酸化預(yù)處理紫莖澤蘭厭氧消化能源轉(zhuǎn)化效率和原料利用率對(duì)比分析*

許國(guó)芹， 柳靜， 尹芳， 林衛(wèi)東， 張無(wú)敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng)屬雙子葉植物，菊目，菊科，澤蘭屬，多年生草本植物.因其莖和葉柄呈紫色，故名紫莖澤蘭[1].紫莖澤蘭俗名很多，在云南各地叫法不一，有解放草、黑頭草、大毒草等.紫莖澤蘭是國(guó)家環(huán)保局公布的我國(guó)首批16種外來(lái)入侵有害生物之一，隨河谷、公路、鐵路自南向北傳播[2].自20世紀(jì)40年代，紫莖澤蘭從緬甸、印度、越南等國(guó)傳入我國(guó)，迅速遍及云南、貴州、廣西、西藏等省區(qū).它的繁殖能力強(qiáng)，傳播速度快，以每年30 km的速度向北、向東推進(jìn)[3].此外，紫莖澤蘭化學(xué)成分和生態(tài)分布對(duì)農(nóng)、林、牧有著極其嚴(yán)重的危害[4].

近年來(lái)，對(duì)紫莖澤蘭的研究漸漸轉(zhuǎn)向?qū)⑵渥鳛槟茉粗参?無(wú)論是利用其進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，還是生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，都是側(cè)重于對(duì)其碳源進(jìn)行深層次的開發(fā)利用[5].紫莖澤蘭中含有蛋白質(zhì)、糖類、有機(jī)酸、黃酮、酚類、香豆素、內(nèi)酯、揮發(fā)油和油脂等化學(xué)成分[6]，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的各種微生物能夠充分利用上述紫莖澤蘭的各種成分進(jìn)行沼氣發(fā)酵[7].本文實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室馴化的豬糞和紫莖澤蘭混合物為接種物，通過(guò)對(duì)比料液未酸化預(yù)處理發(fā)酵和料液經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理發(fā)酵之間的能源轉(zhuǎn)化效率，從而獲得提高紫莖澤蘭的發(fā)酵效率的方法，為實(shí)現(xiàn)紫莖澤蘭在工程上的利用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

發(fā)酵原料：新鮮紫莖澤蘭汁(取新鮮紫莖澤蘭160 g，除去雜質(zhì)并絞碎，加入600 mL水，放入榨汁機(jī)鮮榨，獲得紫莖澤蘭汁.在發(fā)酵之前需進(jìn)行脫毒預(yù)處理[8]).其中紫莖澤蘭為2014年3月1日采自云南師范大學(xué)周圍未開花的植株.

接種物：分為未酸化接種物和酸化接種物兩種.兩種接種物都是豬糞與紫莖澤蘭混合物(豬糞2 500 mL+紫莖澤蘭2 500 mL+水5 000 mL).未酸化接種物pH在7.0左右.酸化接種物是在未酸化接種物正常產(chǎn)氣的情況下，每天使用濃度為20%的鹽酸調(diào)節(jié)接種物pH，使其pH維持在5.0左右.兩種接種物的馴化時(shí)間均為50 d.

pH調(diào)節(jié)液：實(shí)驗(yàn)室自配20%鹽酸溶液；

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 未酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)裝置

使用實(shí)驗(yàn)室自制室溫批量式發(fā)酵裝置發(fā)酵，采用排水集氣法收集氣體，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1.

圖1 實(shí)驗(yàn)1組發(fā)酵裝置圖

1.2.2 酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)裝置

使用實(shí)驗(yàn)室自制室溫兩相批量式發(fā)酵裝置發(fā)酵，采用排水集氣法收集氣體，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2.

1.調(diào)酵預(yù)處理發(fā)酵瓶進(jìn)料口 3.出氣口 4.玻璃三通 5.集氣瓶 6.計(jì)量瓶 7.甲烷發(fā)酵瓶甲烷發(fā)酵相進(jìn)料口 9.集氣瓶 10 玻璃三通 11.計(jì)量瓶

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)1組發(fā)酵料液未經(jīng)酸化預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)2組發(fā)酵料液經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理，此外還設(shè)對(duì)照組.3組均設(shè)兩個(gè)平行.

實(shí)驗(yàn)1組料液配方：接種物500 mL+每天5 mL新鮮紫莖澤蘭汁(投料10 d)=550 mL；

實(shí)驗(yàn)2組料液配方：接種物500 mL(酸化罐)/接種物500 mL(未酸化罐)+每天5 mL新鮮紫莖澤蘭汁(投料10 d)=每個(gè)罐中550 mL；

對(duì)照組料液配方：接種物500 mL+水50 mL=550 mL；

3個(gè)組均在室溫條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，其中實(shí)驗(yàn)1組和實(shí)驗(yàn)2組在實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)正常發(fā)酵后每天添加新鮮紫莖澤蘭汁5 mL，對(duì)照組則不加料.實(shí)驗(yàn)1組按照常規(guī)的批量式厭氧發(fā)酵進(jìn)行啟動(dòng).實(shí)驗(yàn)2的發(fā)酵罐由兩部分組成，其中一個(gè)作為酸化罐，另一個(gè)作為未酸化罐.進(jìn)料時(shí)，發(fā)酵原料先經(jīng)過(guò)酸化罐預(yù)處理(預(yù)處理時(shí)間為一天)，然后再流入未酸化罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中適時(shí)對(duì)發(fā)酵原料、接種物以及發(fā)酵前后料液TS、VS的含量和pH進(jìn)行測(cè)定且每天定時(shí)進(jìn)出料.

1.3.2 分析項(xiàng)目及方法

pH值：采用精密試紙進(jìn)行測(cè)定；

產(chǎn)氣量：采用排水集氣法收集氣體，每天下午定時(shí)進(jìn)行讀數(shù).以兩個(gè)平行樣的產(chǎn)氣平均值為該組的表征產(chǎn)氣量；

TS、VS含量測(cè)定：采用沼氣發(fā)酵常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定[6]；

COD測(cè)定：采用重鉻酸鹽法進(jìn)行測(cè)定(GB11914—89).

木質(zhì)纖維素測(cè)定：采用重量法進(jìn)行測(cè)定[7]；

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)的能源轉(zhuǎn)化效率可由下式計(jì)算：

其中，甲烷的熱值為35.822 J/mL[6]，紫莖澤蘭的熱值為17 220 J/g[9].

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣情況分析

圖3為實(shí)驗(yàn)1組的產(chǎn)氣量(兩個(gè)平行樣產(chǎn)氣量的平均值)隨發(fā)酵時(shí)間的變化.從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)1組發(fā)酵周期為27 d(根據(jù)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組產(chǎn)氣趨勢(shì)是否一致可以判斷發(fā)酵是否進(jìn)行完全)，啟動(dòng)后第1天開始產(chǎn)氣且可以點(diǎn)燃，火焰呈藍(lán)色，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)1組啟動(dòng)較快.第2天，產(chǎn)氣量達(dá)到整個(gè)發(fā)酵周期的最大產(chǎn)氣量60 mL.第3～26天，產(chǎn)氣量逐漸在5～30 mL之間變化，這可能因?yàn)橥读蠒r(shí)沼氣發(fā)酵體系發(fā)生改變，從而影響到紫莖澤蘭產(chǎn)氣的穩(wěn)定性.第27天后，紫莖澤蘭的產(chǎn)氣量為0 mL，說(shuō)明其產(chǎn)氣周期結(jié)束.該次實(shí)驗(yàn)紫莖澤蘭整個(gè)產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量為452 mL.(實(shí)驗(yàn)1發(fā)酵前后料液TS、VS、pH變化如表1所示.)

圖3 實(shí)驗(yàn)1組產(chǎn)氣曲線

表1實(shí)驗(yàn)1組料液TS、VS、pH分析

Table 1 Analysis on TS,VS and pH of the fermentation material for experiment 1

TS/%VS/%pH發(fā)酵前/后6.29/4.9068.94/64.987.0/6.8

表2 實(shí)驗(yàn)2組料液TS、VS、pH分析

實(shí)驗(yàn)2組產(chǎn)氣曲線如圖4所示.從圖可知，實(shí)驗(yàn)2組發(fā)酵時(shí)間為33 d，多于實(shí)驗(yàn)1組的27 d.第1～10天紫莖澤蘭產(chǎn)氣量為0 mL，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)較慢，原因可能是原料經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理，pH較低，影響沼氣發(fā)酵的正常啟動(dòng).從第11天開始，紫莖澤蘭開始逐漸產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣不穩(wěn)定，上下波動(dòng)，這可能由于酸化的發(fā)酵料液對(duì)紫莖澤蘭發(fā)酵體系有一定影響造成的.第24天，產(chǎn)氣量開始逐漸下降.發(fā)酵至第33天后，紫莖澤蘭的產(chǎn)氣量均為0，說(shuō)明該產(chǎn)氣周期結(jié)束.紫莖澤蘭33天發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，其總產(chǎn)氣量為780.5 mL.

實(shí)驗(yàn)2組發(fā)酵前后料液TS、VS、pH變化如表2所示.由表可知，未經(jīng)酸化預(yù)處理發(fā)酵的VS原料利用率比酸化預(yù)處理的原料利用率高.這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)2組發(fā)酵仍在進(jìn)行中，沒(méi)有發(fā)酵完全.

圖4 實(shí)驗(yàn)2組產(chǎn)氣曲線

2.2 產(chǎn)氣潛力分析

實(shí)驗(yàn)1組共進(jìn)行27 d，實(shí)驗(yàn)2組共進(jìn)行33 d.各實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣情況及潛力見表3.從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)2組產(chǎn)氣率高于實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)2組原料的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別比實(shí)驗(yàn)1組的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率高42.02%和42.05%.同時(shí)實(shí)驗(yàn)2組的日產(chǎn)氣率也比實(shí)驗(yàn)1組高31.82%.

表3 紫莖澤蘭厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力

2.3 COD降解分析

紫莖澤蘭發(fā)酵前和發(fā)酵后的COD值如表4所示.從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)1組和實(shí)驗(yàn)2組發(fā)酵前COD值都為5 273.00 mg/L，而發(fā)酵后實(shí)驗(yàn)1組的COD降解到2 944 mg/L，實(shí)驗(yàn)2組的為2 033 mg/L.實(shí)驗(yàn)1組的COD降解率為44.07%，實(shí)驗(yàn)2組的COD降解率為61.50%.實(shí)驗(yàn)2的COD降解率比實(shí)驗(yàn)1組的高17.43%.

表4 紫莖澤蘭厭氧發(fā)酵COD降解率分析

2.4 半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量分析

紫莖澤蘭汁厭氧發(fā)酵前后的半纖維素、纖維素及木質(zhì)素含量及利用情況見表5.從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)1組、實(shí)驗(yàn)2組的木質(zhì)纖維素利用率均不高.但相對(duì)來(lái)講，實(shí)驗(yàn)2組的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素利用率均高于實(shí)驗(yàn)1組,分別是實(shí)驗(yàn)1組的2倍、1.67倍和3.17倍.

表5 紫莖澤蘭厭氧發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析

3 討 論

3.1 厭氧發(fā)酵原料利用率比較

沼氣發(fā)酵經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，分別是水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段.經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理和未經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有差別的.經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理，紫莖澤蘭中的化學(xué)成分得到充分降解,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明體系酸化環(huán)境有利于原料纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)的降解利用[9].所以酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵情況在某種程度上優(yōu)于未酸化預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組.

如果以實(shí)驗(yàn)2組產(chǎn)氣的各項(xiàng)指標(biāo)值為1，實(shí)驗(yàn)1組產(chǎn)氣各項(xiàng)指標(biāo)值與實(shí)驗(yàn)2組相比，可直觀地比較兩個(gè)過(guò)程的不同，見圖5.由圖中可知，實(shí)驗(yàn)1組各項(xiàng)指標(biāo)值均低于實(shí)驗(yàn)2組.但實(shí)驗(yàn)1組發(fā)酵周期較實(shí)驗(yàn)2組有所縮短，有利于節(jié)約成本.造成這一現(xiàn)象的原因是實(shí)驗(yàn)2原料首先經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)的降解率提高了，體系中的代謝產(chǎn)物包括乙醇、乙酸、丙酮酸、丁酸以及其他有機(jī)酸等的可利用率也隨之提高，產(chǎn)甲烷菌可利用底物含量也隨之提高.

圖5 產(chǎn)氣階段各項(xiàng)指標(biāo)比較

紫莖澤蘭未經(jīng)酸化預(yù)處理發(fā)酵的TS、VS產(chǎn)氣率分別為115 L·kg-1、139 L·kg-1；而紫莖澤蘭經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理發(fā)酵的TS、VS產(chǎn)氣率分別為199 L·kg-1、240 L·kg-1；其次，從COD降解率方面來(lái)講，酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組在相同時(shí)間內(nèi)COD降解率比未經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的COD降解率高出了17.43%；最后，實(shí)驗(yàn)1組的木質(zhì)纖維素利用率低于實(shí)驗(yàn)2組，酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的原料利用率分別比未經(jīng)酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的利用率高60.1%、50%、31.55%.總之，原料經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理發(fā)酵比原料未經(jīng)酸化預(yù)處理發(fā)酵的原料利用率高.

酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵周期延長(zhǎng)是由于發(fā)酵體系中各種微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力造成的.為了克服這一缺陷，可以嘗試在酸性條件下，對(duì)產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌進(jìn)行馴化，從而富集相關(guān)菌群，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷聯(lián)合發(fā)酵，從而縮短發(fā)酸周期并進(jìn)一步提高原料利用率.

3.2 能源轉(zhuǎn)化效率比較

在原料厭氧發(fā)酵過(guò)程中，原料的能源轉(zhuǎn)化效率是衡量厭氧發(fā)酵品質(zhì)的重要指標(biāo).本次實(shí)驗(yàn)的能源轉(zhuǎn)化效率與文獻(xiàn)值[10]，見圖6.其中甲烷含量按48.58%計(jì)算[5].

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)1組、實(shí)驗(yàn)2組的能源轉(zhuǎn)化效率分別為23.73%、42.13%均高于文獻(xiàn)值.原料經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理可以提高原料的能源轉(zhuǎn)化效率，經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理的紫莖澤蘭發(fā)酵可提高能源轉(zhuǎn)化效率48.85%，而未經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理的紫莖澤蘭發(fā)酵僅提高能源轉(zhuǎn)化效率9.19%.

圖6 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的能源轉(zhuǎn)化效率

4 結(jié) 論

⑴紫莖澤蘭未酸化預(yù)處理發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率分別為115 L·kg-1、139 L·kg-1；紫莖澤蘭酸化預(yù)處理發(fā)酵，TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率分別為199 L·kg-1、240 L·kg-1.

⑵酸化預(yù)處理發(fā)酵和未經(jīng)酸化預(yù)處理發(fā)酵的COD降解率分別為61.50%和44.07%，其前者比后者高出17.43%.

⑶酸化預(yù)處理發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的利用率分別為21.28%、18.18%、13.28%；未經(jīng)酸化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的利用率分別為12.77%、9.09%、4.19%.纖維素、半纖維素、木質(zhì)素利用率前者分別是后者的1.67倍、2.00倍、3.16倍.

⑷酸化預(yù)處理發(fā)酵和未酸化預(yù)處理發(fā)酵的能源轉(zhuǎn)化效率分別是23.73%和42.13%.酸化預(yù)處理產(chǎn)甲烷比未酸化預(yù)處理產(chǎn)甲烷，表現(xiàn)出更好的原料利用率和能源轉(zhuǎn)化效率.其能源轉(zhuǎn)化效率是未經(jīng)過(guò)酸化預(yù)處理發(fā)酵的1.78倍和文獻(xiàn)值的1.95倍.

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