廢棄的植物培養基厭氧發酵產氣潛力研究

成鏡等

摘要[目的]弄清廢棄植物培養基厭氧消化潛力與特性。[方法]以廢棄的植物培養基為發酵原料，以沼氣池底部的活性污泥為接種物，在常溫條件下進行了批式厭氧消化試驗，研究了廢棄的植物培養基與接種污泥各處理厭氧消化的產氣速率、潛力和產氣量。[結果]常溫條件下，混合培養基與接種污泥的TS比例為8∶1、濃度12%的處理，產氣量最高，為10 391.3 ml，并且發酵天數為5 d左右，發酵速度較快，產氣效果最好；混合培養基與接種污泥的TS比例為6∶1、濃度8%的處理，原料產氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發酵天數為4 d左右，說明原料被利用的水平高。 [結論]該研究為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設計提供了科學依據。

關鍵詞厭氧發酵；廢棄的植物培養基；沼氣；產氣速率

中圖分類號S216.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）29-267-06

培養基是一類為植物生長發育提供營養的物質，經組織培養后，廢棄的培養基仍是富含大量有機質的可利用資源。能進行厭氧消化產生沼氣的原料主要有畜禽養殖廢棄物，如豬、雞、牛、羊、鴨、兔等家畜家禽糞便；農作物的秸稈、雜草、樹葉等農產品加工的廢物、廢水（酒精廢醪、丙酮丁醇廢醪、味精、檸檬酸、淀粉、豆制品等加工廢水）。為了將廢棄物資源化利用，許多學者以人糞、馬糞、玉米秸、麥稈、稻草、青草、西瓜皮、馬蹄蓮秸稈、蠶豆殼、豬糞、羊糞、牛糞、兔糞、浮萍、奶牛糞、餐廚垃圾、魔芋、醋糟等為原料進行產沼氣潛力的試驗。但都是以常見的廢棄物作為發酵原料進行產沼氣潛力的研究，目前，還沒有以廢棄培養基為原料進行產沼氣潛力研究。筆者以廢棄培養基為發酵原料，研究其厭氧發酵產沼氣潛力，以期為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設計提供基礎參數。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用混合培養基（是將愈傷誘導培養基、體胚發生培養基、出苗培養基按質量比例1∶1∶1進行混合）取自中國熱帶農業科學院橡膠研究所五隊組培室，接種污泥取中國熱帶農業科學院試驗場三隊沼氣池。廢棄培養基、接種污泥及廢水理化性質見表1。

1.2試驗裝置該試驗采用批式厭氧消化工藝。試驗裝置包括厭氧消化裝置（500 ml 自制玻璃發酵罐）、管道系統（玻璃管和乳膠管）、氣體收集測量系統（濕式氣體流量計、1 L 廣口瓶、帶刻度集水瓶）、恒溫系統（普通型電熱恒溫水浴鍋）（圖1）。

1.3試驗方法

將取回的新鮮混合培養基去除雜質，并對其中的植物殘余進行粉碎。試驗在常溫下進行，混合培養基與接種污泥設置4種TS比例（10∶1、8∶1、6∶1、4∶1），然后分別加洗滌廢水稀釋成總固體（TS）濃度為8%、10%、12%的發酵液，然后將0.4 L發酵料液裝入消化罐內，每個處理重復 3 次。調節初始 pH 為 7.2 左右。并分別做接種污泥空白樣品，計算產氣量時扣除空白樣品產氣量。每天上午、下午分別震蕩反應瓶1 min，以起到攪拌作用。用 4 mol/L NaOH調節pH，使其維持在 7.2 左右。每次取樣或調節 pH 后，往反應瓶中通氮氣 2 min， 以保證厭氧環境。

1.4分析方法

pH：玻璃電極法；CODCr：重鉻酸鉀法；NH+4N：鈉氏試劑光度計；總固體（TS）：烘干法；VS（揮發性固體）：烘干法；全氮：紫外分光光度法；全磷：鉬銻抗分光光度法；全

鉀：火焰原子吸收法；有機碳：非分散紅外吸收法。以上分析方法參考《水和廢水監測分析方法》第 4 版[19]。

1.5數據處理與分析采用Excel2003和SPSS16.0軟件進行數據統計分析。

2結果與分析

2.1原料產氣速率與產氣潛力分析

2.1.1混合培養基與接種污泥TS比例為10∶1。由表2和圖2可知，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為10∶1時，濃度為8%的發酵液產氣速率在第3天達最大值，發酵前3 d累計產氣量占總產氣量的65.2%，前4 d占92.4%；濃度為10%的混合培養基發酵液產氣速率在第16天達最大值，發酵前10 d累計產氣量占總產氣量的34.9%，前15 d占63.8%；濃度為12%的混合培養基發酵液產氣速率在第3天達最大值，發酵前4 d累計產氣量占總產氣量的64.3%，前10 d占98.8%。對比3種發酵濃度條件下的原料產氣率，濃度8%的原料產氣率分別是濃度10%、12%的3.98、2.18倍。因此，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為10∶1，發酵液濃度為8%時的產氣效果最好。

2.1.2混合培養基與接種污泥TS比例為8∶1。由表3

和圖3可知，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為8∶1時，濃度為8%的發酵液產氣速率在第4天達最大值，發酵前4 d累計產氣量占總產氣量的82.2%；濃度

為10%的發酵液

產氣速率在第3天達最大值，發酵前3 d累計產氣量占總產

2.1.3混合培養基與接種污泥比例為6∶1。由表4和圖4可知，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥比例為6∶1時，濃度為8%的發酵液產氣速率在第3天達最大值，發酵前3 d累計產氣量占總產氣量的85.9%；濃度為10%的發酵液產氣速率在第2 d達最大值，發酵前2 d累計產氣量占總產氣量的68.9%；濃度為12%的發酵液產氣速率在第2天達最大值，發酵前3 d累計產氣量占總產氣量的90.7%。對比3種發酵濃度條件下的原料產氣率，濃度8%的原料產氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍。因此，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為6∶1，發酵液濃度為8%時原料被利用的水平高。

2.1.4混合培養基與接種污泥比例為4∶1。

由表5和圖5可知，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥比例為4∶1時，濃度為8%的發酵液產氣速率在第2天達最大值，發酵前2 d累計產氣量占總產氣量的60.7%；濃度為10%的發酵液產氣速率在第2天達最大值，發酵前2 d累計產氣量占總產氣量的92.8%；濃度為12%的發酵液產氣速率在第2天達最大值，發酵前2 d累計產氣量占總產氣量的74.8%。對比3種發酵濃度條件下的原料產氣率，濃度10%的原料產氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。因此，在常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為4∶1，發酵液濃度為10%時原料被利用的水平高。

2.2混合培養基與接種污泥不同TS比例、不同發酵液濃度的產氣量比較

由表6可知，常溫條件下，TS比例8∶1、濃度12%處理的產氣量最高，為10 391.3 ml，并且發酵天數為5 d，發酵速度比較快。其他處理產氣量由高到低依次為TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例6∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。

2.3混合培養基與接種污泥不同TS比例、不同發酵液濃度的原料產氣率比較。由表7可知，常溫條件下，TS比例6∶1、濃度8%處理的原料產氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發酵天數為4 d左右，說明原料被利用的水平高。其他處理的原料產氣率由高到低依次為TS比例8∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。其中，前4個處

理間在0.05水平上存在顯著性差異，TS比例10∶1、濃度

2.4不同混合培養基與接種污泥TS比例、發酵液濃度的產氣量的方差分析

從方差分析的結果（表8）可以看出，不同TS比例對產氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時的產氣量優于其他TS比例；不同發酵液濃度對產氣量有顯著影響，且濃度為12%時的產氣量優于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產氣量最高。從多重比較結果（表9和10）可以看出，TS比例4∶1與其他TS比例的產氣量有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間的產氣量有顯著性差異，前兩者的產氣量之間沒有顯著性差異；不同濃度間的產氣量也有顯著性差異，由高到低表現為12%>10%>8%。

2.5不同混合培養基與接種污泥TS比例、發酵料液濃度的原料產氣率的方差分析

根據方差分析的結果（表11）可以看出，不同TS比例對沼氣發酵的原料產氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時的原料產氣率優于其他TS比例；不同發酵料液濃度對原料產氣率有顯著影響，且濃度為8%時原料產氣率優于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產氣量有顯著影響，且TS比例為6∶1、濃度為8%的組合原料產氣率最高。從表12、13的多重比較結果可以看出，不同TS比例間的原料產氣率有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間的原料產氣率也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

3結論與討論

（1）在常溫條件下進行厭氧沼氣發酵，混合培養基與接種污泥TS比例為10∶1，發酵液濃度為8%時的產氣效果最好 ，濃度8%的原料產氣率分別是濃度10%、12%的3.98、218倍；混合培養基與接種污泥TS比例為8∶1，發酵液濃度為12%時的產氣效果最好，濃度12%的原料產氣率分別是濃度8%、10%的3.21、2.47倍；混合培養基與接種污泥TS比例為6∶1，發酵液濃度為8%時的產氣效果最好，濃度8%的原料產氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍；混合培養基與接種污泥TS比例為4∶1，發酵液濃度為10%時的產氣效果最好，濃度10%的原料產氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。

（2）常溫條件下，進行混合培養基厭氧發酵，不同TS比例對沼氣發酵的產氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時的產氣量優于其他TS比例；不同發酵料液濃度對產氣量有顯著影響，且濃度為12%時產氣量優于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對產氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產氣量最高。TS比例4∶1與其他TS比例有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間有顯著性差異，前兩者之間沒有顯著性差異；不同濃度間有顯著性差異，從高到低依次是12%>10%>8%。不同TS比例對沼氣發酵的原料產氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時的原料產氣率優于其他TS比例；不同發酵料液濃度對原料產氣率有顯著影響，且濃度為8%時原料產氣率優于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對原料產氣率有顯著性影響，且TS比例為6∶1、發酵液濃度為8%的組合原料產氣率最高。不同TS比例間有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

（3）從整個發酵過程的產氣量角度來看，常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為8∶1、濃度12%的處理，其發酵天數為5 d，產氣量最高，為10 391.3 ml，發酵效果比較好。如從原料產氣率的角度來看，常溫條件下，混合培養基與接種污泥TS比例為6∶1、濃度為8%處理的原料產氣率最高，為0.230 m3/kg（TS）。通常在進行厭氧發酵時，接種污泥的量占總發酵料液的30%，但是該研究接種污泥的比例只占總發酵料液的16.7%，這可能是因為該研究采用的發酵底物是廢棄的植物培養基，植物培養基中的營養成分很容易被微生物利用，不像作物秸稈、餐廚垃圾、豬糞等需要更多的微生物來降解，所以接種污泥的比例低，發酵速度快。

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