波斯菊秸秆发酵产气潜力的实验研究

赵振兴,王昌梅,张无敌,丁鹏力,尹芳,赵兴玲,吴凯,柳静,杨红,刘士清

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

摘要：本文以波斯菊秸秆为原料，在恒温（30±0.5）℃的条件下进行批量式沼气发酵试验，实验设计对照组（120mL接种物）和实验组（120mL接种物+11.91g波斯菊秸秆）。实验结果表明，实验组沼气发酵时间为33d，净产气量为3248 mL，通过计算得出波斯菊秸秆的产气潜力为289mL／g·TS、282mL／g·VS。

关键词：波斯菊；格桑花；沼气发酵；产气潜力。

Study on the Gas Production Potential of Straw Straw of Cosmopolis

(Solar Energy Research Institute，Yunnan Normal University，

Kunming Yunnan 650092，China)

Abstract: A batch biogas fermentation experiment was carried out with the straw of Persia chrysanthemum as raw material at 30 ±0.5 ℃ at constant temperature. The control group (120 mL) and the experimental group (11.91 g) were used to test the biogas fermentation. The results showed that the biogas fermentation time of the experimental group was 33 days and the net gas production was 3248 mL. The gas production potential of the straw of Persia chrysanthemum was calculated to be 289mL/g TSN 282 mL / g VS.

Keywords: Cosmopolis; Gesanghua; Biogas fermentation; The potential for gas production.

1.引言

波斯菊（学名：Cosmos bipinnata  Cav.），别名：大波斯菊、秋英，甘肃、青海的人叫它八瓣梅^[1]，在藏区亦叫做“张大人花”^[2]，更是西藏大量的期刊杂志、歌曲上代表格桑花的植物，而在网络上查询“格桑花”的图片，展示较多的也是“张大人花”——波斯菊，是一年生或多年生草本植物，高1-2米。根纺锤状，多须根，或近茎基部有不定根。茎无毛或稍被柔毛。花期一般为6-8月，果期则在9-10月。

波斯菊是一种观赏植物，原产美洲墨西哥^[3]，中国栽培甚广，在路旁、田埂、溪岸也常自生。云南、四川西部有大面积归化，海拔可达2700米。其喜光，耐贫瘠土地^[4]，虽为观赏植物，但花期结束后大量的秸秆对环境造成了较大污染，不仅造成了资源的极大浪费，而且大大降低了自身的附加值，因此对波斯菊秸秆的利用与研究具有重要意义^[5]。本实验通过切碎的波斯菊秸秆进行厌氧发酵产沼气的研究，旨在探索发现各地广泛种植的波斯菊秸秆合理处理利用的途径。

2.实验材料与方法

2.1实验材料

2.1.1发酵原料

发酵原料是采用云南省昆明市云南师范大学校园的波斯菊秸秆，经测定波斯菊秸秆的TS(总固体含量)为94.11%，VS(挥发性固体含量)为96.75%。

2.1.2接种物

接种物为云南师范大学太阳能研究所生物质能课题组实验室长期驯化的猪粪厌氧发酵活化污泥，经测定，其TS为10.66%、VS为63.49%，pH为7.0。

2.1.3实验装置

实验装置采用实验室自制的容积为500 mL的批量式发酵装置，该实验装置由500 mL的发酵瓶、500 mL的集气瓶、500 mL的计量瓶以及温控系统组成。波斯菊秸秆发酵的实验装置简图如图1所示^[6]。

注：A.温控仪；B.水槽；C.集气瓶；D.计量瓶；E.发酵瓶；F.三通（点火口）；G.标线。

图1 实验装置

Fig 1 Experimental equipment

2.2实验方法

2.2.1原料预处理

将从云南师范大学校园采集的波斯菊秸秆剪切成1cm的小段，以便厌氧发酵时与接种物充分接触混合。

2.2.2实验设计

实验采用批量式沼气发酵工艺。

①发酵系统料液的配比。本实验由1个实验组和1个对照组构成，两组均重复设置三个平行实验，具体配比如下:

实验组：TS为10.66%的接种物120mL，波斯菊秸秆11.91g，加水至400mL。

对照组：TS为10.66%的接种物120mL，加水至400mL。

②实验过程中，通过运用智能数显温控仪（C3W-221）确保中温厌氧发酵环境的正常运行，使发酵温度维持在（30±0.5）℃。

③实验启动后，每天定时记录各套装置的产气量，每隔2-4d利用气相色谱仪（GC9790II）精确测定甲烷的含量。

2.2.3测定项目及方法

（1）pH的测定：采用5.7—8.5精密pH试纸测定pH，测得pH值为7.0。

（2）TS(总固体含量)测定：将样品放置在(105±1)℃下的烘箱内烘干4h至恒重，利用电子天平称量。计算样品去除水分后剩余干物质的质量分数^[7]。

式中，取为样品重量(g)；为样品烘干至恒重后的重量(g)。

（3）VS(挥发性固体含量)测定：将TS测定后恒重的总固体在(550±5)℃下烧至恒重后，利用电子天平称量。计算挥发性物质的质量分数^[7]。

式中，为灰分重量(g)。

（4）产气量测定：采用排水集气法收集气体并测定产气量，实验启动以后，每天同一时间（20:00）记录各组的产气量，通过计算各组平行实验的平均产气量，最终确定发酵过程中每天的产气量。

（5）甲烷含量测定：采用实验室GC9790II气象色谱仪测定其甲烷、氢气、二氧化碳的含量。

3.实验结果与分析

3.1发酵前后发酵材料及接种物各参数对比

实验前后发酵料液的TS、VS 及pH 值等结果变化详见表1所示。

表1 发酵前后料液的TS、VS 和pH 值                                                            

Table 1  The TS，VS and pH value of fermentation liquid bofore and after the fermentation

从表1中数据对比可以发现：发酵原料TS和VS在发酵之后均有一定程度的降低，其中实验组的TS和VS降解率明显高于对照组，对照组的TS和VS的降解率很低，这与发酵过程中对照组几乎不产气的规律完全相符。根据数据，可发现发酵料液的pH值在发酵前后有所变化，但仍然维持在发酵的较佳pH范围内。

3.2产气情况分析

3.2.1净产气量

实验正式启动后，每天定时记录产气情况，通过对数据的计算分析得到波斯菊秸秆厌氧发酵时间和产气量的规律。试验组的日产气量变化曲线如图2所示。

图2 净产气量曲线图

Fig 2 Net gas production curve

由图2可以发现，波斯菊秸秆的产气曲线符合批量式沼气发酵原料产气的一般规律，启动后第一天开始产气，随着发酵时间的增长，产气量开始逐渐呈波动增加，达到峰值后，产气量又逐渐下降，从第18d开始停止产气，经对料液pH值的检测，确定是原料酸化导致产气停滞^[8]。经过一段时间的恢复，从第23d开始，产气量又有所回升。沼气发酵时间为33d，从33d以后，发酵体系基本停止产气，即波斯菊秸秆的发酵周期为33d。启动第一天，虽有产气，但所产气体不能点燃，说明甲烷含量很低，所产气体中其他杂质气体较多。第2-7d，每天的产气量呈上升趋势，并在第7d达到了日产气的高峰，产气量达350 mL，此时点燃的火焰为淡蓝色，从火焰颜色判断产气中的甲烷含量大概在40%-50%之间^[9]，从第8d开始，产气量有所下降，下降至第9d后开始上升，并在第11d达到第二个产期高峰，产气量为197ml，此时气体点燃后火焰颜色为深蓝色，根据颜色判断，甲烷含量应该在60%-70%之间^[9]，此后产气开始呈下降趋势，到18d的时候停滞，经过恢复，从24d又开始产少量气体，达到一个小峰值后，产气量逐步降低，最终在第33d以后发酵体系停止产气，表明波斯菊秸秆沼气发酵基本结束。

3.2.2所产气体中CH₄含量

实验组每3d测定一次，所测甲烷含量如图3所示。

图3 沼气中甲烷含量变化曲线图

Fig 3 Methance content of biogas

根据每3d测量一次的数据记录分析，由图3可看出，从产气开始，甲烷含量持续上升，并在第12d时达到最大值，此时的甲烷含量为62.58%，而所产气体点燃后，火焰颜色为深蓝色；随后随着产气量的急剧下降，甲烷含量也随之下降至0%，这主要原因是酸化导致发酵停滞，经过一段时间恢复，从22d开始，又逐渐开始产气，经过测量，第二阶段从开始产气到实验结束，仅在第24d时甲烷含量最高，且所产气体无法正常点燃，此后逐渐下降，最终下降直至反应结束。

3.2.3累计产气量

统计实验组每3d的净产气量，详见表2

表2 累计产气量统计

Table 2 Cumulative gas production

实验组的累计产气量曲线图如图4：

图4 累计产气量曲线图

Fig.4 Accumulative gas yield curves

从图4可以看出，整个发酵过程的累积产气量为3248mL。在第1~16d累积产气量呈陡增状态，表明波斯菊秸秆的产气量增长率变化较大。酸化结束后，累积产气量增长趋势趋于平缓，之后逐渐平稳。发酵前18d，由于波斯菊秸秆中所含营养物质较多，易于微生物生长，故产气较快^[10]，酸化阶段结束后由于发酵原料中微生物所需营养物质减少，无法为甲烷菌提供足够的养分，再加之微生物火星有所下降，故导致后期产气较少且产气变慢^[11]。根据图表数据分析，到18d时，产气总量已经超过总产气量3248的89%，由此可确定在实际的工程设计中，发酵罐的HRT可设计为18d，符合一般沼气发酵罐的设计参数，资金投资较小，易于回收。

3.2.4产气潜力分析

结合波斯菊秸秆的TS、VS等值对其厌氧发酵产沼气潜力进行计算，结果见表3。

表3 波斯菊秸秆厌氧发酵的产气潜力

Table 3 Gas production potential of anaerobic fermentation of longan shell

3.3不同原料的产气潜力对比

表4  不同原料的产沼气潜力

Table 4 Biogas potential of different raw materials

为进一步分评判波斯菊秸秆的产沼气潜力，对在相同发酵温度下，各类植物发酵原料的发酵时间以及相应TS产气潜力进行横向比较，结果如上表4所示。由于温度是影响沼气产气效率、发酵周期的主要生态因子^[17]，故为获取准确的比较结果，需在同一温度段对同类原料的TS产气率进行比较^[8]。表4中的原料均未采取任何化学预处理，故具有可比性，由上表可看出，波斯菊秸杆发酵的TS产气潜力为289mL/g，高于落叶类和表中所列大部分植物性原料，最高的达到5.35倍（如三角枫TS产气潜力为54mL/g）。而波斯菊秸杆的TS产气潜力低于早熟禾（TS产气潜力457mL/g）、麦秸（TS产气潜力450mL/g）、玉米秸（TS产气潜力447mL/g）、勿忘我花秸秆（TS产气潜力359mL/g）和玫瑰秸秆（TS产气潜力305mL/g），但,这些原料发酵时间均长于波斯菊秸秆原料的发酵时间，在实际沼气工程中，除了原料的经济成本，还要考虑时间和综合利用效率，以波斯菊秸秆为发酵原料，可减少时间等投资成本，有效提升经济效益。

虽然波斯菊秸秆发酵过程出现了酸化，但发酵过程不需要添加外源物质进行调节，发酵体系能够在短时间内自动恢复，且恢复正常后产气状况较为正常，故可将波斯菊秸秆用来发酵产沼气，又因为波斯菊秸秆的TS产气潜力相对较高，不仅能为实际的沼气工程提供一定的发酵原料，还可以有效解决每年大量的秸秆废弃物资源浪费和环境污染问题，因此利用波斯菊秸秆进行厌氧发酵产沼气是可行的，是缓解环境污染、建立新的生态平衡、实现整体良性循环的一条最佳途径^[18]。除了产生沼气外，沼气发酵残留物可作为沼肥施用给花卉种植基地，其较高的肥效又能促进花卉的生长^[19]。

4. 结论

（1）以波斯菊秸秆为发酵原料，在（30±0.5）℃下进行批量式沼气发酵实验，当发酵进行到第33d时，其产气量变为零，且从第29d开始，产气量逐渐下降，说明发酵原料的厌氧消化几乎停滞，故发酵时间为33d，这个发酵周期在相同发酵条件下的秸秆发酵中是相对较短的。

（2）波斯菊秸秆的