董繼宗 柳靜 楊紅 王昌梅 尹芳 張無敵

（云南師范大學 云南 昆明 650500）

紫莖澤蘭（Eupatorium AdenophorumSpreng），多年生草本或亞灌木，原產(chǎn)于墨西哥至哥斯達黎加一帶，是植物界里的“殺手”，所到之處寸草難生?？蛇M行有性繁殖和無性繁殖，對環(huán)境的適應性極強。

2010年中國西南大旱后，紫莖澤蘭瘋長蔓延，這不僅威脅到農(nóng)作物的生長，破壞畜牧業(yè)生產(chǎn)，而且對土壤的肥力以及人類的健康都存在著威脅，嚴重破壞了生物的多樣性［1］。對于紫金澤蘭，人類利用機械防治、生物防治、化學防治等多種手段進行處理，雖然取得了一定的效益，卻也損失了大部分隱藏在其體內(nèi)的生物質能。為此，如何對紫莖澤蘭采取可持續(xù)發(fā)展的處理、變廢為寶也成為了人類研究的一個重要領域。近年來，人們對紫莖澤蘭的研究漸漸轉向其作為能源植物方面。無論是利用其進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣還是生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，都是側重于對其碳源進行深層次的開發(fā)利用［1］。紫莖澤蘭中含有蛋白質、糖類、有機酸、黃酮、酚類、香豆素、內(nèi)酯、揮發(fā)油和油脂等化學成分［2］，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的各種微生物包括水解細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等能夠充分利以上提到的紫莖澤蘭的各種成分進行沼氣發(fā)酵［3］。實驗以紫莖澤蘭作為原料進行厭氧發(fā)酵，通過定期測定發(fā)酵料液中COD，記錄日產(chǎn)氣量，探討紫莖澤蘭厭氧發(fā)酵體系液中COD濃度變化與發(fā)酵產(chǎn)氣之間的規(guī)律，從而得到紫莖澤蘭厭氧消化體系中COD濃度變化與厭氧發(fā)酵體系效率之間的關系。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

發(fā)酵原料：新鮮紫莖澤蘭，采自云南師范大學周圍未開花的植株。發(fā)酵原料的初始TS和VS分別為26.32 %、90.56 %。在實驗中，取新鮮紫莖澤蘭60 g，除去雜質并絞碎，加入195 mL水，放入榨汁機鮮榨，獲得紫莖澤蘭汁。

接種物：取自云南師范大學生物質能實驗室，采用豬糞和紫莖澤蘭馴化后的活性污泥，馴化時間為2個月。接種物的TS和VS分別為5.07 %、60.3%。pH均在7.0左右。

1.2 實驗裝置

采用實驗室自制室批量式發(fā)酵裝置發(fā)酵，氣體采用排水集氣法收集，實驗裝置圖參見圖1。

圖1 發(fā)酵裝置圖

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設計

實驗共設實驗組1組（A組），空白對照組1組（每組3個平行）。

實驗組料液配方：接種物630 mL+65 mL紫金澤蘭汁液。

空白對照組料液配方：接種物630 mL+65 mL水。

自實驗啟動后每天記錄產(chǎn)氣量，對發(fā)酵體系中COD濃度進行測量4 d/次，并定期監(jiān)測體系中的pH的變化。

1.3.2 分析項目及方法

pH值：采用pH5.5～9.0的精密試紙進行測定。

產(chǎn)氣量：采用排水集氣法進行收集，每天晚上定時進行讀數(shù)。以各組的3個平行減去對照組的產(chǎn)氣平均值為該組的表征產(chǎn)氣量。

TS、VS含量測定：采用沼氣發(fā)酵常規(guī)方法進行測定。

COD濃度采用重鉻酸鹽法GB11914-89計算。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Origin軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 產(chǎn)氣量變化分析

由實驗組的3個平行實驗產(chǎn)氣量的算術平均值（已扣除對照組的產(chǎn)氣量）對發(fā)酵時間做日產(chǎn)氣量變化曲線，結果如圖2所示。

由圖2中可以看出：實驗啟動后第4天開始產(chǎn)氣且可以點燃，火焰呈藍色。啟動后第7天產(chǎn)氣量達到整個發(fā)酵周期的最大產(chǎn)氣量73.5 mL。第8～16 d，產(chǎn)氣量為10～22 mL，這可能是因為產(chǎn)氣過了高峰期而逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而第17～23 d的產(chǎn)氣量大幅度減少，在0～7 mL波動，其主要原因是受到天氣驟冷，氣溫突降的影響，發(fā)酵微生物活性大大減弱。發(fā)酵時間在24 d時，產(chǎn)氣量達到次高峰（67.5 mL），之后逐漸降低在10～20 mL波動，在發(fā)酵36 d又達到一個小高峰，主要是發(fā)酵溫度升高，發(fā)酵體系中的微生物活性增強，產(chǎn)氣量隨之升高。發(fā)酵40～50 d，產(chǎn)氣量在9.5～18 mL波動。發(fā)酵50～60 d，產(chǎn)氣量逐漸減少直至為零，說明產(chǎn)氣周期結束。該次實驗紫莖澤蘭整個產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量為773.5 mL，平均日產(chǎn)氣量為12.89 mL/d。

圖2 日產(chǎn)氣曲線圖

2.2 產(chǎn)氣量與COD濃度變化

如圖3所示，發(fā)酵體系中COD變化隨著發(fā)酵時間延長顯著降低，COD的最終降解率為39.65 %。從COD變化趨勢來看，COD濃度的變化與產(chǎn)氣量關系密切。發(fā)酵4～9 d出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰，發(fā)酵23～27 d出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰，34～36 d出現(xiàn)第三個產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)伴隨著COD濃度的明顯下降，這是因為在這期間微生物活性強，原料被降解轉化為甲烷和二氧化碳，所以產(chǎn)氣較多。

圖3 產(chǎn)氣量與發(fā)酵體系中COD濃度變化關系圖

2.3 發(fā)酵體系中pH值變化分析

表1 紫莖澤蘭厭氧發(fā)酵液pH值變化情況

如表1所示，在整個發(fā)酵過程中，實驗組發(fā)酵體系中的pH也存在著一定的波動，波動范圍6.5～7.5。波動原因在于厭氧發(fā)酵過程中，第一階段產(chǎn)生的各種可溶性物質（單糖、氨基酸、脂肪酸）進入細胞內(nèi)后在纖維素細菌、蛋白質細菌、脂肪細菌果膠細菌等各種細菌胞內(nèi)酶作用下繼續(xù)分解代謝轉化為低分子物質，如丁酸、丙酸、乙酸等物質。這個階段主要是生成各種揮發(fā)性的脂肪酸，最主要的產(chǎn)物是乙酸，約占70%以上［5-8］。在這個階段產(chǎn)生的乙酸、甲酸、氫和二氧化碳等被產(chǎn)甲烷菌轉變?yōu)闅怏w，而有些剩下的酸和少量的有機物質在產(chǎn)氣階段是不能被利用的。這樣在發(fā)酵體系中就會積存少量的酸，從而體系液中pH就會趨向酸性。而對照組中因為未添加發(fā)酵原料產(chǎn)氣，發(fā)酵體系積存的酸相對比較少，這樣就會導致對照組發(fā)酵體系液中的pH沒有明顯的變化，直至實驗結束，體系pH仍然顯中性。由此可以看出：發(fā)酵系統(tǒng)中伴隨著產(chǎn)氣和COD濃度下降的同時，體系中pH也出現(xiàn)輕微降低。

3 結論

利用新鮮的紫莖澤蘭作為原料進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，實現(xiàn)紫莖澤蘭產(chǎn)甲烷的能源轉換過程。發(fā)酵周期60 d，總產(chǎn)氣773.5 mL，原料產(chǎn)氣率為38.68 mL/g，COD的最終降解率為39.65 %，COD濃度的變化率跟紫金澤蘭發(fā)酵產(chǎn)氣量成正比關系。