不同温度对水葫芦渣干发酵产气潜力的影响

杨先荣， 张传， 张亚松， 李云龙， 董继宗，林卫东， 赵兴玲， 尹芳， 张无敌

(云南师范大学，云南 昆明 650092)



不同温度对水葫芦渣干发酵产气潜力的影响

杨先荣， 张传， 张亚松， 李云龙， 董继宗，林卫东， 赵兴玲， 尹芳， 张无敌

(云南师范大学，云南 昆明 650092)

以水葫芦渣为原料，分别在常温与恒温(30 ℃)下进行产气潜力的实验研究，探究两种不同温度下的产气情况和水力滞留时间，为其以后的工程利用提供基础.结果表明，在恒温(30 ℃)和常温下，干发酵实验共进行了38 d，其产气潜力分别为75 mL/g TS、87 mL/g VS和54 mL/g TS、62 mL/g VS；按总产气量的80%设计，在干发酵工程工艺中，常温和恒温下的水力滞留时间可分别设计为28 d和25 d.

水葫芦渣；干发酵；产气潜力；沼气

1 引 言

水葫芦(Eichhornia crassipes (Martius))，又名凤眼莲，属雨久花科凤眼莲的多年生漂浮水生草本植物，是当前世界上危害最严重的多年生杂草，它具有生命力极强，光合效率极高的特点，能净化污水[1-2]；并且含有丰富的营养成分，包括粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、无氮浸出物以及许多氨基酸、维生素C、胡萝卜素和多种微量元素[3-4].目前水葫芦的利用主要是在净化污水、加工食品、饲料、种植蘑菇、开发形成沼气资源[5-6]等方面.俄罗斯莫斯科州利用水葫芦处理生活、生产污水，用来处理养鸡场和养猪场的污泥时发现它不仅可以有效地去除Cu、Fe、NH4NO3、P、石油有机化合物等物质，还可以杀死大量的病菌，处理后的污泥可以用来养殖蚯蚓，使产量翻倍，而繁殖蚯蚓后的污泥更是一种高效有机肥.石油化工厂用其处理废水时，净化率平均可到46%，最高时可达到90%[7].查国君等人的研究发现以水葫芦为原料进行固液分离，在室温条件下，采用批量连续发酵工艺对水葫芦残渣进行发酵产沼气的试验，结果表明，经过1个周期(30 d)的运行后，发酵液日产气量较稳定，TS产气率为181 L/Kg，VS产气率为237 L/Kg，甲烷体积分数达55%～59%，发酵后的有机物可以制成有机肥料，便于运输[8].邓春芳等人通过对发酵水葫芦汁液浸种的研究发现，低浓度沼液促进种子发芽，高浓度沼液抑制种子发芽[9].而在叶小梅[10]、吴红林[11]和程志斌等[12]等人的研究中也发现，无论是水葫芦的挤压渣还是发酵后的汁液，都具有一定的利用价值.本文针对水葫芦进行集中压榨、固液分离后，再对他们分别加以利用的处理方式，对水葫芦渣的发酵产气情况进行研究，使其达到资源化利用处理的目的.

2 实验材料及方法

2.1 实验用材

2.1.1 发酵原料及接种物

水葫芦(取自昆明滇池)，经压榨(出汁率为70%左右)后，将水葫芦渣风干1～2 d，经测定其TS为33.4%，VS为86.58%.

接种物为本实验室特别驯化后的混合厌氧消化活性污泥，经测定，其TS为10.06%，VS为41.8%.

2.1.2 实验装置

实验中采用自制500 mL的发酵罐，分别在常温与恒温下进行实验.装置示意图如图1.

(a)常温条件实验装置图 (b)恒温条件实验装置图

2.2 实验方法

2.2.1 实验设计

实验设置常温与恒温(30 ℃)两个温度条件.每个温度条件下设置3个平行实验组.

称取2 kg新鲜水葫芦，经压榨后，得到渣约600 g.经风干1～2 d左右，称取300 g水葫芦渣，与450 g接种物混合均匀后，等分为6份，分别放入6个罐体中进行干发酵实验.

在实验结束后，以产气量占总产气量80%左右的天数为水力滞留时间(HRT).

2.2.2 测试项目及方法

⑴TS测定：将发酵原料样品放在(105±5) ℃温度下烘干至恒重，然后进行计算.

TS%=W1/W0×100%[13]

式中，W0——样品重量；W1表示样品烘干至恒重后的重量，单位为g.

⑵VS测定[13]：将烘干后恒重样品置于(550±20)℃的条件下灼烧至恒重，然后进行计算.

VS%=(W1-W2)/W1×100%[13]

式中，W2——灰分重量，单位为g.

⑶pH值：采用精密pH试纸进行测定[13].

⑷产气量：采用排水集气法进行测定.实验启动后每天定时记录各组的产气量，并计算平均值，以此得出发酵过程中每天的气体产量.

⑸甲烷含量：根据气体燃烧时的火焰颜色，采用火焰颜色光谱法[14]确定气体中甲烷的含量.

3 实验结果及分析

3.1 发酵前后原料的TS、VS、pH值

实验共进行了38 d，实验前后，发酵原料的TS、VS及pH值变化见表1.

表1 发酵原料发酵前后的TS、VS、pH值Table 1 TS,VS and pH values of raw materials before and after fermentation

从表1可以看出，发酵前后，两个实验组的TS和VS都有降低.通过计算可知，常温和恒温下的TS利用率分别为18.21%、19.58%；VS利用率分别为64.35%、64.51%.通过对比可看出，两者之间的差别很小.

3.2 产气情况

3.2.1 日产气量

实验开始后，每天定时记录产气量，得出水葫芦渣的产气量与时间的关系.如图2所示.

图2 日产气量统计图

从图中可以看出，在恒温条件下，从第1天到第6天，产气量总体呈现出逐渐增加的趋势，并且在第6天达到了日产气量的高峰，为300 mL；从第6天后，产气量逐渐下降，但在第16天又达到了一个小高峰，为120 mL；但从第16天后，产气量基本呈现下降趋势，在第26天后，虽然还在产气，而且产气量与前面基本持平，而在第38天以后产气量虽然还有40～50 mL，但是气体已经不能持续燃烧.

图3 产气速率图

在室温条件下，从第1天到第8天，产气量总体呈现出逐渐增加的趋势，并且在第8天达到了顶峰，为212 mL；第8天后，产气量逐渐下降，但在第16天出现第二个高峰，为102 mL，在第16天后，产气量有逐渐增加的趋势，这是因为随着气温的升高，产气量有所增加，在第24天后，产气量便呈现出逐渐下降的趋势，这是因为原料在前期大量被消耗，在第38天后，产气量已经很少了，且气体不能持续燃烧.

3.2.2 产气速率

对本实验中每五天的产气量进行统计，得表2.

表2 累计产气量统计表Table 2 The accumulative gas production statistics

由表2可以看出，整个水葫芦渣干发酵过程中，在恒温条件下，前15天的产气量增加较快，尤其是第5-10天，增加了1 030 mL，累计产气量达到2 342 mL，第15天后，产气量增幅逐渐下降，在第20天后，产气量增幅相对平稳.由此可知，在恒温条件下，水葫芦渣干发酵产沼气主要集中在前20天，最快的阶段为第5-10天.在室温条件下，前10天的产气量增加较快，最高的为第5-10天，增加了698 mL，在第10天后，每5天的气体增量均在300 mL左右，相对平稳.有此可知，在室温条件下，水葫芦渣干发酵产气量增速较快的时间为前10天，而后逐渐趋于平稳.

对水葫芦渣整个干发酵过程的产气速率进行分析可知(如图3)，水葫芦渣干发酵过程中，产气速率先是增加，而后趋于平稳.恒温条件下，前20天的增速都比后期的要大；而在室温条件下，前10天的增速要大一些，而后趋于平稳增长.在恒温条件下，在第25天达到了总产气量的80%左右；在室温条件下，在第28天达到了总产气量的80%左右.所以，在以水葫芦渣为发酵原料的干发酵工程设计中，发酵的水力滞留时间可分别定为25 d和28 d，符合一般沼气工程的设计要求，也可以减少投资，提高效率，避免生产资源的占用、浪费.

3.2.3 甲烷含量

在发酵过程，对产生的沼气点燃后，观察其颜色，根据文献[14]，确定沼气中甲烷的含量，其结果参见表3和表4.

表4 常温发酵条件下沼气中的甲烷含量Table 4 Methane content in the gas under the normal temperature

3.3 产气潜力分析

对图2、图3中水葫芦渣干发酵的产气潜力进行分析，可得出表5中的结果.

表5 水葫芦渣干发酵产气潜力表Table 5 Dry fermentation gas potential of the water hyacinth residue

4 结 论

以水葫芦渣为发酵原料进行干发酵，在恒温(30℃)和常温下都能很好地实现干发酵产沼气，其产气潜力分别为137 mL/g TS、174 mL/g VS和100 mL/g TS、128 mL/g VS，总产气量分别为3 754 mL和2 749 mL，恒温条件下产气量约为常温的1.4倍.

水葫芦渣在常温和恒温(30℃)条件下进行干发酵，其原料的TS和VS利用率分别为18.21%，64.35%和19.58%，64.51%.它们的TS、VS利用率相差不大.

在以水葫芦渣为原料的干发酵工程工艺中，常温和恒温下的水力滞留时间可分别设计为28 d和25 d.而且相关研究[5-16]表明，水葫芦渣发酵后的K、P、N的含量仍然较高，采用干发酵工艺，其残留物含水量低，既节水又易于肥料的加工，因此，对残留物进行加工，可以制成为一种理想的富K有机肥.

[1] HOLM L G,PLUCKNETT D L,PANCHO J V,et al.World worst weeds:distribution and biology[M].Honolulu:University of Hawaii Press,1977.

[2] 段惠，强胜，吴海容，等.水葫芦[J].杂草科学，2003(2)：39-40.

[3] 余有成.水葫芦的营养成分及青贮方法[J].畜产研究，1988(2)：38-41.

[4] 柏美娟，孔祥峰，印遇龙，等.水葫芦不同部位主要营养成分和体外发酵特性的比较研究[J].天然产物研究与开发，2009 (21)：40-45.

[5] 谢桂英，郭金春.水葫芦的发生特点、防治及利用[J].农药，2005，44(10)：445-448.

[6] 查国君，曾国揆，张无敌，等.水葫芦发酵产气潜力的实验研究[J].新能源及工艺，2006 (6)：50-51.

[7] 江洪涛，张红梅.国内外水葫芦防治研究综述[J].中国农业科技导报，2003，5(3)：72-75.

[8] 查国君，刘波，张无敌.水葫芦固液分离后残渣连续干发酵的研究[J].可再生能源，2010，28(5)：84-87.

[9] 邓春芳，吴红林，朱妤婷，等.发酵水葫芦汁液对蔬菜种子发芽的影响[J].云南师范大学学报:自然科学版，2013，33(6)：48-53.

[10]叶小梅，杜静，常志州，等.水葫芦挤压渣的厌氧发酵特性[J].江苏农业学报，2011，27(6)：1261-1266.

[11]吴红林，朱妤婷，邓春芳，等.发酵水葫芦汁液对大白菜生长及品质的影响[C].2013年中国沼气学会学术年会论文集，昆明：2013，151-157.

[12]程志斌，宋任彬，张红兵，等.水葫芦渣常规营养成分及矿物质含量分析[J].资源开发与利用，2011，11(3)：81-82.

[13]李永波，郭德芳，张建鸿，等.西番莲果皮发酵产沼气潜力的实验研究[J].云南师范大学学报:自然科学版，2013，33(3)：12-16.

[14]江蕴华，余晓华.利用火焰颜色判断沼气中甲烷含量[J].中国沼气，1984，2(3)：72-75.

[15]CHANAKYA H N,BORGAON KARS,RAJAN M G C,et al.Two-phase anaerobic digestion of water hyacinth or urban garbage[J].Bioresource Technology,1992,42:123-131.

[16]张映兰，赵兴玲，尹芳，等.水葫芦朝气利用新工艺研究[J].安徽农业科学，2013，41(9)：4005-4007.

Effect of Temperature on Dry FermentationGas Potential of Water Hyacinth

YANG Xian-rong, ZHANG Chuan, ZHANG Ya-song, LI Yun-long, DONG Ji-zong,LIN Wei-dong, ZHAO Xing-ling, YIN Fang, ZHANG Wu-di

(Yunnan Normal University,Kunming 650092,China)

The dry fermentation gas potential of water hyacinth(Eichhornia crassipes(Martius))under constant temperature(30 ℃)and room temperature were studied.The results showed that the gas production potential under constant temperature and room temperature were 75 mL/g TS、87mL/g VS and 54 mL/g TS、62 mL/g VS respectively with 38 days of anaerobic dry-fermentation.The HRT could be set as 25 days and 28 days.

Solid residue of water hyacinth; Dry-fermentation; Biogas potential; Biogas

2015-03-21

国家科技支撑计划资助项目(2010BAD03B01)；云南省科技创新平台建设计划资助项目(2013DH041);云南师范大学大学生科研训练基金资助项目(Ky2013-169).

杨先荣(1993-)，男，云南楚雄人，主要从事生物质能开发方面研究.

张无敌(1965-)，男，云南石屏人，研究员/博士生导师，主要从事生物质能开发方面研究.Email: wootichang@163.com.

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0005-05