两种花卉秸秆中温发酵产沼气潜力实验

周双双， 王昌梅， 赵兴玲， 吴凯， 杨斌， 尹芳， 柳静， 杨红， 张无敌

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

凭借得天独厚的地理优势，云南省已成为世界上最适宜鲜切花种植的三大区域之一[1].据云南省农业厅花卉产业处统计：2018年1—3月，云南鲜切花种植面积达11 267 ha，同比增长7.6%；鲜切花产量达24.9亿枝，同比增长2.3%，其中出口量为1.65亿枝，出口额达6 597.57万美元.玫瑰、百合、康乃馨及满天星等作为鲜切花优势品种在云南的鲜切花交易量上占有很大的比例.然而大量鲜切花的生产带来经济效益的同时也引发了一系列的问题.花卉残余秸秆的随意抛弃不仅给环境带来了污染，而且造成了生物质资源的浪费[2].相关学者对花卉秸秆的厌氧发酵虽已有一些研究，但对康乃馨和满天星秸秆的综合研究鲜有报道.本实验以满天星秸秆和康乃馨秸秆为原料，采用中温发酵的方法进行厌氧发酵，来探究其沼气发酵的产气潜力和特性，从而为今后利用沼气工程处理废弃花卉秸秆提供一定的参考依据.

1 材料与方法

1.1 发酵原料

原料：采用昆明斗南花卉市场废弃的新鲜满天星秸秆和康乃馨秸秆作为发酵原料.

接种物:以猪粪为原料，并在实验室经过长期驯化得到的接种物.

1.2 实验材料预处理

将满天星秸秆和康乃馨秸秆清理干净后，切碎成小于2 cm的小段，以便与接种物混合均匀.

1.3 实验装置

采用实验室自行设计的厌氧发酵装置[3].

1.4 实验设计

在(30±1)℃下进行中温发酵实验，实验中设置实验组和对照组，每组重复三个平行.实验装置中的料液配比如表1所示.

1.5 分析检测

(1)原料分析：采用沼气发酵常规分析方法[4].经测定满天星秸秆TS为26.91%，VS为89.36%，康乃馨秸秆TS为24.52%，VS为91.82%，接种物TS为12.30% ，VS为75.08%.

(2)发酵料液pH测定：采用精密pH试纸(5.5-9.0)测定发酵前后料液pH值.

(3)产气量测定：排水集气法收集沼气[5]，根据排出水的体积计算每天产生的气体体积.每天定时记录各组装置的产气量.试验结束后，综合实验数据进行产气指标的分析，包括TS产气率和VS产气率.

(4)甲烷含量测定：采用福立9790Ⅱ型气相色谱仪测定气体中甲烷含量[6].

表1 料液配比

2 结果与分析

2.1 发酵前后物料降解结果

满天星和康乃馨秸秆发酵前后料液的TS和VS测定结果及降解情况如表2.

表2 发酵前后料液TS、VS及pH值

由表2可知，经厌氧发酵，原料的TS和VS都有一定程度的降低，这说明部分原料被微生物分解利用.原料的TS和VS降解程度均高于接种物，但康乃馨秸秆的VS降解程度更高.整个发酵系统的pH值在发酵后略有回升，可能是氨化作用产生的氨溶于水，中和了有机酸所致，但其值仍在适合产甲烷菌正常生长的pH范围内[7].

2.2 产气情况分析

2.2.1 日产气量

2种原料实验组的日产气量的变化曲线如图1 所示.从图1 可知，实验组的发酵时间为46 d，实验启动迅速，第1天就开始产气.满天星秸秆产气量为40 mL，康乃馨秸秆产气量为50 mL，此时发酵装置所产生的气体无法点燃.满天星秸秆在第17、22和35天出现了产气高峰，对应的产气量分别为280、220和225 mL.康乃馨在第11、16和36天有产气高峰，峰值分别为340、250和310 mL.从整体趋势来看，两者的日产气量随着时间的增加都呈现先增加后减小至零的规律.康乃馨秸秆最早到达产气高峰，满天星秸秆稍晚一些.

2.2.2 甲烷含量

将满天星秸秆和康乃馨秸秆整个厌氧发酵过程中所产气体每3天测定一次甲烷含量，结果如图2所示.

由图2可知，在实验期间，满天星秸秆和康乃馨秸秆的甲烷含量最高可达60%以上.随着时间的延长，甲烷含量都呈现升高的趋势，增高到一定程度后略有下降.说明发酵原料在此阶段逐渐分解，产甲烷菌的数量逐渐增加，表现一定程度的活跃性.在两种原料的日产气量达到产气高峰时，对应的甲烷含量基本在50%以上.满天星秸秆的甲烷含量增长的较为缓慢，而康乃馨秸秆的相对较快.

图2 发酵过程中甲烷含量变化情况

2.2.3 累计产气量

实验组的累计产气量随发酵时间的变化情况如图3所示.

由图3可知，在整个厌氧发酵的过程中，满天星秸秆的总产气量为5 378 mL，康乃馨秸秆的总产气量为6 788 mL.对于满天星秸秆实验组，第1-13天累计产气量增长较快，之后增长速度变缓.满天星秸秆在前36 d的累计产气量达到了总产气量的80%以上，这说明在整个厌氧发酵周期内，满天星秸秆产沼气主要集中在前36 d.对于康乃馨秸秆，累计产气量的增长速率前期相对较缓，在出现第一个日产气高峰后，累计产气量几乎保持一定的速率增长，与发酵时间呈线性关系.这说明在此阶段微生物的活性较高，产气效果最好.康乃馨秸秆在第37天也达到了总累计产气量的80%以上.由此初步得出满天星秸秆和康乃馨秸秆的水力滞留时间(HRT)分别为36和37 d.

图3 发酵过程中累计产气量的变化情况

2.3 不同发酵原料的产气潜力分析

为进一步评价满天星秸秆和康乃馨秸秆的发酵潜力，对发酵温度在30 ℃下的不同秸秆的发酵时间及TS产气率进行了统计(表3).由表3可知，满天星秸秆和康乃馨秸秆的TS 产气率都远高于其他种类秸秆的TS产气率，同时发酵时间远短于麦秆、豆秆原料，而长于其他植物性原料.若将满天星秸秆和康乃馨秸秆作为沼气发酵的原料，可获得较好的经济收益.

表3 不同发酵原料的产气潜力

3 结 论

(1)以满天星秸秆和康乃馨秸秆为原料，在(30±1)℃下进行全混合批量式发酵实验，发酵时间为46 d，发酵启动迅速.

(2)满天星秸秆和康乃馨秸秆都是较好的沼气发酵原料.满天星秸秆TS产气潜力为999 mL/g，VS产气潜力为1 118 mL/g；康乃馨秸秆TS产气潜力为1 384 mL/g，VS产气潜力为1 507 mL/g.

(3)在400 mL的发酵系统中，满天星秸秆净产气总量为5 378 mL，其中前36 d累计产气量超过总产气量的80%以上.在工程设计上将水力滞留时间初步设为36 d.康乃馨秸秆净产气总量为6 788 mL，前37 d累计产气量达到总产气量的80%以上，工程设计上可初步设定水力滞留时间为37 d.