紫茎泽兰茎秆厌氧发酵产甲烷.pdf

紫茎泽兰茎秆厌氧发酵产甲烷 * 陈金发廖茂芪周家兴陈敏胡光友 西昌学院农业科学学院， 四川 西昌 615000 摘要 研究了 3 种不同原料处理下， 紫茎泽兰的茎通过池外厌氧堆沤后传代试验发酵情况。传代试验结果表明 干燥 与厌氧堆沤能降低原料中毒素对沼气发酵的影响， 传代产气总量最高为 6 015 mL， 产甲烷率最高为 64. 22。以上述 两组为研究对象， 通过测定 TS、 VS 值发酵前后变化， 探究了温度对沼气发酵的影响。试验结果表明 温度的升高有利 于提高对发酵系统的原料利用程度， 40 ～45 ℃是微生物发酵的不利温度。从原料有效利用与实际操作角度考虑， 中 温条件最适合沼气发酵， 粉状原料 30 ℃时产气与产甲烷为最佳， TS 与 VS 产气率与产甲烷效率分别为 152. 8 L/kg、 74. 3 L/kg。 关键词 紫茎泽兰; 甲烷; 发酵; 传代 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404035 PＲODUCTION OF METHANE BY ANAEＲOBIC FEＲMENTATION OF EUPATOＲIUM ADENOPHOＲUM SPＲENG STＲAW Chen JinfaLiao MaoqiZhou JiaxingChen MinHu Guangyou School of Agricultural Sciences，Xichang College，Xichang 615000，China AbstractIt was studied the fermentation conditions of passage that used Eupatorium adenophorum Spreng stems stackretted outside the digester under 3 different processings of material． The result showed that drying and stackretted outside the digester could reduce the effects of the toxins from the raw material for biogas fermentation． The gas amount and methane- producing rate were up to 6 015 mL and 64. 22 respectively in batches． Taking two groups above as research object，it was explored the influence of temperature on biogas fermentation by the changes of TS，VS． The test result showed that with the increase of temperature，the activity of fermentation microorganisms was enhanced，but the ability to hydrolyze wood fiber by non methanogenic microbial was reduced which is not good for methane production． The range of 40 ℃ to 45 ℃ was bad for biogas fermentation． In terms of raw material effective utilization and the actual operation，medium temperature conditions were most suitable for biogas fermentation，whose rate of gas generation and that of methane generation were 152. 8 L/kg TS and 74. 3 L/ kg VS． KeywordsEupatorium adenophorum Spreng;methane gas;fermentation;passage * 四川省科技厅应用基础研究项目 2013JY0131 。 收稿日期 2013 －06 －15 0引言 紫茎泽兰 Eupatorium adenophorum Spreng， 属双 子叶植物纲， 俗称飞机草， 破坏草等。在四川、 云南、 贵州、 西藏、 台湾广泛发生。2010 年凉山州紫茎泽兰 分布面积共计 81. 20 万 hm2， 该地区多风， 多光照等 自然气候因素适合其扩散与繁殖， 并以每年大约 60km 的速度， 随西南风向东和向北扩散， 被我国环保 总局列为首批入侵的 16 种外来物种黑名单之首［1- 7 ］。 据调查数据显示， 紫茎泽兰入侵 120 天后， 土壤中的 速效氮、 磷、 钾含量分别下降 56 ～ 96， 46 ～ 53， 6 ～33， 导致土壤肥力严重下降［8- 11 ］。 紫茎泽兰的防治措施主要有人工与机械防除， 化 学防除与生物防除 人工防除劳动强度大， 效率低， 不 但无法根治紫荆泽兰扩散， 客观上还加速其入侵; 化学 防除有一定的效果， 但对连续性与时间精确性很高， 并 且该措施最大缺点在于污染环境， 会使紫荆泽兰产生 抗药性 ［ 12 ］; 生物防除包括植物替代与天敌防除， 但植 物、 动物对环境的要求成为该措施的局限所在。紫茎 351 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 泽兰具有光合效率高， 生物量大等特点， 直接燃烧效率 达到17. 22 MJ/kg［ 13 ］， 防治的最终目的虽然得到了一 些好处，却损失了能量和物质， 所以人们在探寻对其 防治措施的同时， 也对其进行高效地资源化利用的研 究。如 Guo Shenghui、 Li Wei 等人实验证明紫茎泽兰 可以作为低成本吸附剂有效去除废水的铅离子 ［ 14 ］; Shhoo 等利用紫茎泽兰与桑叶联和实验评价其饲用价 值， 证明紫茎泽兰虽然是一种理想的饲料与沼气发酵 原料， 但它自身却含有的单宁等有毒有害物质影响了 可利用价值 ［ 15 ］; 紫茎泽兰还可以作建材原料以及杀虫 剂等。江蕴华等采用传代实验方法的研究表明按照常 规发酵， 紫茎泽兰会引起发酵微生物群慢性中毒， 最后 完全失去产气能力 ［ 16 ］。预处理后， 能使沼气发酵正常 进行，Yin Fang 等利用预处理脱毒后的紫茎泽兰生产 生物能源甲烷， 结果表明紫茎泽兰可成为较好的沼气 原料， 在30 ℃条件下天然气率为 180 m3/t TS ， 燃料 转换效率为12. 37［ 17 ］。脱毒工艺成为发酵沼气的实 际应用于推广上的技术瓶颈。 对紫茎泽兰提取物的研究中表明已提取出的 100 多种化合物主要成分有 蛋白质、 糖、 有机酸、 倍 半萜类、 甾体和三萜类、 黄酮类、 苯丙素酚类化合 物 ［18- 20 ］。根据白洁等人对经紫茎泽兰分离并鉴定为 引起牲畜中毒的有毒物质 9- 羰基- 10， 11- 去氢泽兰酮 Euptox A 的动态分布研究， 其结果表明紫茎泽兰中 的有毒物质主要分布在叶片中， 茎秆中 Euptox A 全 年平均含量为 0. 27， 全年大部分月份中未检出含 有 Euptox A， 最高时浓度也仅为 1. 17［21 ］， 且茎秆部 分含有植株 60到 70的干重。本实验以农户沼气 池中厌氧底泥作为发酵接种物， 采用简单发酵装置， 通过传代发酵方式探究以经过简单预处理后即不经 脱毒的紫茎泽兰的茎秆部分直接作为发酵原料。通 过在不同物料状态、 不同温度条件下的产气情况优化 沼气发酵工艺参数。 1实验部分 1. 1实验材料 紫茎泽兰采自天然野地， 预处理步骤如下 1 将 紫茎泽兰除去根部与叶并除去杂质， 将茎秆切成 1 ～ 2 cm 小段。2将紫茎泽兰除去根部与叶并除去杂 质， 将茎秆切成 1 ～2 cm 小段在干燥烘箱中于 105 ℃ 烘干。3将紫茎泽兰除去根部与叶并除去杂质， 将 茎秆切成 1 ～2 cm 小段在干燥烘箱中于 105 ℃烘干 并粉碎。 接种物取自农户正常产气沼气池中厌氧底泥。 1. 2实验装置 采用常规的排水法收集气体， 实验装置如图 1 所 示。发酵瓶体积为 500 mL， 所有接口均用凡士林涂 抹以增强气密性。 图 1实验装置示意 Fig．1Experiment device 1. 3实验方法 1. 3. 1发酵前堆沤 原料用定量沼液密封堆沤 3 d。发酵过程中， 发 酵微生物的数量尤其是甲烷菌的生长是影响发酵结 果的重要因素， 使用瓶外堆沤的方法有利于缩短微生 物在发酵环境下的适应时间， 有利于气体产出与提高 原料利用率 ［22 ］。 1. 3. 2实验方法 1 传代发酵实验 分为 A、 B、 C 三个实验组。 实验组 A 料液配方 接种物 150 mL 新鲜紫茎 泽兰堆沤后物料 180 g 沼液 500 mL; 实验组 B 料液配方 接种物 150 mL 烘干紫茎 泽兰堆沤后物料 180 g 沼液 500 mL; 实验组 C 料液配方 接种物 150 mL 烘干并粉 碎后紫茎泽兰堆沤后物料 180 g 沼液 500 mL。 为了解紫茎泽兰的茎对发酵微生物是否有不良 影响和对传代连续影响， 实验采用传代的方法进行探 究， 如图 2 所示。 图 2传代发酵实验示意 Fig．2Diagram of passage fermentation test F0为起始接种物， 每组实验都传至四代， 配方同 前 将发酵所得固液混合物质作为下一代底泥物 质 ， 均在常温下进行发酵， 每一代均发酵至不产气 451 环境工程 Environmental Engineering 为止 ［23 ］。 2 不同温度对比发酵实验 将传代实验中产气 量最佳与产甲烷量最佳的实验组筛选出来， 采用恒温 水浴锅与传代实验的装置相结合， 料液配方同传代实 验， 分别在 25， 30， 35， 40， 45， 50 ℃的恒温条件下进行 发酵实验。比较不同温度下产气 24 d 的情况， 通过 对 TS、 VS 与各项植物指标的测定， 了解温度对发酵 实验的影响机理。 1. 4测定方法 采用常规检测方法对不同温度下发酵实验的进 出料液的 TS、 VS 值进行测定。 2结果与分析 2. 1传代实验结果分析 记录结果表明，室内温度为 19 ～28 ℃，平均室 温为 22. 74 ℃。各组每日的产气情况如图 3 所示， A、 C 两组发酵过程中连续数日的产气量都基本上为 0 的现象， 是由于传代实验是在常温下进行， 最低室 温达到 19 ～20 ℃， 最高室温达到 25 ～26 ℃， 温度相 对变化的条件下发酵的日产气量未呈现严格的连续 变化并使得各组一段时间产气能力相对较弱。A 组 产气的两次峰值在 450 mL/d 左右， 时间位于 FA1与 FA3， B 组的两次峰值在 700 mL/d 左右且位于 FB1与 FB2， C 组产气的峰值在 FC4为 550 mL/d。 图 3日产气变化曲线 Fig．3Variation curve of daily gas and daily methane production 传代产气量方面， A 组的四代产气量分别为 1 045， 488， 783， 642 mL， B 组分别 3 485， 1 477， 675， 378 mL， C 组分别为 929， 763， 0， 1 385 mL， 可以看出， 除 B 组外， A、 C 组的产气量没有随着传代而递减， 其 中 FA4较 FA2产气量提高了 31. 6，F C4较 FC2产气量 提高了 81. 5; 产甲烷率的趋势方面， A 组甲烷率稳 定且保持在 60 ～70， B 组甲烷率则由低到高， 最 高达到 80， 总体上甲烷率最低， C 组甲烷率 3 次出 现 80左右的峰值且分布均匀， 日产甲烷率保持在 60 ～80， 可以看出产甲烷菌在传代发酵过程中生 长稳定， 受温度影响程度低。各组传代发酵产气量与 产甲烷率趋势， 可以说明影响发酵的有毒物质没有产 生累积的效应， 有毒成分通过池外堆沤的方式得到一 定程度的去除［24 ］。 2. 2紫茎泽兰原料不同预处理对产气情况的影响 各组传代累积产气量与平均产甲烷率见图 4， B 组累积产气量为 6 015 mL， 分别是 A 组与 C 组的累 积产气量的 2. 03 倍与 1. 95 倍; C 组的平均产甲烷率 为 64. 22， 是 A 组与 B 组的 1. 25 倍与 1. 56 倍。烘 干后的原料有利于生产甲烷， 张无敌等人的研究结果 表示毒丹宁类、 香豆素与挥发性油类是主要毒性物 质， 挥发油为多种类型化合物的混合物， 其中多为萜 类衍生物， 剧毒物质 9- 羰基- 10， 11- 去氢泽兰酮便属 于倍半萜类化合物［20 ］， A 组与 B、 C 两组的对比说明 烘干的原料能够有效挥发这一系列的有毒挥发油类 物质， 从而降低毒性对发酵沼气的影响。 图 4传代产气量与产甲烷率 Fig．4Gas and methane production of passage 在发酵过程中， 发酵微生物的数量是影响产气量 最重要因素， 生产甲烷主要是甲烷菌的作用 ［ 25 ］， 由图 3 可看出各组甲烷含量峰值均在发酵后 15 d 左右， 发 酵前期非产甲烷微生物能够对难以直接利用成分如 木质纤维进行一定水解作用生产气体， 并为后期产甲 烷微生物生产甲烷提供可直接利用原料。通过 B 组 与 C 组产气情况的比较， 可以得到， 粉状原料较杆状 原料更有利于甲烷气体的生产， 因为杆状原料较粉状 原料木质纤维更为紧密复杂， 使得非产甲烷微生物对 杆状原料中木质纤维成分的水解受到限制。 551 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 2. 3温度对产气情况的影响 2. 3. 1不同温度下的产气情况 通常将沼气发酵温度分为常温型 10 ～ 26 ℃ 、 中温型 28 ～ 38 ℃ 和高温型 46 ～ 60 ℃ 3 个温度 类型 ［26 ］， 实验筛选出 B、 C 两组来探究温度对沼气发 酵的影响。由图 5 可以看出， B、 C 两组在 30℃ 条件 下的累积产气量分别是 25 ℃条件下的 4. 4 倍与 4. 8 倍， 常温下产甲烷率相对稳定; 中温条件的累积产气 量与产甲烷率随温度增加上升或是趋于稳定， 证明中 温条件下的发酵微生物活性稳定， 有利于厌氧微生物 的富集; B 组 40 ～ 45℃ 的累积产气量与产甲烷率下 降趋势明显， 累积产气量较 35 ℃ 降低了 8. 5、 35. 4， 产甲烷率降低了 13. 6、 23. 8。C 组 40 ～ 45 ℃ 的累积产气量上升， 较 35 ℃ 提高了 1. 5 与 58. 4， 产甲烷率稳定在 55 ～ 60。高温 50 ℃ 时 B、 C 两组的累积产气量分别是各自 35 ℃的 1. 78 倍与 1. 64 倍， B 组产甲烷率回升到 52， C 组的产甲 烷率稳定在 60。 总的来说， 常温条件影响非产甲烷微生物正常生 长， 对产甲烷微生物的影响较小。30 ～ 50 ℃ 时 C 组 累积产气量随着温度增长而上升， 产甲烷率呈稳定趋 势; B 组累积产量在中温与高温条件下随温度上升而 增长， 产甲烷率呈稳定态势， 这一点上与前人的研究 具有一致性［27 ］。而中温向高温过渡阶段即 40 ～ 45 ℃下发酵微生物与产甲烷微生物都受到了严重的 影响。 图 5温度对产气情况的影响 Fig．5The effect temperature of on gas production 2. 3. 2不同温度下 B、 C 两组发酵前后 TS、 VS 比较 利用情况 TS 产气情况见图 6。TS 产气与 VS 产甲烷情况 见图 7。 比较 B、 C 两组 TS 产气率与 VS 利用情况， 可以 图 6 TS 产气情况 Fig．6Gas production by TS 图 7 VS 产甲烷情况 Fig．7Methane production by VS 看出 C 组 TS 产气率普遍高于 B 组， 证明 C 组条件水 解产气阶段能力强于 B 组， 进而使得 C 组对于 VS 的 利用情况明显优于 B 组。所以粉状原料相比杆状原 料更有利于发酵微生物生长与生产甲烷。 B 组45 ℃情况下 TS 产气率与 VS 产甲烷率分别 为 77. 9， 71. 5 L/kg， 对 TS 与 VS 利用率分别只有 2. 49、 3. 13。发酵过程中， 微生物的可利用对象 除了紫茎泽兰还包括已驯化厌氧沼泥中的有机物质， 所以 B 组 45℃的 TS 产气率不能客观说明该情况下 发酵微生物的生长情况， B、 C 组 TS 产气率与 VS 产 甲烷率在常温与中温段随温度上升而增加， 40 ～ 45 ℃时 TS 产气率与 VS 产甲烷率下降到最低， 高温开 始增加， 证明 40 ～45 ℃温度不适合发酵微生物生长。 考虑实际沼气生产可操作性， C 组在 30 ℃ 产气 与产甲烷最优 TS 与 VS 产气率与产甲烷效率最高， 分别为 152. 8， 74. 3 L/kg。高温情况下有利于提升发 酵系统原料的利用率。 3结论 1通过传代实验可以得出利用紫茎泽兰的茎作为 651 环境工程 Environmental Engineering 沼气发酵原料具有可行性， 传代实验结果与不同预处理 条件下产气情况证明干燥、 堆沤的手段对毒性去除有一 定作用， 简单预处理后的紫茎泽兰的茎可以作为沼气发 酵的原料， 其中粉状原料为产甲烷率最佳为64.22。 2 发酵温度升高有利于提升发酵系统原料的利 用率， 但 40 ～45 ℃是微生物发酵的不利温度。 3 传代实验 B、 C 两组的产甲烷情况差异与40 ～ 45 ℃时 B、 C 两组产甲烷受影响程度差异， 证明杆状 原料木质素难以被有效分解， 使得粉状原料作为发酵 原料优于杆状。 4 中温条件为发酵最佳， 在本实验条件下， 粉状 30 ℃产气与产甲烷为最优， TS 与 VS 产气率与产甲 烷效率最高， 分别为 152. 8， 74. 3 L/kg。 参考文献 ［1］Zhu Li，Sun Osbert J． Sang Weiguo，et al． Predicting the spatial distributionofaninvasiveplantspeciesEupatorium adenophorumin China ［J］ ． Landscape Ecol， 2007 22 1143- 1154. ［2］Qiang S．The history and status of the study on crofton weed Eupatorium adenophorum Sprenga worstworld wide weed ［J］． Journal of Wuhan Botanical Ｒesearch， 1998 16 366- 372. ［3］Sang Weiguo，Zhu Li，Axmacher Jan C．Invasion pattern of Eupatorium adenophorum Spreng in southern China ［J］．Biol Invasions， 2010 12 1721- 1730. ［4］Shen Youxin，Zhao Chunyan，Liu Wenyao． Seed vigor and plant competitiveness resulting from seeds of Eupatorium adenophorum in a persistent soil seed bank［ J］ ． Flora， 2011 11 1- 8. ［5］Baruah Narayan C，Sarma Jadab C，Sarma Soneswar，et al． Seed germination and growth inhibitory cadinenes from eupatorium adenophorum spreng［ J］ ． Journal of Chemical Ecology， 1994， 20 8 1885- 1892. ［6］Wang J Y，Zhang H W，Huang Ｒ F． Expression analysis of low temperature responsive genes in Eupatorium Adenophorum Spreng using cDNA- AFLP ［J］ ． Plant Molecular Biology， 2007 25 37- 44. ［7］Yu Xingjun，Yu Dan，Lu Zhijun，et al． A new mechanism of invader successExotic plant inhibits natural vegetation restoration by changing soil microbe community ［J］ ． ChineseScience Bulletin， 2005， 50 11 1105- 1112. ［8］马建列， 白海燕． 入侵生物紫茎泽兰的危害及综合防治［J］． 农 业环境与发展， 2004 4 33- 34. ［9］Wang L，Qin Ｒ． Ｒesearch advances related to the invasive herb eupatorium adenophorum ［J］ ．Journal of Southwest Forestry College， 2004 3 72- 75. ［ 10］Katoch Ｒajan， SharmaOmP，DawraＲajinderK，etal． Hepatotoxicity of eupatorium adenophorum torats ［J］ ． Toxicon， 2000 38 309- 314. ［ 11］Kaushal V，Dawra Ｒ K，Sharma O P，et al． Hepatotoxicity in rat induced by partially purified toxins from Eupatorium adenophorum Ageratina adenophora ［J］． Toxicon， 2001 39 615- 619. ［ 12］Lu P，Sang W G． Progess and prospects in research of an exotic invasive species，Eupatorium adenophorum［J］ ． Acta Phytoecologica Sinica， 2005， 29 6 1029- 1037. ［ 13］Yin Fang，Zhang Wudi， Liu Shiqing，et al． Study on material utilization efficiency and energy conversion efficiency of biogas fermentationbyeupatoriumadenophorumspreng［C］ ∥ Proceedings of 2011 International Symposium on Water Ｒesource and Environmental Protection BMEI 2011 ， 2011 4 3． ［ 14］Guo Shenghui， Li Wei， Zhang Libo， etal．Kinetics and equilibrium adsorption study of lead II onto the low cost adsorbentEupatorium adenophorum spreng ［J］． Process Safety and Environmental Protection， 2009， 87 343- 351. ［ 15］Sahoo A，Singh B，Sharma O P． uation of feeding value of Eupatorium adenophorum in combination with mulberry leaves ［J］． Livestock Science， 2011， 136 175- 183. ［ 16］江蕴华． 用紫茎泽兰生产沼气的研究［J］． 太阳能学报， 1986， 7 3 288- 294. ［ 17］Yin Fang， Duan Xinxiu， Liu Shiqing， et al．Utilization of Eupatorium Adenophorum Spreng for Bioenergy Production［C］∥ Proceedings of 2011 International Symposium on Water Ｒesource and Environmental Protection BMEI 2011 ．2011 4 4. ［ 18］Zhao X，Zheng G W，Niu X M，et al． Terpenes from eupatorium adenophorum and their allelopathic effects on arabidopsis seeds germination ［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2009， 57 2 478- 482. ［ 19］Somchit M N，Ｒeezal I，Elysha N I，et al． In vitro antimicrobial activity of ethanol and water extracts of Cassia alata［J］． Journal of Ethnopharmacology， 2003， 84 1 1- 4. ［ 20］闫乾胜． 入侵物种紫茎泽兰化学成分及生物活性研究进展 ［J］． 北京师范大学学报． 自然科学版， 2006， 42 1 70- 73. ［ 21］白洁． 紫茎泽兰 9- 羰基- 10， 11- 去氢泽兰酮分布积累动态［J］． 植物学报， 2011， 46 4 470- 475. ［ 22］张馨蔚． 农村户用沼气发酵主要工艺参数的优选研究［J］． 中 国沼气， 2011， 29 1 55- 58. ［ 23］曾吉凡． 烟草青枯雷尔氏菌连续传代减毒效果研究［J］． 山地 农业生物学报， 2012， 31 6 498- 500. ［ 24］周大石． 沼气发酵原理与甲烷细菌的特性［J］． 环境科技， 1993， 13 6 83- 87. ［ 25］边文骅． 十年来我国沼气发酵微生物的研究进展［J］． 中国沼 气， 1990， 8 4 1- 4. ［ 26］高丽娟． 玉米、 小麦、 水稻秸秆自然发酵的生化变化［J］． 草地 学报， 2005 1 47- 52. ［ 27］胡启春． 微生物降解木质纤维素研究的某些进展［J］． 中国沼 气， 1987， 5 1 4- 7. 第一作者 陈金发 1976 － ， 男， 博士， 副教授， 主要从事污染控制与循 环经济。 通讯作者 廖茂芪 1992 － ， 男， 主要从事环境科学与资源利用。 365356081 qq． com 751 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction