干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究

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)



干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究

张莉娟1， 季梅2， 张无敌1， 泽桑梓2,3， 王昌梅，尹芳1， 赵兴玲1， 柳静1， 杨红1

(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)

考察了干燥微甘菊的沼气发酵产气潜力.设置了两个实验组和一个对照组，采用全混合式的发酵类型，分别在中温30 ℃和常温约23 ℃的两种温度条件下进行沼气发酵实验.结果表明，中温30 ℃和常温23 ℃实验组的沼气发酵历时29 d，中温30 ℃和常温23 ℃的净产气量分别为2 455 mL和1 855 mL.通过计算得出，中温30 ℃下干燥薇甘菊的TS产气潜力为347 mL/g，VS产气潜力为407 mL/g，相比于新鲜薇甘菊的产气潜力，干燥薇甘菊的TS和VS产气潜力都有所下降.

薇甘菊；厌氧消化；产气潜力；全混合式发酵

薇甘菊(Mkania micratha H.B.K)原产于中美洲和南美洲，21世纪初开始广泛传播，是世界热带、亚热带地区的主要害草之一.1919年薇甘菊在我国香港首次发现后，20世纪80年代末作为护滩植物传入到珠江三角洲、海南岛等地并广泛传播[1-4].针对薇甘菊对我国原有生态环境造成的恶劣影响，已经有许多生态学家对此情况展开了深入考察；但其也有一定的潜在应用价值，相关报道表明利用薇甘菊可开发植物药、牲畜饲料、除草剂和杀虫剂[5]；郭珍等[6]则从薇甘菊中提取出了染料并对其包含的化学成分进行了鉴定分析，发现薇甘菊的色素提取液中植物胆甾类成分相对含量最高，而植物甾类可作为医药、化妆品、食品添加及化工等方面的原料，还能用作为柔软剂应用于纺织工业[7-8].

为探讨薇甘菊干燥后的沼气发酵产气情况，同时提高薇甘菊的处理量，在不同温度下对干燥后的薇甘菊进行了沼气发酵实验，并对新鲜薇甘菊和干燥薇甘菊这两种总固体含量不同的薇甘菊的产气潜力进行比较分析.

1 材料和方法

1.1 材料

供试的干燥薇甘菊于2014年8月采自云南省德宏州瑞丽市，并由云南省林业科学院人员鉴定.干燥后的薇甘菊经常规法测定TS(总固体含量)为88.17%，VS(挥发性固体含量)为85.23%.实验接种物是以牛粪为原料经过半年左右时间在中温条件下富集培养形成的活性污泥，经测定TS为10.52%，VS为70.05%，pH值为7.0.

1.2 装置及仪器

⑴实验装置：沼气发酵实验装置是自制的批量式发酵装置(见图1)，主要由发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶及温控系统四部分组成.其中发酵瓶、计量瓶都采用500 mL广口瓶，发酵瓶用带有玻璃管的橡皮塞封口，集气瓶为500 mL下口三角瓶并用带有三通玻璃的橡皮塞封口，同时通过乳胶管连接发酵瓶、集气瓶和体积计量瓶形成封闭的系统.中温发酵温控系统主要包括加热棒、水泵、温控仪.常温条件下的装置只包括发酵瓶、集气瓶及体积计量瓶.

A.温控系统；B.铁皮水槽；C.集气瓶；D.体积计量瓶；E.发酵瓶；F.三通管；G.刻度线

⑵实验仪器：FA/JA电子分析天平(上海上平仪器公司)、DHG-9203A电热鼓风干燥箱(上海浦东荣丰科学仪器有限公司)、SX2-2.5-12型电阻炉(上海意丰电炉有限公司)、C3W-221智能数显温控仪(昆明众想科技有限公司)、300 W加热棒(XL-999型)、水泵(AP-1400型)、GC-6890A气相色谱仪(滕州鲁南分析仪器有限公司)

1.3 实验方法

1.3.1 设计方案

干燥后的薇甘菊经过机械剪碎成长度小于2 cm的小段，以便厌氧消化过程中能与接种物充分混合均匀发酵.为了保证实验结果的准确性，实验组设置3个平行，通过原料及接种物TS含量初步计算确定以5%的发酵液浓度进行单瓶配制，料液配置方法如表1，实验采用全混合式发酵.

表1 料液的配比及条件Table 1 The ratio of solid to liquid and conditions

1.3.2 测试项目及方法

⑴TS、VS采用常规分析法进行测定[9-10].

⑵牛粪接种物以及发酵前后料液的pH值采用精密pH试纸来测定，在实验中定时检测pH值，考察pH的变化.

⑶干燥的薇甘菊日产气量采用简易的排水集气法测定，在沼气发酵开始启动后每天定时记录各实验组的日产气量，并减去对照组的产气量得到净产气量，取3个实验平行组净产气量的平均值作为实验最终结果.沼气发酵过程中的甲烷含量采用火焰颜色比色卡法的火焰颜色和GC-6890A气相色谱仪检测来确定[11].

2 实验结果与分析

2.1 日产气量及甲烷含量的变化分析

每天定时记录实验组和对照组的日产气量，甲烷含量每3天测定一次，通过作图得出薇甘菊的日产气量及甲烷含量随发酵时间的变化曲线(图2).图2结果显示，干燥后的薇甘菊原料在中温30 ℃和常温23 ℃下沼气发酵的日产气量曲线是十分相似的；在发酵前期，30 ℃下的日产气量高于23 ℃的；到发酵后期，日产气量相差不大.30 ℃和23 ℃两个实验组的总发酵历时29 d，两组的平均日产气量分别是84 mL、64 mL.在中温30 ℃条件下的实验组第3天出现第一个产气高峰，产气量是200 mL；第二个产气高峰出现在第7天，产气量达180 mL.而在常温平均23 ℃条件下的产气高峰不是很明显，产气量出现波动，这是因为在常温下昼夜温度出现波动，产气量随着温度的变化而发生变化，产气高峰没有中温条件下的有规律.干燥薇甘菊与新鲜薇甘菊日产气量相比，中温30 ℃条件下平均日产气量是新鲜薇甘菊的(116 mL)高于干燥薇甘菊的(84 mL)，发酵时间新鲜薇甘菊(32 d)的相比干燥薇甘菊(29 d)的稍长.每3天测定一次甲烷含量，刚开始发酵时中温和常温条件下的甲烷含量均是48%左右，随着发酵时间的增加，甲烷含量逐渐缓慢上升，最终在30 ℃条件下的平均甲烷含量为61.39%，而23 ℃条件下的平均甲烷含量为59.11%，甲烷含量低于新鲜薇甘菊发酵所产沼气，新鲜薇甘菊的所产沼气甲烷含量分别是62.41%、59.89%[12].

图2 日产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线图

2.2 产气过程分析

对中温30 ℃和常温23 ℃两种温度条件下记录的日产气量进行统计，如表2所示.

由表2可以看出，在中温30 ℃条件下的发酵主要集中在前12天，到第12天的累积产气量为1 740 mL，占总产气量的71.17%，产气最快阶段是在前4天，共产气660 mL.而在23 ℃条件下发酵的产气集中在第4-12天，总产气量从380 mL增加到1 220 mL，占总产气量比例从20.49%增加到65.77%，产气最快阶段是在第8-12天，产气量增加了440 mL，说明在30 ℃条件下干燥薇甘菊的厌氧发酵实验比在常温23 ℃下启动快、产气快.中温30 ℃和常温23 ℃两个实验组的达到总产气量80%的时间分别是在第15天和第17天，表明在中温条件下的水力滞留时间(HRT)比常温的短，中温更有利于薇甘菊厌氧的发酵，但在工程设计中可以根据实际情况来选择温度，如果工程地址常年温度都不低，可以选择在常温条件下进行沼气发酵，从而减去维持中温条件的成本.

表2 累积产气量及产气速率的变化Table 2 Changes of Cumulative gas production and Gas production rate

2.3 发酵前后TS、VS的统计分析

对中温30 ℃和常温23 ℃条件下干燥薇甘菊沼气发酵前后的TS、VS进行测定分析，结果见表3.由表3可知，在中温30 ℃实验条件下的TS利用率、VS利用率分别达到34.43%、7.40%，与新鲜薇甘菊的结果[12]相比，TS、VS利用率偏低；23 ℃条件下的TS利用率、VS利用率分别为29.08%、6.97%都明显高于对照组，对照组的TS、VS利用率都小于5%，表明在不同温度下进行的沼气发酵过程中，薇甘菊的有机质成分都被沼气发酵体系中的微生物充分利用并降解.在30 ℃条件下的TS、VS利用率略高于23 ℃条件下的实验组，说明在一定程度下提高温度有利于沼气发酵的进行，可以提高有机质的利用率及总产气量.

表3 发酵前后料液TS、VS、pH值的变化Table 3 Changes of TS, VS and pH value before and after fermentation

2.4 干燥薇甘菊的产气潜力分析

干燥薇甘菊沼气发酵的TS和VS产气率及原料产气潜力如表4所示.由表4可以看出，以干燥薇甘菊为原料在中温30 ℃、常温23 ℃实验条件下进行沼气发酵的TS和VS产气潜力都超过250 mL/g，且中温30 ℃实验条件下产气潜力为347 mL/g TS、407 mL/g VS，这说明利用干燥的薇甘菊进行沼气发酵也能被沼气微生物充分降解利用.相比于新鲜薇甘菊的沼气发酵产气潜力，干燥薇甘菊的TS和VS产气潜力结果都有所降低，中温30 ℃下新鲜薇甘菊的产气潜力分别为511 mL/g TS，627 mL/g VS[12].但新鲜薇甘菊存在含水量较高、所占空间较大的问题，干燥后的薇甘菊便于运输和储存，应用更方便.

表4 干燥薇甘菊的产沼气潜力Table 4 The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying

2.5 不同发酵原料中温条件下的产气潜力分析

对部分在中温30 ℃条件下植物性原料的沼气发酵时间及TS产气率进行归纳，并综合比较干燥薇甘菊的产气潜力及分析其可利用性(表5).由表5可以看出，干燥薇甘菊的TS产气潜力小于玉米秸(447 mL/g TS)、麦秸(450 mL/g TS)，但高于其他秸秆如玫瑰秸秆、康乃馨秸秆.与表中其他原料相比，干燥薇甘菊为原料的产气潜力高于菠萝蜜废弃物(239 mL/g TS)，而低于紫花苜蓿(936 mL/g TS)和芦荟皮(478 mL/g TS).在以不同总固体含量薇甘菊为原料的沼气发酵中，新鲜薇甘菊沼气发酵的产气潜力明显高于干燥后的薇甘菊，是干燥薇甘菊的1.47倍，而且在中温条件下新鲜薇甘菊的水力滞留时间(HRT)为14 d，而干燥薇甘菊水力滞留时间(HRT)为15 d，说明在工程应用中新鲜的薇甘菊更有利于沼气发酵的进行，但新鲜原料存在体积大、占空间、运输不便等问题，在沼气工程应用中根据实际情况来选择原料的处理，以节省成本达到更高的效益.

表5 植物性原料的产气潜力比较Table 5 Comparison of gas production potential of various plant materials

3 结 论

探讨了干燥后薇甘菊沼气发酵的产气情况，在实验过程中设置中温和常温两个温度条件，通过沼气发酵实验，得出以下结论：

⑴通过对产气量及产气潜力的分析，在中温30 ℃和常温23 ℃两个条件下的沼气发酵实验都能正常进行，整个沼气发酵总历时为29 d，中温30 ℃实验条件下的产气潜力为347 mL/g TS、407 mL/g VS；而常温23 ℃实验条件下的产气潜力为263 mL/g TS、309 mL/g VS.中温30 ℃下产气量在第15天达到总产气量的80%以上，水力滞留时间比常温条件下的短.

⑵相比于新鲜薇甘菊，薇甘菊经过干燥后沼气发酵的产气量及产气潜力有所下降，TS产气潜力是新鲜薇甘菊的0.68倍，但干燥薇甘菊便于运输.在沼气工程的应用中根据实际情况来选择原料的状态，最终实现薇甘菊的充分利用.

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Experimental Study on Potential of Anaerobic Digestion ofMkaniaMicrathaH.B.K on Different Temperature after Drying

ZHANG Li-juan1, JI Mei2, ZHANG Wu-di1, ZE Sang-zi2,3, WANG Chang-mei1,YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650500，China;2.Yunnan Academy of Forestry,Kunming 650201,China;3.Yunnan Forestry Technological College,Kunming 650224,China)

In order to further explore the biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying and compare with the fresh materials,the anaerobic batch fermentation which were divided into the two experimental groups (8 g Mkania micratha H.B.K and 120 mL inoculum ) and the control group (120 mL inoculum) 400 mL volume were performed by Completely Stirred Tank Reactor at 30 ℃ and ambient temperature(23 ℃).The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time of 29 d were 2 455 mL and 1 855 mL. Further,it was calculated that the biogas yield of Mkania micratha H.B.K after drying was 347 mL/g TS or 407 mL/g VS. The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying was lower than the fresh materials.

Mkania micratha H.B.K; Anaerobic digestion; Biogas production potential; Completely stirred tank reactor

2015-03-21

云南省社会发展科技计划资助项目(2012CH001)；云南省科技创新平台建设计划资助项目(2013DH041).

张莉娟(1989-)，女，云南曲靖人，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程方面研究.

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

S216.4

A

1007-9793(2015)03-0014-06