紫莖澤蘭與牛糞混合干發(fā)酵產沼氣的試驗研究

李 珍， 蘇有勇， 曹茂炅

(昆明理工大學 現代農業(yè)工程學院， 昆明 650504)

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紫莖澤蘭與牛糞混合干發(fā)酵產沼氣的試驗研究

李 珍， 蘇有勇， 曹茂炅

(昆明理工大學 現代農業(yè)工程學院， 昆明 650504)

為實現紫莖澤蘭的資源化利用，文章采用批量發(fā)酵方式開展紫莖澤蘭與牛糞混合干發(fā)酵產沼氣的試驗研究。在35℃±1℃條件下，應用正交試驗考察草糞比、發(fā)酵濃度及接種物濃度對產氣量影響。試驗結果表明，因素影響主次依次為：發(fā)酵濃度>接種物濃度>草糞比。紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣最優(yōu)工藝條件為：草糞比1∶2，發(fā)酵濃度20%，接種物濃度30%。在此優(yōu)化條件下，TS產氣率為123.05 mL·g-1，沼氣中甲烷平均含量57.13%，TS及VS最高去除率為61.65%和49.57%，紫莖澤蘭最高降解率為21.41%。研究結果為后續(xù)紫莖澤蘭干發(fā)酵工藝提供一定基礎，為紫莖澤蘭資源化利用提供理論參考。

紫莖澤蘭； 混合干發(fā)酵； 沼氣

紫莖澤蘭原產美洲的墨西哥和烏拉圭等地，屬被子植物門雙子葉植物綱菊科澤蘭屬[1]，俗稱“敗馬草”、“黑莖草”、“臭草”、“飛機草”、“霸王草”等[2]。于二十世紀40 年代由我國云南省南部中緬邊境傳入，擴張速度極快，現已在云南、貴州、四川等省廣泛分布，嚴重威脅我國南方熱帶、亞熱帶地區(qū)的農業(yè)發(fā)展及生態(tài)安全[3-4]。紫莖澤蘭的光合效率高、生物量大，脫毒后可用作飼料[5]，可作為能源物質利用。紫莖澤蘭作為惡性入侵雜草傳入我國，研究目標也由單純的防除轉化成資源利用[6-7]。有研究表明[8-9]，紫荊澤蘭可用于厭氧發(fā)酵產沼氣，理論產氣潛力為631.83 L·kg-1VS，但紫莖澤蘭中毒素不僅能抑制發(fā)酵菌種的活性，而且嚴重毒害發(fā)酵菌種，同時難降解的纖維素、半纖維素和木質素相互混雜、交聯(lián)，使紫莖澤蘭制備沼氣工藝產氣率低，啟動時間長[11]。人畜糞便含有較多的易分解化合物，如牛糞組分以有機質為主，是沼氣發(fā)酵的優(yōu)質原料，發(fā)酵周期較短，將秸稈與畜禽糞便混合發(fā)酵可以提高發(fā)酵效率[11-12]。目前，國內外關于紫莖澤蘭產沼氣的研究主要集中探究脫毒后紫莖澤蘭產沼氣的研究，且多以濕法發(fā)酵為主，而關于未脫毒紫莖澤蘭干發(fā)酵產沼氣研究甚少。本試驗采用批式發(fā)酵方式，開展未脫毒紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣的研究，探明未脫毒紫莖澤蘭混合牛糞發(fā)酵產氣特性及最佳工藝條件，為進一步優(yōu)化紫莖澤蘭混合糞便干發(fā)酵工藝提供理論依據，為后續(xù)未脫毒紫莖澤蘭資源化處理提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

牛糞：取自昆明市附近奶牛養(yǎng)殖場，自然干燥后儲存?zhèn)溆谩?/p>

紫莖澤蘭：取自昆明理工大學校園，去葉全株干燥后，粉碎過40目篩子備用。

接種菌種：取自昆明理工大學農業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究室豬糞厭氧發(fā)酵后的活性污泥。

經測定，厭氧發(fā)酵底物的基本性質見表1。

表1 厭氧發(fā)酵底物的基本性質 (%)

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、計量瓶和恒溫裝置組成。選用500 mL廣口瓶作為發(fā)酵瓶，利用橡膠塞密封，橡膠塞上設有導氣口；集氣瓶為500 mL廣口瓶，瓶口用橡膠塞密封，橡膠塞上連接有用于導氣和排氣的三通管，底部的排水口與計量瓶底部連接；計量瓶為500 mL廣口瓶，瓶壁上標有用于測量氣體體積的刻度；恒溫裝置的溫度波動范圍為35℃±1℃。

1.3 試驗設計

為確定紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵最佳工藝，主要考察草糞比、發(fā)酵濃度及接種物濃度對產沼氣的影響。筆者在前期試驗研究的基礎上，文章采用L9(34)正交表設計試驗，具體的試驗設計見表2。

1.發(fā)酵瓶； 2.恒溫水槽； 3.集氣瓶； 4.計量瓶圖1 試驗裝置

表2 正交試驗因素及水平

1.4 試驗方案

根據正交試驗設計方案，本研究一共進行9組混合原料沼氣發(fā)酵試驗。筆者的所有試驗的發(fā)酵物料總質量均為400 g，發(fā)酵瓶的總體積為400 mL。各組試驗的原料配比見表3。每組試驗設試驗組和對照組，每組設3個平行。試驗共進行90天，每天記錄產沼氣量和甲烷含量。發(fā)酵啟動后，每7天測定料液pH值，沼氣中CH4含量。試驗前后測定料液TS，VS，纖維素含量。

表3 原料配比

1.5 測定項目及方法

(1)總固體(TS)含量和揮發(fā)性固體(VS)含量：參照文獻[13]中的相關方法進行測定。

(2)pH值：采用pHS-3C酸度計進行測定。

(3)產氣量：利用排水集氣法收集沼氣，根據水的體積測量出沼氣的產量。

(4)底物干物質產氣率,mL·g-1：根據沼氣總產量和發(fā)酵底物干物質的質量按下式進行計算：

式中：V為沼氣總產量，mL；m為發(fā)酵底物干物質質量，g。

(5)纖維素、半纖維素、木質素參照文獻[14]中的相關方法進行測定。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

采用EXCEL軟件對數據進行分析，應用方差分析法對正交試驗結果進行處理。試驗以TS產氣潛力作為評價指標，正交試驗其結果與極差分析如表4所示，方差分析見表5。

表4 正交試驗結果與極差分析

表5 正交試驗方差分析

由表4和表5可知，各因素對紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣影響大小依次為：發(fā)酵濃度>接種物濃度>草糞比。其中發(fā)酵濃度對TS產氣潛力影響非常顯著，是其主要影響因素；接種物濃度的影響顯著；草糞比對TS產氣潛力影響不顯著。根據表4得到在此試驗條件下的紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣最優(yōu)工藝條件為：草糞比為1∶2，發(fā)酵濃度為20%，接種物用量為30%。

2.2 日產氣量和甲烷含量

正交試驗平均日產氣量變化趨勢見圖2。從圖2可以看出，9組試驗平均日產氣變化趨勢基本一致。干發(fā)酵開始第1天，出現產氣高峰，隨后迅速下降，進入酸化階段，10天后進入產沼氣高峰期。各組產氣量均不穩(wěn)定，干發(fā)酵過程中缺少攪拌，微生物與發(fā)酵原料接觸不均所致。

圖2 平均日產氣量

沼氣品質取決于沼氣中甲烷含量，甲烷含量越高沼氣的熱值越高。而甲烷含量與產甲烷微生物數量及活性密切相關。接種物的濃度直接影響產甲烷微生物數量。每周測定一次甲烷含量，紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣試驗平均甲烷含量見圖3。由圖3可知，9組試驗組平均甲烷含量不一，甲烷含量最高為第3組的57.13%，平均甲烷含量穩(wěn)定于45.84%～56.14%之間，滿足燃燒的基本要求。

圖3 平均甲烷含量

2.3 發(fā)酵料液pH值的變化趨勢

發(fā)酵過程中pH值的變化趨勢如圖4所示。從圖中可以看出，各組試驗的pH值變化趨勢基本一致，發(fā)酵啟動時由于揮發(fā)性酸的積累，發(fā)酵料液的pH值迅速降低至5.54～6.10之間，一周后試驗組2和3的pH值仍為5.7左右，此時基本不產氣(見圖2)，其余試驗組pH值均保持在6.94～7.20之間并開始穩(wěn)定產氣。隨后試驗組的pH值變化范圍保持在7.21～8.32之間上下波動。紫莖澤蘭混合牛糞厭氧發(fā)酵產沼氣的pH值變化趨勢與其他秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣pH值變化趨勢一致[15]。

圖4 混合干發(fā)酵的pH值變化趨勢

2.4 TS和VS去除率

紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵前后發(fā)酵料液中TS及VS去除率如圖5所示。從圖中可以看出，所有試驗組的TS和VS均有不同程度減少，其中試驗組3和試驗組4的去 除率最高，分別為61.65%和49.57%。同時，當草糞比為2∶1時平均TS和VS的去除率隨著發(fā)酵濃度的增加而增加，當草糞比為1∶1時平均TS與VS的去除率隨與發(fā)酵濃度成負相關，當草糞比為1∶2時平均TS和VS的去除率與發(fā)酵濃度關系不大。因此，紫莖澤蘭混合牛糞厭氧發(fā)酵過程中TS的去除率來自紫莖澤蘭與牛糞，而VS的去除率主要來自紫莖澤蘭的降解。

2.5 纖維素、半纖維素和木質素降解情況

干發(fā)酵前后發(fā)酵料液中木質纖維素含量見表6。發(fā)酵原料紫莖澤蘭與牛糞經過自然風干，木質纖維素含量較高，未預處理的紫莖澤蘭秸稈中半纖維素與纖維素交聯(lián)。由表6可知，試驗組干發(fā)酵完成后，半纖維素含量大幅度下降，除試驗組2外其余組纖維素含量均增加，紫莖澤蘭中被包裹的木質素釋放，發(fā)酵料液中總木質素含量增加。木質纖維素最高降解率為21.41%。試驗證明干發(fā)酵過程中微生物能利用木質纖維素，半纖維的分解對于干發(fā)酵產氣貢獻大于纖維素。

圖5 TS和VS去除率

表6 干發(fā)酵前后木質纖維素的降解 (%)

3 結論

紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣試驗35℃中溫發(fā)酵，發(fā)酵時間90天，應用正交試驗方差分析得出最優(yōu)工藝條件為：草糞比1∶2,發(fā)酵濃度20%,接種物濃度30%。因素影響大小依次為：發(fā)酵濃度>接種物濃度>草糞比。紫莖澤蘭混合牛糞干發(fā)酵產沼氣試驗證明，未脫毒的紫莖澤蘭在混合畜禽糞便時，紫莖澤蘭對產甲烷微生物毒害抑制作用減小，干發(fā)酵能正常啟動產沼氣，甲烷平均含量57.13%，TS產氣潛力達123.05 mL·g-1。

紫莖澤蘭混合牛糞厭氧發(fā)酵過程中TS的去除率由紫莖澤蘭與牛糞共同作用，VS的去除率主要來自紫莖澤蘭的降解，最高TS和VS去除率分別為49.57%和61.65%。木質纖維素最高降解率為21.41%，微生物能利用木質纖維素，半纖維的分解對于干發(fā)酵產氣貢獻大于纖維素。

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Dry Fermentation of Eupatorium Adenophorum Spreng Mixed with Cow Dung /

LI Zhen, SU You-yong, CAO Mao-jiong /

(Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

To realize resource utilization ofEupatoriumadenophorumsperng, batch fermentation was adopted to carry out the dry fermentation ofEupatoriumAdenophorumSprengmixed with cow dung. The effect of fermentation concentration, ratio of dung to straw, and inoculum concentration on biogas yield were investigated by orthogonal experiment under the temperature of 35℃±1℃. The results showed that the order of influence was fermentation concentration>inoculum concentration > ratio of dung to straw. The optimum condition was straw-dung mixing ratio of 1∶2, fermentation concentration of 20%, and inoculum concentration of 30%. Under this optimum condition, the TS gas production rate obtained 123.05 mL·g-1, average methane content was 57.13%, the highest TS and VS removal rate reached 61.65% and 49.57%, respectively. The highest degradation rate ofEupatoriumadenophorumsperngwas 21.41%.

Eupatoriumadenophorumsperng； mixed dry fermentation； biogas

2015-04-29

李 珍(1991-)，女，湖北荊州人，碩士，主要從事生物能源方面的研究工作，E-mail: lz.117@qq.com

蘇有勇，E-mail: 497611561@qq.com

S216.4; X71

A

1000-1166(2016)02-0041-05