漆樹籽殘渣厭氧發(fā)酵產沼氣潛力研究

摘要[目的] 研究漆樹籽殘渣發(fā)酵產沼氣的可行性與潛力。[方法] 以漆樹籽殘渣為原料，在中溫30 ℃下，采用全混合批量發(fā)酵工藝，測定漆樹籽殘渣發(fā)酵過程中的TS產氣潛力、VS產氣潛力、日產氣量、產氣速率、pH等指標。[結果] 第3天發(fā)酵體系酸化，但在微生物調節(jié)下，第7天體系pH恢復至7.0，正常產氣。經60 d發(fā)酵，漆樹籽殘渣產沼氣潛力為594.29 ml/g（TS）或615.84 ml/g（VS）。[結論] 研究表明漆樹籽殘渣是一種很好的沼氣發(fā)酵原料。

關鍵詞 漆樹籽殘渣；厭氧發(fā)酵；沼氣；產氣潛力

中圖分類號S216.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10272-02

基金項目國家自然科學基金項目（21266032）； 云南省應用基礎研究面上項目（2010CD050）； 云南省科技條件平臺建設項目（2010DH012）聯合資助。

作者簡介楊順平（1989- ），男，云南昆明人，碩士研究生， 研究方向：生物質能。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事生物質能與環(huán)境工程研究。

漆樹是我國重要的經濟樹種，資源豐富。適宜生長在多霧、氣候濕潤的向陽山坡，喜暖溫、暖濕氣候，土壤偏酸性或微酸性。主要分布于陜西、湖北、四川、云南、貴州、甘肅、重慶等省市環(huán)繞的四川盆地四周的中低山地帶[1]。國內現有漆樹150多種，其中30多種能結籽，年產漆樹籽150萬t[2]。2008年，為不斷發(fā)展壯大云南漆樹產業(yè)，中國林業(yè)科學院資源昆蟲研究所與云南盛禾公司培育優(yōu)良漆樹品種，在云南省文山州硯山、廣南等縣，紅河州開遠縣規(guī)劃建設1.3萬hm2漆樹種植基地，現已建成1 000 hm2，種植漆樹350萬株，已經進入收獲期，年產生漆500 t，提煉漆蠟2 500 t，漆樹籽4 000 t[3]。

在漆樹籽提取漆蠟過程中產生了大量的漆樹籽殘渣，其主要成分為粗纖維、少量脂肪、蛋白質和非氮浸出物等[4]，其是沼氣發(fā)酵的良好原料。為此，該研究進行了在中溫條件下漆樹籽殘渣厭氧發(fā)酵產沼氣試驗，以期為漆樹籽殘渣在沼氣生產方面的應用提供依據。

1材料與方法

1.1試驗材料原料為漆樹籽經粉碎機粉碎，再用石油醚提油后的殘渣。經測定TS（總固體含量）為96.25%，VS（揮發(fā)性固體含量）為96.50%，pH為7.0。接種物為實驗室的混合厭氧活性污泥，經測定TS為9.97%，VS為57.51%，pH為7.0。

1.2試驗裝置試驗采用實驗室自制的500 ml批量發(fā)酵裝置，裝置示意見圖1。

1.3.1預處理。將漆樹籽殘渣從浸泡灌中取出，自然晾曬7 d，使其中少量的石油醚揮發(fā)，以減少石油醚對后期發(fā)酵的影響。

1.3.2試驗設計。試驗采用全混合中溫（30 ℃）批量式發(fā)酵，設置1個試驗組和1個對照組，每組設置3個平行；料液配比見表1，各組料液均加水至400 ml。

1.3.3分析與測試方法。pH采用pH 5.7～8.5的精密pH試紙測定。產氣量采用排水集氣法[5]進行測定。每天定時記錄計量瓶中水的體積，并計算各平行試驗的平均值。甲烷采用火焰顏色比色卡法[6]，根據點燃時的火焰顏色來估計沼氣中甲烷的含量。TS測定：將發(fā)酵原料樣品在（105±5） ℃溫度下烘至恒重后，計算干物質的質量分數。計算公式如下[7]：

2結果與分析

2.1料液TS、VS及pH發(fā)酵前后料液TS、VS和pH變化情況見表2。由表2可知，試驗組和對照組發(fā)酵前后料液的TS和VS含量均有所下降，且試驗組TS和VS降低量明顯高于對照組。這是由于對照組的原料是長期馴化后的活性污泥，其含有的可降解有機物較少，因此VS含量下降較少。經進一步計算可知，試驗組料液的TS和VS降解率分別為20.96%和15.20%；對照組料液的TS和VS降解率分別為16.66%和2.44%。這表明漆樹籽殘渣能被發(fā)酵微生物有效降解。

2.2產氣情況分析

2.2.1日產氣量。 漆樹籽殘渣日產氣量與發(fā)酵時間的關系見圖2。由圖2可知，由于接種物的活性較低，漆樹籽殘渣沼氣發(fā)酵試驗啟動較慢，第1天凈產氣量為61 ml；第2天凈產氣量為67 ml，可以點燃，但不能連續(xù)燃燒，火焰顏色為微藍色，說明甲烷含量大約為40%。第3天時產氣量突然下降，第4天產氣量僅有18 ml；經測定pH為5.5，發(fā)酵體系出現酸化。在微生物的自我調節(jié)下，發(fā)酵體系第7天恢復正常，pH為7.0；在第9天時出現第一個產氣高峰，日產氣量為143 ml，點燃后火焰顏色為桔黃色且連續(xù)燃燒，甲烷含量大約為70%。第25天時產氣量達到最高，為299 ml。第35天產氣再次出現峰值，為238 ml。其后產氣量逐漸下降，直至整個試驗結束。整個試驗歷時60 d，日平均產氣量為119 ml。

2.2.2產氣速率。對試驗累積產氣量進行統(tǒng)計，結果見表3。由表3可知，對于漆樹籽殘渣，其前5 d的產氣量較少，這是由于第3天體系酸化，pH為5.5，導致體系中產甲烷菌不能正常代謝的結果。在微生物的自我調節(jié)下，體系恢復正常后，產氣量平穩(wěn)上升。整個厭氧發(fā)酵過程中，主要產氣階段集中在10～45 d，從662 ml增加到6 609 ml；最快產氣階段為20～40 d，從1 253 ml增加到6 052 ml，平均每天產氣217 ml。

2.3產氣潛力分析漆樹籽殘渣發(fā)酵產沼氣潛力中總產氣量為7 150 ml，產氣潛力為572 ml/g，TS產氣潛力為594.29 ml/g（TS），VS產氣潛力為615.84 mg/g（VS）。

為更好地評價漆樹籽殘渣厭氧發(fā)酵產沼氣的潛力，將其與其他原料在相同條件和發(fā)酵工藝下產沼氣潛力進行比較，結果見表4。表4中的TS產氣潛力的倍數為漆樹籽殘渣TS產氣潛力與其他原料TS產氣潛力之比。