废弃的植物培养基厌氧发酵产气潜力研究

成镜等

摘要[目的]弄清废弃植物培养基厌氧消化潜力与特性。[方法]以废弃的植物培养基为发酵原料，以沼气池底部的活性污泥为接种物，在常温条件下进行了批式厌氧消化试验，研究了废弃的植物培养基与接种污泥各处理厌氧消化的产气速率、潜力和产气量。[结果]常温条件下，混合培养基与接种污泥的TS比例为8∶1、浓度12%的处理，产气量最高，为10 391.3 ml，并且发酵天数为5 d左右，发酵速度较快，产气效果最好；混合培养基与接种污泥的TS比例为6∶1、浓度8%的处理，原料产气率最高，为0.230 m3/kg，并且发酵天数为4 d左右，说明原料被利用的水平高。 [结论]该研究为植物组培工厂废弃物的处理和配套沼气工程的工艺设计提供了科学依据。

关键词厌氧发酵；废弃的植物培养基；沼气；产气速率

中图分类号S216.4文献标识码A文章编号0517-6611（2015）29-267-06

培养基是一类为植物生长发育提供营养的物质，经组织培养后，废弃的培养基仍是富含大量有机质的可利用资源。能进行厌氧消化产生沼气的原料主要有畜禽养殖废弃物，如猪、鸡、牛、羊、鸭、兔等家畜家禽粪便；农作物的秸秆、杂草、树叶等农产品加工的废物、废水（酒精废醪、丙酮丁醇废醪、味精、柠檬酸、淀粉、豆制品等加工废水）。为了将废弃物资源化利用，许多学者以人粪、马粪、玉米秸、麦秆、稻草、青草、西瓜皮、马蹄莲秸秆、蚕豆壳、猪粪、羊粪、牛粪、兔粪、浮萍、奶牛粪、餐厨垃圾、魔芋、醋糟等为原料进行产沼气潜力的试验。但都是以常见的废弃物作为发酵原料进行产沼气潜力的研究，目前，還没有以废弃培养基为原料进行产沼气潜力研究。笔者以废弃培养基为发酵原料，研究其厌氧发酵产沼气潜力，以期为植物组培工厂废弃物的处理和配套沼气工程的工艺设计提供基础参数。

1材料与方法

1.1试验材料

试验所用混合培养基（是将愈伤诱导培养基、体胚发生培养基、出苗培养基按质量比例1∶1∶1进行混合）取自中国热带农业科学院橡胶研究所五队组培室，接种污泥取中国热带农业科学院试验场三队沼气池。废弃培养基、接种污泥及废水理化性质见表1。

1.2试验装置该试验采用批式厌氧消化工艺。试验装置包括厌氧消化装置（500 ml 自制玻璃发酵罐）、管道系统（玻璃管和乳胶管）、气体收集测量系统（湿式气体流量计、1 L 广口瓶、带刻度集水瓶）、恒温系统（普通型电热恒温水浴锅）（图1）。

1.3试验方法

将取回的新鲜混合培养基去除杂质，并对其中的植物残余进行粉碎。试验在常温下进行，混合培养基与接种污泥设置4种TS比例（10∶1、8∶1、6∶1、4∶1），然后分别加洗涤废水稀释成总固体（TS）浓度为8%、10%、12%的发酵液，然后将0.4 L发酵料液装入消化罐内，每个处理重复 3 次。调节初始 pH 为 7.2 左右。并分别做接种污泥空白样品，计算产气量时扣除空白样品产气量。每天上午、下午分别震荡反应瓶1 min，以起到搅拌作用。用 4 mol/L NaOH调节pH，使其维持在 7.2 左右。每次取样或调节 pH 后，往反应瓶中通氮气 2 min， 以保证厌氧环境。

1.4分析方法

pH：玻璃电极法；CODCr：重铬酸钾法；NH+4N：钠氏试剂光度计；总固体（TS）：烘干法；VS（挥发性固体）：烘干法；全氮：紫外分光光度法；全磷：钼锑抗分光光度法；全

钾：火焰原子吸收法；有机碳：非分散红外吸收法。以上分析方法参考《水和废水监测分析方法》第 4 版[19]。

1.5数据处理与分析采用Excel2003和SPSS16.0软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1原料产气速率与产气潜力分析

2.1.1混合培养基与接种污泥TS比例为10∶1。由表2和图2可知，在常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为10∶1时，浓度为8%的发酵液产气速率在第3天达最大值，发酵前3 d累计产气量占总产气量的65.2%，前4 d占92.4%；浓度为10%的混合培养基发酵液产气速率在第16天达最大值，发酵前10 d累计产气量占总产气量的34.9%，前15 d占63.8%；浓度为12%的混合培养基发酵液产气速率在第3天达最大值，发酵前4 d累计产气量占总产气量的64.3%，前10 d占98.8%。对比3种发酵浓度条件下的原料产气率，浓度8%的原料产气率分别是浓度10%、12%的3.98、2.18倍。因此，在常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为10∶1，发酵液浓度为8%时的产气效果最好。

2.1.2混合培养基与接种污泥TS比例为8∶1。由表3

和图3可知，在常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为8∶1时，浓度为8%的发酵液产气速率在第4天达最大值，发酵前4 d累计产气量占总产气量的82.2%；浓度

为10%的发酵液

产气速率在第3天达最大值，发酵前3 d累计产气量占总产

2.1.3混合培养基与接种污泥比例为6∶1。由表4和图4可知，在常温条件下，混合培养基与接种污泥比例为6∶1时，浓度为8%的发酵液产气速率在第3天达最大值，发酵前3 d累计产气量占总产气量的85.9%；浓度为10%的发酵液产气速率在第2 d达最大值，发酵前2 d累计产气量占总产气量的68.9%；浓度为12%的发酵液产气速率在第2天达最大值，发酵前3 d累计产气量占总产气量的90.7%。对比3种发酵浓度条件下的原料产气率，浓度8%的原料产气率分别是浓度10%、12%的2.53、2.24倍。因此，在常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为6∶1，发酵液浓度为8%时原料被利用的水平高。

2.1.4混合培养基与接种污泥比例为4∶1。

由表5和图5可知，在常温条件下，混合培养基与接种污泥比例为4∶1时，浓度为8%的发酵液产气速率在第2天达最大值，发酵前2 d累计产气量占总产气量的60.7%；浓度为10%的发酵液产气速率在第2天达最大值，发酵前2 d累计产气量占总产气量的92.8%；浓度为12%的发酵液产气速率在第2天达最大值，发酵前2 d累计产气量占总产气量的74.8%。对比3种发酵浓度条件下的原料产气率，浓度10%的原料产气率分别是浓度8%、12%的2.14、1.38倍。因此，在常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为4∶1，发酵液浓度为10%时原料被利用的水平高。

2.2混合培养基与接种污泥不同TS比例、不同发酵液浓度的产气量比较

由表6可知，常温条件下，TS比例8∶1、浓度12%处理的产气量最高，为10 391.3 ml，并且发酵天数为5 d，发酵速度比较快。其他处理产气量由高到低依次为TS比例4∶1、浓度10%处理，TS比例6∶1、浓度8%处理，TS比例10∶1、浓度8%处理，TS比例4∶1、浓度12%处理，TS比例6∶1、浓度12%处理，TS比例10∶1、浓度12%处理，TS比例6∶1、浓度10%处理，TS比例4∶1、浓度8%处理，TS比例8∶1、浓度10%处理，TS比例8∶1、浓度8%处理，TS比例10∶1、浓度10%处理。

2.3混合培养基与接种污泥不同TS比例、不同发酵液浓度的原料产气率比较。由表7可知，常温条件下，TS比例6∶1、浓度8%处理的原料产气率最高，为0.230 m3/kg，并且发酵天数为4 d左右，说明原料被利用的水平高。其他处理的原料产气率由高到低依次为TS比例8∶1、浓度12%处理，TS比例10∶1、浓度8%处理，TS比例4∶1、浓度10%处理，TS比例4∶1、浓度12%处理，TS比例6∶1、浓度12%处理，TS比例10∶1、浓度12%处理，TS比例6∶1、浓度10%处理，TS比例8∶1、浓度10%处理，TS比例4∶1、浓度8%处理，TS比例8∶1、浓度8%处理，TS比例10∶1、浓度10%处理。其中，前4个处

理间在0.05水平上存在显著性差异，TS比例10∶1、濃度

2.4不同混合培养基与接种污泥TS比例、发酵液浓度的产气量的方差分析

从方差分析的结果（表8）可以看出，不同TS比例对产气量有显著影响，且TS比例为4∶1时的产气量优于其他TS比例；不同发酵液浓度对产气量有显著影响，且浓度为12%时的产气量优于其他浓度；不同TS比例和不同浓度组合对产气量有显著影响，且TS比例为8∶1、浓度为12%的组合产气量最高。从多重比较结果（表9和10）可以看出，TS比例4∶1与其他TS比例的产气量有显著性差异，TS比例8∶1、6∶1与TS比例10∶1之间的产气量有显著性差异，前两者的产气量之间没有显著性差异；不同浓度间的产气量也有显著性差异，由高到低表现为12%>10%>8%。

2.5不同混合培养基与接种污泥TS比例、发酵料液浓度的原料产气率的方差分析

根据方差分析的结果（表11）可以看出，不同TS比例对沼气发酵的原料产气率有显著影响，且TS比例为6∶1时的原料产气率优于其他TS比例；不同发酵料液浓度对原料产气率有显著影响，且浓度为8%时原料产气率优于其他浓度；不同TS比例和不同浓度组合对产气量有显著影响，且TS比例为6∶1、浓度为8%的组合原料产气率最高。从表12、13的多重比较结果可以看出，不同TS比例间的原料产气率有显著性差异，从高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同浓度间的原料产气率也有显著性差异，从高到低依次是浓度8%、12%、10%。

3结论与讨论

（1）在常温条件下进行厌氧沼气发酵，混合培养基与接种污泥TS比例为10∶1，发酵液浓度为8%时的产气效果最好 ，浓度8%的原料产气率分别是浓度10%、12%的3.98、218倍；混合培养基与接种污泥TS比例为8∶1，发酵液浓度为12%时的产气效果最好，浓度12%的原料产气率分别是浓度8%、10%的3.21、2.47倍；混合培养基与接种污泥TS比例为6∶1，发酵液浓度为8%时的产气效果最好，浓度8%的原料产气率分别是浓度10%、12%的2.53、2.24倍；混合培养基与接种污泥TS比例为4∶1，发酵液浓度为10%时的产气效果最好，浓度10%的原料产气率分别是浓度8%、12%的2.14、1.38倍。

（2）常温条件下，进行混合培养基厌氧发酵，不同TS比例对沼气发酵的产气量有显著影响，且TS比例为4∶1时的产气量优于其他TS比例；不同发酵料液浓度对产气量有显著影响，且浓度为12%时产气量优于其他浓度；不同TS比例和不同浓度组合对产气量有显著影响，且TS比例为8∶1、浓度为12%的组合产气量最高。TS比例4∶1与其他TS比例有显著性差异，TS比例8∶1、6∶1与TS比例10∶1之间有显著性差异，前两者之间没有显著性差异；不同浓度间有显著性差异，从高到低依次是12%>10%>8%。不同TS比例对沼气发酵的原料产气率有显著影响，且TS比例为6∶1时的原料产气率优于其他TS比例；不同发酵料液浓度对原料产气率有显著影响，且浓度为8%时原料产气率优于其他浓度；不同TS比例和不同浓度组合对原料产气率有显著性影响，且TS比例为6∶1、发酵液浓度为8%的组合原料产气率最高。不同TS比例间有显著性差异，从高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同浓度间也有显著性差异，从高到低依次是浓度8%、12%、10%。

（3）从整个发酵过程的产气量角度来看，常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为8∶1、浓度12%的处理，其发酵天数为5 d，产气量最高，为10 391.3 ml，发酵效果比较好。如从原料产气率的角度来看，常温条件下，混合培养基与接种污泥TS比例为6∶1、浓度为8%处理的原料产气率最高，为0.230 m3/kg（TS）。通常在进行厌氧发酵时，接种污泥的量占总发酵料液的30%，但是该研究接种污泥的比例只占总发酵料液的16.7%，这可能是因为该研究采用的发酵底物是废弃的植物培养基，植物培养基中的营养成分很容易被微生物利用，不像作物秸秆、餐厨垃圾、猪粪等需要更多的微生物来降解，所以接种污泥的比例低，发酵速度快。

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