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        以紫莖澤蘭沼渣制作腐殖酸肥料的實驗研究

        2019-12-03 02:34:46彭蘇怡龐興翊唐鄭康王克書張無敵
        云南化工 2019年10期
        關(guān)鍵詞:紫莖澤蘭沼渣

        彭蘇怡,龐興翊,唐鄭康,王克書,尹 芳,張無敵

        (云南師范大學(xué),云南 昆明 650500)

        自20世紀(jì)40年代以來,外來物種紫莖澤蘭已入侵中國近50%的土地,其抗逆性強、毒性高、對土地養(yǎng)分吸收能力強、繁殖速度快,使得許多本土動植物的生存遭到威脅,生物多樣性銳減。云南、四川、貴州等地受紫莖澤蘭入侵嚴(yán)重,多年來使用人工拔除、除草劑滅草等手段,不僅耗時耗力,不能根除,也會對自然環(huán)境造成一定傷害。就目前而言,國內(nèi)防治紫莖澤蘭的手段并沒有成型,但其在農(nóng)業(yè)藥業(yè)方面的應(yīng)用已經(jīng)被不斷挖掘出來。

        課題組前期實驗獲得的一種新型生物農(nóng)殘降解劑[1],是由紫莖澤蘭切碎榨汁后,加入菌種振蕩培養(yǎng),并取上清液加入相應(yīng)試劑制成。這種制備農(nóng)殘降解劑的方法對紫莖澤蘭的利用率達到了70%,但其過濾后所得的殘渣殘葉并未得到有效利用;紫莖澤蘭營養(yǎng)元素豐富,經(jīng)測定,其有機物含量為83.18%,含全氮0.372%、全磷0.062%、全鉀0.58%、金屬元素42.329mg/kg[2],若將殘渣殘葉完全棄去則會導(dǎo)致大量營養(yǎng)成分流失,并未達到資源的充分利用。

        厭氧消化又稱沼氣發(fā)酵,是一種有效處理此類殘渣殘葉的方法。實驗中,通過對原料固體含量(TS)的控制,將原料與接種物用水稀釋后放于反應(yīng)器中,以產(chǎn)氣量為依據(jù),獲得紫莖澤蘭適合發(fā)酵的最佳濃度,使發(fā)酵效益最大化。

        市面上常見的腐殖酸復(fù)合肥料大多以秸稈為原料,通過微生物發(fā)酵工藝制作而成,并適當(dāng)添加氮、磷、鉀元素。紫莖澤蘭殘渣殘葉通過厭氧發(fā)酵實驗可以成為一種新的腐植酸肥料原料。腐殖酸富含氮、碳、氫、氧、硫等元素,具有促進植物生長,改善土壤質(zhì)量的作用[3]。將沼渣制作成為肥料還田,充分體現(xiàn)了紫莖澤蘭的農(nóng)業(yè)價值。

        本實驗在制作農(nóng)業(yè)降解劑過程中,對剩余紫莖澤蘭殘渣殘葉進行厭氧發(fā)酵,并對發(fā)酵完成的沼渣進行成分測定,為紫莖澤蘭發(fā)酵后的殘渣制作腐殖酸肥料提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        采摘野生紫莖澤蘭1.56kg切碎,并與3600mL水混合榨汁。于榨汁后的固液混合物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的菌種,放在27℃振蕩器中振蕩3d。振蕩后過濾,濾液用于制作農(nóng)殘降解劑。

        過濾后殘渣作為發(fā)酵產(chǎn)沼氣用。將發(fā)酵結(jié)束后的混合物使用紗布進行簡單過濾后,得到固體部分,經(jīng)測定TS為15.56%;活性接種物為經(jīng)過酸化處理的豬糞,其TS為12.58%。

        海藻腐殖酸鉀肥料,金一諾生物技術(shù)有限公司。

        1.2 試驗裝置

        本試驗采用云南師范大學(xué)太陽能研究所自行設(shè)計的可控型恒溫發(fā)酵裝置,如圖1。主要由溫控儀①溫度傳感器②加熱器③發(fā)酵瓶④水箱⑤集氣瓶⑥集水瓶⑦組成,各裝置間由橡膠塞與橡膠管連接,并由密封膠密封。發(fā)酵罐為500mL的廣口瓶,集氣瓶為500mL的下排水錐形瓶,用500mL的塑料瓶進行集水,每天用量筒測量。將連接好的裝置放入恒溫水箱檢漏一天,再加入原料進行發(fā)酵,用溫控儀顯示、控制發(fā)酵溫度。

        圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

        1.3 試驗設(shè)計

        采用5套裝置同時進行,實驗由兩個部分組成。首先探究紫莖澤蘭發(fā)酵的粗略范圍,再對其濃度進行階梯性研究,每組配比重復(fù)兩次。每批樣品以36°C恒溫發(fā)酵,并定期對產(chǎn)氣的甲烷含量進行測量。

        對兩種常見TS濃度進行預(yù)試驗,TS為6%時加入接種物120g,原料 57g,加水至總量為400mL;TS為12%時加入接種物 120g,原料211g,加水至總量為400mL。

        得到粗略濃度后,進行分組實驗。在每個發(fā)酵瓶內(nèi)加入100g原料,以占總比20%、30%、40%、50%、60%的比例 (即50g、75g、100g、125g、150g的階梯濃度),加入接種物,最后加水至總量為250mL。經(jīng)測定,樣品的TS分別為8.74%、9.99%、11.26%、12.51%、13.77%。

        發(fā)酵后的固體殘渣放于常溫下密封保存,每次測試取適量樣品。

        1.4 測定內(nèi)容和方法

        1.4.1 甲烷發(fā)酵實驗檢測

        1)TS、VS:檢測方法見參考文獻[4];2)產(chǎn)氣量:實驗采用排水集氣法來確定當(dāng)日的產(chǎn)氣量;3)氣體中甲烷含量:檢測方法見參考文獻[4]。

        1.4.2 發(fā)酵后沼渣含量測定

        測定指標(biāo)與測定方法見表1所示。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 發(fā)酵產(chǎn)氣狀況

        圖2為預(yù)試驗產(chǎn)氣量。從圖2看出,在不同TS濃度下,實驗組產(chǎn)氣量產(chǎn)生不同變化。12%組整體水平明顯高于6%組,在紫莖澤蘭發(fā)酵前2天內(nèi),12%組產(chǎn)氣量不斷增加,并很快達到第一個峰值,在150mL到200mL之間,但是又很快下降至正常水平,直到9d時,產(chǎn)氣量開始第二次快速上升,達到第二個峰值;此時6%組也達到了第一個峰值,日產(chǎn)氣量在80mL左右。在11d后,12%組產(chǎn)氣量不斷在100mL至150mL之間波動,在25d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。而6%組在23d達到整個周期的最高值,之后也緩慢結(jié)束產(chǎn)氣。

        表1 測定指標(biāo)與測定方法Table 1 Measurement Indicators and Methods

        預(yù)試驗中,TS濃度為12%時產(chǎn)氣量較多。經(jīng)測定,甲烷平均含量為42.74%。后續(xù)的實驗選擇在TS濃度為12%附近進行。

        圖2 預(yù)測試驗產(chǎn)氣量Fig.2 Prediction of experimental gas production

        2.2 紫莖澤蘭的最適發(fā)酵區(qū)間

        圖3為濃度梯度測試產(chǎn)氣量。從圖3看出,40%組整體水平明顯高于其他組,即TS為11.26%時發(fā)酵最佳。1d時,40%組達到整個周期的最大值,在之后的6d中逐漸下降。在7d時開始緩慢上升,并達到第二個峰值,并在14d以后緩慢降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。其甲烷平均含量為43.26%,與以豬糞為原料發(fā)酵實驗相比略有不足[12]。

        作為草本類有機物,紫莖澤蘭可以作為發(fā)酵原料進行發(fā)酵,成為一種新的利用方式,緩解紫莖澤蘭泛濫帶來的危害。但鑒于紫莖澤蘭的毒性會抑制接種物中微生物的生長繁殖,其發(fā)酵較為困難。因此,為使其發(fā)酵效率最大化,探究紫莖澤蘭的最適發(fā)酵濃度具有一定實際意義。

        圖3 濃度梯度測試產(chǎn)氣量Fig.3 Concentration gradient test gas production

        2.3 發(fā)酵沼渣與海藻腐殖酸鉀肥料、硝酸磷鉀化肥的對比

        發(fā)酵沼渣各元素含量見表2。

        表2 1g沼渣內(nèi)各元素含量Table 2 Contents of Elements in 1g Biogas residue

        使用相同方法對海藻腐殖酸鉀肥料進行測定,結(jié)果見表3。

        由于紫莖澤蘭的解氮、解磷作用,氮、磷元素會以氣態(tài)或新陳代謝的形式脫出,使得紫莖澤蘭中總氮與總磷含量較少。同時,厭氧發(fā)酵過程需要消耗氮源,反應(yīng)瓶中氮元素的不斷減少,最終導(dǎo)致了沼渣氮、磷元素含量較低、鉀元素含量較高的現(xiàn)象。

        由沼渣與商品化海藻腐殖酸鉀肥料對比,可以得出:沼渣中腐殖酸含量略高;總磷、有機碳含量相近;但總氮、總鉀含量較低。

        由沼渣與硝酸磷鉀化肥對比,可以得出:沼渣中氮、磷、有機碳含量都較低;鉀含量與化肥相近。

        將紫莖澤蘭沼渣制成腐殖酸肥更具有經(jīng)濟價值。紫莖澤蘭發(fā)酵殘渣經(jīng)過簡單處理,進行氮、鉀元素等元素的添加后,可成為一種新型腐殖酸肥料,其前景十分寬廣。

        表3 沼渣與海藻腐殖酸鉀肥料的對比Table 3 Comparison of Potassium Humate Fertilizer and Biogas residue

        3 結(jié)論

        本試驗探究了紫莖澤蘭在制備農(nóng)殘降解劑、殘渣殘葉發(fā)酵、沼渣成分分析等方面的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明:

        1)1g紫莖澤蘭可以制作約2.31g農(nóng)殘降解劑,利用率達到70%。

        2)將制作農(nóng)殘降解劑多余的固體部分以11.25%的TS濃度進行發(fā)酵,獲得的效益最高,且發(fā)酵產(chǎn)氣量與甲烷含量均可達到其他發(fā)酵原料的50%。

        3)發(fā)酵結(jié)束后沼渣的主要成分基本符合商品腐殖酸標(biāo)準(zhǔn),在添加氮、磷元素,增加含碳量后,可以成為腐殖酸肥料。

        本實驗為惡性雜草紫莖澤蘭的綜合開發(fā)利用開辟了一條新的道路;為有機無機復(fù)混肥制作提供參考。

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