新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧发酵产气潜力的研究*

张莉娟， 季梅， 张无敌， 泽桑梓,3，王昌梅， 尹芳， 赵兴玲， 柳静， 杨红

(1.云南师范大学，云南 昆明650500；2.云南省林业科学院，云南 昆明 650201；3.云南省林业职业技术学院，云南 昆明 650224)

薇甘菊(MikaniamicranthaH.B.K)又名小花假泽兰，菊科假泽兰属多年生草质藤本植物，原产自中美洲和南美洲，目前在东南亚以及太平洋地区分布广泛，蔓延至大洋洲和澳大利亚，成为了主要害草.在我国，1919年香港首次发现薇甘菊后，20世纪80年代末传入海南岛、珠江三角洲等地并广泛传播[1-3].目前，已经有生态学家提出薇甘菊作为外来物种，必然将对我国原有生态环境造成恶劣影响，并对此展开了深入探究.另外已有利用薇甘菊开发牲畜饲料、植物药、杀虫剂和除草剂的报道[4].郭珍[5]等人提取薇甘菊染料分析并对其化学成分进行鉴定，结果显示薇甘菊色素提取液中具有相对含量最高的植物胆甾类成分，植物甾类常作为医药、食品添加、化妆品及化工方面的原料，在纺织工业中常将其作为柔软剂[6-7].

目前关于薇甘菊的防治及利用研究还不充分，本实验对薇甘菊的产气潜力进行研究，对后续薇甘菊的处理及应用提供一种新型途径，为杂草应用及治理提供新的方法.

1 材料和方法

1.1 材料

供试薇甘菊于2014年7月采自云南西双版纳，由西双版纳州林科院人员鉴定.经测定TS(总固体含量)为10.72%，VS(挥发性固体含量)为81.49%，pH为6.5.接种物是由牛粪为原料在中温富集而成的活性污泥，测定TS(总固体含量)为10.56%，VS(挥发性固体含量)为69.58%，pH为7.0.

1.2 实验装置

薇甘菊沼气发酵的实验装置由实验室自制(见图1)，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广口瓶，封口用带玻璃导管的橡皮塞；集气瓶采用500 mL下口三角瓶，封口用带玻璃三通的橡皮塞；计量瓶采用500 mL广口瓶，发酵瓶、集气瓶和体积计量瓶通过乳胶管连接.中温发酵温控系统主要包括加热棒(XL-999型)、水泵(AP-1400行)、温控仪(C3W-221智能数显温控仪)三部分.

A.温控仪；B.水槽；C.集气瓶；D.计量瓶；E.发酵瓶；F.点火口；G.刻度

1.3 方法

1.3.1 实验方法

将原料薇甘菊切碎成长度小于2 cm的小段，以便发酵充分混匀.分别设置3个平行实验发酵液浓度为5%并进行单瓶配制，料液配比如表1.采用全混合批量式发酵，在中温30 ℃和常温24 ℃下厌氧发酵.

表1 料液的配比

1.3.2 测试项目及方法

⑴采用常规分析法测定总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)[8-9].

①TS测定：将薇甘菊、接种物以及发酵前后料液在(105±5)℃的电热恒温干燥箱(202型)中烘干至恒重进行计算[9]；

TS= W1/W0×100%

式中，W0表示样品重量，W1表示样品烘至恒重后的重量，单位为g.

②VS测定：在(550±20)℃箱形电阻炉(SX2-2.5-12型)中灼烧至恒重得到灰分重量，计算如下[9].

VS=(W1-W2)/W1×100%

式中，W2表示灰分重量，单位为g．

⑵pH的测定：采用测定范围6.4～8.0精密pH试纸测定原料、接种物以及发酵前后料液的pH.

⑶产气量及甲烷含量测定.产气量采用排水集气法测定，发酵启动后，每天定时记录各实验组的产气量，取3个平行组的平均值.同时采用火焰颜色比色卡法参照结合火焰颜色和气相色谱仪(GC-6890A)确定气体中的甲烷含量[10].

2 结果与分析

2.1 产气情况分析

每天定时测量薇甘菊的净产气量及每3 d测定一次甲烷含量，由此得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，如图2所示.由图2可以看出，中温30 ℃和常温平均24 ℃条件下，整个沼气发酵历时32 d，日产气量分别达116 mL、86 mL.30 ℃实验组有两个产气高峰，第2天达到第一个产气高峰，产气量为260 mL；第二个产气高峰出现在第6天，产气量为300 mL.24 ℃实验组同样出现两个产气高峰，第一个产气高峰在第2天，产气量为200 mL；第9天出现第二个产气高峰，产气量达180 mL.每3天测定一次甲烷含量，中温30 ℃和常温24 ℃条件下甲烷含量刚开始在50%左右，随着发酵进行逐渐上升趋于平缓，30 ℃实验组的甲烷平均含量为62.41%，而24 ℃实验组的甲烷平均含量为59.89%.

图2 产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线

2.2 产气速率分析

通过日产气量统计在中温和常温两种条件下厌氧发酵过程中累积产气量随发酵时间的变化，如表2所示.

表2 累积产气量统计

由表2可以看出，30 ℃实验组发酵主要集中在第4～12天，从第4天的920 mL增加到第12天的2 780 mL；最快的产气阶段集中在第4～8天，增加了1 080 mL.24 ℃实验组发酵同样集中在第4～12天，从第4天的540 mL增加到第12天的1 600 mL，最快的产气阶段集中在第8～12天，增加了580 mL.30 ℃实验组在第14天产气速率达到80%以上，而24 ℃实验组则是在第18天，中温30 ℃要比常温24 ℃水力滞留时间(HRT)短，中温30 ℃更有利于厌氧发酵进行及应用.

2.3 发酵前后TS、VS、pH的统计分析

采用常规分析法对不同温度下新鲜薇甘菊发酵前后的TS、VS、pH进行测定(见表3).由表3可知，在30 ℃实验组的TS利用率、VS利用率分别为35.74%、9.86%，24 ℃实验组的TS利用率、VS利用率分别为27.88%、9.62%都明显高于对照组，表明在沼气发酵过程中，薇甘菊的有机营养成分被发酵体系中微生物充分利用.

表3 发酵前后料液TS、VS、pH值

2.4 产气潜力分析

薇甘菊的TS和VS产气潜力及原料产气潜力如表4所示.由表4结果显示，在30 ℃和24 ℃两个温度下发酵，薇甘菊的TS和VS产气潜力都超过350 mL/g，中温30 ℃下产气潜力为511 mL/gTS、627 mL/gVS，表明对薇甘菊进行沼气发酵，能充分利用其有机质.

表4 薇甘菊的产沼气潜力

2.5 不同发酵原料的产气潜力分析

对发酵温度30 ℃的各类植物性原料的厌氧发酵时间及TS产气潜力进行统计，综合比较薇甘菊的产气潜力(见表5).由表5可以看出，薇甘菊的TS产气潜力仅小于小桐子种子(895 mL/g TS)，但小桐子种子发酵时间为64 d是薇甘菊发酵时间的两倍.薇甘菊的TS产气潜力高于其他结构成分相似的杂草、落叶、秸秆等原料.若在实际沼气工程运用中，以薇甘菊作为发酵原料，水力滞留时间(HRT)为14 d，沼气工程设计时可减小发酵罐体体积.

表5 各种原料的产气潜力

2.6 薇甘菊沼气工程设计

下面对处理20 t薇甘菊中温沼气发酵工程进行计算.薇甘菊的总固体含量为10.72%，按80%产气速率计算产气潜力为417 mL/gTS，水力滞留时间为14 d，以5%发酵浓度进行设计，日进料量设计为40 t/d.

发酵罐容积=日进料量×HRT=40 t/d×14 d，则厌氧发酵罐体积设计为600 m3.

日进料量为40 t，其中薇甘菊20 t，则干物质量为薇甘菊量×薇甘菊TS=20 t×10%=2 t，，产气潜力为400 m3/tTS，则日产沼气为：2 t×400 m3/tTS=800 m3，则贮气柜体积设计为800 m3×30%=240 m3≈250 m3.

日产沼渣(含一定水分)日产量约等于日进料干物质50%：2 t×50%=1 t

日产沼液量为沼液日产量近似等于日进料量的85%：40 t×85%=34 t

厌氧发酵产生的沼气用于供气或发电，沼渣和沼液可用于对周边农田的灌溉及施肥运用.该沼气工程不仅处理薇甘菊，还能回收利用沼渣和沼液，有效控制害草的生长，保护生态环境.

3 结 论

⑴以薇甘菊为发酵原料，在中温30 ℃和常温24 ℃下进行批量式沼气发酵实验，发酵总时间为32 d，中温30 ℃下的产气潜力为511 mL/gTS，627 mL/gVS；常温24 ℃下的产气潜力为379 mL/TS，465 mL/gVS.中温条件下第14天产气量达到总产气量的80%以上，沼气发酵工程设计发酵罐的HRT为14 d.

⑵设计20 t薇甘菊中温发酵，发酵罐体体积600 m3，贮气柜体积为250 m3，日产沼渣1 t，沼液34 t，不仅为处理薇甘菊提供新型途径，还有能源回收利用，改善环境，节省资源.

参 考 文 献:

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