于博涵 付莉莉 穆瑤佳1, 譚德冠 孫雪飄 韓冰瑩③

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210059；2 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所/海南省熱帶生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心 海南?？?71101)

浮萍(Lemnaceae)為浮萍科水面浮生植物，生長于水田、池沼或其他靜水水域，繁殖速率快，接近指數(shù)增長。全世界共有5個屬：青萍(Lemna)、多根紫萍(Spirodela)、少根紫萍(Landoltia)、蕪萍(Wolffia)和扁蕪萍(Wolfiella)，37個種。在中國有4個屬，10個種。浮萍主要用于飼料用途，目前浮萍已被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性新型非糧生物質(zhì)原料之一[1-6]。Clark等[7]在批次和半連續(xù)試驗(yàn)中將含鐵豐富的浮萍和雞糞進(jìn)行發(fā)酵，結(jié)果表明浮萍的加入顯著提高了微生物的演替速率，氣體產(chǎn)量增加約44%。張東旭等[8]將浮萍和豬糞干重為1:1的混合物進(jìn)行為期50 d的中溫厭氧消化，結(jié)果表明， 在有機(jī)負(fù)荷為3.5 g(VS)/L/d時，浮萍與豬糞混合物的VS產(chǎn)氣率為310 mL/g·VS。趙永彥[9]采用批量發(fā)酵工藝以浮萍為發(fā)酵原料，在 30℃恒溫條件下，進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，浮萍產(chǎn)沼氣的潛力為 424 mL/g·TS，502 mL/g·VS。本試驗(yàn)用浮萍和羊糞混合進(jìn)行發(fā)酵，既能產(chǎn)生清潔能源—沼氣，又有利于研究浮萍的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)采用的浮萍由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所生物質(zhì)能源研究室培養(yǎng)，品種源自海南本地，將浮萍烘干備用；羊糞取自海口市演豐鎮(zhèn)農(nóng)村養(yǎng)殖廠，經(jīng)過馴化后備用。發(fā)酵原料的理化指標(biāo)： 羊糞的TS[物料中固體成分(干物質(zhì)量)] 為24.63%，VS(物料中可揮發(fā)性成分)為75.51%； 浮萍的TS為10.17%， VS為84.27%。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置由發(fā)酵部分、集氣部分、計(jì)量部分組成，其中發(fā)酵部分為1 000 mL錐形瓶，集氣部分為1 000 mL廣口瓶，計(jì)量部分為1 000 mL量杯，詳見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 厭氧發(fā)酵

厭氧消化試驗(yàn)中的原料為浮萍和羊糞，設(shè)置1組空白對照組、6組實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組按投料比例，羊糞：浮萍(TS)分別為1:1.0、1:1.5、1:2.0、1:2.5、1:3.0和1:3.5(表1)。按比例將原料填充入1000mL的錐形瓶后加入600 mL水充分震蕩、搖勻，調(diào)節(jié)pH為7，將反應(yīng)器置于35℃恒溫水浴鍋，之后用玻璃管和膠塞與裝滿水的集氣部分和計(jì)量部分相連接，并用凡士林將各瓶口密封防止漏氣。發(fā)酵時間為恒溫發(fā)酵35 d，每天手動搖晃反應(yīng)器2次，并定時記錄厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量?？瞻捉M是在相同條件下，只加入等量羊糞進(jìn)行厭氧發(fā)酵。日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量的計(jì)算須扣除空白組產(chǎn)氣量的影響，取3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值。

表1 物料配比

1.2.3 測定方法

VS的測定：馬弗爐灼燒法[10]。將烘干后的樣品放入馬弗爐(550～600℃)內(nèi)灼燒4 h，待質(zhì)量不再變化取出稱量，揮發(fā)的重量即VS，每個樣品設(shè)置3組平行，取平均值。

TS的測定：烘干恒重法[11]。將待測樣品放入烘箱中，調(diào)節(jié)烘箱溫度為(105±5)℃，將樣品烘干至恒重，取出進(jìn)行稱量，每個樣品設(shè)置3組平行，取平均值。

pH的測定：pH計(jì)測定法[12]。將pH計(jì)校準(zhǔn)后使用去離子水沖洗pH電極并擦干，將被測溶液攪拌均勻，邊攪拌邊將電極插入待測溶液，待讀數(shù)穩(wěn)定后得到待測溶液的pH。

產(chǎn)氣量的測定：排水集氣法。在集氣瓶內(nèi)加滿水，量杯里的排水量即為每天的產(chǎn)氣量，每天于上午9點(diǎn)記錄排水量。

甲烷含量的測定：專業(yè)氣體檢測儀檢測。對實(shí)驗(yàn)最終集氣瓶內(nèi)收集的氣體，使用WOSTTM專業(yè)氣體檢測儀進(jìn)行讀數(shù)檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物料比對厭氧消化日產(chǎn)氣量的影響

由圖2可知，對照組前期基本不產(chǎn)氣，從發(fā)酵中期開始產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量低，且不穩(wěn)定，其余各組日產(chǎn)氣量趨勢大體相同，日產(chǎn)氣量隨時間增長逐漸上升，在發(fā)酵中期10～20 d出現(xiàn)最高峰，隨后逐漸下降?？梢园l(fā)現(xiàn)1:2.5、1:3.0、1:3.5這3組的日產(chǎn)氣量峰值最高，但是1:2.5這組的高峰值出現(xiàn)得較早，隨著浮萍比例增加，日產(chǎn)氣量最高峰出現(xiàn)時間向后推遲，這說明隨著物料的增加，厭氧發(fā)酵微生物需要更多的時間來繁殖。到達(dá)35d時，1:3.0和1:3.5這2組還有少量產(chǎn)氣，其余各組均不產(chǎn)氣，這說明浮萍添加量過高，還沒有完全被降解，但日產(chǎn)氣量已經(jīng)處于較低水平。

2.2 不同物料比對厭氧消化累積產(chǎn)氣量的影響

圖2 不同原料配比對日產(chǎn)氣量的影響

由圖3可知， 1:1.0、 1:1.5、 1:2.0、 1:2.5、 1:3.0、1:3.5物料比厭氧消化35 d的累積產(chǎn)氣量分別為1 226、1 909.5、 2 643.5、 3 350、 3 729.5、 3 838 mL； 浮萍添加量增加，累計(jì)產(chǎn)氣量也相對升高，但1:2.5物料比總累計(jì)產(chǎn)氣量雖低于1:3.0和1:3.5，但累計(jì)產(chǎn)氣量上升時間較早，厭氧發(fā)酵后期累計(jì)產(chǎn)氣量趨于平穩(wěn)，這有利于半連續(xù)式投料發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

2.3 厭氧消化前后料液的TS，VS和pH

圖3 不同物料比對累積產(chǎn)氣量的影響

由表2可知，對照組厭氧發(fā)酵前后料液的TS、VS變化不大，隨著浮萍投入比例加大，實(shí)驗(yàn)組TS，VS的消耗量逐漸升高，這說明浮萍在厭氧消化過程中可以被微生物有效降解，厭氧消化前后的pH保持在7.0不變，始終處于厭氧消化的正常范圍內(nèi)。

2.4 厭氧消化潛力分析

對厭氧消化潛力相關(guān)各個指標(biāo)進(jìn)行了差異顯著性分析，由表3可知，不同浮萍添加比例，差異性顯著，隨著浮萍投放比例的加大，凈產(chǎn)氣量逐漸增多，最高為1:3.5，達(dá)到3 838 mL，1:3與其無顯著差異，1:2.5雖然產(chǎn)氣量略低于1:3和1:3.5，但也達(dá)到了3 350 mL處于較高水平。TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率隨著浮萍投放比例增加，也呈逐漸上升趨勢，在1:2.5達(dá)到最高值，TS產(chǎn)氣率194.64 mL/g、VS產(chǎn)氣率210.71 mL/g，與1:3和1:3.5差異性不顯著，1:3和1:3.5略有降低，這可能與浮萍添加比例過大有關(guān)，浮萍質(zhì)量輕，漂浮在液面處，添加比例越高，堆積的越密集，這樣不利于微生物與浮萍的接觸，對產(chǎn)氣效率產(chǎn)生一定影響；1:2.5顯著高于1:1、1:1.5、1:2。浮萍產(chǎn)氣率1:2.5最高為77.75 mL/g，高于1:2，但與其差異不大，與其他比例差異性顯著。隨著浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐漸提高，1:3、1:3.5的比例相對于1:2.5的比例提高不大，無顯著差異，1:2.5的甲烷含量為51.93%。可以看出，不同的浮萍添加量達(dá)到一定比例后對甲烷含量的影響不大(51.93%～53.07%)，這可能與同樣的接種羊糞中的微生物群落組成分布基本一致有關(guān)[13]。

表2 厭氧消化前后TS、V S、pH變化

表3 不同物料比產(chǎn)氣率變化

對厭氧消化潛力各指標(biāo)之間進(jìn)行了相關(guān)性分析，由表4可知，TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率、凈產(chǎn)氣量、甲烷含量這4項(xiàng)指標(biāo)之間呈顯著正相關(guān)，浮萍產(chǎn)氣率與其他各個指標(biāo)之間無顯著相關(guān)關(guān)系，這證明，浮萍比例增大，凈產(chǎn)氣量逐漸增大，各項(xiàng)指標(biāo)也隨之增大，高于1:2.5的比例時，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間滯后，產(chǎn)氣率出現(xiàn)降低趨勢，這可能與浮萍添加比例過大有關(guān)。

表4 各指標(biāo)相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

通過不同原料比的試驗(yàn)可以看出，35℃恒溫條件下，以浮萍為原料進(jìn)行厭氧消化可以產(chǎn)沼氣，產(chǎn)氣的高峰在中期階段第10～20天，20 d日產(chǎn)氣量呈下降趨勢，30 d后除1:3和1:3.5外均不產(chǎn)氣，而1:3和1:3.5還有少量產(chǎn)氣的原因是這2個比例的浮萍添加量過多，浮萍質(zhì)量較輕，全部漂浮在液面處，處于上層的浮萍無法和厭氧消化微生物進(jìn)行有效接觸，只有處于下層的浮萍被微生物分解后才能與微生物進(jìn)行有效接觸，30 d的時候浮萍并沒有被完全分解，這也是導(dǎo)致這2個比例條件下產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間滯后的原因。累積產(chǎn)氣量隨浮萍比例增大而增加，1:2.5(羊糞：浮萍)累積產(chǎn)氣量稍低于1:3、1:3.5，達(dá)到3 350 mL，這可能是1:3和1:3.5浮萍添加量過大，在厭氧消化后期還產(chǎn)有少量沼氣，但這2個比例的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間與1:2.5相比有所延后，這說明隨著物料的增加，厭氧發(fā)酵微生物需要更多的時間來繁殖，這不利于實(shí)際應(yīng)用中的半連續(xù)補(bǔ)料式發(fā)酵。厭氧消化潛力最大的比例為1:2.5，最高為194.64 mL/g TS，這與顧新嬌[3]研究的浮萍產(chǎn)氣潛力202 mL/g TS相差不大；趙永彥[9]采用批量發(fā)酵工藝以鮮浮萍為發(fā)酵原料，浮萍產(chǎn)沼氣的潛力為 424 mL/g TS，高于本試驗(yàn)結(jié)果2.18倍，也并未遇到鮮浮萍難降解的問題，這可能是他們的發(fā)酵底物經(jīng)過長期馴化，菌群可高效分解鮮浮萍。1:2.5的比例條件下，35 d內(nèi)浮萍的利用率最高，隨著浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐漸提高，所有比例的甲烷含量均＞40%，已經(jīng)具備了燃燒條件，1:3，1:3.5兩個比例的甲烷含量相對于1:2.5的51.93%提高不大，綜合考慮，認(rèn)為1:2.5(羊糞:浮萍)的比例是浮萍厭氧消化的最佳比例。

利用浮萍進(jìn)行厭氧消化還有幾方面的問題需要解決：如果想要獲得較高的產(chǎn)氣量，就要投入較多的浮萍，浮萍過多，會堆積漂浮在液面處，不利于微生物與浮萍的接觸，影響產(chǎn)氣效率；進(jìn)行厭氧消化時使用鮮浮萍會出現(xiàn)產(chǎn)氣時間滯后，通過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鮮浮萍可以在發(fā)酵條件下很長一段時間內(nèi)不被消化，可能是由于其葉片上表皮細(xì)胞具有較厚的角質(zhì)層和蠟質(zhì)層，可以一定程度上抵御微生物的降解，這就使利用浮萍厭氧消化需增加了烘干浮萍（使其失去生物活性)這一操作步驟。解決了上述問題，浮萍將成為很好的厭氧消化原料。