全 文 :云南师范大学学报(自然科学版)
2015年5月35卷3期(Vol.35No.3)
Journal of Yunnan Normal University
DOI:10.7699/j.ynnu.ns-2015-032
干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究
*
张莉娟1, 季梅2, 张无敌1, 泽桑梓2,3, 王昌梅,
尹芳1, 赵兴玲1, 柳静1, 杨红1
(1.云南师范大学,云南 昆明650500;2.云南省林业科学院,云南 昆明650201;
3.云南省林业职业技术学院,云南 昆明650224)
摘 要: 考察了干燥微甘菊的沼气发酵产气潜力.设置了两个实验组和一个对照组,采用全混合
式的发酵类型,分别在中温30℃和常温约23℃的两种温度条件下进行沼气发酵实验.结果表明,中温
30℃和常温23℃实验组的沼气发酵历时29d,中温30℃和常温23℃的净产气量分别为2 455mL和
1 855mL.通过计算得出,中温30 ℃下干燥薇甘菊的 TS产气潜力为347mL/g,VS产气潜力为
407mL/g,相比于新鲜薇甘菊的产气潜力,干燥薇甘菊的TS和VS产气潜力都有所下降.
关键词: 薇甘菊;厌氧消化;产气潜力;全混合式发酵
中图分类号: S216.4 文献标志码: A 文章编号: 1007-9793(2015)03-0014-06
薇甘菊(Mkania micratha H.B.K)原产于
中美洲和南美洲,21世纪初开始广泛传播,是世
界热带、亚热带地区的主要害草之一.1919年薇
甘菊在我国香港首次发现后,20世纪80年代末
作为护滩植物传入到珠江三角洲、海南岛等地并
广泛传播[1-4].针对薇甘菊对我国原有生态环境造
成的恶劣影响,已经有许多生态学家对此情况展
开了深入考察;但其也有一定的潜在应用价值,相
关报道表明利用薇甘菊可开发植物药、牲畜饲料、
除草剂和杀虫剂[5];郭珍等[6]则从薇甘菊中提取
出了染料并对其包含的化学成分进行了鉴定分
析,发现薇甘菊的色素提取液中植物胆甾类成分
相对含量最高,而植物甾类可作为医药、化妆品、
食品添加及化工等方面的原料,还能用作为柔软
剂应用于纺织工业[7-8].
为探讨薇甘菊干燥后的沼气发酵产气情况,
同时提高薇甘菊的处理量,在不同温度下对干燥
后的薇甘菊进行了沼气发酵实验,并对新鲜薇甘
菊和干燥薇甘菊这两种总固体含量不同的薇甘菊
的产气潜力进行比较分析.
1 材料和方法
1.1 材料
供试的干燥薇甘菊于2014年8月采自云南省
德宏州瑞丽市,并由云南省林业科学院人员鉴定.
干燥后的薇甘菊经常规法测定TS(总固体含量)为
88.17%,VS(挥发性固体含量)为85.23%.实验接
种物是以牛粪为原料经过半年左右时间在中温条
件下富集培养形成的活性污泥,经测定 TS为
10.52%,VS为70.05%,pH值为7.0.
* 收稿日期:2015-03-21
基金项目:云南省社会发展科技计划资助项目(2012CH001);云南省科技创新平台建设计划资助项目(2013DH041).
作者简介:张莉娟(1989-),女,云南曲靖人,硕士研究生,主要从事生物质能与环境工程方面研究.
通信作者:张无敌(1965-),男,云南石屏人,研究员/博士生导师,主要从事生物质能的开发方面研究.Email:wootichang@163.
com.
1.2 装置及仪器
⑴实验装置:沼气发酵实验装置是自制的批
量式发酵装置(见图1),主要由发酵瓶、集气瓶、
体积计量瓶及温控系统四部分组成.其中发酵瓶、
计量瓶都采用500mL广口瓶,发酵瓶用带有玻
璃管的橡皮塞封口,集气瓶为500mL下口三角
瓶并用带有三通玻璃的橡皮塞封口,同时通过乳
胶管连接发酵瓶、集气瓶和体积计量瓶形成封闭
的系统.中温发酵温控系统主要包括加热棒、水
泵、温控仪.常温条件下的装置只包括发酵瓶、集
气瓶及体积计量瓶.
A.温控系统;B.铁皮水槽;C.集气瓶;D.体积计量瓶;E.发酵瓶;F.三通管;G.刻度线
图1 批量式沼气发酵实验装置
Fig.1 Experimental equipment of batch biogas fermentation
⑵实验仪器:FA/JA电子分析天平(上海上
平仪器公司)、DHG-9203A电热鼓风干燥箱(上
海浦东荣丰科学仪器有限公司)、SX2-2.5-12型
电阻炉(上海意丰电炉有限公司)、C3W-221智能
数显温控仪(昆明众想科技有限公司)、300W 加
热棒(XL-999型)、水泵(AP-1400型)、GC-6890A
气相色谱仪(滕州鲁南分析仪器有限公司)
1.3 实验方法
1.3.1 设计方案
干燥后的薇甘菊经过机械剪碎成长度小于2
cm的小段,以便厌氧消化过程中能与接种物充分
混合均匀发酵.为了保证实验结果的准确性,实验
组设置3个平行,通过原料及接种物 TS含量初
步计算确定以5%的发酵液浓度进行单瓶配制,
料液配置方法如表1,实验采用全混合式发酵.
表1 料液的配比及条件
Table 1 The ratio of solid to liquid and conditions
组别 原料 配制方法 实验温度
实验组 干燥的薇甘菊 8g原料,120mL接种物,补足水至400mL
对照组 — 120mL接种物,补足水至400mL
中温30℃、常温23℃
1.3.2 测试项目及方法
⑴TS、VS采用常规分析法进行测定[9-10].
⑵牛粪接种物以及发酵前后料液的pH值采
用精密pH 试纸来测定,在实验中定时检测pH
值,考察pH的变化.
⑶干燥的薇甘菊日产气量采用简易的排水集
气法测定,在沼气发酵开始启动后每天定时记录
各实验组的日产气量,并减去对照组的产气量得
到净产气量,取3个实验平行组净产气量的平均
值作为实验最终结果.沼气发酵过程中的甲烷含
量采用火焰颜色比色卡法的火焰颜色和 GC-
6890A气相色谱仪检测来确定[11].
·51· 第3期 张莉娟,等: 干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究
2 实验结果与分析
2.1 日产气量及甲烷含量的变化分析
每天定时记录实验组和对照组的日产气量,
甲烷含量每3天测定一次,通过作图得出薇甘菊
的日产气量及甲烷含量随发酵时间的变化曲线
(图2).图2结果显示,干燥后的薇甘菊原料在中
温30℃和常温23℃下沼气发酵的日产气量曲线
是十分相似的;在发酵前期,30℃下的日产气量
高于23℃的;到发酵后期,日产气量相差不大.
30℃和23℃两个实验组的总发酵历时29d,两
组的平均日产气量分别是84mL、64mL.在中温
30℃条件下的实验组第3天出现第一个产气高
峰,产气量是200mL;第二个产气高峰出现在第
7天,产气量达180mL.而在常温平均23℃条件
下的产气高峰不是很明显,产气量出现波动,这是
因为在常温下昼夜温度出现波动,产气量随着温
度的变化而发生变化,产气高峰没有中温条件下
的有规律.干燥薇甘菊与新鲜薇甘菊日产气量相
比,中温30℃条件下平均日产气量是新鲜薇甘菊
的(116mL)高于干燥薇甘菊的(84mL),发酵时
间新鲜薇甘菊(32d)的相比干燥薇甘菊(29d)的
稍长.每3天测定一次甲烷含量,刚开始发酵时中
温和常温条件下的甲烷含量均是48%左右,随着
发酵时间的增加,甲烷含量逐渐缓慢上升,最终在
30 ℃条件下的平均甲烷含量为61.39%,而23
℃条件下的平均甲烷含量为59.11%,甲烷含量
低于新鲜薇甘菊发酵所产沼气,新鲜薇甘菊的所
产沼气甲烷含量分别是62.41%、59.89%[12].
图2 日产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线图
Fig.2 Changes of gas production and methane content with fermentation time
2.2 产气过程分析
对中温30℃和常温23℃两种温度条件下记
录的日产气量进行统计,如表2所示.
由表2可以看出,在中温30℃条件下的发酵
主要集中在前12天,到第12天的累积产气量为
1 740mL,占总产气量的71.17%,产气最快阶段
是在前4天,共产气660mL.而在23℃条件下发
酵的产气集中在第4-12天,总产气量从380mL
增加到1 220mL,占总产气量比例从20.49%增
加到65.77%,产气最快阶段是在第8-12天,产
气量增加了440mL,说明在30℃条件下干燥薇
甘菊的厌氧发酵实验比在常温23℃下启动快、产
气快.中温30℃和常温23℃两个实验组的达到
总产气量80%的时间分别是在第15天和第17
天,表明在中温条件下的水力滞留时间(HRT)比
常温的短,中温更有利于薇甘菊厌氧的发酵,但在
工程设计中可以根据实际情况来选择温度,如果
工程地址常年温度都不低,可以选择在常温条件
下进行沼气发酵,从而减去维持中温条件的成本.
·61· 云南师范大学学报(自然科学版) 第35卷
表2 累积产气量及产气速率的变化
Table 2 Changes of Cumulative gas production and Gas production rate
发酵时间/d
累积产气量/mL 占总产气量的百分比/%
30℃ 23℃ 30℃ 23℃
4 660 380 26.99 20.49
8 1 180 780 48.26 42.05
12 1 740 1 220 71.17 65.77
16 2 040 1 460 83.44 78.71
20 2 240 1 660 91.62 89.49
24 2 380 1 800 97.34 97.04
28 2 440 1 850 99.39 99.19
29 2 445 1 855 100.00 100.00
2.3 发酵前后TS、VS的统计分析
对中温30℃和常温23℃条件下干燥薇甘菊
沼气发酵前后的 TS、VS进行测定分析,结果见
表3.由表3可知,在中温30℃实验条件下的TS
利用率、VS利用率分别达到34.43%、7.40%,与
新鲜薇甘菊的结果[12]相比,TS、VS利用率偏低;
23℃条件下的 TS利用率、VS利用率分别为
29.08%、6.97%都明显高于对照组,对照组的
TS、VS利用率都小于5%,表明在不同温度下进
行的沼气发酵过程中,薇甘菊的有机质成分都被
沼气发酵体系中的微生物充分利用并降解.在
30℃条件下的TS、VS利用率略高于23℃条件
下的实验组,说明在一定程度下提高温度有利于
沼气发酵的进行,可以提高有机质的利用率及总
产气量.
表3 发酵前后料液TS、VS、pH值的变化
Table 3 Changes of TS,VS and pH value before and after fermentation
中温30℃实验组 常温23℃实验组 对照组
发酵前 发酵后 发酵前 发酵后 发酵前 发酵后
TS/% 5.17 3.39 5.09 3.61 2.59 2.56
VS/% 75.49 69.90 75.42 70.16 65.46 62.89
TS利用率/% 34.43 29.08 1.16
VS利用率/% 7.40 6.97 3.93
2.4 干燥薇甘菊的产气潜力分析
干燥薇甘菊沼气发酵的TS和 VS产气率及
原料产气潜力如表4所示.由表4可以看出,以干
燥薇甘菊为原料在中温30℃、常温23℃实验条
件下进行沼气发酵的TS和VS产气潜力都超过
250mL/g,且中温30℃实验条件下产气潜力为
347mL/g TS、407mL/g VS,这说明利用干燥的
薇甘菊进行沼气发酵也能被沼气微生物充分降解
利用.相比于新鲜薇甘菊的沼气发酵产气潜力,干
燥薇甘菊的TS和VS产气潜力结果都有所降低,
中温30℃下新鲜薇甘菊的产气潜力分别为511
mL/g TS,627mL/g VS[12].但新鲜薇甘菊存在
含水量较高、所占空间较大的问题,干燥后的薇甘
菊便于运输和储存,应用更方便.
·71· 第3期 张莉娟,等: 干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究
表4 干燥薇甘菊的产沼气潜力
Table 4 The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K after drying
原料 温度 净产气量/mL
原料产气率
/(mL/g)
TS产气率
/(mL/g TS)
VS产气率
/(mL/g VS)
干燥薇甘菊
30℃ 2 445 306 347 407
23℃ 1 855 232 263 309
2.5 不同发酵原料中温条件下的产气潜力分析
对部分在中温30℃条件下植物性原料的沼
气发酵时间及TS产气率进行归纳,并综合比较
干燥薇甘菊的产气潜力及分析其可利用性(表
5).由表5可以看出,干燥薇甘菊的TS产气潜力
小于玉米秸(447mL/g TS)、麦秸(450mL/g
TS),但高于其他秸秆如玫瑰秸秆、康乃馨秸秆.
与表中其他原料相比,干燥薇甘菊为原料的产气
潜力高于菠萝蜜废弃物(239mL/g TS),而低于
紫花苜蓿(936mL/g TS)和芦荟皮(478mL/g
TS).在以不同总固体含量薇甘菊为原料的沼气
发酵中,新鲜薇甘菊沼气发酵的产气潜力明显高
于干燥后的薇甘菊,是干燥薇甘菊的1.47倍,而
且在中温条件下新鲜薇甘菊的水力滞留时间
(HRT)为14d,而干燥薇甘菊水力滞留时间
(HRT)为15d,说明在工程应用中新鲜的薇甘菊
更有利于沼气发酵的进行,但新鲜原料存在体积
大、占空间、运输不便等问题,在沼气工程应用中
根据实际情况来选择原料的处理,以节省成本达
到更高的效益.
表5 植物性原料的产气潜力比较
Table 5 Comparison of gas production potential of various plant materials
发酵原料 发酵时间/d TS产气率/(mL/g TS) 倍数 参考文献
干燥薇甘菊 29 347 1.00 本文
新鲜薇甘菊 32 511 0.68 [12]
玫瑰秸秆 44 305 1.14 [13]
康乃馨秸秆 32 266 1.30 [14]
玉米秸 45 447 0.78 [15]
麦秸 45 450 0.77 [15]
紫花苜蓿 34 936 0.37 [16]
芦荟皮 30 478 0.73 [17]
菠萝蜜废弃物 40 239 1.45 [18]
3 结 论
探讨了干燥后薇甘菊沼气发酵的产气情况,
在实验过程中设置中温和常温两个温度条件,通
过沼气发酵实验,得出以下结论:
⑴通过对产气量及产气潜力的分析,在中温
30℃和常温23℃两个条件下的沼气发酵实验都
能正常进行,整个沼气发酵总历时为29d,中温
30℃实验条件下的产气潜力为347mL/g TS、
407mL/g VS;而常温23℃实验条件下的产气
潜力为263mL/g TS、309mL/g VS.中温30℃
下产气量在第15天达到总产气量的80%以上,
水力滞留时间比常温条件下的短.
⑵相比于新鲜薇甘菊,薇甘菊经过干燥后沼
气发酵的产气量及产气潜力有所下降,TS产气潜
力是新鲜薇甘菊的0.68倍,但干燥薇甘菊便于运
输.在沼气工程的应用中根据实际情况来选择原
料的状态,最终实现薇甘菊的充分利用.
参 考 文 献:
[1] 孔国辉,吴七根,胡启明,等.薇甘菊(Mkania micratha
H.B.K)的形态、分类与生态资料补记[J].热带亚热带
植物学报,2000,8(2):128-130.
·81· 云南师范大学学报(自然科学版) 第35卷
[2] 宋玉双.十九种林业检疫性有害生物简介[J].中国
森林病虫,2005,24(1):30-35.
[3] 李鸣光,张炜银,廖文波,等.薇甘菊研究历史与现
状[J].生态科学,2000,19(3):41-45.
[4] WANG B X,LIAO W B,MIAO R H.Revision of
Mikania from China and the key of four relative
species[J].Acta Sci Nat Univ Sunyatseni,2001,40
(5):72-75.
[5] 邵华,彭少麟,王继东,等.薇甘菊的综合开发与利
用前景[J].生态科学,2001,20(2):132-135.
[6] 郭珍,宋晓静,李化,等.薇甘菊染料化学成分分[J].
安徽农业科学,2010,38(22):11698-11700.
[7] 周宝兰.植物甾醇的应用[J].中国油脂,1992(4):
33-38.
[8] PIIRONRN V,LINDSAY DG,MIETTINEN TA,
et al.Plant sterols biosynthesis,biological function
and their importance to human nutrition[J].Jour-
nal of t he Sci of Food and Agric,2000,80(7):
939-966.
[9] 中国科学院成都生物研究所.沼气发酵常规分析
[M].北京:科学技术出版社,1984.
[10]张无敌,宋洪川,尹芳,等.沼气发酵与综合利用
[M].昆明:云南科技出版社,2003.
[11]江蕴华,余晓华.利用火焰颜色判断沼气中甲烷含
量[J].中国沼气,1983,(3):28.
[12]张莉娟,季梅,张无敌,等.新鲜薇甘菊在不同温度
下厌氧发酵产气潜力的研究[J].云南师范大学学
报:自然科学版,2014,34(6):47-51.
[13]杨红,尹芳,张无敌,等.玫瑰秸秆产沼气潜力的试
验研究[J].湖北农业科学,2013,52(17):4086-
4089.
[14]杨红,马煜,张无敌,等.康乃馨秸秆发酵产沼气潜
力的试验研究[J].云南师范大学学报:自然科学版,
2011,31(增刊):81-84.
[15]孙丽丽,符征鸽.玉米秸麦秸中高温沼气发酵产气
潜力及特性的研究[J].中国沼气,2008,26(6):13-
16.
[16]张莉娟,尹芳,张无敌,等.紫花苜蓿产沼气潜力研
究[J].安徽农业科学,2014,42(14):4394-4396.
[17]郭德芳,李秋敏,刘丽春,等.不同温度下芦荟皮厌
氧发酵产沼气的实验研究[J].云南师范大学学报:
自然科学版,2013,33(3):6-11.
[18]阮越强,刘丽春,郭德芳,等.菠萝蜜废弃物沼气发
酵的实验研究[J].云南师范大学学报:自然科学版,
2013,33(3):22-25.
Experimental Study on Potential of Anaerobic Digestion of
Mkania Micratha H.B.K on Different Temperature after Drying
ZHANG Li-juan1,JI Mei 2,ZHANG Wu-di 1,ZE Sang-zi 2,3,WANG Chang-mei 1,
YIN Fang1,ZHAO Xing-ling1,LIU Jing1,YANG Hong1
(1.Yunnan Normal University,Kunming 650500,China;2.Yunnan Academy of Forestry,Kunming 650201,China;
3.Yunnan Forestry Technological Colege,Kunming 650224,China)
Abstract: In order to further explore the biogas production potential of Mkania micratha H.B.K
after drying and compare with the fresh materials,the anaerobic batch fermentation which were
divided into the two experimental groups(8g Mkania micratha H.B.K and 120mL inoculum )
and the control group (120mL inoculum)400mL volume were performed by Completely Stirred
Tank Reactor at 30℃ and ambient temperature(23℃).The results indicated that the net biogas
production of the experimental group during total fermentation time of 29dwere 2 455mL and
1 855mL.Further,it was calculated that the biogas yield of Mkania micratha H.B.K after drying
was 347mL/g TS or 407mL/g VS.The biogas production potential of Mkania micratha H.B.K
after drying was lower than the fresh materials.
Keywords: Mkania micratha H.B.K;Anaerobic digestion;Biogas production potential;Com-
pletely stirred tank reactor
更正
作者发表于《云南师范大学学报(自然科学版)》2014第六期的论文《新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧
发酵产气潜力的研究》,由于作者的疏忽,将薇甘菊样品的来源地误写为“西双版纳”,正确的来源地应该
是“德宏州瑞丽市”。
特此更正,并深表致歉。
·91· 第3期 张莉娟,等: 干燥薇甘菊在不同温度下厌氧消化产气潜力的研究