燈盞花殘?jiān)l(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)

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(fā)酵原料為6%的條件下，以經(jīng)過3個(gè)月堆漚預(yù)處理的燈盞花殘?jiān)鼮樵?，在恒?0 ℃下，采用批量式工藝進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)過堆漚預(yù)處理的試驗(yàn)組發(fā)酵時(shí)間為35 d，其TS產(chǎn)氣率為368 mL/g，揮發(fā)分（VS）產(chǎn)氣率為449 mL/g，原料產(chǎn)氣率為69 mL/g，池容產(chǎn)氣率為0.11 mL/（mL·d）。將燈盞花殘?jiān)c其他植物原料進(jìn)行比較，產(chǎn)氣特性因原料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同而不盡相同。

關(guān)鍵詞：燈盞花殘?jiān)?；植物性生物質(zhì)原料；厭氧消化；產(chǎn)氣潛力

中圖分類號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xì)辛、東菊，主要分布于中國西南地區(qū)，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(qū)寒除濕、解表散寒、活血散瘀、通經(jīng)活絡(luò)、消炎止痛的療效[1]。因此，在醫(yī)學(xué)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(jià)值后，許多殘?jiān)貌坏接行幚?，隨生活垃圾一起傾倒在農(nóng)田或者戶外，或者晾干后直接燃燒，這不僅污染大氣環(huán)境和人們的生存環(huán)境，而且降低了燈盞花的使用價(jià)值，加大企業(yè)生產(chǎn)成本。近年來，人們對(duì)燈盞花的藥用價(jià)值研究比較透徹，但是對(duì)提取后燈盞花殘?jiān)奶幚韱栴}研究甚少。本試驗(yàn)探究了堆漚預(yù)處理后的燈盞花殘?jiān)l(fā)酵進(jìn)行厭氧消化的可能性，為中草藥殘?jiān)Y源化利用提供了一條新的途徑，為制藥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展解決了后顧之憂。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料及接種物

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

豬糞類接種物：實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)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(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自制的500 mL的批量式發(fā)酵裝置，裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理 將燈盞花堆漚預(yù)處理3個(gè)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(fā)酵試驗(yàn)的啟動(dòng)。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與料液配比 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，設(shè)置對(duì)照組和試驗(yàn)組，每組設(shè)置3個(gè)平行。料液的配比如下：①試驗(yàn)組。120 mL接種物+26.76 g已進(jìn)行堆漚預(yù)處理的燈盞花殘?jiān)?，加水?00 mL；②對(duì)照組。120 mL接種物，加水至400 mL。在試驗(yàn)過程中，每天定點(diǎn)記錄產(chǎn)氣量和每3 d測(cè)定沼氣成分；試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算其總產(chǎn)氣量，并用各組的總產(chǎn)氣量減去對(duì)照組的相應(yīng)值作為最終產(chǎn)氣量。

1.3.3 發(fā)酵方式 采用恒溫（30 ℃）條件進(jìn)行批量式發(fā)酵。

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

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)共進(jìn)行了35 d，對(duì)試驗(yàn)前后的TS、VS及發(fā)酵料液pH進(jìn)行測(cè)定，對(duì)日產(chǎn)沼氣量和甲烷含量（扣除對(duì)照產(chǎn)氣量）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后得出燈盞花殘?jiān)l(fā)酵產(chǎn)沼氣的規(guī)律。

2.1 日產(chǎn)氣情況分析

每天19：00定時(shí)記錄產(chǎn)氣量，通過計(jì)算分析得到燈盞花殘?jiān)l(fā)酵時(shí)間與日產(chǎn)氣量之間的規(guī)律，如圖2所示。從圖2可以看出，燈盞花殘?jiān)鼌捬跸a(chǎn)氣與一般沼氣發(fā)酵規(guī)律[3]（發(fā)酵初期開始產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量較少，隨著發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)氣量逐漸增加，達(dá)到產(chǎn)氣高峰后，產(chǎn)氣量逐漸下降）相同。燈盞花殘?jiān)陌l(fā)酵時(shí)間為35 d，啟動(dòng)后5 d時(shí)開始產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量達(dá)到25 mL，可以燃燒，但是不連續(xù)。這說明發(fā)酵微生物需要一定時(shí)間適應(yīng)新的混合體系，不能快速有效地對(duì)燈盞花殘?jiān)M(jìn)行利用；發(fā)酵10 d時(shí)，燈盞花殘?jiān)l(fā)酵的日產(chǎn)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(fā)酵體系中的微生物開始逐漸適應(yīng)發(fā)酵體系，產(chǎn)甲烷菌開始利用非產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)生的氫和乙酸等基質(zhì)產(chǎn)生甲烷和二氧化碳；發(fā)酵11～20 d，日產(chǎn)氣量范圍在50～100 mL，中間略有波動(dòng)；發(fā)酵20 d時(shí)，日產(chǎn)氣量達(dá)到最高峰值157 mL。這說明該時(shí)期，整個(gè)發(fā)酵體系中的微生物活性最高，有機(jī)物降解較快。此后，日產(chǎn)氣量逐漸下降，發(fā)酵33 d時(shí)，日產(chǎn)氣量低于10 mL（可以忽略不計(jì)），起伏不大，因此可以判斷燈盞花沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)束。在發(fā)酵后期，原料中大部分有機(jī)物被產(chǎn)甲烷菌所利用，發(fā)酵體系中微生物活性降低。在整個(gè)產(chǎn)氣過程中，通過氣象色譜儀分析測(cè)定得到燈盞花殘?jiān)鼌捬跸^程中所產(chǎn)生沼氣中的甲烷含量的范圍在40%～68%，且在發(fā)酵末期，甲烷含量仍高達(dá)63%。

2.2 產(chǎn)氣速率分析

對(duì)試驗(yàn)中的累積產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，在整個(gè)發(fā)酵進(jìn)行的過程中，前10 d產(chǎn)氣較慢，僅占總產(chǎn)氣量的12.06%；發(fā)酵11～15 d，共產(chǎn)氣280 mL，占總產(chǎn)氣量的15.07%，其累積產(chǎn)氣量達(dá)到504 mL；發(fā)酵16～20 d，共產(chǎn)氣445 mL，占總產(chǎn)氣量的23.95%，累積產(chǎn)氣量達(dá)到949 mL；發(fā)酵21～25 d，共產(chǎn)氣478 mL，占總產(chǎn)氣量的25.73%，其累積產(chǎn)氣量達(dá)到1 427 mL；發(fā)酵26～30 d，共產(chǎn)氣291 mL，占總產(chǎn)氣量的15.67%，其累積產(chǎn)氣量達(dá)到1 718 mL。運(yùn)行至30 d后，共產(chǎn)氣140 mL，且主要集中在30～33 d，其后產(chǎn)氣量為零。從以上規(guī)律可以得知，對(duì)于燈盞花殘?jiān)託獍l(fā)酵，產(chǎn)氣周期主要集中在發(fā)酵后15～25 d，而最快產(chǎn)氣階段主要集中在發(fā)酵后15～20 d。以上分析表明，在發(fā)酵后15～20 d，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物活躍程度達(dá)到高峰，原料中的有機(jī)物在沼氣發(fā)酵微生物的作用下，經(jīng)過沼氣發(fā)酵的水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段，得到快速有效的降解，產(chǎn)生甲烷和二氧化碳?xì)怏w。

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

2.3 發(fā)酵料液前后的TS、VS及pH變化分析

從表2可以看出，在產(chǎn)甲烷菌作用下，發(fā)酵體系中的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)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(jù)計(jì)算得到燈盞花殘?jiān)託獍l(fā)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(fā)酵體系中大量有機(jī)物沒有得到降解，作為沼渣存留在發(fā)酵罐中。這部分物質(zhì)可作為肥料應(yīng)用于農(nóng)田建設(shè)中。在厭氧發(fā)酵前后，發(fā)酵體系中pH均在沼氣發(fā)酵的正常范圍內(nèi)，說明在該沼氣發(fā)酵體系中，緩沖體系能夠進(jìn)行自身調(diào)節(jié)。

2.4 產(chǎn)甲烷潛力分析

結(jié)合表1、圖2及圖3，對(duì)燈盞花殘?jiān)漠a(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。

2.5 各種植物性原料沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的比較

植物性發(fā)酵原料大部分屬于農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物，其具有來源豐富，資源量大等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在收集運(yùn)輸困難、不易處理等缺點(diǎn)。利用甲烷發(fā)酵系統(tǒng)處理植物性發(fā)酵原料，產(chǎn)生燃料沼氣和肥料沼液和沼渣，達(dá)到廢棄物資源化利用的目的。因此，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵潛力評(píng)估變得非常重要。

表4總結(jié)了在相同發(fā)酵條件下（發(fā)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(fā)酵潛力。從表4可以看出，植物性生物質(zhì)原料的發(fā)酵周期和TS產(chǎn)氣速率根據(jù)不同原料而有所不同。就農(nóng)作物秸稈而言，其發(fā)酵周期較長(zhǎng)，均在40 d左右，TS產(chǎn)氣率較高，可以達(dá)到447 mL/g以上。這可能因?yàn)檗r(nóng)作物秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，對(duì)于此類原料發(fā)酵來說，纖維素的分解是沼氣發(fā)酵的第一步，也是重要的一步，纖維素的分解速率決定整個(gè)沼氣發(fā)酵的速度和原料利用率，且纖維素等物質(zhì)的分解速度很慢[4]，所以一般秸稈類原料發(fā)酵周期較長(zhǎng)，但此類原料利用率高。對(duì)于果蔬類生物質(zhì)原料來講，它的含水量較高并且化學(xué)成分簡(jiǎn)單，因此它是比較好的沼氣發(fā)酵原料，其中哈密瓜果皮發(fā)酵的TS產(chǎn)氣率是燈盞花殘?jiān)託獍l(fā)酵的2.14倍。但是因?yàn)椴煌ば再|(zhì)不同，所以不同原料之間發(fā)酵周期和TS產(chǎn)氣率差異較大，例如紅毛丹果皮發(fā)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(chǎn)氣率偏低。草本類植物性發(fā)酵原料的發(fā)酵周期和TS產(chǎn)氣量普遍優(yōu)于其他植物性原料，特別是紫花苜蓿，其粗蛋白質(zhì)和粗纖維含量豐富，且碳氮比較適宜進(jìn)行沼氣發(fā)酵，并含有大量化學(xué)活性物質(zhì)（氨基酸、磷等）[22]，故在同等條件下，它的TS產(chǎn)氣率是燈盞花殘?jiān)?.54倍。但是對(duì)于紫莖澤蘭來說，由于其本身具有毒性，不進(jìn)行脫毒預(yù)處理會(huì)影響沼氣發(fā)酵體系。對(duì)于花卉來講，其花稈的發(fā)酵周期集中在35 d左右，TS產(chǎn)氣率維持在266～359 mL/g?；ǘ挼目偣腆w含量比農(nóng)作物價(jià)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(dú)進(jìn)行沼氣發(fā)酵，從試驗(yàn)結(jié)果來看，它的產(chǎn)氣潛力巨大，在大型花卉交易基地或種植區(qū)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?jiān)陌l(fā)酵特點(diǎn)與花卉秸稈的發(fā)酵性質(zhì)比較相似，它們發(fā)酵周期短，產(chǎn)甲烷潛力大，因此比較適合進(jìn)行沼氣發(fā)酵。但是對(duì)于一些原料而言，例如酸木瓜子這類原料，其TS產(chǎn)氣率與其他植物性原料相比偏低，并且發(fā)酵周期高達(dá)56 d，且來源有限，故不適合應(yīng)用于沼氣發(fā)酵系統(tǒng)。

綜上所述，生物質(zhì)是多種多樣的，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的不同，其反應(yīng)機(jī)制也不盡相同。且原料的TS、VS、碳氮比等因素也會(huì)影響原料的產(chǎn)氣潛力。植物型生物質(zhì)原料是優(yōu)質(zhì)的沼氣發(fā)酵原料。

3 結(jié)論

中國植物性生物質(zhì)原料來源豐富、數(shù)量巨大。通過以上分析，大力發(fā)展以植物性生物質(zhì)為原料的沼氣工程對(duì)農(nóng)作物秸稈、花稈以及其他原料進(jìn)行處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化、無害化和資源化利用的目標(biāo)，而且可以提升人民生活質(zhì)量，為社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)提供保障。

原料的產(chǎn)氣特性與其本身物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同原料的產(chǎn)氣特性不同。燈盞花殘?jiān)梢宰鳛橐环N高效利用的沼氣發(fā)酵原料，在30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，其發(fā)酵周期為35 d，TS產(chǎn)氣率為368 mL/g，VS產(chǎn)氣率為449 mL/g，原料產(chǎn)氣率為69 mL/g；在實(shí)際沼氣生產(chǎn)過程中，可根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求以及利益最大化的原則，將水力滯留時(shí)間設(shè)計(jì)為20 d。

本研究?jī)H對(duì)燈盞花殘?jiān)漠a(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行了研究，為中草藥殘?jiān)幚硖峁┝艘环N新的思路。但是具體沼氣工程的最佳工藝參數(shù)以及優(yōu)化途徑還需進(jìn)一步研究。

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