互花米草發(fā)酵產(chǎn)沼氣的潛力研究

安 雷 朱洪光 陳小華

摘要以互花米草、稻草和麥草為原料,采用常溫單相厭氧發(fā)酵工藝,進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn),結(jié)果表明:互花米草是一種較好的發(fā)酵原料,其TS產(chǎn)氣率可以達(dá)到0.20～0.23L/g;互花米草對(duì)反應(yīng)溶液的酸堿度有一定的緩沖能力,使發(fā)酵液不會(huì)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞互花米草;厭氧發(fā)酵;沼氣

中圖分類號(hào) S51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)14-0229-01

互花米草(Spartina alterniflora Loisel)屬禾本科米草屬多年生濕生草本植物,原產(chǎn)于北美洲大西洋沿岸[1]。20世紀(jì)80年代初引入我國(guó)用于保灘護(hù)岸,改良土壤,綠化海灘和改善海灘的生態(tài)環(huán)境。但因其有很強(qiáng)的生命力和繁殖能力,致使其在我國(guó)沿海分布范圍不斷擴(kuò)大,給沿海地區(qū)帶來一系列的危害[2]。為減小互花米草對(duì)我國(guó)沿海生態(tài)環(huán)境造成的危害,一些研究者提出了包括物理、化學(xué)和生物等不同的解決方法[3-5],但就目前情況看,效果并不是十分理想。互花米草是一種生物質(zhì)資源,如果它能像麥草、稻草等其他纖維素生物質(zhì)能源一樣用于厭氧消化產(chǎn)沼氣,那么不僅能為互花米草的治理提供一個(gè)新思路,而且能變害為寶。為此,開展了以互花米草、稻草和麥草為原料用于厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究,一方面研究互花米草用于厭氧消化產(chǎn)沼氣的可行性;另一方面對(duì)比互花米草與稻草、麥草產(chǎn)氣的潛力。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為互花米草、稻草和麥草。互花米草采自上海市南匯區(qū)東海海灘的互花米草鹽沼,稻草和麥草采自安徽省蒙城市。原料采集后放置于實(shí)驗(yàn)室,在自然條件下風(fēng)干,風(fēng)干后用切紙刀切成2～3cm的小段,用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)。接種物取自上海市松江污水處理廠的厭氧消化塔處理后的脫水污泥。原料物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)裝置和方法

采用批量發(fā)酵方式進(jìn)行,試驗(yàn)裝置由發(fā)酵裝置、氣體收集裝置和連接管道共同構(gòu)成(圖1)。發(fā)酵裝置由透明樹脂玻璃加工而成,分上下2個(gè)分體,通過法蘭連接,其中下分體為投料區(qū),上分體為集氣區(qū)。下分體口沿設(shè)置活動(dòng)格柵用于防止互花米草漂浮,避免發(fā)酵過程中發(fā)酵料表面結(jié)殼。定期用計(jì)量裝置進(jìn)行氣體體積計(jì)量。

由于試驗(yàn)旨在初步研究互花米草對(duì)比于其他原料厭氧消化的可行性,因此試驗(yàn)以原料的不同分為3組,同時(shí)設(shè)置一個(gè)空白參比組。發(fā)酵溫度為常溫,即將試驗(yàn)組的發(fā)酵裝置直接放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi),使其反應(yīng)溫度隨室內(nèi)環(huán)境溫度變化而變化。試驗(yàn)開始前,先在每組反應(yīng)器的下分體中,各投加風(fēng)干原料250g,并添加2%尿素用于調(diào)整C/N,投料同時(shí)投加接種物800g。然后連接反應(yīng)器上下分體,進(jìn)行密封。空白參比組只投加800g接種物,不投加原料,用于校正接種物有機(jī)質(zhì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)氣的影響。

試驗(yàn)前先對(duì)原料和接種物進(jìn)行物理化學(xué)成分測(cè)定,測(cè)定方法均按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[6]。試驗(yàn)開始后,每天分別測(cè)量3組試驗(yàn)裝置的產(chǎn)氣量,產(chǎn)氣量通過試驗(yàn)裝置中的氣體計(jì)量進(jìn)行測(cè)定。空白參比組因每日產(chǎn)氣量非常少,因此僅在試驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行總產(chǎn)氣量測(cè)定。

2結(jié)果與分析

試驗(yàn)的反應(yīng)周期為50d。3組反應(yīng)的日產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化的結(jié)果見圖2。可以看出,常溫條件下,稻草試驗(yàn)組和麥草試驗(yàn)組的產(chǎn)氣量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)波動(dòng)都比較大,而互花米草試驗(yàn)組在反應(yīng)初始階段日產(chǎn)氣量也有一定波動(dòng),但隨著產(chǎn)氣峰值的出現(xiàn),日產(chǎn)氣量趨于穩(wěn)定。3組試驗(yàn)總產(chǎn)氣量分別為:互花米草27 295mL;稻草22 455mL;麥草22 140mL。

3討論

3.1互花米草厭氧消化可行性及其產(chǎn)氣潛力分析

互花米草主要化學(xué)成分的含量與稻草、麥草比較接近,因此從這個(gè)角度分析互花米草厭氧發(fā)酵的規(guī)律與其他禾稈類原料類似。互花米草TS產(chǎn)氣率達(dá)到0.20～0.23L/g,與其他(下轉(zhuǎn)第238頁)

(上接第229頁)

生物質(zhì)原料相比TS產(chǎn)氣率相差不多,甚至優(yōu)于某些生物質(zhì)原料,表明互花米草是一種厭氧消化產(chǎn)沼氣較好的生物質(zhì)原料,其用于厭氧消化轉(zhuǎn)換的途徑是可行的。互花米草在我國(guó)沿海分布廣泛,截止到2008年,分布總面積達(dá)到34 451 hm2,如果將這些互花米草全部用于產(chǎn)沼氣,將是一筆巨大的生物質(zhì)能源。由此可見,互花米草蘊(yùn)含著非常龐大的生物質(zhì)能源,資源開發(fā)潛力巨大。

3.2互花米草產(chǎn)氣量分析

雖然互花米草試驗(yàn)組的峰值產(chǎn)氣量比稻草試驗(yàn)組和麥草試驗(yàn)組出現(xiàn)得遲,但在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi),除了開始階段,其日產(chǎn)氣量都比較穩(wěn)定。開始階段出現(xiàn)波動(dòng)可能是因?yàn)楫a(chǎn)酸菌大量繁殖,很容易迅速利用原料中的可溶性有機(jī)質(zhì)產(chǎn)酸,而產(chǎn)甲烷細(xì)菌繁殖慢,很難及時(shí)分解大量的有機(jī)酸,導(dǎo)致酸積累[7]。之后又趨于穩(wěn)定,這可能是因?yàn)榛セ撞輰冫}沼植物,其體內(nèi)含有一定的可溶性鹽類,這對(duì)反應(yīng)溶液的酸堿度有一定緩沖能力,將有利于產(chǎn)甲烷菌群的繁殖生長(zhǎng)。

4結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)于麥草和稻草,互花米草是一種用于沼氣發(fā)酵較好的原料,將其用于厭氧消化利用其生物質(zhì)能源是一條可行的途徑。互花米草作為沼氣發(fā)酵原料,對(duì)反應(yīng)溶液的酸堿度有一定的緩沖能力,試驗(yàn)過程中不需再添加堿度緩沖物質(zhì)。

互花米草作為一種入侵物種,能夠用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,這將對(duì)互花米草的治理以及改善生態(tài)環(huán)境有著十分重要的作用和意義。

5參考文獻(xiàn)

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[3] 王卿,安樹青,馬志軍,等.入侵植物互花米草:生物學(xué)、生態(tài)學(xué)及管理[J].植物分類學(xué)報(bào),2006(5):559-588.

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[7] 鄭元景,沈永明,沈光范.污水生物處理[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1988.