互花米草发酵产沼气的潜力研究

安 雷 朱洪光 陈小华

摘要以互花米草、稻草和麦草为原料,采用常温单相厌氧发酵工艺,进行厌氧发酵产沼气试验,结果表明:互花米草是一种较好的发酵原料,其TS产气率可以达到0.20～0.23L/g;互花米草对反应溶液的酸碱度有一定的缓冲能力,使发酵液不会出现酸化现象。

关键词互花米草;厌氧发酵;沼气

中图分类号 S51 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)14-0229-01

互花米草(Spartina alterniflora Loisel)属禾本科米草属多年生湿生草本植物,原产于北美洲大西洋沿岸[1]。20世纪80年代初引入我国用于保滩护岸,改良土壤,绿化海滩和改善海滩的生态环境。但因其有很强的生命力和繁殖能力,致使其在我国沿海分布范围不断扩大,给沿海地区带来一系列的危害[2]。为减小互花米草对我国沿海生态环境造成的危害,一些研究者提出了包括物理、化学和生物等不同的解决方法[3-5],但就目前情况看,效果并不是十分理想。互花米草是一种生物质资源,如果它能像麦草、稻草等其他纤维素生物质能源一样用于厌氧消化产沼气,那么不仅能为互花米草的治理提供一个新思路,而且能变害为宝。为此,开展了以互花米草、稻草和麦草为原料用于厌氧消化产沼气的研究,一方面研究互花米草用于厌氧消化产沼气的可行性;另一方面对比互花米草与稻草、麦草产气的潜力。

1材料与方法

1.1试验材料

试验原料为互花米草、稻草和麦草。互花米草采自上海市南汇区东海海滩的互花米草盐沼,稻草和麦草采自安徽省蒙城市。原料采集后放置于实验室,在自然条件下风干,风干后用切纸刀切成2～3cm的小段,用于厌氧发酵产沼气试验。接种物取自上海市松江污水处理厂的厌氧消化塔处理后的脱水污泥。原料物理化学性质见表1。

1.2试验装置和方法

采用批量发酵方式进行,试验装置由发酵装置、气体收集装置和连接管道共同构成(图1)。发酵装置由透明树脂玻璃加工而成,分上下2个分体,通过法兰连接,其中下分体为投料区,上分体为集气区。下分体口沿设置活动格栅用于防止互花米草漂浮,避免发酵过程中发酵料表面结壳。定期用计量装置进行气体体积计量。

由于试验旨在初步研究互花米草对比于其他原料厌氧消化的可行性,因此试验以原料的不同分为3组,同时设置一个空白参比组。发酵温度为常温,即将试验组的发酵装置直接放置于实验室内,使其反应温度随室内环境温度变化而变化。试验开始前,先在每组反应器的下分体中,各投加风干原料250g,并添加2%尿素用于调整C/N,投料同时投加接种物800g。然后连接反应器上下分体,进行密封。空白参比组只投加800g接种物,不投加原料,用于校正接种物有机质对试验产气的影响。

试验前先对原料和接种物进行物理化学成分测定,测定方法均按照标准方法测定[6]。试验开始后,每天分别测量3组试验装置的产气量,产气量通过试验装置中的气体计量进行测定。空白参比组因每日产气量非常少,因此仅在试验结束后,进行总产气量测定。

2结果与分析

试验的反应周期为50d。3组反应的日产气量随时间变化的结果见图2。可以看出,常温条件下,稻草试验组和麦草试验组的产气量在整个实验周期内波动都比较大,而互花米草试验组在反应初始阶段日产气量也有一定波动,但随着产气峰值的出现,日产气量趋于稳定。3组试验总产气量分别为:互花米草27 295mL;稻草22 455mL;麦草22 140mL。

3讨论

3.1互花米草厌氧消化可行性及其产气潜力分析

互花米草主要化学成分的含量与稻草、麦草比较接近,因此从这个角度分析互花米草厌氧发酵的规律与其他禾秆类原料类似。互花米草TS产气率达到0.20～0.23L/g,与其他(下转第238页)

(上接第229页)

生物质原料相比TS产气率相差不多,甚至优于某些生物质原料,表明互花米草是一种厌氧消化产沼气较好的生物质原料,其用于厌氧消化转换的途径是可行的。互花米草在我国沿海分布广泛,截止到2008年,分布总面积达到34 451 hm2,如果将这些互花米草全部用于产沼气,将是一笔巨大的生物质能源。由此可见,互花米草蕴含着非常庞大的生物质能源,资源开发潜力巨大。

3.2互花米草产气量分析

虽然互花米草试验组的峰值产气量比稻草试验组和麦草试验组出现得迟,但在整个试验周期内,除了开始阶段,其日产气量都比较稳定。开始阶段出现波动可能是因为产酸菌大量繁殖,很容易迅速利用原料中的可溶性有机质产酸,而产甲烷细菌繁殖慢,很难及时分解大量的有机酸,导致酸积累[7]。之后又趋于稳定,这可能是因为互花米草属盐沼植物,其体内含有一定的可溶性盐类,这对反应溶液的酸碱度有一定缓冲能力,将有利于产甲烷菌群的繁殖生长。

4结论

试验结果表明,相对于麦草和稻草,互花米草是一种用于沼气发酵较好的原料,将其用于厌氧消化利用其生物质能源是一条可行的途径。互花米草作为沼气发酵原料,对反应溶液的酸碱度有一定的缓冲能力,试验过程中不需再添加碱度缓冲物质。

互花米草作为一种入侵物种,能够用于厌氧发酵产沼气,这将对互花米草的治理以及改善生态环境有着十分重要的作用和意义。

5参考文献

[1] 仲崇信.米草生态工程在我国保滩护岸的作用[J].南京大学学报,1991 (11):63-68.

[2] 邓自发,安树青,智颖飙,等.外来种互花米草入侵模式与爆发机制[J].生态学报,2006(8):2678-2686.

[3] 王卿,安树青,马志军,等.入侵植物互花米草:生物学、生态学及管理[J].植物分类学报,2006(5):559-588.

[4] LYTLE J S,LYTLE T F. Atrazine effects on estuarine macrophytes Spartina alterniflora and Juncus roemerianus[J].Environmental Toxicology and Chemistry,1998(17):1972-1978.

[5] GREVSTAD F S,STRONG D R,GARCIA-ROSSI D, et al. Biolo-gical control of Spartina alterniflora in Washington using the planthopper Pokelisia marginata,agent specificity and early results[J].Biological contr-ol,2003(1):32-42.

[6] 贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版,1998.

[7] 郑元景,沈永明,沈光范.污水生物处理[M].中国建筑工业出版社,1988.