兩種花卉秸稈中溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力實(shí)驗(yàn)

周雙雙， 王昌梅， 趙興玲， 吳凱， 楊斌， 尹芳， 柳靜， 楊紅， 張無敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

憑借得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，云南省已成為世界上最適宜鮮切花種植的三大區(qū)域之一[1].據(jù)云南省農(nóng)業(yè)廳花卉產(chǎn)業(yè)處統(tǒng)計(jì)：2018年1—3月，云南鮮切花種植面積達(dá)11 267 ha，同比增長(zhǎng)7.6%；鮮切花產(chǎn)量達(dá)24.9億枝，同比增長(zhǎng)2.3%，其中出口量為1.65億枝，出口額達(dá)6 597.57萬美元.玫瑰、百合、康乃馨及滿天星等作為鮮切花優(yōu)勢(shì)品種在云南的鮮切花交易量上占有很大的比例.然而大量鮮切花的生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引發(fā)了一系列的問題.花卉殘余秸稈的隨意拋棄不僅給環(huán)境帶來了污染，而且造成了生物質(zhì)資源的浪費(fèi)[2].相關(guān)學(xué)者對(duì)花卉秸稈的厭氧發(fā)酵雖已有一些研究，但對(duì)康乃馨和滿天星秸稈的綜合研究鮮有報(bào)道.本實(shí)驗(yàn)以滿天星秸稈和康乃馨秸稈為原料，采用中溫發(fā)酵的方法進(jìn)行厭氧發(fā)酵，來探究其沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力和特性，從而為今后利用沼氣工程處理廢棄花卉秸稈提供一定的參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料

原料：采用昆明斗南花卉市場(chǎng)廢棄的新鮮滿天星秸稈和康乃馨秸稈作為發(fā)酵原料.

接種物:以豬糞為原料，并在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過長(zhǎng)期馴化得到的接種物.

1.2 實(shí)驗(yàn)材料預(yù)處理

將滿天星秸稈和康乃馨秸稈清理干凈后，切碎成小于2 cm的小段，以便與接種物混合均勻.

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵裝置[3].

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在(30±1)℃下進(jìn)行中溫發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組重復(fù)三個(gè)平行.實(shí)驗(yàn)裝置中的料液配比如表1所示.

1.5 分析檢測(cè)

(1)原料分析：采用沼氣發(fā)酵常規(guī)分析方法[4].經(jīng)測(cè)定滿天星秸稈TS為26.91%，VS為89.36%，康乃馨秸稈TS為24.52%，VS為91.82%，接種物TS為12.30% ，VS為75.08%.

(2)發(fā)酵料液pH測(cè)定：采用精密pH試紙(5.5-9.0)測(cè)定發(fā)酵前后料液pH值.

(3)產(chǎn)氣量測(cè)定：排水集氣法收集沼氣[5]，根據(jù)排出水的體積計(jì)算每天產(chǎn)生的氣體體積.每天定時(shí)記錄各組裝置的產(chǎn)氣量.試驗(yàn)結(jié)束后，綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)氣指標(biāo)的分析，包括TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率.

(4)甲烷含量測(cè)定：采用福立9790Ⅱ型氣相色譜儀測(cè)定氣體中甲烷含量[6].

表1 料液配比

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵前后物料降解結(jié)果

滿天星和康乃馨秸稈發(fā)酵前后料液的TS和VS測(cè)定結(jié)果及降解情況如表2.

表2 發(fā)酵前后料液TS、VS及pH值

由表2可知，經(jīng)厭氧發(fā)酵，原料的TS和VS都有一定程度的降低，這說明部分原料被微生物分解利用.原料的TS和VS降解程度均高于接種物，但康乃馨秸稈的VS降解程度更高.整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的pH值在發(fā)酵后略有回升，可能是氨化作用產(chǎn)生的氨溶于水，中和了有機(jī)酸所致，但其值仍在適合產(chǎn)甲烷菌正常生長(zhǎng)的pH范圍內(nèi)[7].

2.2 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1 日產(chǎn)氣量

2種原料實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量的變化曲線如圖1 所示.從圖1 可知，實(shí)驗(yàn)組的發(fā)酵時(shí)間為46 d，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)迅速，第1天就開始產(chǎn)氣.滿天星秸稈產(chǎn)氣量為40 mL，康乃馨秸稈產(chǎn)氣量為50 mL，此時(shí)發(fā)酵裝置所產(chǎn)生的氣體無法點(diǎn)燃.滿天星秸稈在第17、22和35天出現(xiàn)了產(chǎn)氣高峰，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣量分別為280、220和225 mL.康乃馨在第11、16和36天有產(chǎn)氣高峰，峰值分別為340、250和310 mL.從整體趨勢(shì)來看，兩者的日產(chǎn)氣量隨著時(shí)間的增加都呈現(xiàn)先增加后減小至零的規(guī)律.康乃馨秸稈最早到達(dá)產(chǎn)氣高峰，滿天星秸稈稍晚一些.

2.2.2 甲烷含量

將滿天星秸稈和康乃馨秸稈整個(gè)厭氧發(fā)酵過程中所產(chǎn)氣體每3天測(cè)定一次甲烷含量，結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)期間，滿天星秸稈和康乃馨秸稈的甲烷含量最高可達(dá)60%以上.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，甲烷含量都呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，增高到一定程度后略有下降.說明發(fā)酵原料在此階段逐漸分解，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量逐漸增加，表現(xiàn)一定程度的活躍性.在兩種原料的日產(chǎn)氣量達(dá)到產(chǎn)氣高峰時(shí)，對(duì)應(yīng)的甲烷含量基本在50%以上.滿天星秸稈的甲烷含量增長(zhǎng)的較為緩慢，而康乃馨秸稈的相對(duì)較快.

圖2 發(fā)酵過程中甲烷含量變化情況

2.2.3 累計(jì)產(chǎn)氣量

實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況如圖3所示.

由圖3可知，在整個(gè)厭氧發(fā)酵的過程中，滿天星秸稈的總產(chǎn)氣量為5 378 mL，康乃馨秸稈的總產(chǎn)氣量為6 788 mL.對(duì)于滿天星秸稈實(shí)驗(yàn)組，第1-13天累計(jì)產(chǎn)氣量增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)速度變緩.滿天星秸稈在前36 d的累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%以上，這說明在整個(gè)厭氧發(fā)酵周期內(nèi)，滿天星秸稈產(chǎn)沼氣主要集中在前36 d.對(duì)于康乃馨秸稈，累計(jì)產(chǎn)氣量的增長(zhǎng)速率前期相對(duì)較緩，在出現(xiàn)第一個(gè)日產(chǎn)氣高峰后，累計(jì)產(chǎn)氣量幾乎保持一定的速率增長(zhǎng)，與發(fā)酵時(shí)間呈線性關(guān)系.這說明在此階段微生物的活性較高，產(chǎn)氣效果最好.康乃馨秸稈在第37天也達(dá)到了總累計(jì)產(chǎn)氣量的80%以上.由此初步得出滿天星秸稈和康乃馨秸稈的水力滯留時(shí)間(HRT)分別為36和37 d.

圖3 發(fā)酵過程中累計(jì)產(chǎn)氣量的變化情況

2.3 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力分析

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)滿天星秸稈和康乃馨秸稈的發(fā)酵潛力，對(duì)發(fā)酵溫度在30 ℃下的不同秸稈的發(fā)酵時(shí)間及TS產(chǎn)氣率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表3).由表3可知，滿天星秸稈和康乃馨秸稈的TS 產(chǎn)氣率都遠(yuǎn)高于其他種類秸稈的TS產(chǎn)氣率，同時(shí)發(fā)酵時(shí)間遠(yuǎn)短于麥稈、豆稈原料，而長(zhǎng)于其他植物性原料.若將滿天星秸稈和康乃馨秸稈作為沼氣發(fā)酵的原料，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益.

表3 不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力

3 結(jié) 論

(1)以滿天星秸稈和康乃馨秸稈為原料，在(30±1)℃下進(jìn)行全混合批量式發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵時(shí)間為46 d，發(fā)酵啟動(dòng)迅速.

(2)滿天星秸稈和康乃馨秸稈都是較好的沼氣發(fā)酵原料.滿天星秸稈TS產(chǎn)氣潛力為999 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為1 118 mL/g；康乃馨秸稈TS產(chǎn)氣潛力為1 384 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為1 507 mL/g.

(3)在400 mL的發(fā)酵系統(tǒng)中，滿天星秸稈凈產(chǎn)氣總量為5 378 mL，其中前36 d累計(jì)產(chǎn)氣量超過總產(chǎn)氣量的80%以上.在工程設(shè)計(jì)上將水力滯留時(shí)間初步設(shè)為36 d.康乃馨秸稈凈產(chǎn)氣總量為6 788 mL，前37 d累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%以上，工程設(shè)計(jì)上可初步設(shè)定水力滯留時(shí)間為37 d.