沼液水培-水培植物循環制沼技術

向天勇，藍建明，張正紅，何文輝

(嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314036)

沼液水培-水培植物循環制沼技術

向天勇，藍建明，張正紅，何文輝

(嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314036)

探索沼液循環利用途徑。結果表明，通過沼液水培，狐尾草、銅錢草、水葫蘆、大漂在18 d的時間里生物量分別增加117.6%、212.3%、74.1%、91.3%，1 500 mL沼液水培可凈生產2 000 g左右的水生植物(鮮重)用于循環制沼，35 d可獲得甲烷含量70%以上的沼氣約20 l，所產沼液可循環用于水培。

沼液； 水培； 厭氧發酵； 循環利用

隨著沼氣工程的大規模發展，如何妥善處置發酵殘留物已經成為限制厭氧發酵技術發展的瓶頸性問題[1]。沼液中速效性養分含量較高[2]，將沼液作為資源，對沼液營養物質加以利用，是處置沼液的優選方式。但沼液在應用中因含有有害微生物[3]、重金屬[4]、抗生素殘留[5]等，對食品、環境與生態安全具有潛在風險。研究表明，用稀釋后的厭氧發酵液種植水葫蘆等水生植物，可顯著去除氮、磷等營養鹽[6]，還可將獲得的水生植物用作發酵原料回到沼氣發酵罐[7]實現循環利用，不僅能凈化沼液、富集營養成分，還能避免污染物直接接觸生物鏈，降低沼液直接利用的安全風險。據此，擬通過試驗進一步探索沼液水培-水培植物循環制沼技術，為后續的應用推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

大漂、狐尾草、水葫蘆、銅錢草等植物種苗均采自嘉興市郊河道。沼氣發酵菌種采自嘉興市植物園沼氣池，池齡4 a，以羊糞、樹葉等為主要原料，產氣狀況良好。

1.2 方法

將用沼液水培的大漂、狐尾草、水葫蘆、銅錢草洗凈后等量混合，按1∶1質量比加入自來水打漿，漿渣分離后取漿液備用。

試驗前取漿液1 500 mL，加入尿素4 g，接種沼液原液300 mL，用2.0 L錐形瓶于恒溫水浴鍋內預發酵。每天升溫1 ℃馴化中溫發酵菌種，升溫至35 ℃后恒溫發酵，待產氣穩定后選擇產氣良好的發酵液作為后續中溫發酵菌種。

試驗時漿液同前處理，接種已馴化菌種，35 ℃恒溫發酵，排水法收集產生的氣體，每天記錄產氣量，并用甲烷檢測儀檢測甲烷濃度，計算產甲烷量。待產氣量顯著下降并保持在較低水平時結束發酵。沼液檢測氮、磷、鉀等營養成分的含量，水培尾水稀釋8倍后用于新一輪植物培養。

根據不同水生植物対沼液的適應性特點，采用狐尾草-銅錢草-水葫蘆-大漂的組合布局，在自制的40 m串聯管道水培裝置(分層置于組培架上)中進行沼液水培。試驗時先稱取試驗植物的質量，然后采用1∶8(質量體積比)的沼液緩慢循環流過串聯裝置進行水培。水培結束時統計植物的生長量，分別檢測水培植物漿渣、漿液以及沼液的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)、總糖等營養成分的含量(鮮重)，植物及漿液中營養成分的總量根據1 500 mL漿液培養4種植物的生物量及漿液計算得出，沼液養分總量為1 500 mL漿液中養分的總含量，營養成分的利用率=植物養分總量/沼液養分總量。

氮、磷、鉀含量采用NY 525—2012中規定的方法測定，總糖采用GB/T 20977—2007中規定的方法測定。所有數據均進行3次平行測量，取平均值。

2 結果與分析

2.1 以水生植物漿液為原料的厭氧發酵特點

將水培植物打漿后，35 ℃中溫厭氧發酵制備沼氣，每天定時統計產氣量，檢測甲烷濃度，結果如圖1所示。

圖1 植物漿液發酵的產氣量及甲烷濃度變化

1 000 g新鮮植物加水打漿后可獲得1 500 mL左右的漿液。植物漿液發酵6 d后進入產氣高峰，并維持10 d左右，19 d以后產氣量再次小幅上升，持續10 d左右，33 d以后，產氣量連續3 d保持在較低水平，發酵液變得澄清，判定為厭氧發酵的營養基本耗盡。甲烷濃度在發酵7 d達到60.8%，此后一直保持在70%～80%。35 d共產氣10 386.36 mL，折合純甲烷7 433.18 mL，鮮料產氣量為0.010 3 m3·kg-1。期間最大容積產氣率為0.52 m3·m-3·d-1，并有8 d維持在0.252 m3·m-3·d-1以上，沼氣平均甲烷濃度高于70.8%。說明所采用的植物漿液是優質的沼氣發酵原料。

2.2 沼液全量水培的生物累積量

采用狐尾草-銅錢草-水葫蘆-大漂串聯管道水培的方法，將厭氧發酵所產生的沼液全量稀釋用于水培。以1個發酵單元(1 500 mL漿液)為例，統計18 d后各種水生植物的生物累積量，結果如圖2所示。狐尾草、銅錢草、水葫蘆、大漂的生物量分別增加了117.6%、212.3%、74.1%、91.3%。1 500 mL漿液發酵后，等量沼液用于水生植物水培，可凈產生2 020.05 g的生物量(鮮重)，而每個單元消耗的水生植物原料在1 000 g左右，證實沼液水培水生植物在滿足循環制沼的原料需求的前提下，還可以獲得近1倍的額外生物質。

圖2 沼液全量水培的生物累積量

2.3 沼液水培循環制沼的營養成分利用率

檢測4種植物及漿渣、漿液的營養成分含量(鮮重)，以及1 500 mL沼液及水培植物營養成分的含量，以及營養成分的利用率，結果如表1所示。大漂氮和總糖含量較高，水葫蘆磷、鉀含量較高。利用沼液水培后，植物營養成分的含有量與沼液營養成分的含有量基本達到平衡，植物對沼液中營養成分的利用率分別為氮89.5%，磷78.8%，鉀93.0%。通過水培，總糖增加了194.7%。通過打漿后，漿渣帶走44.1%的氮、53.9%的磷、18.7%的鉀，同時用作厭氧發酵的漿液總糖與總氮的含量比接近50∶1；因此，在下一輪漿液厭氧發酵前，應補充相應量的氮、磷、鉀，以保證營養平衡，尤其是應補充足夠的氮源以保證適宜的碳氮比。

表1 水培植物及沼液營養成分的含量

2.4 沼液水培循環制沼的物料與時間平衡

采用沼液水培循環制沼工藝，在試驗條件下，各個環節原輔料的可獲得量與實際用量如表2所示。2 000 mL發酵罐留出300 mL菌種后，1 500 mL沼液水培可凈生產2 000 g左右的水生植物，而發酵所用植物的量在1 000 g左右，因此在生產中沼液水培可保證更高濃度發酵的原料需求。發酵的主要輔料是水，沼液稀釋用水和打漿用水共13 000 mL，可循環利用水培尾水(生產中只需要補充部分蒸發損失的水量即可)。這樣既節約水資源，防止營養成分的流失，同時又不致產生新的污染源。考查營養成分的利用率，植物材料在打漿制備發酵漿液的過程中，除漿渣帶走約1.03 g的氮元素、0.13 g的磷、0.79 g的鉀外，主要營養成分都在各個工藝環節中閉環循環，補充少量營養成分即可實現營養成分的平衡。

表2 沼液水培循環制沼各環節的原輔料用量

厭氧發酵的周期約為33 d，而最大產氣區間在20 d以內，植物水培周期為18 d，即便是保持在最大產氣區間換料，沼液水培與厭氧制沼在時間上也完全可以取得平衡。

3 討論

通過沼液水培循環制沼工藝，形成了水生植物培養與厭氧制沼的封閉的循環鏈，輸入有限的營養成分即可滿足循環的正常運轉。循環中利用制沼的殘余養分，通過光合作用生產有機生物質，進而生產清潔能源，基本實現了物料、生產周期的自我平衡，不產生新的廢棄物，是一種理想的沼氣工程發展方式。

為減少生物質原料厭氧發酵過程中的結殼現象，本試驗采用植物漿液進行發酵，且僅僅進行了一輪循環，各種營養成分再循環過程中的利用率及添加量還需要長期的多輪循環試驗驗證。在實際生產中，還可采用全料發酵的方法加大廢渣中營養成分的利用，并充分利用沼液培養生產的植物原料進行高濃度發酵，以獲得更高的產氣效率。當然，在長期的封閉循環過程中，有害成分是否會積累，甚至影響循環的正常運行，還有待于深入的研究。

[1] 曹汝坤, 陳灝, 趙玉柱. 沼液資源化利用現狀與新技術展望[J]. 中國沼氣, 2015, 33(2):42-50.

[2] 陳為, 孟紅英, 王永軍. 沼渣、沼液的養分含量及安全性研究[J]. 安徽農業科學, 2014(23):7960-7962.

[3] 路振香, 王立克, 王磊,等. 不同季節的沼液中細菌分離培養與含量分析[J]. 污染防治技術, 2009(4):19-20.

[4] 劉思辰, 王莉瑋, 李希希,等. 沼液灌溉中的重金屬潛在風險評估[J]. 植物營養與肥料學報, 2014, 20(6):1517-1524.

[5] 陳永山, 章海波, 駱永明,等. 典型規模化養豬場廢水中獸用抗生素污染特征與去除效率研究[J]. 環境科學學報, 2010, 30(11):2205-2212.

[6] SOOKNAH R D, WILKIE A C. Nutrient removal by floating aquatic macrophytes cultured in anaerobically digested flushed dairy manure wastewater[J]. Ecological Engineering, 2004, 22(1):27-42.

[7] YEN H W, BRUNE D E. Anaerobic co-digestion of algal sludge and waste paper to produce methane[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(1):130-134.

(責任編輯：高 峻)

2017-05-12

浙江省重點科技創新團隊項目(2013TD12)；嘉興市科技計劃項目(2014AY21029)；浙江省科技計劃項目(2017C33226)

向天勇(1971—)，男，湖北恩施人，副教授，博士，從事生物資源的開發與應用研究工作，E-mail：tyxiang2006@163.com。

文獻著錄格式：向天勇，藍建明，張正紅，等. 沼液水培-水培植物循環制沼技術[J].浙江農業科學，2017，58(11)：1913-1915.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171116

S181

B

0528-9017(2017)11-1913-03