燈盞花殘渣發酵產沼氣試驗

許國芹++尹芳++張無敵++趙興玲++柳靜++楊紅++王昌梅++劉士清

摘要：在總固體（TS）發酵原料為6%的條件下，以經過3個月堆漚預處理的燈盞花殘渣為原料，在恒溫30 ℃下，采用批量式工藝進行厭氧消化試驗。結果表明，經過堆漚預處理的試驗組發酵時間為35 d，其TS產氣率為368 mL/g，揮發分（VS）產氣率為449 mL/g，原料產氣率為69 mL/g，池容產氣率為0.11 mL/（mL·d）。將燈盞花殘渣與其他植物原料進行比較，產氣特性因原料的物理性質和化學性質不同而不盡相同。

關鍵詞：燈盞花殘渣；植物性生物質原料；厭氧消化；產氣潛力

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0861-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.017

Research on Biogas Production by the Residue of Erigerm breviscapus

XU Guo-qin，YIN Fang，ZHANG Wu-di，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，YANG Hong，WANG Chang-mei，LIU Shi-qing

（School of Energy and Environment Science， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： On the condition of total solid concentration of 6% and temperature of 30 ℃，the anaerobic digestion technology by residue of the Erigerm breviscapus（Vant.） was studied. The results showed that fermentation time of the experimental group was 35 days. The gas production potential of total solid （TS） was 368 mL/g，of volatile solid （VS） was 449 mL/g，of raw material was 69 mL/g，and of tank was 0.11 mL/（mL·d）. Compered with other vegetalitas biomass materials，gas production characteristics were distinguishing in cause of physical and chemical properties of biomass materials being different.

Key words： residue of the Erigerm breviscapus（Vant.）； vegetalitas biomass materials； anaerobic digestion； biogas production potential

燈盞花是菊科植物短葶飛蓬[Erigerm breviscapus（Vant.） Hand.-Mazz]的干燥全草，又名燈盞細辛、東菊，主要分布于中國西南地區，首載于《滇南本草》，《中華人民共和國藥典》1977年版一部曾予以收載[1]。燈盞花性寒、微苦、甘溫辛，具有驅寒除濕、解表散寒、活血散瘀、通經活絡、消炎止痛的療效[1]。因此，在醫學上，人們廣泛利用燈盞花治療各種疾病，例如心血管病、高黏脂血癥等[2]。但是，制藥公司提取燈盞花的藥用價值后，許多殘渣得不到有效處理，隨生活垃圾一起傾倒在農田或者戶外，或者晾干后直接燃燒，這不僅污染大氣環境和人們的生存環境，而且降低了燈盞花的使用價值，加大企業生產成本。近年來，人們對燈盞花的藥用價值研究比較透徹，但是對提取后燈盞花殘渣的處理問題研究甚少。本試驗探究了堆漚預處理后的燈盞花殘渣發酵進行厭氧消化的可能性，為中草藥殘渣資源化利用提供了一條新的途徑，為制藥企業的可持續發展解決了后顧之憂。

1 材料與方法

1.1 發酵原料及接種物

發酵原料來源于云南省騰沖縣制藥廠。經過堆漚后，其總固體（TS）、揮發分（VS）分別為16.86%、81.90%，pH 6.5。

豬糞類接種物：實驗室長期馴化的豬糞接種物。其TS、VS分別為16.24%、72.60%，pH 7.0。

1.2 試驗裝置

采用實驗室自制的500 mL的批量式發酵裝置，裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理 將燈盞花堆漚預處理3個月，然后將其切碎成小于2 cm的小段，以便充分與接種物混勻，有利于發酵試驗的啟動。

1.3.2 試驗設計與料液配比 根據試驗設計原則，設置對照組和試驗組，每組設置3個平行。料液的配比如下：①試驗組。120 mL接種物+26.76 g已進行堆漚預處理的燈盞花殘渣，加水至400 mL；②對照組。120 mL接種物，加水至400 mL。在試驗過程中，每天定點記錄產氣量和每3 d測定沼氣成分；試驗結束后計算其總產氣量，并用各組的總產氣量減去對照組的相應值作為最終產氣量。

1.3.3 發酵方式 采用恒溫（30 ℃）條件進行批量式發酵。

1.3.4 測定項目及方法 ①pH。采用5.5～9.0精密pH試紙測定；②產氣量。采用排水（飽和食鹽水）集氣法測定。試驗啟動之后，每天19：00定時記錄每組的產氣量，以各組3個平行的平均產氣量作為各組的表征產氣量；③氣體成分分析。采用福立GT100型氣相色譜儀測定，每累積3 d的沼氣測定一次沼氣成分；④TS、VS。按沼氣發酵常規分析方法測定[3]。

2 結果與分析

試驗共進行了35 d，對試驗前后的TS、VS及發酵料液pH進行測定，對日產沼氣量和甲烷含量（扣除對照產氣量）進行統計分析，最后得出燈盞花殘渣發酵產沼氣的規律。

2.1 日產氣情況分析

每天19：00定時記錄產氣量，通過計算分析得到燈盞花殘渣發酵時間與日產氣量之間的規律，如圖2所示。從圖2可以看出，燈盞花殘渣厭氧消化產氣與一般沼氣發酵規律[3]（發酵初期開始產氣，但產氣量較少，隨著發酵進行產氣量逐漸增加，達到產氣高峰后，產氣量逐漸下降）相同。燈盞花殘渣的發酵時間為35 d，啟動后5 d時開始產氣，產氣量達到25 mL，可以燃燒，但是不連續。這說明發酵微生物需要一定時間適應新的混合體系，不能快速有效地對燈盞花殘渣進行利用；發酵10 d時，燈盞花殘渣發酵的日產氣量仍低于50 mL，但是甲烷含量為50%，符合沼氣成分中甲烷含量在50%～70%之間的要求，這說明該沼氣發酵體系中的微生物開始逐漸適應發酵體系，產甲烷菌開始利用非產甲烷菌代謝產生的氫和乙酸等基質產生甲烷和二氧化碳；發酵11～20 d，日產氣量范圍在50～100 mL，中間略有波動；發酵20 d時，日產氣量達到最高峰值157 mL。這說明該時期，整個發酵體系中的微生物活性最高，有機物降解較快。此后，日產氣量逐漸下降，發酵33 d時，日產氣量低于10 mL（可以忽略不計），起伏不大，因此可以判斷燈盞花沼氣發酵產氣結束。在發酵后期，原料中大部分有機物被產甲烷菌所利用，發酵體系中微生物活性降低。在整個產氣過程中，通過氣象色譜儀分析測定得到燈盞花殘渣厭氧消化過程中所產生沼氣中的甲烷含量的范圍在40%～68%，且在發酵末期，甲烷含量仍高達63%。

2.2 產氣速率分析

對試驗中的累積產氣量進行統計，結果見表1。由表1可以看出，在整個發酵進行的過程中，前10 d產氣較慢，僅占總產氣量的12.06%；發酵11～15 d，共產氣280 mL，占總產氣量的15.07%，其累積產氣量達到504 mL；發酵16～20 d，共產氣445 mL，占總產氣量的23.95%，累積產氣量達到949 mL；發酵21～25 d，共產氣478 mL，占總產氣量的25.73%，其累積產氣量達到1 427 mL；發酵26～30 d，共產氣291 mL，占總產氣量的15.67%，其累積產氣量達到1 718 mL。運行至30 d后，共產氣140 mL，且主要集中在30～33 d，其后產氣量為零。從以上規律可以得知，對于燈盞花殘渣沼氣發酵，產氣周期主要集中在發酵后15～25 d，而最快產氣階段主要集中在發酵后15～20 d。以上分析表明，在發酵后15～20 d，沼氣發酵系統中的微生物活躍程度達到高峰，原料中的有機物在沼氣發酵微生物的作用下，經過沼氣發酵的水解、產氫產酸和產甲烷3個階段，得到快速有效的降解，產生甲烷和二氧化碳氣體。

試驗組產氣速率和累積產氣量隨發酵時間的變化規律如圖3所示。從圖3可以看出，累計產氣量和產氣速率的整體變化趨勢基本一致，均呈先上升最終保持平衡的變化趨勢。發酵前期（1～10 d），產氣速率較慢；發酵中期（11～20 d），從曲線斜率看，斜率越大，產氣速率越快，該階段是整個產氣階段產氣速率最快的時期；發酵中后期（21～30 d），產氣速率略低于發酵中期；發酵后期（30 d后），產氣速率基本保持穩定，說明產氣結束。產氣速率的快慢代表發酵體系中有機物降解程度。產氣速率大，有機物降解程度大，利用率高。

2.3 發酵料液前后的TS、VS及pH變化分析

從表2可以看出，在產甲烷菌作用下，發酵體系中的有機質降解產生了甲烷和二氧化碳等氣體，TS含量和VS含量均有所降低。根據計算得到燈盞花殘渣沼氣發酵體系中TS降解率和VS降解率分別為67.67%和15.04%。VS降解率比較低，說明該發酵體系中大量有機物沒有得到降解，作為沼渣存留在發酵罐中。這部分物質可作為肥料應用于農田建設中。在厭氧發酵前后，發酵體系中pH均在沼氣發酵的正常范圍內，說明在該沼氣發酵體系中，緩沖體系能夠進行自身調節。

2.4 產甲烷潛力分析

結合表1、圖2及圖3，對燈盞花殘渣的產沼氣潛力進行統計分析，結果見表3。

2.5 各種植物性原料沼氣發酵產氣潛力的比較

植物性發酵原料大部分屬于農業廢棄物和林業廢棄物，其具有來源豐富，資源量大等優點，但是同時也存在收集運輸困難、不易處理等缺點。利用甲烷發酵系統處理植物性發酵原料，產生燃料沼氣和肥料沼液和沼渣，達到廢棄物資源化利用的目的。因此，對發酵原料進行沼氣發酵潛力評估變得非常重要。

表4總結了在相同發酵條件下（發酵原料為6%，接種量為有效容積的30%，溫度為30 ℃，pH 6.8～7.5），17種植物性原料的沼氣發酵潛力。從表4可以看出，植物性生物質原料的發酵周期和TS產氣速率根據不同原料而有所不同。就農作物秸稈而言，其發酵周期較長，均在40 d左右，TS產氣率較高，可以達到447 mL/g以上。這可能因為農作物秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素等物質，對于此類原料發酵來說，纖維素的分解是沼氣發酵的第一步，也是重要的一步，纖維素的分解速率決定整個沼氣發酵的速度和原料利用率，且纖維素等物質的分解速度很慢[4]，所以一般秸稈類原料發酵周期較長，但此類原料利用率高。對于果蔬類生物質原料來講，它的含水量較高并且化學成分簡單，因此它是比較好的沼氣發酵原料，其中哈密瓜果皮發酵的TS產氣率是燈盞花殘渣沼氣發酵的2.14倍。但是因為不同果皮性質不同，所以不同原料之間發酵周期和TS產氣率差異較大，例如紅毛丹果皮發酵，其果皮的碳、氮含量以及TS、VS含量與其他果皮不同，所以TS產氣率偏低。草本類植物性發酵原料的發酵周期和TS產氣量普遍優于其他植物性原料，特別是紫花苜蓿，其粗蛋白質和粗纖維含量豐富，且碳氮比較適宜進行沼氣發酵，并含有大量化學活性物質（氨基酸、磷等）[22]，故在同等條件下，它的TS產氣率是燈盞花殘渣的2.54倍。但是對于紫莖澤蘭來說，由于其本身具有毒性，不進行脫毒預處理會影響沼氣發酵體系。對于花卉來講，其花稈的發酵周期集中在35 d左右，TS產氣率維持在266～359 mL/g。花稈的總固體含量比農作物價格低，大約為402 g/L，碳氮比大約在（17～18）∶1之間[23]。因此，花稈可以單獨進行沼氣發酵，從試驗結果來看，它的產氣潛力巨大，在大型花卉交易基地或種植區可以采用沼氣工程來處理花卉廢棄物。通過比較分析得到，燈盞花殘渣的發酵特點與花卉秸稈的發酵性質比較相似，它們發酵周期短，產甲烷潛力大，因此比較適合進行沼氣發酵。但是對于一些原料而言，例如酸木瓜子這類原料，其TS產氣率與其他植物性原料相比偏低，并且發酵周期高達56 d，且來源有限，故不適合應用于沼氣發酵系統。

綜上所述，生物質是多種多樣的，由于化學結構和物理性質的不同，其反應機制也不盡相同。且原料的TS、VS、碳氮比等因素也會影響原料的產氣潛力。植物型生物質原料是優質的沼氣發酵原料。

3 結論

中國植物性生物質原料來源豐富、數量巨大。通過以上分析，大力發展以植物性生物質為原料的沼氣工程對農作物秸稈、花稈以及其他原料進行處理，不僅可以實現廢棄物減量化、無害化和資源化利用的目標，而且可以提升人民生活質量，為社會主義新農村建設提供保障。

原料的產氣特性與其本身物理和化學結構有關，不同原料的產氣特性不同。燈盞花殘渣可以作為一種高效利用的沼氣發酵原料，在30 ℃下進行批量式沼氣發酵試驗，其發酵周期為35 d，TS產氣率為368 mL/g，VS產氣率為449 mL/g，原料產氣率為69 mL/g；在實際沼氣生產過程中，可根據工程設計要求以及利益最大化的原則，將水力滯留時間設計為20 d。

本研究僅對燈盞花殘渣的產沼氣潛力進行了研究，為中草藥殘渣處理提供了一種新的思路。但是具體沼氣工程的最佳工藝參數以及優化途徑還需進一步研究。

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