全 文 ：西北农业学报　2009 , 18(6):365-368
Acta A griculturae Boreali-occidentalis Sinica
聚合草厌氧发酵产气潜力的试验①
郑　敏1 , 2 ,邱　凌1 ,2 ,王晓曼1 ,2 ,冯茵菲2 , 3
(1.西北农林科技大学 农学院 ,陕西杨凌　712100;2.农业部沼气西北分中心,陕西杨凌　712100;
3.西北农林科技大学 机械与电子工程学院 ,陕西杨凌　712100)
摘　要:以新鲜聚合草为发酵原料 , 在实验室自行设计的发酵装置上进行了厌氧发酵试验 , 通过测定发酵过
程中发酵液和沼气的各项指标 ,对蔬菜废弃物厌氧发酵的可行性及接种量对发酵过程的影响进行了研究。结
果表明 ,聚合草用厌氧发酵工艺处理是可行的;在试验采用的 10%、20%、30%和 40%四个水平的接种量中 ,
最佳接种量为 20%时 ,聚合草 TS=12.40%的产气率为 95.43 mL/ g , VS=83.9 的产气率为 1006.36 mL/ g。
明显高于其他 3 组实验。
关键词:聚合草;厌氧发酵;沼气潜力
中图分类号:S216　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1004-1389(2009)06-0365-04
Potential of the Biogas Fermentation of Comfrey
ZHENG Min
1 ,2 ,QIU Ling1 ,2 ,WANG Xiaoman1 ,2 and FENG Yinfei2 ,3
(1.C ol lege of Agronomy , No rthw est A&F University , Yangling Shaanxi　712100 , China;2.The No rthw est S tat ion of
Biogas Products and E quipmen t Quality Test Center of the Minist ry of Agricul tu re , Yangling Shaan xi　712100 , China;
3.C ol lege of Mechanical and Elect ronic Engineerin g , Northw est A&F Universi ty , Yan gling S haan xi　712100, C hina)
Abstract:A batches o f anaerobic dig est ion experiments fo r fresh comfrey we re conducted in self-manu-
factured anaerobic equipment.The feasibility of anae robic digestion of comfrey and the effect of differ-
ent concentration inoculums on anaerobic digestion w ere studied.The results showed that the anae ro-
bic digestion can fit fo r the characteristics of anaerobic fermentation of f resh com frey.Among inocu-
lums concentra tions of 10%,20 %,30% and 40 %, the best concentration o f ino culum is 20% and the
po tential o f biog as product ion w ith com frey is 569.52 mL/g · TS o r 84.17 mL/g ·VS .respectively ,
which we re obviously higher than those of othe r three t reatments.This study provided a good refer-
ence for the research and development of the comprehensive utilization o f f resh com frey.
Key words:Com frey (S ymphy tum asperum);Fermentation biog as;Yield
　　聚合草又名紫根草 、爱国草 ,在生产上被称为
俄罗斯饲料菜 ,为紫草科聚合草属牧草 。一次种
植可连续利用 20 多年 ,产草量高 ,再生能力强。
春 、夏 、秋三季可随割随长 ,一个生长季北方可刈
割 4 ～ 6 次 。一般每茬鲜草产量 6 ～ 7.5 万 kg/
hm 2 。经测定聚合草开花期鲜草干物质中含粗蛋
白质 24 .3%、粗脂肪 5.9%、粗纤维 10 .1%,营养
价值很高[ 1] 。现已推广到全国各省 ,栽培面积较
大的地区主要集中在江苏 、山东 、山西 、四川等
省[ 2] 。
作为绿化和优质饲草双重作用的聚合草在很
多生态校园中都有种植。近年来 ,为解决农村中
小学校的厕所粪污问题探索出的“绿色生态校园”
模式获得了中央和地方政府的大力支持 ,得到大
①收稿日期:2009-04-10　　修回日期:2009-05-10
基金项目:国家科技支撑计划项目;沼气工程优化与标准化模式研究(2007BAK31B01)。
作者简介:郑　敏(1983-),女 ,在读硕士 ,主要从事植物资源及生物能源研究。 E-mai l:xiat ian a 1983@126.com
＊通讯作者:邱　凌(1957-),男 ,陕西西乡人 ,教授 , 博士 ,博士生导师 ,主要从事生物能源与循环农业研究。 E-mail:
ql2871@126.com
力推广和完善。猪-厕-沼-菜模式[ 3] 、草-羊
-厕-沼-果模式[ 4] 等能源生态型校园模式又将
生态养殖适时的加入了进来。沼气的产生是以纤
维素为主的碳水化合物在发酵型细菌的作用下逐
步分解生成简单的糖 、酸 、醇类等物质 ,这些物质
再被嫌弃的细菌分解 ,产生甲烷和二氧化碳 ,同时
进一步还原二氧化碳生成甲烷;聚合草主要成分
是粗蛋白和纤维素物质 ,同时它还含有足够产醇
和酸的菌类所需的各种营养成分 。因此 ,用聚合
草发酵制取沼气是有充分现实基础和科学依据
的。
1　材料与方法
1.1　试验材料与装置
1.1.1　发酵原料和接种物　发酵原料为采自陕
西省范家寨中学的新鲜聚合草 ,经测定 ,聚合草
TS =12.40 %,VS =83.9 %,pH =6 .4。接种物取
自陕西省杨凌示范区农户家中正常发酵产气 3个
月以上沼气池中的沼液沼渣混合物 。
1.1.2　试验装置　发酵试验装置为农业部沼气
西北分中心自主研发[ 5] ,由发酵瓶 、集气瓶 、集水
瓶 、地热线 、温控仪 、传感器 、恒温水箱等部分组
成。
1.2　试验设计与方法
1.2.1　试验设计和原料处理　根据所测得的聚
合草和接种物中的总固体浓度 ,把有效池容定为
2 L ,用天平称取 500 g 粉碎的聚合草后 ,设 4个
试验组 ,分别添加接种量(接种污泥全部反应物料
的比率)为 10%、20%、30 %、40%,同时设置一个
空白参比组(仅加入接种物 ,底物以等体积水代
替),每试验组设 3次重复 。采用一次进料 ,发酵
温度为(30±1)℃,发酵原料粒度为 2 ～ 3 cm 。每
天测定产气量 , 每 2 d取一次液样和气样 ,进行
pH 值和气体成分测试 。
1.2.2 　测试项目和方法　(1)采用常规分析法[ 6]
测定原料 、接种物的 TS 、VS 。(2)pH 值用精密
pH 试纸测定原料 、接种物以及发酵进程中料液
的 pH 值。(3)采用水压式法收集沼气 ,从启动
的第 1 天起每天 9:00记录各套装置产气量 ,每
2 d使用 Gasboard-3200P 红外沼气分析仪测定甲
烷体积分数及二氧化碳体积分数。
2　结果与分析
2.1　不同接种量对聚合草厌氧消化的影响
2.1.1　不同接种量对聚合草发酵产气量的影响
　厌氧发酵的产气量和接种污泥的配比有很大的
关系 。合适的配比能够调节微生物量和生物厌氧
反应的营养源 ,接种量过大或者过小都对产气量
有明显影响[ 7] 。
图 1　发酵过程中日产气量和累计产气量的变化
Fig.1　Changes of daily biogas production and cumulative gas production during anaerobic fermentation
　　图 1表明 ,产气趋势总体都呈现出 2个高峰 ,
启动后第 2天产气量猛增形成第 1个高峰 ,一般
在 8 ～ 50 d期间会出现第 2个高峰 ,日产气量均
在 200 mL 以上 。接种量为 40%的处理第 2个产
气峰值到来最早 ,但产气量少 。整个试验过程中 ,
10%的处理平均日产气量为 284 mL/d ,最低 ,
30%的处理平均日产气量为 562 mL/d ,最高 ,即
平均日产气量随接种量增大而增大 ,但当浓度达
到 40%时呈递减(表 1)。累计产气量却并不随接
种量增大而递增 ,20 %的处理产气效果最为持久
稳定 ,可见接种量并不是越大越好 。
　　试验中 ,聚合草鲜草的发酵周期持续了 75 d ,
而一般鲜青类物料的发酵周期大多为 30 d左右。
其发酵周期长的原因主要有 3个方面:①接种物
·366· 西　北　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　18 卷
(甲烷活性污泥)培养时间长 ,提供了质优足量的
菌种 ,使得发酵迅速进行且持久;②聚合草的粗
蛋白 、粗纤维含量高 ,为产气菌提供了丰富的营
养;③整个试验过程中 ,保持恒温 30℃,有利于发
酵反应进行。
表 1　产气指标
Table 1　 The index of biogas production
试验处理
Treatment
累计产气量/mL
T he cumu lative
gas production
平均日产气量/(mL/ d)
Average daily
biogas product ion
池容产气率/[ mL/(L· d)]
Gas tank
capacity rate
10% 11640 284 142
20% 35310 471 236
30% 27545 562 281
40% 15770 426 213
2.1.2　反应过程中发酵液的 pH 值变化　图 2
表明 ,在初始 pH 值都为 7的状况下各个浓度处
理都有一个 pH 值急剧下降后再升高的变化 ,直
至反应进行到第 50 天时 , pH 值基本都回升到
7.0左后。这种趋势符合厌氧反应的两段法理论 ,
即先经过水解酸化 ,然后进入甲烷化反应。另一
图 2　发酵过程中 pH值的变化
Fig.2　Changes of pH values during anaerobic fermentation
方面系统 pH 值恢复过程中接种量越大 ,酸消耗
越快 。
　　在各个配比的反应过程中 , pH 值变化存在
差别 。10 %的处理 pH 值变化最剧烈 , 40%的处
理 pH 值表现的最稳定 ,即接种量越大 , pH 值越
趋于稳定 ,变化越小 ,这除了与聚合草具有较高的
含氮物质有关外 ,还与接种物中甲烷菌占主导 ,接
种少 ,鲜青聚合草酸化速度很快 ,使得环境中产酸
菌处于优势地位 ,导致 pH 值低 ,产气滞后有关。
由图 2和图 1 可见 , pH 值与产气量相关性
很大 。pH 值过高或过低都会影响产气量 , pH 值
在 5.5以下 ,或者超过 7.2 ,甲烷菌生长受到抑
制 ,产气量明显降低。聚合草厌氧发酵最适 pH
值在 5.2至 7.0之间 ,且 pH 值的低峰值一般出
现在产气量增加的前期 ,这是由于有机酸的大量
积累造成 pH 值降低 ,作为甲烷化过程的底物随
后为甲烷菌充分利用后 ,形成产气高峰 ,体系的
pH 也值随之升高 。
2.1.3　反应过程气体成分的变化　厌氧发酵历
时75 d ,试验过程中沼气产量 、甲烷体积分数变化
情况见图 3。发酵产生的沼气起始时其甲烷体积
分数较低(<30 %),无法燃烧。随后甲烷体积分
数迅速上升 ,10%、20%、30%、40%试验处理的甲
烷体积分数分别在第 22 、12 、10 、8 天时达到了
33%以上 ,沼气即可以燃烧利用。从达到 33%以
后到产沼气试验第 40天时 , 4个试验处理的甲烷
体积分数都维持在一个很高的水平(60 %～
72%);由图 3可以看出 ,接种量越小 ,所产气体中
CH4 体积分数越小 , CO 2 体积分数越大 , CH 4 体
积分数基本上呈现递增趋势 , CO 2 体积分数呈现
递减趋势。40%的处理从产气开始时 CH 4 体积
分数就很高在 50 %以上。
图 3　发酵过程中甲烷和二氧化碳体积分数的变化
Fig.3　Changes of methane and carbon dioxide contents during anaerobic fermentation
·367·6 期　　　　　　　　　　　　　　郑　敏等:聚合草厌氧发酵产气潜力的试验
　　造成以上差异的原因可能是:沼气发酵过程
中碳 、氮比一般控制在(20 ～ 30)∶1 ,而聚合草自
身的碳 、氮比过低 ,过量的氮变成可溶性氮 ,导致
料液“氨中毒”使厌氧发酵产沼气受到抑制[ 8-9] 。
因此 ,随着试验组中接种量的加大其氨毒害作用
减弱 ,产甲烷菌较为活跃 ,甲烷产生量相应增高 ,
聚合草利用率提高。
结合表 1 可以看出 ,接种量为 40 %的处理 ,
不管是累计产气量还是平均日产气量都不是 4个
处理中最好的 。30%处理平均日产气量最大 ,达
到了 562 mL/d;20%的处理产气最为持久稳定 ,
持续产气 71 d之久 ,累计产气量35 310 mL ,为最
大 ,平均日产气量也达到了 471 mL/d 。依据表
1 ,可以计算出聚合草在各个接种量下的产气潜
力 ,结果见表 2 ,计算方法见文献[ 10] 。从表 2中
可以看出 ,原料都不同程度地被消耗并产生沼气。
单位总固体含量 、单位挥发性固体含量和单位鲜
质量 ,接种量为 20%的处理其产气潜力都显著高
于其他 3个处理 ,差异均达到极显著水平。
表 2　产气潜力
Table 2　The potentiality of the production of gas
处理
Treatment
产气潜力 The biogas production yield
TS产气率(mL/ g)
Gas rate of T S(mL/ g) VS产气率(mL/ g)Gas rate of VS(mL/ g) 新鲜原料产气率(mL/ g)Gas rate of f resh raw material(mL/ g)
10% 187.74D 27.75D 23.28D
20% 569.52A 84.17A 70.62A
30% 444.27B 65.66B 55.09B
40% 254.35C 37.59C 31.54C
3　小结
3.1　聚合草可以用作沼气发酵原料进行厌氧发
酵 , 将绿化废弃物转化为能源和优质肥料达到综
合利用的目的。
3.2　不同的接种量对反应启动速度的影响显著
的。物料浓度一定的条件下 ,在整个厌氧发酵过
程中接种量较高的处理 ,CH4 体积分数始终高于
接种量较低的处理。接种量在 20 %及以上的处
理 ,其 CH 4 体积分数都在 10 d 前就已经达到了
33%以上(可燃)。
3.3　对不同接种量的产气特性研究表明 ,接种量
与物料浓度相互制约 ,影响有机物的降解 。接种
量并不是越大越好 ,适宜的接种量才有利于甲烷
菌的生长 ,使产气加快 。使用聚合草鲜草作为厌
氧发酵原料的最佳接种量应控制在 20%～ 30%,
当浓度超过 40%时引起反应液“氨中毒” ,导致厌
氧发酵产沼气受到抑制。
3.4　在物料浓度一定时 ,不同接种量在整个反应
过程中对 pH 值的影响不明显 。
参考文献:
[ 1] 　姜东燕 ,刘 斌.聚合草的栽培技术及利用价值[ J] .北方园
艺 , 2007(10):104.
[ 2] 　梁　山.俄罗斯饲料菜开发前景广阔[ J] .畜牧工程 , 2000
(1):27.
[ 3] 　王兰英 ,邱　凌.“猪 、厕-沼-菜” 沼气生态校园模式探讨
[ J] .科学研究, 2008(4):12-15.
[ 4] 　王兰英 ,邱　凌.范家寨中学生态校园模式及经济效益分析
[ J] .西北农林科技大学学报:自然科学版 , 2008 , 36(8):
108-112.
[ 5] 　邱　凌 , 卢旭珍 , 王兰英 , 等.日光温室生产废弃物厌氧发
酵特性初探[ J] .中国沼气 , 2005 , 23(2):30-32.
[ 6] 　张无敌.沼气发酵残留物利用基础[ M] .昆明:云南科技出
版社 , 2002.
[ 7] 　曹伟华.水葫芦厌氧发酵工艺和现场中试研究[ D] .上海:同
济大学环境科学与工程学院 , 2005.
[ 8] 　边　义 ,刘庆玉 ,李金洋.玉米秸秆干发酵制取沼气的试验
[ J] .沈阳农业大学学报 , 2007 , 38(3):440-442.
[ 9] 　Hong Wei yen , David E.Anaerobic co-digest ion of algal
sludge and w aste paper to produce meth ane [ J] .Biore-
s ou rce T echnology , 2007 , 98:130-134.
[ 10] 　刘荣厚 ,王远远 , 孙 辰.蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的
试验研究[ J] .农业工程学报 , 2008 , 24(4):209-213.
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