波斯菊秸稈發酵產氣潛力研究

趙振興 王昌梅 張無敵 丁鵬力 尹芳 趙興玲 吳凱 柳靜 楊紅 劉士清

摘要：以波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）秸稈為原料，在恒溫（30±0.5） ℃的條件下進行批量式沼氣發酵試驗，設計對照組（120 mL接種物）和試驗組（120 mL接種物+11.91 g波斯菊秸稈）。結果表明，試驗組沼氣發酵時間為33 d，凈產氣量為3 248 mL，計算得出波斯菊秸稈的總固體含量產氣潛力為289 mL/g，揮發性固體含量產氣潛力為282 mL/g。

關鍵詞：波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）;沼氣發酵;產氣潛力

中圖分類號：S216.4;X705? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）08-0060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.013? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： A batch biogas fermentation experiment was carried out with the straw of Cosmos bipinnata as raw material at （30±0.5） ℃ at constant temperature. The control group （120 mL inoculum） and the experimental group （11.91 g straw of Cosmos bipinnata） were used to test the biogas fermentation. The results showed that the biogas fermentation time of the experimental group was 33 d and the net gas production was 3 248 mL. The gas production potential of the straw of Cosmos bipinnata was calculated， and the gas potential of total solid content was 289 mL/g， and the gas potential of volatile solid content was 282 mL/g.

Key words： Cosmos bipinnata Cav.; biogas fermentation; potential for gas production

波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.），別名大波斯菊、秋英，在甘肅、青海被稱作八瓣梅[1]，在藏區亦稱“張大人花”[2]，是一年生或多年生草本植物，高1～2 m。根紡錘狀，多須根，或近莖基部有不定根。莖無毛或稍被柔毛。花期一般為6—8月，果期則在9—10月。

波斯菊是一種觀賞植物，原產美洲墨西哥[3]，中國栽培甚廣，在路旁、田埂、溪岸也常自生。云南、四川西部有大面積歸化，海拔可達2 700 m。其喜光，耐貧瘠土地[4]，雖為觀賞植物，但花期結束后大量的秸稈對環境造成了較大污染，不僅造成了資源的極大浪費，而且大大降低了自身的附加值，因此對波斯菊秸稈的利用與研究具有重要意義[5]。本試驗通過切碎的波斯菊秸稈進行厭氧發酵產沼氣的研究，旨在探索廣泛種植的波斯菊秸稈合理利用的途徑。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 發酵原料? 發酵原料采用云南省昆明市云南師范大學校園的波斯菊秸稈，經測定波斯菊秸稈的TS（總固體含量）為94.11%，VS（揮發性固體含量）為96.75%。

1.1.2? 接種物? 接種物為云南師范大學太陽能研究所生物質能課題組實驗室長期馴化的豬糞厭氧發酵活化污泥，經測定，其TS為10.66%、VS為63.49%，pH為7.0。

1.1.3? 試驗裝置? 采用實驗室自制的容積為500 mL的批量式發酵裝置，該裝置由500 mL發酵瓶、? ?500 mL集氣瓶、500 mL計量瓶以及溫控系統組成。波斯菊秸稈發酵的試驗裝置如圖1所示[6]。

1.2? 方法

1.2.1? 原料預處理? 將波斯菊秸稈剪切成1 cm的小段，以便厭氧發酵時與接種物充分接觸混合。

1.2.2? 試驗設計? 采用批量式沼氣發酵工藝。①發酵系統料液的配比。1個試驗組和1個對照組均重復設置3個平行試驗，具體配比如下。試驗組TS為10.66%的接種物120 mL，波斯菊秸稈11.91 g，加水至400 mL。對照組TS為10.66%的接種物120 mL，加水至400 mL。②試驗過程中，通過運用智能數顯溫控儀（C3W-221）確保中溫厭氧發酵環境的正常運行，使發酵溫度維持在（30±0.5） ℃。③試驗啟動后，每天定點記錄各套裝置的產氣量，每隔2～4 d利用氣相色譜儀（GC9790II）測定甲烷的含量。

1.2.3? 測定項目及方法? ①pH的測定。采用5.7～8.5精密pH試紙測定pH，測得pH為7.0。

②TS測定。將樣品放置在（105±1） ℃烘箱內烘干4 h至恒重，利用電子天平稱量。計算樣品去除水分后剩余干物質的質量分數[7]。

式中，W0為樣品重量（g）;W1為樣品烘干至恒重后的重量（g）。

③VS測定。將TS測定后恒重的總固體在（550±5） ℃下燒至恒重，利用電子天平稱量。計算揮發性物質的質量分數[7]。

式中，W2為灰分重量（g）。

④產氣量測定。采用排水集氣法收集氣體并測定產氣量，試驗啟動以后，每天同一時間（20：00）記錄各組的產氣量，通過計算各組平行試驗的平均產氣量來確定發酵過程中每天的產氣量。

⑤甲烷含量測定。采用實驗室GC9790II氣象色譜儀測定其甲烷、氫氣、二氧化碳的含量。

2? 結果與分析

2.1? 發酵前后發酵材料及接種物各參數對比

試驗前后發酵料液的TS、VS及pH等結果變化見表1。由表1可知，發酵原料的TS和VS在發酵之后均有一定程度的降低，其中試驗組的TS和VS降解率明顯高于對照組，對照組的TS和VS的降解率較低，這與發酵過程中對照組幾乎不產氣的規律完全相符。根據數據可發現發酵料液的pH在發酵前后有所變化，但仍然維持在發酵的較佳pH范圍內。

2.2? 產氣情況分析

2.2.1? 凈產氣量? 試驗正式啟動后，每天定時記錄產氣情況，通過對數據的計算分析得到波斯菊秸稈厭氧發酵時間和產氣量的規律。試驗組的日產氣量變化曲線見圖2。由圖2可知，波斯菊秸稈的產氣曲線符合批量式沼氣發酵原料產氣的一般規律，即啟動后1 d就開始產氣，隨著發酵時間的增長，產氣量開始逐漸呈波動增加，達到峰值后，產氣量又逐漸下降，18 d時停止產氣，經對料液pH的檢測，確定是原料酸化導致產氣停滯[8]。經過一段時間的恢復，23 d時產氣量又有所回升。沼氣發酵時間為33 d，33 d后發酵體系停止產氣，即波斯菊秸稈的發酵周期為33 d。啟動第一天，雖有產氣，但所產氣體不能點燃，說明甲烷含量很低，所產氣體中其他雜質氣體較多。2～7 d，每天的產氣量呈上升趨勢，并在7 d時達到了日產氣量的高峰，達350 mL，此時點燃的火焰為淡藍色，從火焰顏色判斷產氣中的甲烷含量在40%～50%[9]，8 d時開始，產氣量有所下降，下降至? 9 d后開始上升，并在11 d時達到第二個產氣量高峰，為197 mL，此時氣體點燃后火焰顏色為深藍色，根據顏色判斷，甲烷含量應該在60%～70%[9]，此后產氣量開始呈下降趨勢，18 d時停滯，經過恢復，24 d時又開始產少量氣體，達到一個小峰值后，產氣量逐步降低，33 d后發酵體系停止產氣，表明波斯菊秸稈沼氣發酵基本結束。

2.2.2? 所產氣體中CH4含量? 試驗組每3 d測一次產氣量，所測甲烷含量見圖3。由圖3可看出，從產氣開始，甲烷含量持續上升，并在12 d時達到最大值，此時的甲烷含量為62.58%，而所產氣體點燃后，火焰顏色為深藍色;后隨著產氣量的急劇下降，甲烷含量也隨之下降至0，這主要原因是酸化導致發酵停滯，經過一段時間恢復，22 d時又逐漸開始產氣，經測定，第二階段從開始產氣到試驗結束，僅在24 d時甲烷含量最高，且所產氣體無法正常點燃，此后逐漸下降，直至反應結束。

2.2.3? 累計產氣量? 試驗組的累計產氣量曲線見圖4。從圖4可以看出，整個發酵過程累計產氣量為3 248 mL。1～16 d累積產氣量呈陡增狀態，表明波斯菊秸稈的產氣量增長率變化較大。酸化結束后，累計產氣量增長趨勢趨于平緩，之后逐漸平穩。發酵前18 d，由于波斯菊秸稈中所含營養物質較多，易于微生物生長，故產氣較快[10]，酸化階段結束后由于發酵原料中微生物所需營養物質減少，無法為甲烷菌提供足夠的養分，再加之微生物數量有所下降，導致后期產氣量較少且產氣效益變慢[11]。18 d時，產氣總量已經超過總產氣量3 248 mL的89%，由此可確定在實際的工程設計中，發酵罐的水力滯留時間（HRT）可設計為18 d，符合一般沼氣發酵罐的設計參數，資金投資較小，易于回收。

3.3? 不同原料的產氣潛力對比

為進一步評判波斯菊秸稈的產沼氣潛力，對在相同發酵溫度下，各類植物發酵原料的發酵時間以及相應TS產氣潛力進行橫向比較，結果[11-16]見表2。由于溫度是影響沼氣產氣效率、發酵周期的主要生態因子[17]，為獲取準確的比較結果，需在同一溫度段對同類原料的TS產氣率進行比較[8]。表2中的原料均未采取任何化學預處理，具有可比性。由表2可知，波斯菊秸稈發酵的TS產氣潛力為289 mL/g，高于落葉類和表中所列大部分植物性原料，是最低TS產氣潛力的5.35倍（三角楓產氣潛力為54 mL/g）。而波斯菊秸稈的TS產氣潛力低于早熟禾秸稈（457 mL/g）、麥秸稈（450 mL/g）、玉米秸稈（447 mL/g）、勿忘我花稈（359 mL/g）和玫瑰秸稈（305 mL/g），但這些原料發酵時間均長于波斯菊秸稈原料的發酵時間，在實際沼氣工程中，除了原料的經濟成本，還要考慮時間和綜合利用效率，以波斯菊秸稈為發酵原料，可減少時間等投資成本，有效提升經濟效益。

雖然波斯菊秸稈發酵過程出現了酸化，但發酵過程不需要添加外源物質調節，發酵體系能夠在短時間內自動恢復，且恢復后產氣狀況較為正常，故可將波斯菊秸稈用來發酵產沼氣，又因為波斯菊秸稈的TS產氣潛力相對較高，不僅能為實際的沼氣工程提供一定的發酵原料，還可以有效解決每年大量的秸稈廢棄物資源浪費和環境污染問題，因此利用波斯菊秸稈進行厭氧發酵產沼氣是可行的，是緩解環境污染、建立新的生態平衡、實現整體良性循環的一條途徑[18]。除了產生沼氣外，沼氣發酵殘留物可作為沼肥施用于花卉種植基地，其較高的肥效又能促進花卉的生長[19]。

3? 小結

1）以波斯菊秸稈為發酵原料，在（30±0.5） ℃進行批量式沼氣發酵試驗，當發酵進行到33 d時，其產氣量變為零，且從29 d時產氣量逐漸下降，說明發酵原料的厭氧消化幾乎停滯，故發酵時間為33 d，這個發酵周期在相同發酵條件下的秸稈發酵中是相對較短的。