全 文 ：云南师范大学学报（自然科学版）
２０１４年１１月３４卷６期（Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．６）
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙｕｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ＤＯＩ：１０．７６９９／ｊ．ｙｎｎｕ．ｎｓ－２０１４－０８３
新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧发酵产气潜力的研究
＊
张莉娟１，　季梅２，　张无敌１，　泽桑梓２，３，
王昌梅１，　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：　为探究薇甘菊的新型防治方式和产沼气潜力，对新鲜采集的薇甘菊进行厌氧发酵实验．
实验设置对照组（１２０ｍＬ接种物）和两个实验组（６８ｇ薇甘菊＋１２０ｍＬ接种物），每个实验组的发酵液
体积为４００ｍＬ，采用全混合批量式发酵模式，在中温３０℃和常温平均２４℃的条件下，进行沼气发酵实
验．结果表明，中温３０℃和常温实验组的沼气发酵历时３２ｄ，中温３０℃和常温净产气量分别为３　７２５
ｍＬ、２　７６５ｍＬ．从实验结果计算得出，中温３０℃下薇甘菊的ＴＳ产气潜力为５１１ｍＬ／ｇ，ＶＳ产气潜力为
６２７ｍＬ／ｇ．
关键词：　薇甘菊；接种物；厌氧发酵；产气潜力
中图分类号：　Ｓ２１６．４　　　文献标志码：　Ａ　　　文章编号：　１００７－９７９３（２０１４）０６－００４７－０５
　　薇甘菊（Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ）又名
小花假泽兰，菊科假泽兰属多年生草质藤本植物，
原产自中美洲和南美洲，目前在东南亚以及太平
洋地区分布广泛，蔓延至大洋洲和澳大利亚，成为
了主要害草．在我国，１９１９年香港首次发现薇甘
菊后，２０世纪８０年代末传入海南岛、珠江三角洲
等地并广泛传播［１－３］．目前，已经有生态学家提出
薇甘菊作为外来物种，必然将对我国原有生态环
境造成恶劣影响，并对此展开了深入探究．另外已
有利用薇甘菊开发牲畜饲料、植物药、杀虫剂和除
草剂的报道［４］．郭珍［５］等人提取薇甘菊染料分析
并对其化学成分进行鉴定，结果显示薇甘菊色素
提取液中具有相对含量最高的植物胆甾类成分，
植物甾类常作为医药、食品添加、化妆品及化工方
面的原料，在纺织工业中常将其作为柔软剂［６－７］．
目前关于薇甘菊的防治及利用研究还不充
分，本实验对薇甘菊的产气潜力进行研究，对后续
薇甘菊的处理及应用提供一种新型途径，为杂草
应用及治理提供新的方法．
１　材料和方法
１．１　材料
供试薇甘菊于２０１４年７月采自云南西双版
纳，由西双版纳州林科院人员鉴定．经测定ＴＳ（总
固体含量）为１０．７２％，ＶＳ（挥发性固体含量）为
８１．４９％，ｐＨ为６．５．接种物是由牛粪为原料在中
温富集而成的活性污泥，测定ＴＳ（总固体含量）为
１０．５６％，ＶＳ（挥发性固体含量）为６９．５８％，ｐＨ
为７．０．
１．２　实验装置
薇甘菊沼气发酵的实验装置由实验室自制
（见图１），由发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶以及温
控系统等组成．发酵瓶为５００ｍＬ广口瓶，封口用
带玻璃导管的橡皮塞；集气瓶采用５００ｍＬ下口
三角瓶，封口用带玻璃三通的橡皮塞；计量瓶采用
５００ｍＬ广口瓶，发酵瓶、集气瓶和体积计量瓶通
过乳胶管连接．中温发酵温控系统主要包括加热
＊ 收稿日期：２０１４－０８－２９
基金项目：云南省社会发展科技计划（２０１２ＣＨ００１）和云南省科技创新平台建设计划（２０１３ＤＨ０４１）联合资助项目．
作者简介：张莉娟（１９８９－），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，研究员．
棒（ＸＬ－９９９ 型）、水 泵 （ＡＰ－１４００ 行）、温 控 仪 （Ｃ３Ｗ－２２１智能数显温控仪）三部分．
Ａ．温控仪；Ｂ．水槽；Ｃ．集气瓶；Ｄ．计量瓶；Ｅ．发酵瓶；Ｆ．点火口；Ｇ．刻度
图１　沼气发酵实验装置
Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｂｉｏｇａｓ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
１．３　方法
１．３．１　实验方法
将原料薇甘菊切碎成长度小于２ｃｍ的小段，
以便发酵充分混匀．分别设置３个平行实验发酵
液浓度为５％并进行单瓶配制，料液配比如表１．
采用全混合批量式发酵，在中温３０ ℃和常温
２４℃下厌氧发酵．
表１　料液的配比
Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｔｏ　ｌｉｑｕｉｄ
组别 原料 配比
实验组 新鲜薇甘菊 ６８ｇ原料，１２０ｍＬ接种物，补水至４００ｍＬ
对照组 — １２０ｍＬ接种物，补水至４００ｍ
１．３．２　测试项目及方法
⑴采用常规分析法测定总固体含量（ＴＳ）、挥
发性固体含量（ＶＳ）［８－９］．
ＴＳ测定：将薇甘菊、接种物以及发酵前后
料液在（１０５±５）℃的电热恒温干燥箱（２０２型）中
烘干至恒重进行计算［９］；　　
ＴＳ＝ Ｗ１／Ｗ０×１００％
式中，Ｗ０表示样品重量，Ｗ１表示样品烘至恒重后
的重量，单位为ｇ．
ＶＳ测定：在 （５５０±２０）℃ 箱形电阻炉
（ＳＸ２－２．５－１２型）中灼烧至恒重得到灰分重量，计
算如下［９］．
ＶＳ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ１×１００％
式中，Ｗ２表示灰分重量，单位为ｇ．
⑵ｐＨ的测定：采用测定范围６．４～８．０精密
ｐＨ试纸测定原料、接种物以及发酵前后料液
的ｐＨ．
⑶产气量及甲烷含量测定．产气量采用排水
集气法测定，发酵启动后，每天定时记录各实验组
的产气量，取３个平行组的平均值．同时采用火焰
颜色比色卡法参照结合火焰颜色和气相色谱仪
（ＧＣ－６８９０Ａ）确定气体中的甲烷含量［１０］．
２　结果与分析
２．１　产气情况分析
每天定时测量薇甘菊的净产气量及每３ｄ测
定一次甲烷含量，由此得出产气量、甲烷含量与发
酵时间的规律，如图２所示．由图２可以看出，中
温３０℃和常温平均２４℃条件下，整个沼气发酵
历时３２ｄ，日产气量分别达１１６ｍＬ、８６ｍＬ．３０℃
实验组有两个产气高峰，第２天达到第一个产气
高峰，产气量为２６０ｍＬ；第二个产气高峰出现在
第６天，产气量为３００ｍＬ．２４℃实验组同样出现
两个产气高峰，第一个产气高峰在第２天，产气量
为２００ｍＬ；第９天出现第二个产气高峰，产气量
达１８０ｍＬ．每３天测定一次甲烷含量，中温３０℃
和常温２４℃条件下甲烷含量刚开始在５０％左
右，随着发酵进行逐渐上升趋于平缓，３０℃实验
组的甲烷平均含量为６２．４１％，而２４℃实验组的
甲烷平均含量为５９．８９％．
·８４· 云南师范大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　　　　第３４卷　
图２　产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线
Ｆｉｇ．２　Ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈａｎｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ
２．２　产气速率分析
通过日产气量统计在中温和常温两种条件下
厌氧发酵过程中累积产气量随发酵时间的变化，
如表２所示．
表２　累积产气量统计
Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
发酵时间／ｄ
累积产气量／ｍＬ 占总产气量的百分比／％
３０℃ ２４℃ ３０℃ ２４℃
４　 ９２０　 ５４０　 ２４．７０　 １９．５３
８　 ２　０００　 １　０２０　 ５３．６９　 ３６．８９
１２　 ２　７８０　 １　６００　 ７４．６３　 ５７．８７
１６　 ３　２００　 ２　０８０　 ８５．９１　 ７５．２３
２０　 ３　４２０　 ２　４２０　 ９１．８１　 ８７．５２
２４　 ３　５６０　 ２　６００　 ９５．５７　 ９４．０３
２８　 ３　６８０　 ２　７２０　 ９８．７９　 ９８．３７
３２　 ３　７２５　 ２　７６５　 １００．００　 １００．００
　　由表２可以看出，３０℃实验组发酵主要集中
在第４～１２天，从第４天的９２０ｍＬ增加到第１２
天的２　７８０ｍＬ；最快的产气阶段集中在第４～８
天，增加了１　０８０ｍＬ．２４℃实验组发酵同样集中
在第４～１２天，从第４天的５４０ｍＬ增加到第１２
天的１　６００ｍＬ，最快的产气阶段集中在第８～１２
天，增加了５８０ｍＬ．３０℃实验组在第１４天产气
速率达到８０％以上，而２４℃实验组则是在第１８
天，中温３０ ℃要比常温２４ ℃水力滞留时间
（ＨＲＴ）短，中温３０℃更有利于厌氧发酵进行及
应用．
２．３　发酵前后ＴＳ、ＶＳ、ｐＨ的统计分析
采用常规分析法对不同温度下新鲜薇甘菊发
酵前后的ＴＳ、ＶＳ、ｐＨ进行测定（见表３）．由表３
可知，在３０℃实验组的ＴＳ利用率、ＶＳ利用率分
别为３５．７４％、９．８６％，２４℃实验组的 ＴＳ利用
率、ＶＳ利用率分别为２７．８８％、９．６２％都明显高
于对照组，表明在沼气发酵过程中，薇甘菊的有机
营养成分被发酵体系中微生物充分利用．
表３　发酵前后料液ＴＳ、ＶＳ、ｐＨ值
Ｔａｂｌｅ３ＴＳ，ＶＳ　ａｎｄ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
类别
３０℃实验组 ２４℃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／％ ４．９８　 ３．２０　 ４．９５　 ３．５７　 ２．５９　 ２．４１
ＶＳ／％ ７６．４８　 ６８．９４　 ７６．２１　 ６８．８８　 ６５．４５　 ６１．９８
ｐＨ　 ７．０　 ７．０　 ７．０　 ７．０　 ７．０　 ７．０
ＴＳ降解率／％ ３５．７４　 ２７．８８　 ６．９５
ＶＳ降解率／％ ９．８６　 ９．６２　 ５．３０
·９４·　第６期　　　　　　　　　张莉娟，等：　新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧发酵产气潜力的研究
２．４　产气潜力分析
薇甘菊的ＴＳ和ＶＳ产气潜力及原料产气潜
力如表４所示．由表４结果显示，在３０℃和２４℃
两个温度下发酵，薇甘菊的ＴＳ和ＶＳ产气潜力都
超过３５０ｍＬ／ｇ，中温３０ ℃下产气潜力为５１１
ｍＬ／ｇＴＳ、６２７ｍＬ／ｇＶＳ，表明对薇甘菊进行沼气
发酵，能充分利用其有机质．
表４　薇甘菊的产沼气潜力
Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ
原料 温度 净产气量／ｍＬ
原料产气率
／（ｍＬ／ｇ）
ＴＳ产气率
／（ｍＬ／ｇ）
ＶＳ产气率
／（ｍＬ／ｇ）
薇甘菊
３０℃ ３　７２５　 ５５　 ５１１　 ６２７
２４℃ ２　７６５　 ４１　 ３７９　 ４６５
２．５　不同发酵原料的产气潜力分析
对发酵温度３０℃的各类植物性原料的厌氧
发酵时间及ＴＳ产气潜力进行统计，综合比较薇
甘菊的产气潜力（见表５）．由表５可以看出，薇甘
菊的ＴＳ产气潜力仅小于小桐子种子（８９５ｍＬ／ｇ
ＴＳ），但小桐子种子发酵时间为６４ｄ是薇甘菊发
酵时间的两倍．薇甘菊的ＴＳ产气潜力高于其他
结构成分相似的杂草、落叶、秸秆等原料．若在实
际沼气工程运用中，以薇甘菊作为发酵原料，水力
滞留时间（ＨＲＴ）为１４ｄ，沼气工程设计时可减小
发酵罐体体积．
表５　各种原料的产气潜力
Ｔａｂｌｅ　５　Ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ
发酵原料 发酵时间／ｄ　 ＴＳ产气率／（ｍＬ／ｇ） 倍数 参考文献
薇甘菊 ３２　 ５１１　 １．００ 本文
三角枫 ５６　 ５４　 ９．４６ ［１１］
紫叶李 ５０　 ６７　 ７．６３ ［１１］
法国梧桐 ７６　 ６９　 ７．４１ ［１１］
聚合草 ４５　 ２４０　 ２．１３ ［１２］
早熟禾 ７５　 ４５７　 １．１２ ［１２］
玫瑰秸秆 ４４　 ３０５　 １．６７ ［１３］
康乃馨秸秆 ３２　 ２６６　 １．９２ ［１４］
芦荟皮 ３０　 ４７８　 １．０７ ［１５］
菠萝蜜废弃物 ４０　 ２３９　 ２．１４ ［１６］
小桐子种子 ６４　 ８９５　 ０．５７ ［７］
２．６　薇甘菊沼气工程设计
下面对处理２０ｔ薇甘菊中温沼气发酵工程
进行计算．薇甘菊的总固体含量为１０．７２％，按
８０％产气速率计算产气潜力为４１７ｍＬ／ｇＴＳ，水
力滞留时间为１４ｄ，以５％发酵浓度进行设计，日
进料量设计为４０ｔ／ｄ．
发酵罐容积＝日进料量×ＨＲＴ＝４０ｔ／ｄ×１４
ｄ，则厌氧发酵罐体积设计为６００ｍ３．
日进料量为４０ｔ，其中薇甘菊２０ｔ，则干物质
量为薇甘菊量×薇甘菊ＴＳ＝２０ｔ×１０％＝２ｔ，，
产气潜力为４００ｍ３／ｔＴＳ，则日产沼气为：２ｔ×４００
ｍ３／ｔＴＳ＝８００ｍ３，则贮气柜体积设计为８００ｍ３×
３０％＝２４０ｍ３≈２５０ｍ３．
日产沼渣（含一定水分）日产量约等于日进料
干物质５０％：２ｔ×５０％＝１ｔ
日产沼液量为沼液日产量近似等于日进料量
的８５％：４０ｔ×８５％＝３４ｔ
厌氧发酵产生的沼气用于供气或发电，沼渣
和沼液可用于对周边农田的灌溉及施肥运用．该
沼气工程不仅处理薇甘菊，还能回收利用沼渣和
沼液，有效控制害草的生长，保护生态环境．
３　结　论
⑴以薇甘菊为发酵原料，在中温３０℃和常温
２４℃下进行批量式沼气发酵实验，发酵总时间为
·０５· 云南师范大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　　　　第３４卷　
３２ｄ，中温３０℃下的产气潜力为５１１ｍＬ／ｇＴＳ，
６２７ｍＬ／ｇＶＳ；常温２４ ℃下的产气潜力为３７９
ｍＬ／ＴＳ，４６５ｍＬ／ｇＶＳ．中温条件下第１４天产气
量达到总产气量的８０％以上，沼气发酵工程设计
发酵罐的 ＨＲＴ为１４ｄ．
⑵设计２０ｔ薇甘菊中温发酵，发酵罐体体积
６００ｍ３，贮气柜体积为２５０ｍ３，日产沼渣１ｔ，沼液
３４ｔ，不仅为处理薇甘菊提供新型途径，还有能源
回收利用，改善环境，节省资源．
参　考　文　献：
［１］　宋玉双．十九种林业检疫性有害生物简介［Ｊ］．中国
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然科学版，２０１１，３１（３）：２０－２４．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｂｉｏｇａｓ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ
Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ　ａｔ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
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　ｇａｉｎ　ｔｈｅ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ，ａｎｄ　ｆｉｎｄ　ａ
ｎｅｗ　ｗａｙ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｉｓ　ｉｎｖａｓｉｖｅ　ｓｐｅｃｉｅｓ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎｅｒｏｂｉｃ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｉｄ．Ｏｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ
ｇｒｏｕｐ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　１２０ｍＬ　ｉｎｏｃｕｌｕｍ（ｔｏｔａｌ　ｖｏｌｕｍｅ　４００ｍＬ）ａｎｄ　ｔｗｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｇｒｏｕｐ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　６８ｇ
Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ　ａｎｄ　１２０ｍＬ　ｉｎｏｃｍｅｌｕｍ（ｔｏｔａｌ　ｖｏｌｕｍｅ　４００ｍＬ）ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｉｏｇａｓ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｔ　３０℃ａｎｄ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２４℃）ｂｙ　ｂａｔｃｈ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｅｔ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ　ａｔ　３０℃ａｎｄ　２４
℃ ｗｅｒｅ　３　７２５ｍＬ　ａｎｄ　２　７６５ｍＬ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｂｉｏｇａｓ　ｙｉｅｌｄ　ｏｆ　Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ　ａｔ　３０
℃ ｗａｓ　５１１ｍＬ／ｇ　ＴＳ　ｏｒ　６２７ｍＬ／ｇ　ＶＳ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｍｉｋａｎｉａ　ｍｉｃｒａｎｔｈａ　Ｈ．Ｂ．Ｋ；Ｉｎｏｃｕｌｕｍ；Ｂｉｏｇａｓ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；Ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｏ－
ｔｅｎｔｉａｌ
·１５·　第６期　　　　　　　　　张莉娟，等：　新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧发酵产气潜力的研究