波斯菊秸秆发酵产气潜力研究

赵振兴 王昌梅 张无敌 丁鹏力 尹芳 赵兴玲 吴凯 柳静 杨红 刘士清

摘要：以波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）秸秆为原料，在恒温（30±0.5） ℃的条件下进行批量式沼气发酵试验，设计对照组（120 mL接种物）和试验组（120 mL接种物+11.91 g波斯菊秸秆）。结果表明，试验组沼气发酵时间为33 d，净产气量为3 248 mL，计算得出波斯菊秸秆的总固体含量产气潜力为289 mL/g，挥发性固体含量产气潜力为282 mL/g。

关键词：波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）;沼气发酵;产气潜力

中图分类号：S216.4;X705         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）08-0060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.013           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： A batch biogas fermentation experiment was carried out with the straw of Cosmos bipinnata as raw material at （30±0.5） ℃ at constant temperature. The control group （120 mL inoculum） and the experimental group （11.91 g straw of Cosmos bipinnata） were used to test the biogas fermentation. The results showed that the biogas fermentation time of the experimental group was 33 d and the net gas production was 3 248 mL. The gas production potential of the straw of Cosmos bipinnata was calculated， and the gas potential of total solid content was 289 mL/g， and the gas potential of volatile solid content was 282 mL/g.

Key words： Cosmos bipinnata Cav.; biogas fermentation; potential for gas production

波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.），别名大波斯菊、秋英，在甘肃、青海被称作八瓣梅[1]，在藏区亦称“张大人花”[2]，是一年生或多年生草本植物，高1～2 m。根纺锤状，多须根，或近茎基部有不定根。茎无毛或稍被柔毛。花期一般为6—8月，果期则在9—10月。

波斯菊是一种观赏植物，原产美洲墨西哥[3]，中国栽培甚广，在路旁、田埂、溪岸也常自生。云南、四川西部有大面积归化，海拔可达2 700 m。其喜光，耐贫瘠土地[4]，虽为观赏植物，但花期结束后大量的秸秆对环境造成了较大污染，不仅造成了资源的极大浪费，而且大大降低了自身的附加值，因此对波斯菊秸秆的利用与研究具有重要意义[5]。本试验通过切碎的波斯菊秸秆进行厌氧发酵产沼气的研究，旨在探索广泛种植的波斯菊秸秆合理利用的途径。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  发酵原料  发酵原料采用云南省昆明市云南师范大学校园的波斯菊秸秆，经测定波斯菊秸秆的TS（总固体含量）为94.11%，VS（挥发性固体含量）为96.75%。

1.1.2  接种物  接种物为云南师范大学太阳能研究所生物质能课题组实验室长期驯化的猪粪厌氧发酵活化污泥，经测定，其TS为10.66%、VS為63.49%，pH为7.0。

1.1.3  试验装置  采用实验室自制的容积为500 mL的批量式发酵装置，该装置由500 mL发酵瓶、   500 mL集气瓶、500 mL计量瓶以及温控系统组成。波斯菊秸秆发酵的试验装置如图1所示[6]。

1.2  方法

1.2.1  原料预处理  将波斯菊秸秆剪切成1 cm的小段，以便厌氧发酵时与接种物充分接触混合。

1.2.2  试验设计  采用批量式沼气发酵工艺。①发酵系统料液的配比。1个试验组和1个对照组均重复设置3个平行试验，具体配比如下。试验组TS为10.66%的接种物120 mL，波斯菊秸秆11.91 g，加水至400 mL。对照组TS为10.66%的接种物120 mL，加水至400 mL。②试验过程中，通过运用智能数显温控仪（C3W-221）确保中温厌氧发酵环境的正常运行，使发酵温度维持在（30±0.5） ℃。③试验启动后，每天定点记录各套装置的产气量，每隔2～4 d利用气相色谱仪（GC9790II）测定甲烷的含量。

1.2.3  测定项目及方法  ①pH的测定。采用5.7～8.5精密pH试纸测定pH，测得pH为7.0。

②TS测定。将样品放置在（105±1） ℃烘箱内烘干4 h至恒重，利用电子天平称量。计算样品去除水分后剩余干物质的质量分数[7]。

式中，W0为样品重量（g）;W1为样品烘干至恒重后的重量（g）。

③VS测定。将TS测定后恒重的总固体在（550±5） ℃下烧至恒重，利用电子天平称量。计算挥发性物质的质量分数[7]。

式中，W2为灰分重量（g）。

④产气量测定。采用排水集气法收集气体并测定产气量，试验启动以后，每天同一时间（20：00）记录各组的产气量，通过计算各组平行试验的平均产气量来确定发酵过程中每天的产气量。

⑤甲烷含量测定。采用实验室GC9790II气象色谱仪测定其甲烷、氢气、二氧化碳的含量。

2  结果与分析

2.1  发酵前后发酵材料及接种物各参数对比

试验前后发酵料液的TS、VS及pH等结果变化见表1。由表1可知，发酵原料的TS和VS在发酵之后均有一定程度的降低，其中试验组的TS和VS降解率明显高于对照组，对照组的TS和VS的降解率较低，这与发酵过程中对照组几乎不产气的规律完全相符。根据数据可发现发酵料液的pH在发酵前后有所变化，但仍然维持在发酵的较佳pH范围内。

2.2  产气情况分析

2.2.1  净产气量  试验正式启动后，每天定时记录产气情况，通过对数据的计算分析得到波斯菊秸秆厌氧发酵时间和产气量的规律。试验组的日产气量变化曲线见图2。由图2可知，波斯菊秸秆的产气曲线符合批量式沼气发酵原料产气的一般规律，即启动后1 d就开始产气，随着发酵时间的增长，产气量开始逐渐呈波动增加，达到峰值后，产气量又逐渐下降，18 d时停止产气，经对料液pH的检测，确定是原料酸化导致产气停滞[8]。经过一段时间的恢复，23 d时产气量又有所回升。沼气发酵时间为33 d，33 d后发酵体系停止产气，即波斯菊秸秆的发酵周期为33 d。启动第一天，虽有产气，但所产气体不能点燃，说明甲烷含量很低，所产气体中其他杂质气体较多。2～7 d，每天的产气量呈上升趋势，并在7 d时达到了日产气量的高峰，达350 mL，此时点燃的火焰为淡蓝色，从火焰颜色判断产气中的甲烷含量在40%～50%[9]，8 d时开始，产气量有所下降，下降至  9 d后开始上升，并在11 d时达到第二个产气量高峰，为197 mL，此时气体点燃后火焰颜色为深蓝色，根据颜色判断，甲烷含量应该在60%～70%[9]，此后产气量开始呈下降趋势，18 d时停滞，经过恢复，24 d时又开始产少量气体，达到一个小峰值后，产气量逐步降低，33 d后发酵体系停止产气，表明波斯菊秸秆沼气发酵基本结束。

2.2.2  所产气体中CH4含量  试验组每3 d测一次产气量，所测甲烷含量见图3。由图3可看出，从产气开始，甲烷含量持续上升，并在12 d时达到最大值，此时的甲烷含量为62.58%，而所产气体点燃后，火焰颜色为深蓝色;后随着产气量的急剧下降，甲烷含量也随之下降至0，这主要原因是酸化导致发酵停滞，经过一段时间恢复，22 d时又逐渐开始产气，经测定，第二阶段从开始产气到试验结束，仅在24 d时甲烷含量最高，且所产气体无法正常点燃，此后逐渐下降，直至反应结束。

2.2.3  累计产气量  试验组的累计产气量曲线见图4。从图4可以看出，整个发酵过程累计产气量为3 248 mL。1～16 d累积产气量呈陡增状态，表明波斯菊秸秆的产气量增长率变化较大。酸化结束后，累计产气量增长趋势趋于平缓，之后逐渐平稳。发酵前18 d，由于波斯菊秸秆中所含营养物质较多，易于微生物生长，故产气较快[10]，酸化阶段结束后由于发酵原料中微生物所需营养物质减少，无法为甲烷菌提供足够的养分，再加之微生物数量有所下降，导致后期产气量较少且产气效益变慢[11]。18 d时，产气总量已经超过总产气量3 248 mL的89%，由此可确定在实际的工程设计中，发酵罐的水力滞留时间（HRT）可设计为18 d，符合一般沼气发酵罐的设计参数，资金投资较小，易于回收。

3.3  不同原料的产气潜力对比

为进一步评判波斯菊秸秆的产沼气潜力，对在相同发酵温度下，各类植物发酵原料的发酵时间以及相应TS产气潜力进行横向比较，结果[11-16]见表2。由于温度是影响沼气产气效率、发酵周期的主要生态因子[17]，为获取准确的比较结果，需在同一溫度段对同类原料的TS产气率进行比较[8]。表2中的原料均未采取任何化学预处理，具有可比性。由表2可知，波斯菊秸秆发酵的TS产气潜力为289 mL/g，高于落叶类和表中所列大部分植物性原料，是最低TS产气潜力的5.35倍（三角枫产气潜力为54 mL/g）。而波斯菊秸秆的TS产气潜力低于早熟禾秸秆（457 mL/g）、麦秸秆（450 mL/g）、玉米秸秆（447 mL/g）、勿忘我花秆（359 mL/g）和玫瑰秸秆（305 mL/g），但这些原料发酵时间均长于波斯菊秸秆原料的发酵时间，在实际沼气工程中，除了原料的经济成本，还要考虑时间和综合利用效率，以波斯菊秸秆为发酵原料，可减少时间等投资成本，有效提升经济效益。

虽然波斯菊秸秆发酵过程出现了酸化，但发酵过程不需要添加外源物质调节，发酵体系能够在短时间内自动恢复，且恢复后产气状况较为正常，故可将波斯菊秸秆用来发酵产沼气，又因为波斯菊秸秆的TS产气潜力相对较高，不仅能为实际的沼气工程提供一定的发酵原料，还可以有效解决每年大量的秸秆废弃物资源浪费和环境污染问题，因此利用波斯菊秸秆进行厌氧发酵产沼气是可行的，是缓解环境污染、建立新的生态平衡、实现整体良性循环的一条途径[18]。除了产生沼气外，沼气发酵残留物可作为沼肥施用于花卉种植基地，其较高的肥效又能促进花卉的生长[19]。

3  小结

1）以波斯菊秸秆为发酵原料，在（30±0.5） ℃进行批量式沼气发酵试验，当发酵进行到33 d时，其产气量变为零，且从29 d时产气量逐渐下降，说明发酵原料的厌氧消化几乎停滞，故发酵时间为33 d，这个发酵周期在相同发酵条件下的秸秆发酵中是相对较短的。