沼液水培-水培植物循環(huán)制沼技術(shù)

向天勇，藍建明，張正紅，何文輝

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036)

沼液水培-水培植物循環(huán)制沼技術(shù)

向天勇，藍建明，張正紅，何文輝

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036)

探索沼液循環(huán)利用途徑。結(jié)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(chǎn)2 000 g左右的水生植物(鮮重)用于循環(huán)制沼，35 d可獲得甲烷含量70%以上的沼氣約20 l，所產(chǎn)沼液可循環(huán)用于水培。

沼液； 水培； 厭氧發(fā)酵； 循環(huán)利用

隨著沼氣工程的大規(guī)模發(fā)展，如何妥善處置發(fā)酵殘留物已經(jīng)成為限制厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的瓶頸性問題[1]。沼液中速效性養(yǎng)分含量較高[2]，將沼液作為資源，對沼液營養(yǎng)物質(zhì)加以利用，是處置沼液的優(yōu)選方式。但沼液在應(yīng)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(huán)境與生態(tài)安全具有潛在風險。研究表明，用稀釋后的厭氧發(fā)酵液種植水葫蘆等水生植物，可顯著去除氮、磷等營養(yǎng)鹽[6]，還可將獲得的水生植物用作發(fā)酵原料回到沼氣發(fā)酵罐[7]實現(xiàn)循環(huán)利用，不僅能凈化沼液、富集營養(yǎng)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(jù)此，擬通過試驗進一步探索沼液水培-水培植物循環(huán)制沼技術(shù)，為后續(xù)的應(yīng)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(fā)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(chǎn)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(zhì)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(nèi)預(yù)發(fā)酵。每天升溫1 ℃馴化中溫發(fā)酵菌種，升溫至35 ℃后恒溫發(fā)酵，待產(chǎn)氣穩(wěn)定后選擇產(chǎn)氣良好的發(fā)酵液作為后續(xù)中溫發(fā)酵菌種。

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

根據(jù)不同水生植物対沼液的適應(yīng)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(lián)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(zhì)量，然后采用1∶8(質(zhì)量體積比)的沼液緩慢循環(huán)流過串聯(lián)裝置進行水培。水培結(jié)束時統(tǒng)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(yǎng)成分的含量(鮮重)，植物及漿液中營養(yǎng)成分的總量根據(jù)1 500 mL漿液培養(yǎng)4種植物的生物量及漿液計算得出，沼液養(yǎng)分總量為1 500 mL漿液中養(yǎng)分的總含量，營養(yǎng)成分的利用率=植物養(yǎng)分總量/沼液養(yǎng)分總量。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 以水生植物漿液為原料的厭氧發(fā)酵特點

將水培植物打漿后，35 ℃中溫厭氧發(fā)酵制備沼氣，每天定時統(tǒng)計產(chǎn)氣量，檢測甲烷濃度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 植物漿液發(fā)酵的產(chǎn)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(fā)酵6 d后進入產(chǎn)氣高峰，并維持10 d左右，19 d以后產(chǎn)氣量再次小幅上升，持續(xù)10 d左右，33 d以后，產(chǎn)氣量連續(xù)3 d保持在較低水平，發(fā)酵液變得澄清，判定為厭氧發(fā)酵的營養(yǎng)基本耗盡。甲烷濃度在發(fā)酵7 d達到60.8%，此后一直保持在70%～80%。35 d共產(chǎn)氣10 386.36 mL，折合純甲烷7 433.18 mL，鮮料產(chǎn)氣量為0.010 3 m3·kg-1。期間最大容積產(chǎn)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(yōu)質(zhì)的沼氣發(fā)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(lián)管道水培的方法，將厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的沼液全量稀釋用于水培。以1個發(fā)酵單元(1 500 mL漿液)為例，統(tǒng)計18 d后各種水生植物的生物累積量，結(jié)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(fā)酵后，等量沼液用于水生植物水培，可凈產(chǎn)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(huán)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(zhì)。

圖2 沼液全量水培的生物累積量

2.3 沼液水培循環(huán)制沼的營養(yǎng)成分利用率

檢測4種植物及漿渣、漿液的營養(yǎng)成分含量(鮮重)，以及1 500 mL沼液及水培植物營養(yǎng)成分的含量，以及營養(yǎng)成分的利用率，結(jié)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(yǎng)成分的含有量與沼液營養(yǎng)成分的含有量基本達到平衡，植物對沼液中營養(yǎng)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(fā)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(fā)酵前，應(yīng)補充相應(yīng)量的氮、磷、鉀，以保證營養(yǎng)平衡，尤其是應(yīng)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(yǎng)成分的含量

2.4 沼液水培循環(huán)制沼的物料與時間平衡

采用沼液水培循環(huán)制沼工藝，在試驗條件下，各個環(huán)節(jié)原輔料的可獲得量與實際用量如表2所示。2 000 mL發(fā)酵罐留出300 mL菌種后，1 500 mL沼液水培可凈生產(chǎn)2 000 g左右的水生植物，而發(fā)酵所用植物的量在1 000 g左右，因此在生產(chǎn)中沼液水培可保證更高濃度發(fā)酵的原料需求。發(fā)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(huán)利用水培尾水(生產(chǎn)中只需要補充部分蒸發(fā)損失的水量即可)。這樣既節(jié)約水資源，防止營養(yǎng)成分的流失，同時又不致產(chǎn)生新的污染源。考查營養(yǎng)成分的利用率，植物材料在打漿制備發(fā)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(yǎng)成分都在各個工藝環(huán)節(jié)中閉環(huán)循環(huán)，補充少量營養(yǎng)成分即可實現(xiàn)營養(yǎng)成分的平衡。

表2 沼液水培循環(huán)制沼各環(huán)節(jié)的原輔料用量

厭氧發(fā)酵的周期約為33 d，而最大產(chǎn)氣區(qū)間在20 d以內(nèi)，植物水培周期為18 d，即便是保持在最大產(chǎn)氣區(qū)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(huán)制沼工藝，形成了水生植物培養(yǎng)與厭氧制沼的封閉的循環(huán)鏈，輸入有限的營養(yǎng)成分即可滿足循環(huán)的正常運轉(zhuǎn)。循環(huán)中利用制沼的殘余養(yǎng)分，通過光合作用生產(chǎn)有機生物質(zhì)，進而生產(chǎn)清潔能源，基本實現(xiàn)了物料、生產(chǎn)周期的自我平衡，不產(chǎn)生新的廢棄物，是一種理想的沼氣工程發(fā)展方式。

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

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(責任編輯：高 峻)

2017-05-12

浙江省重點科技創(chuàng)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(fā)與應(yīng)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(huán)制沼技術(shù)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(11)：1913-1915.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171116

S181

B

0528-9017(2017)11-1913-03