紫茎泽兰与牛粪混合干发酵产沼气的试验研究

李 珍， 苏有勇， 曹茂炅

(昆明理工大学 现代农业工程学院， 昆明 650504)



紫茎泽兰与牛粪混合干发酵产沼气的试验研究

李 珍， 苏有勇， 曹茂炅

(昆明理工大学 现代农业工程学院， 昆明 650504)

为实现紫茎泽兰的资源化利用，文章采用批量发酵方式开展紫茎泽兰与牛粪混合干发酵产沼气的试验研究。在35℃±1℃条件下，应用正交试验考察草粪比、发酵浓度及接种物浓度对产气量影响。试验结果表明，因素影响主次依次为：发酵浓度>接种物浓度>草粪比。紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气最优工艺条件为：草粪比1∶2，发酵浓度20%，接种物浓度30%。在此优化条件下，TS产气率为123.05 mL·g-1，沼气中甲烷平均含量57.13%，TS及VS最高去除率为61.65%和49.57%，紫茎泽兰最高降解率为21.41%。研究结果为后续紫茎泽兰干发酵工艺提供一定基础，为紫茎泽兰资源化利用提供理论参考。

紫茎泽兰； 混合干发酵； 沼气

紫茎泽兰原产美洲的墨西哥和乌拉圭等地，属被子植物门双子叶植物纲菊科泽兰属[1]，俗称“败马草”、“黑茎草”、“臭草”、“飞机草”、“霸王草”等[2]。于二十世纪40 年代由我国云南省南部中缅边境传入，扩张速度极快，现已在云南、贵州、四川等省广泛分布，严重威胁我国南方热带、亚热带地区的农业发展及生态安全[3-4]。紫茎泽兰的光合效率高、生物量大，脱毒后可用作饲料[5]，可作为能源物质利用。紫茎泽兰作为恶性入侵杂草传入我国，研究目标也由单纯的防除转化成资源利用[6-7]。有研究表明[8-9]，紫荆泽兰可用于厌氧发酵产沼气，理论产气潜力为631.83 L·kg-1VS，但紫茎泽兰中毒素不仅能抑制发酵菌种的活性，而且严重毒害发酵菌种，同时难降解的纤维素、半纤维素和木质素相互混杂、交联，使紫茎泽兰制备沼气工艺产气率低，启动时间长[11]。人畜粪便含有较多的易分解化合物，如牛粪组分以有机质为主，是沼气发酵的优质原料，发酵周期较短，将秸秆与畜禽粪便混合发酵可以提高发酵效率[11-12]。目前，国内外关于紫茎泽兰产沼气的研究主要集中探究脱毒后紫茎泽兰产沼气的研究，且多以湿法发酵为主，而关于未脱毒紫茎泽兰干发酵产沼气研究甚少。本试验采用批式发酵方式，开展未脱毒紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气的研究，探明未脱毒紫茎泽兰混合牛粪发酵产气特性及最佳工艺条件，为进一步优化紫茎泽兰混合粪便干发酵工艺提供理论依据，为后续未脱毒紫茎泽兰资源化处理提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛粪：取自昆明市附近奶牛养殖场，自然干燥后储存备用。

紫茎泽兰：取自昆明理工大学校园，去叶全株干燥后，粉碎过40目筛子备用。

接种菌种：取自昆明理工大学农业生物环境与能源工程研究室猪粪厌氧发酵后的活性污泥。

经测定，厌氧发酵底物的基本性质见表1。

表1 厌氧发酵底物的基本性质 (%)

1.2 试验装置

试验装置如图1所示，主要由发酵瓶、集气瓶、计量瓶和恒温装置组成。选用500 mL广口瓶作为发酵瓶，利用橡胶塞密封，橡胶塞上设有导气口；集气瓶为500 mL广口瓶，瓶口用橡胶塞密封，橡胶塞上连接有用于导气和排气的三通管，底部的排水口与计量瓶底部连接；计量瓶为500 mL广口瓶，瓶壁上标有用于测量气体体积的刻度；恒温装置的温度波动范围为35℃±1℃。

1.3 试验设计

为确定紫茎泽兰混合牛粪干发酵最佳工艺，主要考察草粪比、发酵浓度及接种物浓度对产沼气的影响。笔者在前期试验研究的基础上，文章采用L9(34)正交表设计试验，具体的试验设计见表2。

1.发酵瓶； 2.恒温水槽； 3.集气瓶； 4.计量瓶图1 试验装置

表2 正交试验因素及水平

1.4 试验方案

根据正交试验设计方案，本研究一共进行9组混合原料沼气发酵试验。笔者的所有试验的发酵物料总质量均为400 g，发酵瓶的总体积为400 mL。各组试验的原料配比见表3。每组试验设试验组和对照组，每组设3个平行。试验共进行90天，每天记录产沼气量和甲烷含量。发酵启动后，每7天测定料液pH值，沼气中CH4含量。试验前后测定料液TS，VS，纤维素含量。

表3 原料配比

1.5 测定项目及方法

(1)总固体(TS)含量和挥发性固体(VS)含量：参照文献[13]中的相关方法进行测定。

(2)pH值：采用pHS-3C酸度计进行测定。

(3)产气量：利用排水集气法收集沼气，根据水的体积测量出沼气的产量。

(4)底物干物质产气率,mL·g-1：根据沼气总产量和发酵底物干物质的质量按下式进行计算：

式中：V为沼气总产量，mL；m为发酵底物干物质质量，g。

(5)纤维素、半纤维素、木质素参照文献[14]中的相关方法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

采用EXCEL软件对数据进行分析，应用方差分析法对正交试验结果进行处理。试验以TS产气潜力作为评价指标，正交试验其结果与极差分析如表4所示，方差分析见表5。

表4 正交试验结果与极差分析

表5 正交试验方差分析

由表4和表5可知，各因素对紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气影响大小依次为：发酵浓度>接种物浓度>草粪比。其中发酵浓度对TS产气潜力影响非常显著，是其主要影响因素；接种物浓度的影响显著；草粪比对TS产气潜力影响不显著。根据表4得到在此试验条件下的紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气最优工艺条件为：草粪比为1∶2，发酵浓度为20%，接种物用量为30%。

2.2 日产气量和甲烷含量

正交试验平均日产气量变化趋势见图2。从图2可以看出，9组试验平均日产气变化趋势基本一致。干发酵开始第1天，出现产气高峰，随后迅速下降，进入酸化阶段，10天后进入产沼气高峰期。各组产气量均不稳定，干发酵过程中缺少搅拌，微生物与发酵原料接触不均所致。

图2 平均日产气量

沼气品质取决于沼气中甲烷含量，甲烷含量越高沼气的热值越高。而甲烷含量与产甲烷微生物数量及活性密切相关。接种物的浓度直接影响产甲烷微生物数量。每周测定一次甲烷含量，紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气试验平均甲烷含量见图3。由图3可知，9组试验组平均甲烷含量不一，甲烷含量最高为第3组的57.13%，平均甲烷含量稳定于45.84%～56.14%之间，满足燃烧的基本要求。

图3 平均甲烷含量

2.3 发酵料液pH值的变化趋势

发酵过程中pH值的变化趋势如图4所示。从图中可以看出，各组试验的pH值变化趋势基本一致，发酵启动时由于挥发性酸的积累，发酵料液的pH值迅速降低至5.54～6.10之间，一周后试验组2和3的pH值仍为5.7左右，此时基本不产气(见图2)，其余试验组pH值均保持在6.94～7.20之间并开始稳定产气。随后试验组的pH值变化范围保持在7.21～8.32之间上下波动。紫茎泽兰混合牛粪厌氧发酵产沼气的pH值变化趋势与其他秸秆厌氧发酵产沼气pH值变化趋势一致[15]。

图4 混合干发酵的pH值变化趋势

2.4 TS和VS去除率

紫茎泽兰混合牛粪干发酵前后发酵料液中TS及VS去除率如图5所示。从图中可以看出，所有试验组的TS和VS均有不同程度减少，其中试验组3和试验组4的去 除率最高，分别为61.65%和49.57%。同时，当草粪比为2∶1时平均TS和VS的去除率随着发酵浓度的增加而增加，当草粪比为1∶1时平均TS与VS的去除率随与发酵浓度成负相关，当草粪比为1∶2时平均TS和VS的去除率与发酵浓度关系不大。因此，紫茎泽兰混合牛粪厌氧发酵过程中TS的去除率来自紫茎泽兰与牛粪，而VS的去除率主要来自紫茎泽兰的降解。

2.5 纤维素、半纤维素和木质素降解情况

干发酵前后发酵料液中木质纤维素含量见表6。发酵原料紫茎泽兰与牛粪经过自然风干，木质纤维素含量较高，未预处理的紫茎泽兰秸秆中半纤维素与纤维素交联。由表6可知，试验组干发酵完成后，半纤维素含量大幅度下降，除试验组2外其余组纤维素含量均增加，紫茎泽兰中被包裹的木质素释放，发酵料液中总木质素含量增加。木质纤维素最高降解率为21.41%。试验证明干发酵过程中微生物能利用木质纤维素，半纤维的分解对于干发酵产气贡献大于纤维素。

图5 TS和VS去除率

表6 干发酵前后木质纤维素的降解 (%)

3 结论

紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气试验35℃中温发酵，发酵时间90天，应用正交试验方差分析得出最优工艺条件为：草粪比1∶2,发酵浓度20%,接种物浓度30%。因素影响大小依次为：发酵浓度>接种物浓度>草粪比。紫茎泽兰混合牛粪干发酵产沼气试验证明，未脱毒的紫茎泽兰在混合畜禽粪便时，紫茎泽兰对产甲烷微生物毒害抑制作用减小，干发酵能正常启动产沼气，甲烷平均含量57.13%，TS产气潜力达123.05 mL·g-1。

紫茎泽兰混合牛粪厌氧发酵过程中TS的去除率由紫茎泽兰与牛粪共同作用，VS的去除率主要来自紫茎泽兰的降解，最高TS和VS去除率分别为49.57%和61.65%。木质纤维素最高降解率为21.41%，微生物能利用木质纤维素，半纤维的分解对于干发酵产气贡献大于纤维素。

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Dry Fermentation of Eupatorium Adenophorum Spreng Mixed with Cow Dung /

LI Zhen, SU You-yong, CAO Mao-jiong /

(Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

To realize resource utilization ofEupatoriumadenophorumsperng, batch fermentation was adopted to carry out the dry fermentation ofEupatoriumAdenophorumSprengmixed with cow dung. The effect of fermentation concentration, ratio of dung to straw, and inoculum concentration on biogas yield were investigated by orthogonal experiment under the temperature of 35℃±1℃. The results showed that the order of influence was fermentation concentration>inoculum concentration > ratio of dung to straw. The optimum condition was straw-dung mixing ratio of 1∶2, fermentation concentration of 20%, and inoculum concentration of 30%. Under this optimum condition, the TS gas production rate obtained 123.05 mL·g-1, average methane content was 57.13%, the highest TS and VS removal rate reached 61.65% and 49.57%, respectively. The highest degradation rate ofEupatoriumadenophorumsperngwas 21.41%.

Eupatoriumadenophorumsperng； mixed dry fermentation； biogas

2015-04-29

李 珍(1991-)，女，湖北荆州人，硕士，主要从事生物能源方面的研究工作，E-mail: lz.117@qq.com

苏有勇，E-mail: 497611561@qq.com

S216.4; X71

A

1000-1166(2016)02-0041-05