基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵的影响*

刘静辉， 张无敌， 刘士清， 尹芳，赵兴玲， 柳静， 杨红， 许玲， 陈玉保

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

基质微生物比(F/M)是指发酵料液中所含有发酵原料的总固体(Total Solid,TS)或者挥发性固体(Volatile solid,VS)与接种物的TS与VS之比.为了维持正常启动的批式反应器正常运行，必须在反应器内加入适量的物料和一定量的接种物.一些研究表明基质微生物比(F/M)对厌氧消化产气性能有一定的影响.张无敌等[1]在选择人粪为发酵原料并且投加量相同的情况下，加入不同比例的接种物，发现接种物的质量和数量对沼气池的启动和运行产气关系密切.Hashimoto[2]指出底物和接种物的比值对批式反应器的运行和某种物料的产气潜能(BMP)评估非常重要.Lopes等[3]研究发现在以牛胃液为接种物对城市有机垃圾进行厌氧消化时，选择适当的底物与接种物的质量比(F/M)对维持系统稳定性非常重要.对水果蔬菜废物、树叶、杂草、城市固体废物等可降解有机物进行厌氧消化，系统均在F/M小于等于l的情况下稳定运行[4-6].Guangqing Liu等[7]在中温((35±2)℃)和高温((50±2)℃)情况下，将F/M分别控制为1.6、3.1、4.0和5.0对食品废物、草及其混合物进行批式厌氧消化，结果显示F/M对两种原料的产气速率均有显著影响.F．Raposo等[8]通过对玉米中温厌氧消化过程的研究发现，当F/M分别为1/3、1/2、2/3和1时对甲烷产率影响不大.油菜种植是我国重点发展的产业之一，但对于油菜籽饼粕的研究利用却甚少，不同基质微生物比在以油菜籽饼粕为原料的批量式沼气发酵中对产气性能影响的相关研究尚未出现.实验在30 ℃条件下以油菜籽饼粕为发酵原料，分别选择基质微生物比F/M(VS/VS)为0.20、0.15，通过批量式发酵研究了不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵产气的影响.

1 材料与方法

1.1 材料与接种物

发酵原料为油菜籽饼粕，来源于云南大理.经测定油菜籽饼粕的TS为94.00%，VS为84.65%.

接种物为经本实验室长期驯化的混合厌氧活性污泥(接种物1)和经过油菜籽饼粕沼气发酵后的残留物(接种物2)，经测定二者的TS分别为8.32%、4.78%，VS分别为50.23%、73.88%，pH均为7.0.

1.2 实验装置

沼气发酵实验装置为实验室自制，参见图1.

1．温控装置； 2．水槽；3．发酵瓶； 4．集气瓶；5．计量瓶

1.3 实验方法

1.3.1 实验设计

⑴发酵模式：全混合批量式发酵；

⑵发酵温度：30 ℃；

⑶发酵液的配制：配制基质微生物比F/M(VS/VS)分别为0.20、0.15的发酵料液.其中F/M(VS/VS)=[原料原料用量(g)×原料VS(%)]/[接种物用量(g)×接种物VS(%)]，(其中1 mL接种物≈1 g接种物)见表1.

表1 实验发酵液的配置

实验组与对照组按表1加入原料和相应的接种物120 mL后，加水至400 mL，调节pH至7.0，设置3个平行.

1.3.2 测定项目与方法

采用常规分析法测定发酵原料(油菜籽饼粕)、接种物以及料液发酵前后的TS、VS、pH.

⑴产气情况记录：采用排水法收集沼气，从发酵启动的第2 d开始每天定时统计瓶中所收集水的体积.沼气中甲烷的含量根据火焰的颜色通过与火焰比色卡(火焰颜色比色卡法[9])比较来确定.

⑵TS(总固体含量)、VS(挥发性固体含量)的测定[1]：将样品在(105±2)℃下烘至恒重，计算样品除水分后干物质的质量分数即为总固体含量，以TS表示.将上述测定后恒重的总固体在(550±20)℃下烧至恒重，计算挥发性物质的质量分数即为VS.

⑶pH的测定：采用5.7～8.5的精密pH试纸测定.

2 结果与分析

2.1 不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵的影响

2.1.1 不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵日产气量的影响

以油菜籽饼粕为发酵原料进行批量式沼气发酵实验，实验组和对照组均发酵27 d，采用各组中3个平行样产气量的平均值做日产气量的变化曲线，结果如图2.

图2 不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵日产气量的影响

从图2可以看出，实验组1在启动后迅速产气，第2 d产气量高达1 200 mL，沼气燃烧状况良好，火焰呈蓝色，处于产气相对旺盛阶段；第3～5 d产气量逐渐减少，但仍处于产气旺盛阶段，甲烷含量较高，燃烧状况良好；从第6 d开始发酵处于酸化阶段，几乎不产气，一直持续到第9 d.从第10 d开始发酵逐渐恢复产气，但产气量很少，直至停止产气，沼气燃烧火焰呈黄色，甲烷含量接近70%.实验组2在启动后虽然也迅速产气，但产气量和其中的甲烷含量较实验组1均低，前6 d最高产气量仅达100 mL；从第7 d开始产气量逐渐增加，火焰颜色呈黄色，甲烷含量达60%～70%，处于产气旺盛阶段，持续到第17 d，产气量逐渐减少，直至停止产气.对照组在发酵过程中产气较少.

2.1.2 不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵累积产量的影响

不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵累积产量的影响结果参见图3.由图3可知，基质微生物比F/M(VS/VS)=0.20的实验组在启动后，产气速率稳步上升，第1～4 d产气速率增幅最快，而此时基质微生物比F/M(VS/VS)=0.15的实验组产气速率趋于平缓.基质微生物比F/M(VS/VS)=0.15的实验组在第7～17 d，才达到主产气阶段，产气速率增幅较大，此后产气速率增幅较小.基质微生物比F/M(VS/VS)=0.20实验组产气速率在第4天达到了84.84%，而基质微生物比F/M(VS/VS)=0.15实验组到第17 d产气速率才达到总产气量的80.45%.由此可见，选择适宜的基质微生物比能够明显提高油菜籽饼粕的产气速率.

图3 不同基质微生物比对油菜籽饼粕沼气发酵累积产量的影响

2.2 结果分析

2.2.1 不同基质微生物比对以油菜籽饼粕为原料的沼气发酵产气性能的影响

根据图2和表1，通过计算，可得出在不同基质微生物比F/M(VS/VS)下，以油菜籽饼粕为原料的批量式沼气发酵中的总产气量、达到总产气量80%的时间、TS产气率及VS产气率，结果见表2.

表2 不同基质微生物比对油菜籽饼粕原料产气性能的影响

从表2可以看出，实验组1的总产气量、TS产气率和VS产气率均高于实验组2，且达到总产气量80%的发酵时间比实验组2要短.

2.2.2 不同发酵原料的产气潜力

为进一步评价不同基质微生物比对油菜籽饼粕产气潜力的影响，对发酵温度30 ℃下各类植物性发酵原料TS产气潜力进行了统计(参见表4).由表4可知，基质微生物比F/MVS/VS=0.20组的油菜籽饼粕的TS产气潜力明显高于基质微生物比为F/M(VS/VS)=0.15的实验组，是后者的1.74倍,和蚕豆壳、稻秆、竹子叶的TS产气潜力相当；但TS产气潜力小于小桐子壳、花生壳、银杏叶、菠萝蜜果皮.这是因为小桐子壳、银杏叶、菠萝蜜果皮所含有机物较高，故TS产气潜力较高.而基质微生物比F/M(VS/VS)=0.15的油菜籽饼粕TS产气潜力明显低于基质微生物比F/M(VS/VS)=0.20的油菜籽饼粕和蚕豆壳、豌豆壳、小桐子壳、花生壳的TS产气潜力.由此可知，基质微生物比对油菜籽饼粕的TS产气潜力有着显著影响.

表4 不同发酵原料的产气潜力

3 结 论

对水果蔬菜废物、杂草和城市生活垃圾等有机废弃物进行厌氧消化，可以提供洁净、高效的燃料，其残留物经加工后还可作为有机肥料，既节约资源又保护环境[12，15-17].以油菜籽饼粕为原料，在30 ℃下进行批量式发酵，结果表明：基质微生物比F/M(VS/VS)=0.20的实验组TS、VS产气率、总产气量、达到总产气量80%的时间分别为165 mL/g·TS、184 mL/g·VS、2 310 mL、4d，而F/M(VS/VS)=0.15的实验组TS、VS产气率、总产气量、达到总产气量80%的时间分别为95 mL/g·TS、106 mL/g·VS、1 330 mL、17 d.

基质微生物比在以油菜籽饼粕为发酵原料的批量式沼气发酵过程中对产气性能有着显著影响.

参 考 文 献:

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