洋桔梗秸秆厌氧发酵产沼气试验

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　　摘要 为探索洋桔梗秸秆的厌氧发酵产沼气的可行性及其产沼气特性，以洋桔梗秸秆为原料，在30 ℃下进行了批量式恒温沼气发酵试验。结果表明，洋桔梗秸秆沼气发酵时间为22 d，原料产气率为70.79 mL/g，原料TS产气率为361.56 mL/g ，产气潜力与多种花卉秸秆相当，高于大部分植物性原料。
　　关键词 洋桔梗秸秆，沼气发酵，产气潜力
　　中图分类号 S216.4文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）06-0188-03
　　Abstract In order to explore the feasibility of biogas production from anaerobic fermentation of Eustoma grandifloru straw and its biogas production characteristics， the batch type constant temperature biogas fermentation experiment was carried out with E. grandifloru straw as raw material at 30  ℃. The results indicated that biogas fermentation time of E.grandifloru straw was 22 d， the biogas yield of raw material was 70.79 mL/g， and the TS biogas yield of raw material was 361.56 mL/g， the gas production potential was comparable to a variety of flower straws and higher than that of most plant materials.
　　Key words Eustoma grandifloru straw，Biogas fermentation，Gas production potential
　　洋桔梗（Eustoma grandifloru），别名草原龙胆，隶属桔梗科草原龙胆属，为一、二年生草本[1]，原产于北美洲，是目前国际上十分流行的盆花和切花种类之一[2]。云南作为世界最宜生产花卉的四大区域之一，2015年云南花卉种植面积7.51万hm2，其中鲜切花以玫瑰、洋桔梗、康乃馨和百合为主，鲜切花总面积1.24万hm2，产量86.9亿支，占全国70%以上的市场份额。鲜切花中，洋桔梗是近年来发展较快的品类，种植面积已超过400 hm2，超过非洲菊，成为云南大宗切花品种[3]。在开拓花卉种植面积、促进花卉产业繁荣发展的同时，如何有效地对花卉废弃秸秆进行处理，也成为花卉种植和销售市场所面临的关键问题。目前，废弃花卉秸秆的利用主要是直接填埋或简单堆沤后做肥料，大量秸秆直接堆沤存在污染环境、利用率低、肥效差等问题[4]。因此，选择一种合理、环保、高效的处理方式是处理废弃花卉秸秆的关键。笔者以洋桔梗秸秆为原料，探究其厌氧发酵产沼气的可能性及产气潜力，旨在为废弃花卉秸秆的资源化利用提供新途径。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料
　　1.1.1 试验原料。试验所用洋桔梗秸秆采用云南省通海县河西镇花卉种植农户修剪残余物，经测定所用洋桔梗秸秆的总固体（TS）含量为19.57%，挥发性固体（VS）含量为96.31%。
　　1.1.2 接种物。试验所用接种物取自云南农业职业技术学院实训基地户用沼气池，为长期驯化的混合厌氧活性污泥，经测定其总固体（TS）含量为12.50%，挥发性固体（VS）含量为66.16%，pH为7.5～8.0。
　　1.2 试验装置 采用自制的容积500 mL的批量式装置发酵，装置图如图1所示。
　　1.3 方法
　　1.3.1 试验方法。
　　1.3.1.1 原料预处理。将洋桔梗秸秆切碎成约1 cm长，以便与接种物混合及利于发酵。
　　1.3.1.2 发酵液的配制。试验组：120 mL接种物，加入19 g洋桔梗秸秆，加水至400 mL，混匀，分别设置3个平行。对照组：120 mL接种物，加水至400 mL，混匀，分别设置3个平行。
　　1.3.1.3 发酵条件。在恒温30 ℃下进行全混合批量式发酵。
　　1.3.2 测定项目与方法。
　　1.3.2.1 pH。采用精密pH试纸测定接种物、料液发酵前后的pH。
　　1.3.2.2 产气量。采用排水集气法收集所产气体，每天定时记录产气量，取3个平行的平均值。
　　1.3.2.3 甲烷含量。采用火焰颜色比色卡法[5]，即每天定时点燃气体，观察火焰颜色。
　　1.3.2.4 TS含量。TS含量是指将待测样品在（105±5） ℃温度下烘至恒重时称量残留物质的含量[5]。启动试验前测定原料洋桔梗秸秆、接种物的TS，发酵前后测定发酵料液的TS，以了解原料的降解情况。
　　1.3.2.5 VS含量。VS含量是指将测定总固体的恒重样品置于（550±20） ℃条件下灼烧至恒重所挥发的物质含量[5]。
　　2 结果与分析
　　2.1 发酵前后料液的变化
　　对发酵前后试验组和对照组料液的TS含量、VS含量及pH的变化情况进行统计分析，结果如表1所示。由表1可知，对照组发酵料液发酵前后的TS含量及VS含量稍有降低，TS降解率和VS降解率分别为3.90%和3.62%，表明接种物中有少量有机物被沼气发酵微生物降解，可能是由于接种物发酵温度由原来的常温提高到30 ℃，促进了有机物的降解，但降解率较小，整个过程几乎不产气，试验组的TS降解率和VS降解率分别为33.12%和9.08%，均明显高于对照组，表明洋桔梗秸秆已充分被发酵微生物降解產生沼气。试验组发酵前后pH稍有降低，但变化幅度不大，仍在适宜pH范围内，在发酵过程中发酵开始第1天料液pH降至6.5，第2天降至6.0，此后随着产生气体中甲烷含量不断提高，pH逐渐回升并保持在7.0左右，属于正常发酵pH范围，对照组pH在整个过程中也有所降低，但没有发生波动。 　　2.2 产气情况分析
　　2.2.1 日产气量。每天定时记录产气量，发酵开始第1天产气100 mL和第2天所产气体中的105 mL由于甲烷含量较少，不能点燃，扣除此部分不可燃气体后，分析洋桔梗秸秆厌氧发酵产沼气时间与日产气量的关系，如图2所示。
　　从图2可以看出，洋桔梗秸秆沼气发酵时间为22 d。发酵开始后第1天开始产气，但所产气体不能点燃，第2天所产前105 mL气体不能点燃，后100 mL气体能点燃，燃烧火焰颜色为淡蓝色，判断甲烷含量约45%，此后产气量快速增加，发酵第3天产气量达到最高峰，日产气量为155 mL/d，燃烧火焰颜色为淡晴蓝，判断甲烷含量约55%，发酵第4、5天产气量减少，第7天出现第2个波峰，日产气量为125 mL/d，燃烧火焰颜色为蓝色偏黄，判断甲烷含量约65%，但此产气过程波动较小，此后日产气量以每天减少20 mL左右的速度逐渐降低，火焰颜色由内黄外蓝慢慢变为黄色，判断甲烷含量已提升至70%左右。
　　2.2.2 累积产气量。试验过程中的阶段累积产气量随时间的变化如表2所示。
　　由表2可知，洋桔梗秸秆在22 d的发酵时间内共产气1 345 mL，前12 d中累积产气量以大概每3 d增加20%，在第12天累积产气量达1 120 mL，占总产气量的83.27%，表明主要产气阶段集中在前12 d。
　　2.3 产气潜力分析
　　经计算，洋桔梗秸秆厌氧发酵总产气量为1 345 mL，TS产气率为361.56 mL/g，VS产气率为375.70 mL/g，均高于300 mL/g，其原料产气率为70.79 mL/g，具有较高的产气潜力，其能源化利用前景可观。
　　为进一步评价洋桔梗秸秆厌氧发酵的产气潜力，汇总了不同花卉秸秆和其他不同植物性发酵原料的TS产气潜力，并将其与洋桔梗秸秆进行了比较。由表3可知，洋桔梗秸秆TS产气潜力与勿忘我、康乃馨、非洲菊等花卉秸秆相当，但其发酵时间明显较短，产气潜力略高于玫瑰桔梗，低于满天星、马蹄莲和波斯菊，洋桔梗秸秆TS产气潜力优于大部分植物性原料，是三角枫的6.74倍，低于薇甘菊、早熟禾、芦荟皮。
　　4 结论与讨论
　　（1）以洋桔梗秸秆为发酵原料，在恒温30 ℃下进行批量式厌氧发酵试验，发酵时间为22 d，主要产气阶段集中在前12 d。
　　（2）洋桔梗秸秆发酵共产气1 345 mL，原料产气率为70.79 mL/g，TS产气率为361.56 mL/g。
　　（3）试验结果表明，洋桔梗秸秆发酵时间较短，产气潜力与多种花卉秸秆相当，高于大部分植物性原料，是一种较好的产沼气原料，可为废弃花卉秸秆资源化利用提供依据。
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