董繼宗 柳靜 楊紅 王昌梅 尹芳 張無敵

（云南師范大學(xué) 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(dá)黎加一帶，是植物界里的“殺手”，所到之處寸草難生?？蛇M(jìn)行有性繁殖和無性繁殖，對環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)。

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(yán)重破壞了生物的多樣性［1］。對于紫金澤蘭，人類利用機(jī)械防治、生物防治、化學(xué)防治等多種手段進(jìn)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(zhì)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(gè)重要領(lǐng)域。近年來，人們對紫莖澤蘭的研究漸漸轉(zhuǎn)向其作為能源植物方面。無論是利用其進(jìn)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(cè)重于對其碳源進(jìn)行深層次的開發(fā)利用［1］。紫莖澤蘭中含有蛋白質(zhì)、糖類、有機(jī)酸、黃酮、酚類、香豆素、內(nèi)酯、揮發(fā)油和油脂等化學(xué)成分［2］，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的各種微生物包括水解細(xì)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(jìn)行沼氣發(fā)酵［3］。實(shí)驗(yàn)以紫莖澤蘭作為原料進(jìn)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(guān)系。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

發(fā)酵原料：新鮮紫莖澤蘭，采自云南師范大學(xué)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(shí)驗(yàn)中，取新鮮紫莖澤蘭60 g，除去雜質(zhì)并絞碎，加入195 mL水，放入榨汁機(jī)鮮榨，獲得紫莖澤蘭汁。

接種物：取自云南師范大學(xué)生物質(zhì)能實(shí)驗(yàn)室，采用豬糞和紫莖澤蘭馴化后的活性污泥，馴化時(shí)間為2個(gè)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(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖參見圖1。

圖1 發(fā)酵裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)實(shí)驗(yàn)組1組（A組），空白對照組1組（每組3個(gè)平行）。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后每天記錄產(chǎn)氣量，對發(fā)酵體系中COD濃度進(jìn)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(xiàng)目及方法

pH值：采用pH5.5～9.0的精密試紙進(jìn)行測定。

產(chǎn)氣量：采用排水集氣法進(jìn)行收集，每天晚上定時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。以各組的3個(gè)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(jìn)行測定。

COD濃度采用重鉻酸鹽法GB11914-89計(jì)算。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量變化分析

由實(shí)驗(yàn)組的3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣量的算術(shù)平均值（已扣除對照組的產(chǎn)氣量）對發(fā)酵時(shí)間做日產(chǎn)氣量變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

由圖2中可以看出：實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后第4天開始產(chǎn)氣且可以點(diǎn)燃，火焰呈藍(lán)色。啟動(dòng)后第7天產(chǎn)氣量達(dá)到整個(gè)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?yàn)楫a(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(dòng)，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(shí)間在24 d時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到次高峰（67.5 mL），之后逐漸降低在10～20 mL波動(dòng)，在發(fā)酵36 d又達(dá)到一個(gè)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(qiáng)，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(dòng)。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(jié)束。該次實(shí)驗(yàn)紫莖澤蘭整個(gè)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(shí)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(guān)系密切。發(fā)酵4～9 d出現(xiàn)第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，發(fā)酵23～27 d出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，34～36 d出現(xiàn)第三個(gè)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?yàn)樵谶@期間微生物活性強(qiáng)，原料被降解轉(zhuǎn)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(guān)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(gè)發(fā)酵過程中，實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵體系中的pH也存在著一定的波動(dòng)，波動(dòng)范圍6.5～7.5。波動(dòng)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(zhì)（單糖、氨基酸、脂肪酸）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后在纖維素細(xì)菌、蛋白質(zhì)細(xì)菌、脂肪細(xì)菌果膠細(xì)菌等各種細(xì)菌胞內(nèi)酶作用下繼續(xù)分解代謝轉(zhuǎn)化為低分子物質(zhì)，如丁酸、丙酸、乙酸等物質(zhì)。這個(gè)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(gè)階段產(chǎn)生的乙酸、甲酸、氫和二氧化碳等被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，而有些剩下的酸和少量的有機(jī)物質(zhì)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?yàn)槲刺砑影l(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(dǎo)致對照組發(fā)酵體系液中的pH沒有明顯的變化，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，體系中pH也出現(xiàn)輕微降低。

3 結(jié)論

利用新鮮的紫莖澤蘭作為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，實(shí)現(xiàn)紫莖澤蘭產(chǎn)甲烷的能源轉(zhuǎn)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(guān)系。