勿忘我花杆发酵产沼气潜力的实验研究*

吉喜燕，林卫东，张无敌，尹 芳，刘士清，赵兴玲，柳 静，杨 红

（云南师范大学，昆明 650500）

勿忘我花杆发酵产沼气潜力的实验研究*

吉喜燕，林卫东，张无敌†，尹 芳，刘士清，赵兴玲，柳 静，杨 红

（云南师范大学，昆明 650500）

为研究勿忘我花杆的产沼气潜力和特性，实验设计对照组（120 mL接种物）和实验组（120 mL接种物 + 27 g勿忘我花杆），在30℃恒温条件下，采用全混合批量式发酵工艺，进行厌氧发酵产沼气的实验。结果表明，实验组沼气发酵历时36 d，净产气量为1 650 mL，计算得出勿忘我花杆的产气潜力为359 mL/(g·TS)，393 mL/(g·VS)。

勿忘我花杆；厌氧消化；产气潜力

0 引 言

云南地处低纬高原地带，海拔高差大，气候类型丰富多样，兼具有干湿季分明的季风气候、四季温差小的低纬气候和垂直变异显著的高原气候三大特点，气候类型的复杂多样造就了云南花卉种目繁多的特点[1]。2003年云南全省花卉种植面积达了到10 600 hm2[2]。云南的土地面积占全国的4%，但云南却有“植物王国”之称，其鲜切花产量连续10年稳居全国第一，在全国占有50%的市场份额，到2010年，云南花卉种植面积达到了18 000 hm2，花卉产业的总产值达90亿元[3]。每天有1 500万枝鲜花从斗南运向全国各地[4]。鲜花产业蓬勃发展的同时，废弃花杆也带来了巨大的环境压力。本文以勿忘我花杆为原料探求其产沼气潜力，以期为云南废弃花杆的循环利用提供参考。经过测定，勿忘我花杆中含粗蛋白质32.3%、粗脂肪6.2%、粗纤维8.7%，有机营养价值比较高，具备发酵的先决条件。早在1999年，云南省花卉的种植面积已达到1 729 hm2，勿忘我的种植面积达到了总面积的10%[5,6]。目前，关于植物秸秆厌氧发酵的研究多集中于小麦、玉米、水稻，尚未见有将勿忘我花杆作为原料进行厌氧发酵的研究报道。因此，本实验以勿忘我花杆为原料进行厌氧发酵来研究其产沼气潜力具有一定的探索和创新意义。将大量的勿忘我花杆进行厌氧发酵，使其中的C、H元素转化为CH4这种清洁能源的同时也解决了花卉废弃物填埋或堆放和滋生细菌污染环境的问题。目前，国内关于勿忘我花朵的研究仅涉及到它的花色素的分离以及其组织培养方面。本文也可在一定程度上填补勿忘我花杆厌氧发酵实验研究方面的空白。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 发酵原料

发酵原料采用云南省昆明市斗南花市某花店残余的勿忘我花杆，经测定，勿忘我花杆的 TS为16.98%，VS为91.2%。

1.1.2 接种物

以实验室长期驯化的猪粪厌氧发酵活性污泥为接种物，经测定，其TS为16.15%，VS为59.93%。

1.1.3 实验装置

采用实验室自制的容积为500 mL的全混合式批量发酵装置，该实验装置由发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶以及温控系统等组成。发酵瓶为 500 mL的广口瓶，用带玻璃导管的橡皮塞封口；集气瓶采用玻璃材质、容量为500 mL的三角瓶并用橡皮塞封口；用胶皮管连接玻璃三通管；体积计量瓶采用500 mL的广口瓶。发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶通过 Φ8 mm的乳胶管连接。温控系统由温控仪（C3W-221型）、热电偶（WCZT-10型）、交流接触器（CJT1-10型）、循环水泵（AP1200型）、电热管（A-019型）以及水槽组成。勿忘我花杆发酵的实验装置见图1。

图1 勿忘我花杆沼气发酵实验装置Fig. 1 Experimental equipment for biogas fermentation ofLimonium sinuatumstraw

1.2 方法

1.2.1 原料预处理

将勿忘我花杆清理后切碎成约 1 cm的小段以便与接种物充分混合均匀。

1.2.2 发酵系统的料液配比

发酵实验由对照组和实验组构成。两个组均设置有3个平行实验。发酵料液的具体配方如下：

实验组。质量分数为总体质量30% 的接种物，27 g的勿忘我花杆，加水至400 mL。

对照组。质量分数为 30%的接种物，加水至400 mL。

实验中，运用智能数字显示温控仪监测，确保温度控制在（30 ± 0.2）℃，以此保证中温厌氧发酵的正常进行。实验周期中，每日定点记录厌氧发酵的沼气产量（以mL计）和点燃的火焰颜色。

1.2.3 测试项目及方法

（1）pH值测定：采用5.7～8.5精密pH试纸。

（2）TS含量的测定：将样品置于烘箱，105℃恒温烘干至恒重后，用电子天平精确称量，计算样品除去水分之后所剩余干物质的质量分数[7]。

（3）VS含量的测定：将TS测定完毕后的恒重总固体置于马弗炉中。调节温度至 550℃，烧至恒重后，用电子天平精确称量。计算挥发性物质的质量分数[7]。

（4）产气量测定：采用排水集气法收集和测定产气量。实验启动之后，每天同一时刻记录产气量。以各组3个平行实验的平均产气量作为各组的最终产气量。采用火焰颜色比色卡[8]的方法，依据火焰颜色来判断和预测发酵实验所产气体中所具有甲烷的含量。

2 实验结果及分析

发酵实验共进行了36 d，对实验前后发酵料液的TS、VS浓度以及pH值进行了测定，对产气量和沼气中的甲烷含量进行了计算，最终得出 TS、VS降解的规律。

2.1 发酵前后料液的TS、VS及pH

发酵前后料液的TS、VS及pH值等结果见表1。从表中可以看出：发酵原料TS和VS在发酵之后均有一定程度的降低，其中原料TS和VS降解率明显高于接种物，对照组的TS和VS的降解率很低，这与发酵过程中对照组几乎不产气的规律是相符的。从表中还可以看出，对照组的各项参数都明显低于实验组，说明实验组发酵完全、微生物活性良好，可见接种物对实验组产气量的影响是极小的。发酵料液的 pH值在发酵前后有所变化，但仍然维持在发酵的较佳pH范围内。

表1 发酵前后料液的TS、VS及pH值Table 1 The TS, VS and pH value of fermentation liquid before and after the fermentation

2.2 产气情况分析

2.2.1 日产气量

实验组（已减去对照组产气量）的日产气量变化曲线如图2所示。

图2 产气量随发酵时间的变化曲线Fig. 2 Gas production curves

每天定时记录产气量，通过计算和分析后得到原料发酵时间与产气量的规律。从图2可以看出，在第36 d，发酵体系停止产气，所以它的发酵周期为36 d。实验启动之后的第1 d即开始产气，第1～4 d产气比较多，点燃的火焰为微蓝色。从火焰颜色判断产气中的甲烷含量大约为40%[8]。从第5 d开始，产气量又有所上升，且点燃火焰颜色为淡晴蓝。从沼气燃烧火焰颜色判断，其甲烷含量在55%[8]左右。第7 d产气达到高峰，最高为195 mL。此后的7 d产气量有所下降，从第15 d开始停止产气，经测定pH值确定是酸化导致产气停滞。经过一段时间的恢复，在第22 d，产气量有所回升。从第22 d开始，沼气产量总体呈下降趋势，中间略有波动，火焰颜色为云水蓝，判断甲烷含量大约为70%[8]；第28～36 d，产气量低于2 mL，沼气含量较稳定。

2.2.2 累积产气量和产气速率

实验组（已减去对照组累积产气量）的累积产气量变化情况见图3。

从图 3可以看出，整个发酵过程的累积产气量为1 650 mL。在第1～15 d累积产气量呈陡增趋势，表明原料产气量增长率变化较大。酸化恢复后，累积产气量增长趋势有所平缓，之后趋于平稳。综合相关文献内容分析其原因，本实验使用的是勿忘我花的鲜秸秆，其纤维素和木质素含量相对较少，易于被微生物分解利用，从而有利于微生物的生长，所以，在发酵前期的12 d产气比较快[9]。到了发酵的后期，由于可被降解的有机质含量较少，不足以提供甲烷菌生长繁殖所需的营养，菌种的活性也有所降低，从而导致其发酵后期产气量比前期少[10,12]。

图3 累积产气量曲线图Fig. 3 Accumulative gas yield curves

如果将整个厌氧发酵过程的累积产气1 650 mL记为 100%，通过对比原始实验数据，实验组发酵28 d的产气量占到总产气量的80%以上，这表明勿忘我花杆发酵产沼气主要是集中在前28 d之内。中间的产气变化趋势呈直线发展，原因是发酵系统出现了暂时的酸化，从图3中看出，勿忘我花杆厌氧发酵系统经过酸化阶段后，自行恢复了产气能力。分析产气速率呈现如此趋势的原因，在发酵初期，有机酸含量较少，甲烷细菌比较活跃，故发酵前期产气情况较好；到了中后期，产氢产乙酸菌产酸的量大于被利用的有机酸的量[13]，导致体系出现酸化，但是随着发酵过程中勿忘我花杆的分解和甲烷菌的生长繁殖，体系又恢复了正常的产气；到了发酵的后期，勿忘我花杆的营养物质被利用殆尽，从而影响了甲烷菌的生长，所以产气逐渐停止，这也标志着整个发酵周期的完结。

关于累积产气量的变化规律，根据发酵时间，通过计算机软件Matlab拟合出了从发酵开始、酸化和产气量逐渐恢复平稳三个阶段的方程，如图4。

从图4中可以看出，在第1～12 d阶段，累积产气量随时间变化的曲线基本遵循线性方程为：Y1=112.55X - 63.26，其相关系数为0.997 6。在第13～20 d酸化阶段，累积产气量随时间变化的方程为：Y2=1 200；相关系数为1。在第21～36 d累积产气量恢复平稳阶段，累积产气量随时间变化的方程为：Y3=1.92X2+ 134.65X - 724.41，其相关系数为0.999 6。三个阶段的拟合方程均与实际实验数据具有较好的相关性，可信度较高。

图4 累积产气量拟合曲线方程Fig. 4 The fitting equation of accumulative gas yield curves

2.3 产气潜力分析

结合图2、图3和图4，对勿忘我花杆的产沼气潜力进行计算，结果如表2所示。

表2 勿忘我花杆的产沼气潜力Table 2 The biogas production potential ofLimonium sinuatumstraw

2.4 各种沼气发酵原料产气潜力的综合比较

为进一步评价勿忘我花杆的产沼气潜力，对相同发酵温度下各类植物发酵原料的发酵时间以及相应TS产气潜力进行横向比较，结果如表3所示。温度是影响沼气产气效率、发酵周期的主要生态因子[14,15]，故在同一温度段对同类原料的TS产气率进行比较。表3中参比原料和勿忘我花杆一样，均未采取任何化学预处理，故具有可比性。

由表3可以看出，由于各种植物性原料（包括农作物秸秆、落叶类、富含糖和淀粉物质）的 TS产气率比较高，富含纤维素和半纤维素物质的原料TS产气率较低。勿忘我花杆发酵的TS产气潜力为359 mL/g，高于落叶类和表中所列大部分植物性原料，最高的达到6.65倍（如三角枫TS产气潜力为54 mL/g）。而勿忘我花杆的TS产气潜力低于早熟禾（TS产气潜力457 mL/g），但早熟禾的发酵时间为75 d，远长于勿忘我花杆原料的发酵时间，在实际沼气工程中要考虑时间和综合利用效率，以勿忘我花杆为原料发酵产气的周期短，可减少投资成本，经济效益更高。

虽然勿忘我花杆发酵体系出现了酸化，但无需用外加物质来调节，发酵体系能够很快恢复。由于其恢复正常后产气状况较为正常，因此利用勿忘我花杆进行厌氧发酵产沼气是可行的，并且能源利用效率高。在农作物秸秆和落叶类等植物性原料中，勿忘我花杆作为发酵原料具有较大的优势，其 TS产气潜力相对较高，为实际的沼气工程提供一定的实验理论依据，也为废弃花杆的后续处理提供一条新型的可持续的利用途径。另外，云南地处高原地区，属于适宜推广农村户用沼气池的区域[24]，加之云南昆明市拥有斗南这样一个巨大的花卉出口市场，并且普宁具有大型的勿忘我鲜花种植基地，这为建设勿忘我花杆沼气工程储备了充足的原料。故勿忘我花杆可以作为沼气工程和户用沼池发酵的一种优势原料。采用勿忘我花杆作为原料的沼气池，除了产生沼气外，沼气发酵残留物可作为沼肥施用给勿忘我花朵种植基地，并具有较高的肥效[25]，从而实现了能源的可循环利用。利用沼气发酵进行废弃花杆处理是缓解环境污染、建立新的生态平衡、实现整体良性循环的一条最佳途径[26]。

表3 各种原料的产沼气潜力Table 3 Potential for biogas production from various materials

3 结 论

（1）以勿忘我花杆为发酵原料，在（30 ± 0.2）℃下进行全混合批量式沼气发酵实验，当发酵进行到第36 d时，之前已经有连续7d产气量低于2 mL，说明发酵原料的厌氧消化几乎停滞，故发酵时间为36 d，这个启动时间在相同发酵条件下的秸秆发酵中是相对较短的。

（2）勿忘我花杆的产气潜力为 359 mL/g·TS，393 mL/g·VS。通过表3中与同类原料的类比结果来看，勿忘我花杆是作为沼气发酵的较理想秸秆原料。

（3）利用计算机软件Matlab拟合出累积产气量随发酵时间的变化趋势曲线所遵循的方程。第1～12 d阶段：Y1=112.55X - 63.26，相关系数为0.997 6。第13～20 d酸化阶段：Y2=1 200，相关系数为1；第21～36 d阶段：Y3=1.92X2+ 134.65X - 724.41，相关系数为0.999 6。

（4）勿忘我花杆产沼气主要集中在前28 d，因此，在勿忘我花杆发酵工程中，可初步确定实际沼气工程设计发酵罐的水力滞留时间（HRT）为28 d[27]，这样可减少发酵罐容积，缩短投资回收期。

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Experimental Study on Potential of Biogas Fermentation with Limonium sinuatum Straw

JI Xi-yan, LIN Wei-dong, ZHANG Wu-di, YIN Fang, LIU Shi-qing, ZHAO Xing-ling, LIU Jing, YANG Hong
(Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

In order to study the biogas production potential fromLimonium sinuatumstraw, the anaerobic batch fermentation were performed at 30℃ between the control group (120 mL inoculum) and the experimental group (120 mL inoculum and 27 gLimonium sinuatumstraw). The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time of 36 d was 1 650 mL. Further, it was calculated that the biogas yield ofLimonium sinuatumstraw is 359 mL/(g·TS) or 393 mL/(g·VS).

Limonium sinuatumstraw; anaerobic digestion; biogas production potential

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.006

2095-560X（2014）05-0358-06

吉喜燕（1988-），女，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程研究。

2014-06-26

2014-07-24

高等学校博士学科点专项科研基金（20135303110001）；国家自然科学基金（51366015）

† 通信作者：张无敌，E-mail：wootichang@163.com

张无敌（1965-），男，研究员，博士生导师，主要从事生物质能的研究与开发利用。