浮萍厌氧消化产气性能分析①

于博涵 付莉莉 穆瑶佳1, 谭德冠 孙雪飘 韩冰莹③

(1 南京农业大学生命科学学院 江苏南京 210059；2 中国热带农业科学院热带生物技术研究所/海南省热带生物质能源工程技术研究中心 海南海口571101)

浮萍(Lemnaceae)为浮萍科水面浮生植物，生长于水田、池沼或其他静水水域，繁殖速率快，接近指数增长。全世界共有5个属：青萍(Lemna)、多根紫萍(Spirodela)、少根紫萍(Landoltia)、芜萍(Wolffia)和扁芜萍(Wolfiella)，37个种。在中国有4个属，10个种。浮萍主要用于饲料用途，目前浮萍已被认为是最具有发展潜力的战略性新型非粮生物质原料之一[1-6]。Clark等[7]在批次和半连续试验中将含铁丰富的浮萍和鸡粪进行发酵，结果表明浮萍的加入显著提高了微生物的演替速率，气体产量增加约44%。张东旭等[8]将浮萍和猪粪干重为1:1的混合物进行为期50 d的中温厌氧消化，结果表明， 在有机负荷为3.5 g(VS)/L/d时，浮萍与猪粪混合物的VS产气率为310 mL/g·VS。赵永彦[9]采用批量发酵工艺以浮萍为发酵原料，在 30℃恒温条件下，进行厌氧消化产沼气实验，结果表明，浮萍产沼气的潜力为 424 mL/g·TS，502 mL/g·VS。本试验用浮萍和羊粪混合进行发酵，既能产生清洁能源—沼气，又有利于研究浮萍的资源化利用。

1 材料与方法

1.1 材料

试验采用的浮萍由中国热带农业科学院热带生物技术研究所生物质能源研究室培养，品种源自海南本地，将浮萍烘干备用；羊粪取自海口市演丰镇农村养殖厂，经过驯化后备用。发酵原料的理化指标： 羊粪的TS[物料中固体成分(干物质量)] 为24.63%，VS(物料中可挥发性成分)为75.51%； 浮萍的TS为10.17%， VS为84.27%。

1.2 方法

1.2.1 实验装置设计

实验装置由发酵部分、集气部分、计量部分组成，其中发酵部分为1 000 mL锥形瓶，集气部分为1 000 mL广口瓶，计量部分为1 000 mL量杯，详见图1。

图1 实验装置示意图

1.2.2 厌氧发酵

厌氧消化试验中的原料为浮萍和羊粪，设置1组空白对照组、6组实验组，实验组按投料比例，羊粪：浮萍(TS)分别为1:1.0、1:1.5、1:2.0、1:2.5、1:3.0和1:3.5(表1)。按比例将原料填充入1000mL的锥形瓶后加入600 mL水充分震荡、摇匀，调节pH为7，将反应器置于35℃恒温水浴锅，之后用玻璃管和胶塞与装满水的集气部分和计量部分相连接，并用凡士林将各瓶口密封防止漏气。发酵时间为恒温发酵35 d，每天手动摇晃反应器2次，并定时记录厌氧发酵日产气量和累计产气量。空白组是在相同条件下，只加入等量羊粪进行厌氧发酵。日产气量和累计产气量的计算须扣除空白组产气量的影响，取3次试验数据平均值。

表1 物料配比

1.2.3 测定方法

VS的测定：马弗炉灼烧法[10]。将烘干后的样品放入马弗炉(550～600℃)内灼烧4 h，待质量不再变化取出称量，挥发的重量即VS，每个样品设置3组平行，取平均值。

TS的测定：烘干恒重法[11]。将待测样品放入烘箱中，调节烘箱温度为(105±5)℃，将样品烘干至恒重，取出进行称量，每个样品设置3组平行，取平均值。

pH的测定：pH计测定法[12]。将pH计校准后使用去离子水冲洗pH电极并擦干，将被测溶液搅拌均匀，边搅拌边将电极插入待测溶液，待读数稳定后得到待测溶液的pH。

产气量的测定：排水集气法。在集气瓶内加满水，量杯里的排水量即为每天的产气量，每天于上午9点记录排水量。

甲烷含量的测定：专业气体检测仪检测。对实验最终集气瓶内收集的气体，使用WOSTTM专业气体检测仪进行读数检测。

2 结果与分析

2.1 不同物料比对厌氧消化日产气量的影响

由图2可知，对照组前期基本不产气，从发酵中期开始产气，但产气量低，且不稳定，其余各组日产气量趋势大体相同，日产气量随时间增长逐渐上升，在发酵中期10～20 d出现最高峰，随后逐渐下降。可以发现1:2.5、1:3.0、1:3.5这3组的日产气量峰值最高，但是1:2.5这组的高峰值出现得较早，随着浮萍比例增加，日产气量最高峰出现时间向后推迟，这说明随着物料的增加，厌氧发酵微生物需要更多的时间来繁殖。到达35d时，1:3.0和1:3.5这2组还有少量产气，其余各组均不产气，这说明浮萍添加量过高，还没有完全被降解，但日产气量已经处于较低水平。

2.2 不同物料比对厌氧消化累积产气量的影响

图2 不同原料配比对日产气量的影响

由图3可知， 1:1.0、 1:1.5、 1:2.0、 1:2.5、 1:3.0、1:3.5物料比厌氧消化35 d的累积产气量分别为1 226、1 909.5、 2 643.5、 3 350、 3 729.5、 3 838 mL； 浮萍添加量增加，累计产气量也相对升高，但1:2.5物料比总累计产气量虽低于1:3.0和1:3.5，但累计产气量上升时间较早，厌氧发酵后期累计产气量趋于平稳，这有利于半连续式投料发酵产沼气。

2.3 厌氧消化前后料液的TS，VS和pH

图3 不同物料比对累积产气量的影响

由表2可知，对照组厌氧发酵前后料液的TS、VS变化不大，随着浮萍投入比例加大，实验组TS，VS的消耗量逐渐升高，这说明浮萍在厌氧消化过程中可以被微生物有效降解，厌氧消化前后的pH保持在7.0不变，始终处于厌氧消化的正常范围内。

2.4 厌氧消化潜力分析

对厌氧消化潜力相关各个指标进行了差异显著性分析，由表3可知，不同浮萍添加比例，差异性显著，随着浮萍投放比例的加大，净产气量逐渐增多，最高为1:3.5，达到3 838 mL，1:3与其无显著差异，1:2.5虽然产气量略低于1:3和1:3.5，但也达到了3 350 mL处于较高水平。TS产气率、VS产气率随着浮萍投放比例增加，也呈逐渐上升趋势，在1:2.5达到最高值，TS产气率194.64 mL/g、VS产气率210.71 mL/g，与1:3和1:3.5差异性不显著，1:3和1:3.5略有降低，这可能与浮萍添加比例过大有关，浮萍质量轻，漂浮在液面处，添加比例越高，堆积的越密集，这样不利于微生物与浮萍的接触，对产气效率产生一定影响；1:2.5显著高于1:1、1:1.5、1:2。浮萍产气率1:2.5最高为77.75 mL/g，高于1:2，但与其差异不大，与其他比例差异性显著。随着浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐渐提高，1:3、1:3.5的比例相对于1:2.5的比例提高不大，无显著差异，1:2.5的甲烷含量为51.93%。可以看出，不同的浮萍添加量达到一定比例后对甲烷含量的影响不大(51.93%～53.07%)，这可能与同样的接种羊粪中的微生物群落组成分布基本一致有关[13]。

表2 厌氧消化前后TS、V S、pH变化

表3 不同物料比产气率变化

对厌氧消化潜力各指标之间进行了相关性分析，由表4可知，TS产气率、VS产气率、净产气量、甲烷含量这4项指标之间呈显著正相关，浮萍产气率与其他各个指标之间无显著相关关系，这证明，浮萍比例增大，净产气量逐渐增大，各项指标也随之增大，高于1:2.5的比例时，产气高峰出现时间滞后，产气率出现降低趋势，这可能与浮萍添加比例过大有关。

表4 各指标相关性分析

3 讨论与结论

通过不同原料比的试验可以看出，35℃恒温条件下，以浮萍为原料进行厌氧消化可以产沼气，产气的高峰在中期阶段第10～20天，20 d日产气量呈下降趋势，30 d后除1:3和1:3.5外均不产气，而1:3和1:3.5还有少量产气的原因是这2个比例的浮萍添加量过多，浮萍质量较轻，全部漂浮在液面处，处于上层的浮萍无法和厌氧消化微生物进行有效接触，只有处于下层的浮萍被微生物分解后才能与微生物进行有效接触，30 d的时候浮萍并没有被完全分解，这也是导致这2个比例条件下产气高峰出现时间滞后的原因。累积产气量随浮萍比例增大而增加，1:2.5(羊粪：浮萍)累积产气量稍低于1:3、1:3.5，达到3 350 mL，这可能是1:3和1:3.5浮萍添加量过大，在厌氧消化后期还产有少量沼气，但这2个比例的产气高峰出现时间与1:2.5相比有所延后，这说明随着物料的增加，厌氧发酵微生物需要更多的时间来繁殖，这不利于实际应用中的半连续补料式发酵。厌氧消化潜力最大的比例为1:2.5，最高为194.64 mL/g TS，这与顾新娇[3]研究的浮萍产气潜力202 mL/g TS相差不大；赵永彦[9]采用批量发酵工艺以鲜浮萍为发酵原料，浮萍产沼气的潜力为 424 mL/g TS，高于本试验结果2.18倍，也并未遇到鲜浮萍难降解的问题，这可能是他们的发酵底物经过长期驯化，菌群可高效分解鲜浮萍。1:2.5的比例条件下，35 d内浮萍的利用率最高，随着浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐渐提高，所有比例的甲烷含量均＞40%，已经具备了燃烧条件，1:3，1:3.5两个比例的甲烷含量相对于1:2.5的51.93%提高不大，综合考虑，认为1:2.5(羊粪:浮萍)的比例是浮萍厌氧消化的最佳比例。

利用浮萍进行厌氧消化还有几方面的问题需要解决：如果想要获得较高的产气量，就要投入较多的浮萍，浮萍过多，会堆积漂浮在液面处，不利于微生物与浮萍的接触，影响产气效率；进行厌氧消化时使用鲜浮萍会出现产气时间滞后，通过前期试验发现，鲜浮萍可以在发酵条件下很长一段时间内不被消化，可能是由于其叶片上表皮细胞具有较厚的角质层和蜡质层，可以一定程度上抵御微生物的降解，这就使利用浮萍厌氧消化需增加了烘干浮萍（使其失去生物活性)这一操作步骤。解决了上述问题，浮萍将成为很好的厌氧消化原料。