火焰顏色比色卡法的火焰顏色和GC-6890A氣相色譜儀檢測來確定[11].

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量及甲烷含量的變化分析

每天定時記錄實驗組和對照組的日產(chǎn)氣量，甲烷含量每3天測定一次，通過作圖得出薇甘菊的日產(chǎn)氣量及甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化曲線(圖2).圖2結(jié)果顯示，干燥后的薇甘菊原料在中溫30 ℃和常溫23 ℃下沼氣發(fā)酵的日產(chǎn)氣量曲線是十分相似的；在發(fā)酵前期，30 ℃下的日產(chǎn)氣量高于23 ℃的；到發(fā)酵后期，日產(chǎn)氣量相差不大.30 ℃和23 ℃兩個實驗組的總發(fā)酵歷時29 d，兩組的平均日產(chǎn)氣量分別是84 mL、64 mL.在中溫30 ℃條件下的實驗組第3天出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量是200 mL；第二個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第7天，產(chǎn)氣量達180 mL.而在常溫平均23 ℃條件下的產(chǎn)氣高峰不是很明顯，產(chǎn)氣量出現(xiàn)波動，這是因為在常溫下晝夜溫度出現(xiàn)波動，產(chǎn)氣量隨著溫度的變化而發(fā)生變化，產(chǎn)氣高峰沒有中溫條件下的有規(guī)律.干燥薇甘菊與新鮮薇甘菊日產(chǎn)氣量相比，中溫30 ℃條件下平均日產(chǎn)氣量是新鮮薇甘菊的(116 mL)高于干燥薇甘菊的(84 mL)，發(fā)酵時間新鮮薇甘菊(32 d)的相比干燥薇甘菊(29 d)的稍長.每3天測定一次甲烷含量，剛開始發(fā)酵時中溫和常溫條件下的甲烷含量均是48%左右，隨著發(fā)酵時間的增加，甲烷含量逐漸緩慢上升，最終在30 ℃條件下的平均甲烷含量為61.39%，而23 ℃條件下的平均甲烷含量為59.11%，甲烷含量低于新鮮薇甘菊發(fā)酵所產(chǎn)沼氣，新鮮薇甘菊的所產(chǎn)沼氣甲烷含量分別是62.41%、59.89%[12].

圖2 日產(chǎn)氣量、甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化曲線圖

2.2 產(chǎn)氣過程分析

對中溫30 ℃和常溫23 ℃兩種溫度條件下記錄的日產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計，如表2所示.

由表2可以看出，在中溫30 ℃條件下的發(fā)酵主要集中在前12天，到第12天的累積產(chǎn)氣量為1 740 mL，占總產(chǎn)氣量的71.17%，產(chǎn)氣最快階段是在前4天，共產(chǎn)氣660 mL.而在23 ℃條件下發(fā)酵的產(chǎn)氣集中在第4-12天，總產(chǎn)氣量從380 mL增加到1 220 mL，占總產(chǎn)氣量比例從20.49%增加到65.77%，產(chǎn)氣最快階段是在第8-12天，產(chǎn)氣量增加了440 mL，說明在30 ℃條件下干燥薇甘菊的厭氧發(fā)酵實驗比在常溫23 ℃下啟動快、產(chǎn)氣快.中溫30 ℃和常溫23 ℃兩個實驗組的達到總產(chǎn)氣量80%的時間分別是在第15天和第17天，表明在中溫條件下的水力滯留時間(HRT)比常溫的短，中溫更有利于薇甘菊厭氧的發(fā)酵，但在工程設(shè)計中可以根據(jù)實際情況來選擇溫度，如果工程地址常年溫度都不低，可以選擇在常溫條件下進行沼氣發(fā)酵，從而減去維持中溫條件的成本.

表2 累積產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣速率的變化Table 2 Changes of Cumulative gas production and Gas production rate

2.3 發(fā)酵前后TS、VS的統(tǒng)計分析

對中溫30 ℃和常溫23 ℃條件下干燥薇甘菊沼氣發(fā)酵前后的TS、VS進行測定分析，結(jié)果見表3.由表3可知，在中溫30 ℃實驗條件下的TS利用率、VS利用率分別達到34.43%、7.40%，與新鮮薇甘菊的結(jié)果[12]相比，TS、VS利用率偏低；23 ℃條件下的TS利用率、VS利用率分別為29.08%、6.97%都明顯高于對照組，對照組的TS、VS利用率都小于5%，表明在不同溫度下進行的沼氣發(fā)酵過程中，薇甘菊的有機質(zhì)成分都被沼氣發(fā)酵體系中的微生物充分利用并降解.在30 ℃條件下的TS、VS利用率略高于23 ℃條件下的實驗組，說明在一定程度下提高溫度有利于沼氣發(fā)酵的進行，可以提高有機質(zhì)的利用率及總產(chǎn)氣量.

表3 發(fā)酵前后料液TS、VS、pH值的變化Table 3 Changes of TS, VS and pH value before and after fermentation

2.4 干燥薇甘菊的產(chǎn)氣潛力分析

干燥薇甘菊沼氣發(fā)酵的TS和VS產(chǎn)氣率及原料產(chǎn)氣潛力如表4所示.由表4可以看出，以干燥薇甘菊為原料在中溫30 ℃、常溫23 ℃實驗條件下進行沼氣發(fā)酵的TS和VS產(chǎn)氣潛力都超過250 mL/g，且中溫30 ℃實驗條件下產(chǎn)氣潛力為347 mL/g TS、407 mL/g VS，這說明利用干燥的薇甘菊進行沼氣發(fā)酵也能被沼氣微生物充分降解利用.相比于新鮮薇甘菊的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣潛力，干燥薇甘菊的TS和VS產(chǎn)氣潛力結(jié)果都有所降低，中溫30 ℃下新鮮薇甘菊的產(chǎn)氣潛力分別為511 mL/g TS，627 mL/g VS[12].但新鮮薇甘菊存在含水量較高、所占空間較大的問題，干燥后的薇甘菊便于運輸和儲存，應(yīng)用更方便.

表4 干燥薇甘菊的產(chǎn)沼氣潛力Table 4 The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying

2.5 不同發(fā)酵原料中溫條件下的產(chǎn)氣潛力分析

對部分在中溫30 ℃條件下植物性原料的沼氣發(fā)酵時間及TS產(chǎn)氣率進行歸納，并綜合比較干燥薇甘菊的產(chǎn)氣潛力及分析其可利用性(表5).由表5可以看出，干燥薇甘菊的TS產(chǎn)氣潛力小于玉米秸(447 mL/g TS)、麥秸(450 mL/g TS)，但高于其他秸稈如玫瑰秸稈、康乃馨秸稈.與表中其他原料相比，干燥薇甘菊為原料的產(chǎn)氣潛力高于菠蘿蜜廢棄物(239 mL/g TS)，而低于紫花苜蓿(936 mL/g TS)和蘆薈皮(478 mL/g TS).在以不同總固體含量薇甘菊為原料的沼氣發(fā)酵中，新鮮薇甘菊沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力明顯高于干燥后的薇甘菊，是干燥薇甘菊的1.47倍，而且在中溫條件下新鮮薇甘菊的水力滯留時間(HRT)為14 d，而干燥薇甘菊水力滯留時間(HRT)為15 d，說明在工程應(yīng)用中新鮮的薇甘菊更有利于沼氣發(fā)酵的進行，但新鮮原料存在體積大、占空間、運輸不便等問題，在沼氣工程應(yīng)用中根據(jù)實際情況來選擇原料的處理，以節(jié)省成本達到更高的效益.

表5 植物性原料的產(chǎn)氣潛力比較Table 5 Comparison of gas production potential of various plant materials

3 結(jié) 論

探討了干燥后薇甘菊沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣情況，在實驗過程中設(shè)置中溫和常溫兩個溫度條件，通過沼氣發(fā)酵實驗，得出以下結(jié)論：

⑴通過對產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣潛力的分析，在中溫30 ℃和常溫23 ℃兩個條件下的沼氣發(fā)酵實驗都能正常進行，整個沼氣發(fā)酵總歷時為29 d，中溫30 ℃實驗條件下的產(chǎn)氣潛力為347 mL/g TS、407 mL/g VS；而常溫23 ℃實驗條件下的產(chǎn)氣潛力為263 mL/g TS、309 mL/g VS.中溫30 ℃下產(chǎn)氣量在第15天達到總產(chǎn)氣量的80%以上，水力滯留時間比常溫條件下的短.

⑵相比于新鮮薇甘菊，薇甘菊經(jīng)過干燥后沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣潛力有所下降，TS產(chǎn)氣潛力是新鮮薇甘菊的0.68倍，但干燥薇甘菊便于運輸.在沼氣工程的應(yīng)用中根據(jù)實際情況來選擇原料的狀態(tài)，最終實現(xiàn)薇甘菊的充分利用.

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Experimental Study on Potential of Anaerobic Digestion ofMkaniaMicrathaH.B.K on Different Temperature after Drying

ZHANG Li-juan1, JI Mei2, ZHANG Wu-di1, ZE Sang-zi2,3, WANG Chang-mei1,YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650500，China;2.Yunnan Academy of Forestry,Kunming 650201,China;3.Yunnan Forestry Technological College,Kunming 650224,China)

In order to further explore the biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying and compare with the fresh materials,the anaerobic batch fermentation which were divided into the two experimental groups (8 g Mkania micratha H.B.K and 120 mL inoculum ) and the control group (120 mL inoculum) 400 mL volume were performed by Completely Stirred Tank Reactor at 30 ℃ and ambient temperature(23 ℃).The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time of 29 d were 2 455 mL and 1 855 mL. Further,it was calculated that the biogas yield of Mkania micratha H.B.K after drying was 347 mL/g TS or 407 mL/g VS. The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying was lower than the fresh materials.

Mkania micratha H.B.K; Anaerobic digestion; Biogas production potential; Completely stirred tank reactor

2015-03-21

云南省社會發(fā)展科技計劃資助項目(2012CH001)；云南省科技創(chuàng)新平臺建設(shè)計劃資助項目(2013DH041).

張莉娟(1989-)，女，云南曲靖人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面研究.

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

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0014-06