氨水预处理蓖麻秸秆的沼气干发酵实验*



氨水预处理蓖麻秸秆的沼气干发酵实验*

张加稳1，刘丽春2，张无敌1，尹芳1，王昌梅1，

赵兴玲1，柳静1，杨红1，刘士清1

(1.云南师范大学，云南 昆明 650092；2.丽江市农村能源管理站，云南 丽江 674100)

摘要：为有效利用农业生物质资源，以蓖麻秸秆为发酵原料，在恒温30 ℃条件下，探究直接用原料进行干发酵与用2%的氨水对原料进行预处理后再干发酵两种情况下的产气差异.实验结果表明，前者与后者的发酵周期分别为77 d和67 d，TS产气潜力分别为205 mL/g和281 mL/g，VS产气潜力分别为213 mL/g和292 mL/g，且直接发酵过程易出现酸化现象.可见，以蓖麻秸秆为原料进行干发酵产沼气是可行的，启动前用一定量的稀氨水预处理不仅可以提高产气潜力，还可避免酸化现象.

关键词：蓖麻秸秆；氨水预处理；沼气干发酵；产沼气潜力

1引言

随着工业化进程的加快和石油的短缺，蓖麻油的需求也随之增加，这使得蓖麻种植面积扩大，蓖麻秆的产量也随之大幅度增加，如何利用秸秆资源成为新课题[1-3].

近年来，人们对蓖麻的研究仍然集中在蓖麻油的开发利用，而对蓖麻秸秆的应用研究甚少[4-10].本文探究了将蓖麻秸秆用2%的氨水预处理后进行沼气干发酵的产沼气特性，旨在为干旱地区农业生产中所产生的蓖麻秸秆的高效利用提供一种新方法.

2材料与方法

2.1材料

2.1.1发酵原料

发酵原料取自云南省昆明市呈贡区种植的蓖麻秸秆，经测定，原料的TS为92.57%，VS为96.24%.

2.1.2接种物

接种物是以呈贡区污水处理厂底泥为原料长期驯化得到，经测定其TS为9.51%，VS为52.01%.

2.1.3实验装置

实验装置采用本实验室自制的批量式发酵装置[11].

2.2方法

2.2.1原料预处理

将蓖麻秸秆用粉碎机研成碎末，一部分直接用于发酵，一部分取2%的氨水50 mL浸泡24 h.

2.2.2实验设计

在30 ℃恒温条件下进行批量式厌氧干发酵，设计对照组和实验组，相同条件下各组设置3个平行，具体如下：

⑴对照组：200 g接种物+水=400 g混合液；

⑵实验组一：120 g接种物+65.98 g蓖麻秸秆+水=400 g发酵原料；

⑶实验组二：120 g接种物+65.98 g蓖麻秸秆+2%的氨水50 mL+水=400 g发酵原料.

2.2.3测试参数及方法

⑴TS测定：将预处理后的蓖麻秸秆放在(105±5)℃的电热恒温烘箱中烘干至恒重，并计算出TS[12].

⑵VS测定：将上述烘干水分的样品放入(550±20)℃的箱形电阻炉中灼烧至恒重，并计算出VS[12].

⑶pH：采用精密pH试纸测定.

⑷产气量：采用排水集气法测量日产气量.

⑸甲烷含量：采用GC-6890A型气相色谱仪测定沼气甲烷含量.

3结果与讨论

3.1发酵料液降解分析

在实验过程中，两种发酵情况下料液的TS、VS及pH指标的测定结果如表1所示.

表1　蓖麻秸秆发酵前后的TS、VS及pH变化

从表1可以看出，发酵后，未处理组料液的TS和VS降解率分别为21.39%和12.26%，处理组料液的TS和VS降解率分别为26.68%和17.2%，表明2%的氨水能显著提高蓖麻秸秆在厌氧干发酵中的降解率，其TS和VS降解率分别提高了24.73%和40.29%.表中显示未处理组的料液在发酵前后pH变化较大，而处理组料液在发酵前后pH始终保持弱碱性，综合分析表明沼气干发酵中的微生物群落在弱碱性条件下代谢更旺盛[11].

3.2产气情况及分析

3.2.1日产气量分析

图1中两条曲线分别表示蓖麻秸秆在不作任何处理和用2%的氨水处理两种条件下进行厌氧干发酵产沼气的日产气量变化，从图中可以看出，未处理组第1天即开始产气，且达到850 mL，但不能燃烧，经测定其甲烷含量仅为14%，主要以CO2为主，后面连续9 d几乎停止产气，这是沼气发酵酸化的典型标志；第11-27天产气恢复正常，在第25天出现了一次产气高峰为400 mL；随后第28-36天又停止产气，出现二次酸化现象；第37天至发酵结束产气再次正常，第38天达二次产气高峰490 mL.处理组的整个发酵过程未出现酸化现象，且总体符合沼气发酵中间高两边低的产气规律，甲烷含量也较高，在第34天达产气高峰980 mL.通过对比可得出2%的氨水处理后可使蓖麻秸秆的发酵体系更稳定，不易出现酸化现象，这主要是因为厌氧干发酵初期接种物中的水解菌与产氢产乙酸菌的数量远多于产甲烷菌，导致有机酸的积累，氨水起到酸碱缓冲的效果，最终促使发酵体系中的微生物快速趋于平衡.

图1　日产气量随发酵时间的变化曲线

3.2.2累积产气量分析

实验结束后，分别对两个实验组发酵周期内每一天的累计产气量作图分析，其变化曲线见如图2.

图2　累积产气量随发酵时间的变化曲线

图2中两条曲线分别表示发酵周期内每一天的累积产气量随发酵时间的变化，处理组在第1-10天产气量趋于平缓，而未处理组保持不变且高于处理组的累计产气量，原因是处理组在启动初期，其发酵体系中的微生物处于适应阶段，产气速率较慢，而未处理组第1天产气就达850 mL，但气体成分主要是CO2，不能燃烧，第2天后体系酸化停止产气.随后，处理组产气呈快速增长趋势，至第39天趋于平缓，未处理组从第11天又开始缓慢产气，但整个过程的产气速率及最终累计产气量明显弱于处理组，原因可能是氨水为微生物提供氮素，提高碳氮比，使其维持在发酵的正常范围(20∶1～30∶1)；维持发酵体系的酸碱平衡；能有效促进纤维素内部酯键的水解，进而提高原料的降解率.

3.2.3产气速率分析

为了有效衡量两个实验组在整个发酵周期内产气速率随发酵时间变化的规律，实验结束后，对每天的累积产气量占总产气量的百分比作图分析，其结果见图3.

图3　产气速率随发酵时间的变化

图3显示，在整个发酵过程中，处理组变化曲线明显比未处理组陡峭，两者的发酵周期分别为为67 d、77 d，且后者在两个时间段出现了停止产气现象，说明前者的产气速率更快且发酵体系更稳定，蓖麻秸秆在实际厌氧干发酵产沼气工艺中应选择用稀氨水进行预处理.处理组发酵至第36天时，累计产气量达到总产气量的80%，说明原料发酵产气主要集中在前36 d，在实际沼气发酵工艺中，为了有效缩短成本的回收期，发酵罐的水力滞留时间(HRT)应设计为36 d.

3.3产气潜力分析

根据蓖麻秸秆的TS和VS及相关数据，计算其厌氧干发酵产气潜力，结果见表2.

表2　蓖麻秸秆的产气潜力

3.4产气潜力的对比

为了综合分析评价蓖麻秸秆厌氧干发酵的产沼气潜力，将其与常见发酵原料进行对比，统计结果表见表3.

表3　常规发酵原料的产沼气潜力

表3显示，在厌氧干发酵实验中，蓖麻秸秆的产沼气潜力比牛粪和玉米秸秆、奶牛粪和浮萍两组混合原料的低，原因可能是粪便与其他原料混合后更适合厌氧干发酵体系中微生物的生长和繁殖，进而能促进原料的消化降解.然而，蓖麻秸秆的干发酵产气潜力与其他单种发酵原料相比明显偏高，与产气潜力较低的水葫芦渣相比，TS产气潜力为其3.7倍，VS产气潜力为其3.4倍，甚至还高于大多数原料的湿发酵产气潜力.综合对比，蓖麻秸秆作为厌氧干发酵的原料是可行的，但有必要进一步探究粪便与其混合后发酵的产气潜力.

4实验结论

实验结果表明：蓖麻秸秆在恒温30 ℃条件下进行干发酵产沼气是可行的，但用原料直接进行干发酵和用2%的氨水预处理后进行干发酵的产气情况存在差异：前者与后者的发酵周期分别为77 d和67 d，TS产气潜力分别为205 mL/g和281 mL/g，VS产气潜力分别为213 mL/g和292 mL/g，且前者易出现酸化现象，后者产气正常，甲烷含量也较高.可见，2%的氨水对蓖麻秸秆预处理后既可维持干发酵工艺的正常进行，避免酸化现象，还能加速原料中有机物的降解，明显提高其产气潜力.

蓖麻秸秆用2%的氨水预处理后产气情况较好的原因也可能是氨水为微生物提供了氮素，提高碳氮比，使其维持在发酵的正常范围(20∶1～30∶1)；维持发酵体系的酸碱平衡，能有效促进纤维素内部酯键的水解，进而提高原料的降解率.

在实际沼气干发酵工艺中，若以蓖麻秸秆作为发酵原料，建议用稀氨水预处理，由实验得出此发酵过程的产沼气时间主要集中在前36 d，此过程的累计产气量约为总产气量的80%，故在设计沼气工程时，为了有效缩短投资成本的回收期，发酵罐的水力滞留时间(HRT)应设计为36 d.

文章探究了蓖麻秸秆用稀氨水预处理后进行干发酵的产沼气情况，目的是为蓖麻种植业所产生的秸秆进行合理高效利用提供一种新的方法，但其沼气发酵的最佳工艺参数还有待进一步探究.

参考文献:

[1]高彩婷，宝力高，刘涛.蓖麻研究概况[J].内蒙古民族大学学报，2010，25(2)：178-180.

[2]潘国才，丁爱华.蓖麻的综合利用现状[J].农业科技与装备，2009 (1)：1-5.

[3]叶锋，汪德润.蓖麻毒素的毒性和毒素的分离及检测方法[J].中国油料作物学报，2004，26(1)：89-93.

[4]曾佑炜，宋光泉，彭永宏，等.蓖麻毒蛋白研究及应用进展[J].亚热带植物科学，2004，33(1)：60-63.

[5]何恒果.蓖麻提取液对菜青虫的生物活性研究[J].安徽农业科学，2010，38(15)：7929-7930.

[6]陆永跃，梁广文，邵婉婷，等.异源植物提取物对香蕉交脉蚜的控制作用[J].华中农业大学学报，2002，21(4)：334-337.

[7]尹秀玲，徐兴友，孟宪东，等.蓖麻的开发利用[J].生物学杂志，1998 (2)：35.

[8]赵建新，张树怀，佘国珍，等.蓖麻毒素粗提物杀虫作用的研究[J].内蒙古农业大学学报，2001，22(4)：78-80.

[9]徐齐云，钟国华，胡美英，等.蓖麻提取物对蔬菜害虫的杀虫活性研究[J].长江蔬菜，2006 (11)：35-36.

[10]李晓平，施静波，潘明珠.蓖麻秆制造人造板研究初探[J].林业科技开发，2008，22(3)：77-78.

[11]张加稳，林卫东，张无敌，等.酸木瓜籽产气潜力的实验探究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2014，34(6)：35-40.

[12]张无敌，宋洪川，尹芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2003.

[13]顾新娇，王文国，祝其丽，等.浮萍与奶牛粪混合厌氧干发酵研究[J].环境污染与防治，2014,36(7):18-22.

[14]杨先荣，张传，张亚松，等.不同温度对水葫芦渣干发酵产气潜力的影响[J].云南师范大学学报：自然科学版，2015,35(3):5-11.

[15]吉喜燕，林卫东，张无敌，等.3种原料中温干发酵和动力学研究[J].安徽农业科学，43(12):240-244.

[16]王艳锦，黄俊，张全国，等.小麦秸秆厌氧干发酵气肥联产试验研究[J].河南农业大学学报，2012,46(4):402-405.

[17]吕丹丹，席北斗，李秀金，等.不同混合比牛粪玉米秸秆中温干发酵产沼气性能[J].环境工程学报，2012,6(6)：2055-2011.

[18]魏本平，陈闯，卢秀红，等.醋糟干发酵产沼气潜力研究[J].中国沼气，2012,30(3)：30-34.

[19]郗登宝，黄枭，邱鑫，等.不同接种量对玉米秸秆厌氧发酵产气的影响[J].现代农业科技,2013 (9):213-216.

[20]覃国栋,刘荣厚，孙辰.NaOH预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响[J].农业工程学报，2011，27(1)：59-63.

[21]冯茵菲，丘凌，王晓曼，等.葵盘、麦秆和豆秆中温厌氧发酵产气潜力及特性[J].西北农业学报，2009,18(3)：361-364.

[22]王江丽，李为，严波，等.棉秆沼气发酵潜力的研究[J].浙江农业科学，2009 (1)：183-186.

[23]毛羽，张无敌.菠菜叶秆厌氧发酵产气潜力的研究[J].农业与技术,2004,24(2):38-41.

[24]李永丽，孙传伯，尹芳，等.甘蔗渣沼气发酵潜力的研究[J].科学决策，2008 (12)：45-46.

[25]张无敌.恶性有毒杂草紫茎泽兰的利用[J].云南林业科技,1996,3(1):78-80.

[26]邱凌，王晓曼，邱玉桥，等.不同草坪草废料厌氧发酵试验研究[J].中国沼气,2009，27(5)：15-17.

The Experiment of Biogas Dry Fermentation

with Ammonia Pretreatment of Castor Stalk

ZHANG Jia-wen1, LIU Li-chun2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1,

WANG Chang-mei1, ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1, Liu Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650092,China;

2.Rural Energy Management Station of Lijiang,Lijiang 674100,China)

Abstract:In order to avoid the waste of agricultural biomass resources, this study explored the methane-producing differences of dry fermentation in both cases that directly ferment and ferment after pretreatment of 2% ammonia,which used castor stalk fermentation as raw material under the condition of constant temperature 30 ℃.The results showed that fermentation period were 77 d,67 d respectively and biogas potential were 205 mL/g(TS),281 mL/g(VS) and 213 mL/g(TS),292 mL/g(VS) respectively.Moreover,the former was prone to acidize.Obviously,it is feasible to use castor straw as raw material of dry fermentation to produce biogas.The pretreatment with a certain amount of dilute aqua ammonia for castor straw can not only improve the gas potential, but also avoid the phenomenon of acidification.

Keywords:Castor stalk; Ammonia pretreatment; Biogas dry fermentation; Anaerobic fermentation potential

中图分类号：S216.4

文献标志码：A

文章编号：1007-9793(2015)06-0008-05

通信作者：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及利用方面研究；尹芳(1967-)，女，云南石屏人，副教授，硕士生导师，主要从事生物质能研究与开发利用方面研究.

作者简介：张加稳(1989-)，男，云南富源人，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程方面研究.

基金项目：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)、云南省应用基础研究基金(2014FA030)和云南省科技创新提升计划(2013DH041)联合资助项目.

收稿日期：*2015-10-08