浮萍厭氧消化產氣性能分析①

于博涵 付莉莉 穆瑤佳1, 譚德冠 孫雪飄 韓冰瑩③

(1 南京農業大學生命科學學院 江蘇南京 210059；2 中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所/海南省熱帶生物質能源工程技術研究中心 海南海口571101)

浮萍(Lemnaceae)為浮萍科水面浮生植物，生長于水田、池沼或其他靜水水域，繁殖速率快，接近指數增長。全世界共有5個屬：青萍(Lemna)、多根紫萍(Spirodela)、少根紫萍(Landoltia)、蕪萍(Wolffia)和扁蕪萍(Wolfiella)，37個種。在中國有4個屬，10個種。浮萍主要用于飼料用途，目前浮萍已被認為是最具有發展潛力的戰略性新型非糧生物質原料之一[1-6]。Clark等[7]在批次和半連續試驗中將含鐵豐富的浮萍和雞糞進行發酵，結果表明浮萍的加入顯著提高了微生物的演替速率，氣體產量增加約44%。張東旭等[8]將浮萍和豬糞干重為1:1的混合物進行為期50 d的中溫厭氧消化，結果表明， 在有機負荷為3.5 g(VS)/L/d時，浮萍與豬糞混合物的VS產氣率為310 mL/g·VS。趙永彥[9]采用批量發酵工藝以浮萍為發酵原料，在 30℃恒溫條件下，進行厭氧消化產沼氣實驗，結果表明，浮萍產沼氣的潛力為 424 mL/g·TS，502 mL/g·VS。本試驗用浮萍和羊糞混合進行發酵，既能產生清潔能源—沼氣，又有利于研究浮萍的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗采用的浮萍由中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所生物質能源研究室培養，品種源自海南本地，將浮萍烘干備用；羊糞取自海口市演豐鎮農村養殖廠，經過馴化后備用。發酵原料的理化指標： 羊糞的TS[物料中固體成分(干物質量)] 為24.63%，VS(物料中可揮發性成分)為75.51%； 浮萍的TS為10.17%， VS為84.27%。

1.2 方法

1.2.1 實驗裝置設計

實驗裝置由發酵部分、集氣部分、計量部分組成，其中發酵部分為1 000 mL錐形瓶，集氣部分為1 000 mL廣口瓶，計量部分為1 000 mL量杯，詳見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2.2 厭氧發酵

厭氧消化試驗中的原料為浮萍和羊糞，設置1組空白對照組、6組實驗組，實驗組按投料比例，羊糞：浮萍(TS)分別為1:1.0、1:1.5、1:2.0、1:2.5、1:3.0和1:3.5(表1)。按比例將原料填充入1000mL的錐形瓶后加入600 mL水充分震蕩、搖勻，調節pH為7，將反應器置于35℃恒溫水浴鍋，之后用玻璃管和膠塞與裝滿水的集氣部分和計量部分相連接，并用凡士林將各瓶口密封防止漏氣。發酵時間為恒溫發酵35 d，每天手動搖晃反應器2次，并定時記錄厭氧發酵日產氣量和累計產氣量。空白組是在相同條件下，只加入等量羊糞進行厭氧發酵。日產氣量和累計產氣量的計算須扣除空白組產氣量的影響，取3次試驗數據平均值。

表1 物料配比

1.2.3 測定方法

VS的測定：馬弗爐灼燒法[10]。將烘干后的樣品放入馬弗爐(550～600℃)內灼燒4 h，待質量不再變化取出稱量，揮發的重量即VS，每個樣品設置3組平行，取平均值。

TS的測定：烘干恒重法[11]。將待測樣品放入烘箱中，調節烘箱溫度為(105±5)℃，將樣品烘干至恒重，取出進行稱量，每個樣品設置3組平行，取平均值。

pH的測定：pH計測定法[12]。將pH計校準后使用去離子水沖洗pH電極并擦干，將被測溶液攪拌均勻，邊攪拌邊將電極插入待測溶液，待讀數穩定后得到待測溶液的pH。

產氣量的測定：排水集氣法。在集氣瓶內加滿水，量杯里的排水量即為每天的產氣量，每天于上午9點記錄排水量。

甲烷含量的測定：專業氣體檢測儀檢測。對實驗最終集氣瓶內收集的氣體，使用WOSTTM專業氣體檢測儀進行讀數檢測。

2 結果與分析

2.1 不同物料比對厭氧消化日產氣量的影響

由圖2可知，對照組前期基本不產氣，從發酵中期開始產氣，但產氣量低，且不穩定，其余各組日產氣量趨勢大體相同，日產氣量隨時間增長逐漸上升，在發酵中期10～20 d出現最高峰，隨后逐漸下降。可以發現1:2.5、1:3.0、1:3.5這3組的日產氣量峰值最高，但是1:2.5這組的高峰值出現得較早，隨著浮萍比例增加，日產氣量最高峰出現時間向后推遲，這說明隨著物料的增加，厭氧發酵微生物需要更多的時間來繁殖。到達35d時，1:3.0和1:3.5這2組還有少量產氣，其余各組均不產氣，這說明浮萍添加量過高，還沒有完全被降解，但日產氣量已經處于較低水平。

2.2 不同物料比對厭氧消化累積產氣量的影響

圖2 不同原料配比對日產氣量的影響

由圖3可知， 1:1.0、 1:1.5、 1:2.0、 1:2.5、 1:3.0、1:3.5物料比厭氧消化35 d的累積產氣量分別為1 226、1 909.5、 2 643.5、 3 350、 3 729.5、 3 838 mL； 浮萍添加量增加，累計產氣量也相對升高，但1:2.5物料比總累計產氣量雖低于1:3.0和1:3.5，但累計產氣量上升時間較早，厭氧發酵后期累計產氣量趨于平穩，這有利于半連續式投料發酵產沼氣。

2.3 厭氧消化前后料液的TS，VS和pH

圖3 不同物料比對累積產氣量的影響

由表2可知，對照組厭氧發酵前后料液的TS、VS變化不大，隨著浮萍投入比例加大，實驗組TS，VS的消耗量逐漸升高，這說明浮萍在厭氧消化過程中可以被微生物有效降解，厭氧消化前后的pH保持在7.0不變，始終處于厭氧消化的正常范圍內。

2.4 厭氧消化潛力分析

對厭氧消化潛力相關各個指標進行了差異顯著性分析，由表3可知，不同浮萍添加比例，差異性顯著，隨著浮萍投放比例的加大，凈產氣量逐漸增多，最高為1:3.5，達到3 838 mL，1:3與其無顯著差異，1:2.5雖然產氣量略低于1:3和1:3.5，但也達到了3 350 mL處于較高水平。TS產氣率、VS產氣率隨著浮萍投放比例增加，也呈逐漸上升趨勢，在1:2.5達到最高值，TS產氣率194.64 mL/g、VS產氣率210.71 mL/g，與1:3和1:3.5差異性不顯著，1:3和1:3.5略有降低，這可能與浮萍添加比例過大有關，浮萍質量輕，漂浮在液面處，添加比例越高，堆積的越密集，這樣不利于微生物與浮萍的接觸，對產氣效率產生一定影響；1:2.5顯著高于1:1、1:1.5、1:2。浮萍產氣率1:2.5最高為77.75 mL/g，高于1:2，但與其差異不大，與其他比例差異性顯著。隨著浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐漸提高，1:3、1:3.5的比例相對于1:2.5的比例提高不大，無顯著差異，1:2.5的甲烷含量為51.93%。可以看出，不同的浮萍添加量達到一定比例后對甲烷含量的影響不大(51.93%～53.07%)，這可能與同樣的接種羊糞中的微生物群落組成分布基本一致有關[13]。

表2 厭氧消化前后TS、V S、pH變化

表3 不同物料比產氣率變化

對厭氧消化潛力各指標之間進行了相關性分析，由表4可知，TS產氣率、VS產氣率、凈產氣量、甲烷含量這4項指標之間呈顯著正相關，浮萍產氣率與其他各個指標之間無顯著相關關系，這證明，浮萍比例增大，凈產氣量逐漸增大，各項指標也隨之增大，高于1:2.5的比例時，產氣高峰出現時間滯后，產氣率出現降低趨勢，這可能與浮萍添加比例過大有關。

表4 各指標相關性分析

3 討論與結論

通過不同原料比的試驗可以看出，35℃恒溫條件下，以浮萍為原料進行厭氧消化可以產沼氣，產氣的高峰在中期階段第10～20天，20 d日產氣量呈下降趨勢，30 d后除1:3和1:3.5外均不產氣，而1:3和1:3.5還有少量產氣的原因是這2個比例的浮萍添加量過多，浮萍質量較輕，全部漂浮在液面處，處于上層的浮萍無法和厭氧消化微生物進行有效接觸，只有處于下層的浮萍被微生物分解后才能與微生物進行有效接觸，30 d的時候浮萍并沒有被完全分解，這也是導致這2個比例條件下產氣高峰出現時間滯后的原因。累積產氣量隨浮萍比例增大而增加，1:2.5(羊糞：浮萍)累積產氣量稍低于1:3、1:3.5，達到3 350 mL，這可能是1:3和1:3.5浮萍添加量過大，在厭氧消化后期還產有少量沼氣，但這2個比例的產氣高峰出現時間與1:2.5相比有所延后，這說明隨著物料的增加，厭氧發酵微生物需要更多的時間來繁殖，這不利于實際應用中的半連續補料式發酵。厭氧消化潛力最大的比例為1:2.5，最高為194.64 mL/g TS，這與顧新嬌[3]研究的浮萍產氣潛力202 mL/g TS相差不大；趙永彥[9]采用批量發酵工藝以鮮浮萍為發酵原料，浮萍產沼氣的潛力為 424 mL/g TS，高于本試驗結果2.18倍，也并未遇到鮮浮萍難降解的問題，這可能是他們的發酵底物經過長期馴化，菌群可高效分解鮮浮萍。1:2.5的比例條件下，35 d內浮萍的利用率最高，隨著浮萍添加比例的增加，甲烷含量逐漸提高，所有比例的甲烷含量均＞40%，已經具備了燃燒條件，1:3，1:3.5兩個比例的甲烷含量相對于1:2.5的51.93%提高不大，綜合考慮，認為1:2.5(羊糞:浮萍)的比例是浮萍厭氧消化的最佳比例。

利用浮萍進行厭氧消化還有幾方面的問題需要解決：如果想要獲得較高的產氣量，就要投入較多的浮萍，浮萍過多，會堆積漂浮在液面處，不利于微生物與浮萍的接觸，影響產氣效率；進行厭氧消化時使用鮮浮萍會出現產氣時間滯后，通過前期試驗發現，鮮浮萍可以在發酵條件下很長一段時間內不被消化，可能是由于其葉片上表皮細胞具有較厚的角質層和蠟質層，可以一定程度上抵御微生物的降解，這就使利用浮萍厭氧消化需增加了烘干浮萍（使其失去生物活性)這一操作步驟。解決了上述問題，浮萍將成為很好的厭氧消化原料。