沼液水培-水培植物循环制沼技术

向天勇，蓝建明，张正红，何文辉

(嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036)

沼液水培-水培植物循环制沼技术

向天勇，蓝建明，张正红，何文辉

(嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036)

探索沼液循环利用途径。结果表明，通过沼液水培，狐尾草、铜钱草、水葫芦、大漂在18 d的时间里生物量分别增加117.6%、212.3%、74.1%、91.3%，1 500 mL沼液水培可净生产2 000 g左右的水生植物(鲜重)用于循环制沼，35 d可获得甲烷含量70%以上的沼气约20 l，所产沼液可循环用于水培。

沼液； 水培； 厌氧发酵； 循环利用

随着沼气工程的大规模发展，如何妥善处置发酵残留物已经成为限制厌氧发酵技术发展的瓶颈性问题[1]。沼液中速效性养分含量较高[2]，将沼液作为资源，对沼液营养物质加以利用，是处置沼液的优选方式。但沼液在应用中因含有有害微生物[3]、重金属[4]、抗生素残留[5]等，对食品、环境与生态安全具有潜在风险。研究表明，用稀释后的厌氧发酵液种植水葫芦等水生植物，可显著去除氮、磷等营养盐[6]，还可将获得的水生植物用作发酵原料回到沼气发酵罐[7]实现循环利用，不仅能净化沼液、富集营养成分，还能避免污染物直接接触生物链，降低沼液直接利用的安全风险。据此，拟通过试验进一步探索沼液水培-水培植物循环制沼技术，为后续的应用推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

大漂、狐尾草、水葫芦、铜钱草等植物种苗均采自嘉兴市郊河道。沼气发酵菌种采自嘉兴市植物园沼气池，池龄4 a，以羊粪、树叶等为主要原料，产气状况良好。

1.2 方法

将用沼液水培的大漂、狐尾草、水葫芦、铜钱草洗净后等量混合，按1∶1质量比加入自来水打浆，浆渣分离后取浆液备用。

试验前取浆液1 500 mL，加入尿素4 g，接种沼液原液300 mL，用2.0 L锥形瓶于恒温水浴锅内预发酵。每天升温1 ℃驯化中温发酵菌种，升温至35 ℃后恒温发酵，待产气稳定后选择产气良好的发酵液作为后续中温发酵菌种。

试验时浆液同前处理，接种已驯化菌种，35 ℃恒温发酵，排水法收集产生的气体，每天记录产气量，并用甲烷检测仪检测甲烷浓度，计算产甲烷量。待产气量显著下降并保持在较低水平时结束发酵。沼液检测氮、磷、钾等营养成分的含量，水培尾水稀释8倍后用于新一轮植物培养。

根据不同水生植物対沼液的适应性特点，采用狐尾草-铜钱草-水葫芦-大漂的组合布局，在自制的40 m串联管道水培装置(分层置于组培架上)中进行沼液水培。试验时先称取试验植物的质量，然后采用1∶8(质量体积比)的沼液缓慢循环流过串联装置进行水培。水培结束时统计植物的生长量，分别检测水培植物浆渣、浆液以及沼液的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)、总糖等营养成分的含量(鲜重)，植物及浆液中营养成分的总量根据1 500 mL浆液培养4种植物的生物量及浆液计算得出，沼液养分总量为1 500 mL浆液中养分的总含量，营养成分的利用率=植物养分总量/沼液养分总量。

氮、磷、钾含量采用NY 525—2012中规定的方法测定，总糖采用GB/T 20977—2007中规定的方法测定。所有数据均进行3次平行测量，取平均值。

2 结果与分析

2.1 以水生植物浆液为原料的厌氧发酵特点

将水培植物打浆后，35 ℃中温厌氧发酵制备沼气，每天定时统计产气量，检测甲烷浓度，结果如图1所示。

图1 植物浆液发酵的产气量及甲烷浓度变化

1 000 g新鲜植物加水打浆后可获得1 500 mL左右的浆液。植物浆液发酵6 d后进入产气高峰，并维持10 d左右，19 d以后产气量再次小幅上升，持续10 d左右，33 d以后，产气量连续3 d保持在较低水平，发酵液变得澄清，判定为厌氧发酵的营养基本耗尽。甲烷浓度在发酵7 d达到60.8%，此后一直保持在70%～80%。35 d共产气10 386.36 mL，折合纯甲烷7 433.18 mL，鲜料产气量为0.010 3 m3·kg-1。期间最大容积产气率为0.52 m3·m-3·d-1，并有8 d维持在0.252 m3·m-3·d-1以上，沼气平均甲烷浓度高于70.8%。说明所采用的植物浆液是优质的沼气发酵原料。

2.2 沼液全量水培的生物累积量

采用狐尾草-铜钱草-水葫芦-大漂串联管道水培的方法，将厌氧发酵所产生的沼液全量稀释用于水培。以1个发酵单元(1 500 mL浆液)为例，统计18 d后各种水生植物的生物累积量，结果如图2所示。狐尾草、铜钱草、水葫芦、大漂的生物量分别增加了117.6%、212.3%、74.1%、91.3%。1 500 mL浆液发酵后，等量沼液用于水生植物水培，可净产生2 020.05 g的生物量(鲜重)，而每个单元消耗的水生植物原料在1 000 g左右，证实沼液水培水生植物在满足循环制沼的原料需求的前提下，还可以获得近1倍的额外生物质。

图2 沼液全量水培的生物累积量

2.3 沼液水培循环制沼的营养成分利用率

检测4种植物及浆渣、浆液的营养成分含量(鲜重)，以及1 500 mL沼液及水培植物营养成分的含量，以及营养成分的利用率，结果如表1所示。大漂氮和总糖含量较高，水葫芦磷、钾含量较高。利用沼液水培后，植物营养成分的含有量与沼液营养成分的含有量基本达到平衡，植物对沼液中营养成分的利用率分别为氮89.5%，磷78.8%，钾93.0%。通过水培，总糖增加了194.7%。通过打浆后，浆渣带走44.1%的氮、53.9%的磷、18.7%的钾，同时用作厌氧发酵的浆液总糖与总氮的含量比接近50∶1；因此，在下一轮浆液厌氧发酵前，应补充相应量的氮、磷、钾，以保证营养平衡，尤其是应补充足够的氮源以保证适宜的碳氮比。

表1 水培植物及沼液营养成分的含量

2.4 沼液水培循环制沼的物料与时间平衡

采用沼液水培循环制沼工艺，在试验条件下，各个环节原辅料的可获得量与实际用量如表2所示。2 000 mL发酵罐留出300 mL菌种后，1 500 mL沼液水培可净生产2 000 g左右的水生植物，而发酵所用植物的量在1 000 g左右，因此在生产中沼液水培可保证更高浓度发酵的原料需求。发酵的主要辅料是水，沼液稀释用水和打浆用水共13 000 mL，可循环利用水培尾水(生产中只需要补充部分蒸发损失的水量即可)。这样既节约水资源，防止营养成分的流失，同时又不致产生新的污染源。考查营养成分的利用率，植物材料在打浆制备发酵浆液的过程中，除浆渣带走约1.03 g的氮元素、0.13 g的磷、0.79 g的钾外，主要营养成分都在各个工艺环节中闭环循环，补充少量营养成分即可实现营养成分的平衡。

表2 沼液水培循环制沼各环节的原辅料用量

厌氧发酵的周期约为33 d，而最大产气区间在20 d以内，植物水培周期为18 d，即便是保持在最大产气区间换料，沼液水培与厌氧制沼在时间上也完全可以取得平衡。

3 讨论

通过沼液水培循环制沼工艺，形成了水生植物培养与厌氧制沼的封闭的循环链，输入有限的营养成分即可满足循环的正常运转。循环中利用制沼的残余养分，通过光合作用生产有机生物质，进而生产清洁能源，基本实现了物料、生产周期的自我平衡，不产生新的废弃物，是一种理想的沼气工程发展方式。

为减少生物质原料厌氧发酵过程中的结壳现象，本试验采用植物浆液进行发酵，且仅仅进行了一轮循环，各种营养成分再循环过程中的利用率及添加量还需要长期的多轮循环试验验证。在实际生产中，还可采用全料发酵的方法加大废渣中营养成分的利用，并充分利用沼液培养生产的植物原料进行高浓度发酵，以获得更高的产气效率。当然，在长期的封闭循环过程中，有害成分是否会积累，甚至影响循环的正常运行，还有待于深入的研究。

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[2] 陈为, 孟红英, 王永军. 沼渣、沼液的养分含量及安全性研究[J]. 安徽农业科学, 2014(23):7960-7962.

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[5] 陈永山, 章海波, 骆永明,等. 典型规模化养猪场废水中兽用抗生素污染特征与去除效率研究[J]. 环境科学学报, 2010, 30(11):2205-2212.

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(责任编辑：高 峻)

2017-05-12

浙江省重点科技创新团队项目(2013TD12)；嘉兴市科技计划项目(2014AY21029)；浙江省科技计划项目(2017C33226)

向天勇(1971—)，男，湖北恩施人，副教授，博士，从事生物资源的开发与应用研究工作，E-mail：tyxiang2006@163.com。

文献著录格式：向天勇，蓝建明，张正红，等. 沼液水培-水培植物循环制沼技术[J].浙江农业科学，2017，58(11)：1913-1915.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171116

S181

B

0528-9017(2017)11-1913-03