灯盏花残渣发酵产沼气试验
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摘要：在总固体（TS）发酵原料为6%的条件下，以经过3个月堆沤预处理的灯盏花残渣为原料，在恒温30 ℃下，采用批量式工艺进行厌氧消化试验。结果表明，经过堆沤预处理的试验组发酵时间为35 d，其TS产气率为368 mL/g，挥发分（VS）产气率为449 mL/g，原料产气率为69 mL/g，池容产气率为0.11 mL/（mL・d）。将灯盏花残渣与其他植物原料进行比较，产气特性因原料的物理性质和化学性质不同而不尽相同。
关键词：灯盏花残渣；植物性生物质原料；厌氧消化；产气潜力
中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0861-04
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2017.05.017
Research on Biogas Production by the Residue of Erigerm breviscapus
XU Guo-qin，YIN Fang，ZHANG Wu-di，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，YANG Hong，WANG Chang-mei，LIU Shi-qing
（School of Energy and Environment Science， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）
Abstract： On the condition of total solid concentration of 6% and temperature of 30 ℃，the anaerobic digestion technology by residue of the Erigerm breviscapus（Vant.） was studied. The results showed that fermentation time of the experimental group was 35 days. The gas production potential of total solid （TS） was 368 mL/g，of volatile solid （VS） was 449 mL/g，of raw material was 69 mL/g，and of tank was 0.11 mL/（mL・d）. Compered with other vegetalitas biomass materials，gas production characteristics were distinguishing in cause of physical and chemical properties of biomass materials being different.
Key words： residue of the Erigerm breviscapus（Vant.）； vegetalitas biomass materials； anaerobic digestion； biogas production potential
灯盏花是菊科植物短葶飞蓬[Erigerm breviscapus（Vant.） Hand.-Mazz]的干燥全草，又名灯盏细辛、东菊，主要分布于中国西南地区，首载于《滇南本草》，《中华人民共和国药典》1977年版一部曾予以收载[1]。灯盏花性寒、微苦、甘温辛，具有驱寒除湿、解表散寒、活血散瘀、通经活络、消炎止痛的疗效[1]。因此，在医学上，人们广泛利用灯盏花治疗各种疾病，例如心血管病、高黏脂血症等[2]。但是，制药公司提取灯盏花的药用价值后，许多残渣得不到有效处理，随生活垃圾一起倾倒在农田或者户外，或者晾干后直接燃烧，这不仅污染大气环境和人们的生存环境，而且降低了灯盏花的使用价值，加大企业生产成本。近年来，人们对灯盏花的药用价值研究比较透彻，但是对提取后灯盏花残渣的处理问题研究甚少。本试验探究了堆沤预处理后的灯盏花残渣发酵进行厌氧消化的可能性，为中草药残渣资源化利用提供了一条新的途径，为制药企业的可持续发展解决了后顾之忧。
1 材料与方法
1.1 发酵原料及接种物
发酵原料来源于云南省腾冲县制药厂。经过堆沤后，其总固体（TS）、挥发分（VS）分别为16.86%、81.90%，pH 6.5。
猪粪类接种物：实验室长期驯化的猪粪接种物。其TS、VS分别为16.24%、72.60%，pH 7.0。
1.2 试验装置
采用实验室自制的500 mL的批量式发酵装置，装置示意图如图1所示。
1.3 试验方法
1.3.1 原料预处理 将灯盏花堆沤预处理3个月，然后将其切碎成小于2 cm的小段，以便充分与接种物混匀，有利于发酵试验的启动。
1.3.2 试验设计与料液配比 根据试验设计原则，设置对照组和试验组，每组设置3个平行。料液的配比如下：①试验组。120 mL接种物+26.76 g已进行堆沤预处理的灯盏花残渣，加水至400 mL；②对照组。120 mL接种物，加水至400 mL。在试验过程中，每天定点记录产气量和每3 d测定沼气成分；试验结束后计算其总产气量，并用各组的总产气量减去φ兆榈南嘤χ底魑最终产气量。
1.3.3 发酵方式 采用恒温（30 ℃）条件进行批量式发酵。
1.3.4 测定项目及方法 ①pH。采用5.5～9.0精密pH试纸测定；②产气量。采用排水（饱和食盐水）集气法测定。试验启动之后，每天19：00定时记录每组的产气量，以各组3个平行的平均产气量作为各组的表征产气量；③气体成分分析。采用福立GT100型气相色谱仪测定，每累积3 d的沼气测定一次沼气成分；④TS、VS。按沼气发酵常规分析方法测定[3]。
2 结果与分析
试验共进行了35 d，对试验前后的TS、VS及发酵料液pH进行测定，对日产沼气量和甲烷含量（扣除对照产气量）进行统计分析，最后得出灯盏花残渣发酵产沼气的规律。
2.1 日产气情况分析
每天19：00定时记录产气量，通过计算分析得到灯盏花残渣发酵时间与日产气量之间的规律，如图2所示。从图2可以看出，灯盏花残渣厌氧消化产气与一般沼气发酵规律[3]（发酵初期开始产气，但产气量较少，随着发酵进行产气量逐渐增加，达到产气高峰后，产气量逐渐下降）相同。灯盏花残渣的发酵时间为35 d，启动后5 d时开始产气，产气量达到25 mL，可以燃烧，但是不连续。这说明发酵微生物需要一定时间适应新的混合体系，不能快速有效地对灯盏花残渣进行利用；发酵10 d时，灯盏花残渣发酵的日产气量仍低于50 mL，但是甲烷含量为50%，符合沼气成分中甲烷含量在50%～70%之间的要求，这说明该沼气发酵体系中的微生物开始逐渐适应发酵体系，产甲烷菌开始利用非产甲烷菌代谢产生的氢和乙酸等基质产生甲烷和二氧化碳；发酵11～20 d，日产气量范围在50～100 mL，中间略有波动；发酵20 d时，日产气量达到最高峰值157 mL。这说明该时期，整个发酵体系中的微生物活性最高，有机物降解较快。此后，日产气量逐渐下降，发酵33 d时，日产气量低于10 mL（可以忽略不计），起伏不大，因此可以判断灯盏花沼气发酵产气结束。在发酵后期，原料中大部分有机物被产甲烷菌所利用，发酵体系中微生物活性降低。在整个产气过程中，通过气象色谱仪分析测定得到灯盏花残渣厌氧消化过程中所产生沼气中的甲烷含量的范围在40%～68%，且在发酵末期，甲烷含量仍高达63%。
2.2 产气速率分析
对试验中的累积产气量进行统计，结果见表1。由表1可以看出，在整个发酵进行的过程中，前10 d产气较慢，仅占总产气量的12.06%；发酵11～15 d，共产气280 mL，占总产气量的15.07%，其累积产气量达到504 mL；发酵16～20 d，共产气445 mL，占总产气量的23.95%，累积产气量达到949 mL；发酵21～25 d，共产气478 mL，占总产气量的25.73%，其累积产气量达到1 427 mL；发酵26～30 d，共产气291 mL，占总产气量的15.67%，其累积产气量达到1 718 mL。运行至30 d后，共产气140 mL，且主要集中在30～33 d，其后产气量为零。从以上规律可以得知，对于灯盏花残渣沼气发酵，产气周期主要集中在发酵后15～25 d，而最快产气阶段主要集中在发酵后15～20 d。以上分析表明，在发酵后15～20 d，沼气发酵系统中的微生物活跃程度达到高峰，原料中的有机物在沼气发酵微生物的作用下，经过沼气发酵的水解、产氢产酸和产甲烷3个阶段，得到快速有效的降解，产生甲烷和二氧化碳气体。
试验组产气速率和累积产气量随发酵时间的变化规律如图3所示。从图3可以看出，累计产气量和产气速率的整体变化趋势基本一致，均呈先上升最终保持平衡的变化趋势。发酵前期（1～10 d），产气速率较慢；发酵中期（11～20 d），从曲线斜率看，斜率越大，产气速率越快，该阶段是整个产气阶段产气速率最快的时期；发酵中后期（21～30 d），产气速率略低于发酵中期；发酵后期（30 d后），产气速率基本保持稳定，说明产气结束。产气速率的快慢代表发酵体系中有机物降解程度。产气速率大，有机物降解程度大，利用率高。
2.3 发酵料液前后的TS、VS及pH变化分析
从表2可以看出，在产甲烷菌作用下，发酵体系中的有机质降解产生了甲烷和二氧化碳等气体，TS含量和VS含量均有所降低。根计算得到灯盏花残渣沼气发酵体系中TS降解率和VS降解率分别为67.67%和15.04%。VS降解率比较低，说明该发酵体系中大量有机物没有得到降解，作为沼渣存留在发酵罐中。这部分物质可作为肥料应用于农田建设中。在厌氧发酵前后，发酵体系中pH均在沼气发酵的正常范围内，说明在该沼气发酵体系中，缓冲体系能够进行自身调节。
2.4 产甲烷潜力分析
结合表1、图2及图3，对灯盏花残渣的产沼气潜力进行统计分析，结果见表3。
2.5 各种植物性原料沼气发酵产气潜力的比较
植物性发酵原料大部分属于农业废弃物和林业废弃物，其具有来源丰富，资源量大等优点，但是同时也存在收集运输困难、不易处理等缺点。利用甲烷发酵系统处理植物性发酵原料，产生燃料沼气和肥料沼液和沼渣，达到废弃物资源化利用的目的。因此，对发酵原料进行沼气发酵潜力评估变得非常重要。
表4总结了在相同发酵条件下（发酵原料为6%，接种量为有效容积的30%，温度为30 ℃，pH 6.8～7.5），17种植物性原料的沼气发酵潜力。从表4可以看出，植物性生物质原料的发酵周期和TS产气速率根据不同原料而有所不同。就农作物秸秆而言，其发酵周期较长，均在40 d左右，TS产气率较高，可以达到447 mL/g以上。这可能因为农作物秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素等物质，对于此类原料发酵来说，纤维素的分解是沼气发酵的第一步，也是重要的一步，纤维素的分解速率决定整个沼气发酵的速度和原料利用率，且纤维素等物质的分解速度很慢[4]，所以一般秸秆类原料发酵周期较长，但此类原料利用率高。对于果蔬类生物质原料来讲，它的含水量较高并且化学成分简单，因此它是比较好的沼气发酵原料，其中哈密瓜果皮发酵的TS产气率是灯盏花残渣沼气发酵的2.14倍。但是因为不同果皮性质不同，所以不同原料之间发酵周期和TS产气率差异较大，例如红毛丹果皮发酵，其果皮的碳、氮含量以及TS、VS含量与其他果皮不同，所以TS产气率偏低。草本类植物性发酵原料的发酵周期和TS产气量普遍优于其他植物性原料，特别是紫花苜蓿，其粗蛋白质和粗纤维含量丰富，且碳氮比较适宜进行沼气发酵，并含有大量化学活性物质（氨基酸、磷等）[22]，故在同等条件下，它的TS产气率是灯盏花残渣的2.54倍。但是对于紫茎泽兰来说，由于其本身具有毒性，不进行脱毒预处理会影响沼气发酵体系。对于花卉来讲，其花秆的发酵周期集中在35 d左右，TS产气率维持在266～359 mL/g。花秆的总固体含量比农作物价格低，大约为402 g/L，碳氮比大约在（17～18）∶1之间[23]。因此，花秆可以单独进行沼气发酵，从试验结果来看，它的产气潜力巨大，在大型花卉交易基地或种植区可以采用沼气工程来处理花卉废弃物。通过比较分析得到，灯盏花残渣的发酵特点与花卉秸秆的发酵性质比较相似，它们发酵周期短，产甲烷潜力大，因此比较适合进行沼气发酵。但是对于一些原料而言，例如酸木瓜子这类原料，其TS产气率与其他植物性原料相比偏低，并且发酵周期高达56 d，且来源有限，故不适合应用于沼气发酵系统。
综上所述，生物质是多种多样的，由于化学结构和物理性质的不同，其反应机制也不尽相同。且原料的TS、VS、碳氮比等因素也会影响原料的产气潜力。植物型生物质原料是优质的沼气发酵原料。
3 结论
中国植物性生物质原料来源丰富、数量巨大。通过以上分析，大力发展以植物性生物质为原料的沼气工程对农作物秸秆、花秆以及其他原料进行处理，不仅可以实现废弃物减量化、无害化和资源化利用的目标，而且可以提升人民生活质量，为社会主义新农村建设提供保障。
原料的产气特性与其本身物理和化学结构有关，不同原料的产气特性不同。灯盏花残渣可以作为一种高效利用的沼气发酵原料，在30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，其发酵周期为35 d，TS产气率为368 mL/g，VS产气率为449 mL/g，原料产气率为69 mL/g；在实际沼气生产过程中，可根据工程设计要求以及利益最大化的原则，将水力滞留时间设计为20 d。
本研究仅对灯盏花残渣的产沼气潜力进行了研究，为中草药残渣处理提供了一种新的思路。但是具体沼气工程的最佳工艺参数以及优化途径还需进一步研究。
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