（环境工程专业论文）水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建.pdf

摘要 水生植物具有良好的水质净化效果，在富营养化水体的生物修复中应用广泛， 但生长繁殖速度过快，易腐烂分解，造成水体的二次污染。若将水生植物看作一 种高产的能源植物，用厌氧发酵技术加以利用，可制取清洁能源。本文将选取一 些水生植物进行生化成分测定和厌氧发酵实验，探索其作为沼气发酵原料的可行 性，并分析植物成分对其厌氧发酵过程的影响；对香蒲厌氧发酵过程的接种率、 料液浓度等工艺条件进行优化。主要的结论如下： ( 1 ) 从美人蕉和香蒲的厌氧发酵实验得出，增加接种量和原料添加量、粉碎 以及选取合适的接种物都能明显提升产气效果，表现为：产气稳定性增强，产气 周期延长，产气量增加。+ ( 2 ) 木质纤维素、碳水化合物以及蛋白质是水生植物的主要有机成分，原料 的可生物性较好。各水生植物在3 7 * ( 2 的产气率分别为：香蒲5 1 3 2 3 m l g 。1 v s 、香 菇草5 3 9 0 9 m l g 。v s 、再力花5 7 7 9 6 m l g 。1 v s 、菖蒲5 0 8 9 5 m l g 。v s 、美人蕉 5 5 5 0 5 m l g 。1 v s 、紫芋6 2 9 4 1 m l g j v s 、梭鱼草4 7 3 0 9 m l g 。1 v s ，可以作为良好 的厌氧发酵原料。 ( 3 ) 香蒲和紫芋的c n 分别为1 8 5 9 和1 6 9 7 ，理论产沼气潜力分别为 9 6 9 2 1 m l g 。1v s 和8 9 7 6 9 m l g v s ，厌氧降解率分别为5 2 9 5 和7 0 1 1 。 ( 4 ) 本实验对发酵原料木质纤维素含量与厌氧生化产沼气潜力( a b p ) 之间的 联系进行相关性分析，得出木质素与a b p 之间的相关性( r = 一0 2 5 9 ，p 0 0 5 ) 很微 弱，而半纤维素与a b p 间有一定的相关性( 产0 7 8 1 ，p 再力花 梭鱼草 美人蕉 香菇草 紫芋；半 纤维素含量的变化范围在0 1 7 - - 1 9 9 i t s ，其中梭鱼草 香蒲 美人蕉 菖蒲 再力花 香菇草 紫芋；木质素含量的变化范围在3 4 5 1 7 0 6 t s ，其中美人蕉 香蒲 菖蒲 梭鱼草 再力花 香菇草 紫芋。综上可以看出香菇草、紫芋、再力花 三种发酵原料含淀粉类碳水化合物较多，香蒲、菖蒲、美人蕉、梭鱼草则含纤维 类碳水化合物较多。 比较5 月份采样的新鲜美人蕉和上一年成熟枯萎的美人蕉的木质纤维成分， 发现在原料总固体含量中，纤维素的含量由1 5 9 5 增加到2 4 7 7 ，增长了5 5 3 ； 半纤维素的含量由1 7 5 5 增加到1 9 9 4 ，增长了1 3 6 2 ；酸不溶性灰分由0 8 2 增加到6 0 6 ，增长了6 3 9 0 3 ；木质素的含量几乎没变，都在1 7 左右。随着 植物的枯萎死亡，植物体内的n 、p 等营养元素回流至根部，地上部分难分解的 纤维素、半纤维素含量因此上升，有机成分分解造成无机盐等灰分含量的急剧升 高。木质纤维素和酸不溶性灰分含量的增加给美人蕉的厌氧发酵增加了困难，从 成分上来讲，5 月份收割的未成熟美人蕉可能更适合厌氧发酵，而且此时的美人 蕉生长旺盛，收割后还能迅速生长，增加了美人蕉的生物生产力。 中南林业科技大学硕士学位论文 关于植物体内各有机成分的厌氧消化过程，有研究显示，碳水化合物的以及 水解动力学系数最高，其次是蛋白质，最后是脂质。水生植物的碳水化合物和蛋 白质含量都很高【0 1 1 ，因此，从理论上讲，水生植物的可生化性很好，具有产沼气 的潜力。淀粉是一类水解系数很高的高分子多糖【1 0 2 ，极易生物降解；而纤维素底 物是结构性的高分子多糖，生化性较差，在细胞壁组织中的纤维素，由于木质素 和半纤维素的包裹阻碍了纤维素酶的接近，在发酵过程中很难被降解 7 4 , 1 0 3 】。由此 根据所含木质纤维素的量初步判断，香菇草、紫芋、再力花的水解速率较高，要 防止水解过程中脂肪酸的过度累积，而香蒲、菖蒲、美人蕉、梭鱼草的水解过程 缓慢，原料的生化降解性较低。 3 2 27 种水生植物的产气特性分析 一 皇 、 阍 妒 钆 逞 娴 f l n - r 051 01 5扣2 53 0 嗍 a 051 01 52 02 53 03 54 0 帅 c 冒 咖 f 是 叮 05l o1 52 02 53 03 54 0 时问d b 善； 历 埒嗍 d m 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 冒 删 扩 程 叮 名 咖1 妒 也 r r r o 51 01 5 扣历3 03 54 0 删 e o5 1 01 5加历3 0 蝴 名 咖 f l 叮 051 01 52 02 53 0 栅 f g 图3 - 2 水生植物的日产气量变化曲线 f i g 3 - 2c h a n g ec u r v eo fd a i l yb i o g a sp r o d u c t i o no fa q u a t i cp l a n t s 各水生植物的日产气量变化曲线见图3 2 ，从图中可以看出，各发酵原料在 发酵第l d 即能开始产气，说明接种微生物的活性较高，发酵启动成功，有效缩短 了滞留期。且各原料在第l d 的产气量很高，都达到峰值，这可能是因为原料的粉 碎程度较高，呈粉末状，有效破坏了水生植物的部分组织结构，释放出大量小分 子酸、氨基酸、寡肽和易降解的简单糖类等物质到发酵液中，被产甲烷菌直接利 用产生了大量沼气。 梭鱼草在第l d 达到产气高峰，小分子有机酸类底物被利用，产气量逐步下滑， 在第3 d 达到低谷。经过前3 d 的发酵，料液中水溶性小分子已基本被甲烷菌消耗， 其他易降解的碳水化合物、蛋白质等也经水解产酸菌的作用，产生大量的脂肪酸。 中南林业科技大学硕士学位论文 在第3 d 到第5 d 有一个产气量的递增阶段。由厌氧发酵反应的动力学方程可知， 水解产沼气过程受细菌数量和底物浓度的影响，当底物浓度未超过细菌的可利用 限值时，随底物量的增加，细菌增长繁殖率增加，反之，增长繁殖受限。从梭鱼 草的发酵过程中产气量的变化也可看到这一规律，因此在第5 到9 d 产气量下降， 从第9 d 开始产气量的下降速度减缓，在第1 3 d 降至峰谷。在第1 3 d 至第2 5 d 产气 量有一个增长降落的阶段，这一时间段是纤维素、半纤维素的分解利用阶段，产 气量少，说明纤维素和半纤维素的利用程度很低。第2 5 d 的产气量只有1 5 m l ， 产气又微弱维持了两天后结束。 菖蒲在第1 d 的产气高峰过后，产气量迅速下降，第2 d 的产气量为1 6 2 m l ， 只有前一天产气量( 8 6 6 m l ) 的1 8 7 1 ，分析认为是由于本实验的接种污泥为原 料的厌氧消化提供了足够的水解产酸菌和产甲烷菌，而纤维类原料中的可被甲烷 菌直接利用的小分子脂肪酸量不足，甲烷菌长代谢受到影响，生物活性降低，故 产气量减少。随着原料中碳水化合物、蛋白质、脂质等易降解物质的酸化水解， 产生了乙酸、氢气、二氧化碳等小分子物质，产甲烷菌的底物充足，恢复活性， 产气量又逐步恢复，在第3 d 达到一个小的产气高峰。随后产气量波动不大，有所 降低，菖蒲在第5 l l d 一直维持着2 0 0 m l 左右的产气量。在发酵的前期，原料 中的木质纤维素几乎不被降解，其酸化水解成为甲烷化的限速步骤。从第l l d 开 始，原料中的淀粉、糖类、蛋白质、脂质等大多己被分解掉，可降解的纤维素、 半纤维素等水解酸化产生脂肪酸，甲烷茵可利用底物增多，产气量逐步增加，在 第1 6 d 达到第三个产气峰值。随着可利用底物的减少，产气量下滑，在第2 3 d 降 至峰谷4 8 m l ，之后，产气量基本无变化，直到第3 7 d 产气结束。 紫芋在发酵初期产气量直线下降，从第l d 的6 4 6 m l 陡降到第3 d 的6 9 m l ， 从第4 d 开始产气量平缓下降，维持到第l l d 产气停止。这一现象是因为紫芋的木 质纤维素含量较低，对其他原料的降解阻碍较小，而且淀粉等糖类碳水化合物的 水解速度很快，原料水解酸化的速度远远大于脂肪酸被利用的速度，脂肪酸大量 累积，导致p h 值降低，产甲烷菌在偏酸性条件下活性降低，无法正常继续产气。 随着原料水解反应的进行，蛋白质等含氮物质水解产生n h 3 和一些碳酸盐类缓 冲物质的生成，脂肪酸累积引起的p h 值降低有所缓解。酸碱度平衡后，酸抑制 现象解除，甲烷菌开始利用挥发性脂肪酸进行繁殖代谢，恢复正常的产气。第2 1 d 恢复产气后，产甲烷菌可利用的底物充足，甲烷化速率很快，产气量不断上升， 在第3 0 d 达到第二个产气峰值，且日产气量接近发酵的初始最大值。之后，产气 量不断减少，于第4 3 d 结束。 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 香菇草的初始产气量达到ll o o m l ，原料水解产生了大量脂肪酸，酸度过高 抑制了产甲烷菌的活性，产气量迅速下降，第5 d 产气停止。第6 d 料液的酸碱度 完成自我调节，甲烷菌又开始产气。在维持了4 d 的高产气量后，原料可利用底物 减少，产气量降低。在第1 2 d 至第1 7 d ，有一个平稳产气阶段，随后是木质纤维 素的水解发酵阶段，产气量较低。香菇草的产气曲线不流畅，有很多波折，说明 在发酵过程中存在影响厌氧发酵的因素。 香蒲中木质纤维素的含量很高，原料水解酸化产沼气的速度很慢。反应刚开 始，原料中的小分子酸等极易降解的物质迅速被消耗，而其他有机成分水解酸化 过程还在继续，甲烷化速度超过水解酸化速度，产气量下降，在第3 d 将至低谷。 在第4 d 至第1 2 d 和第1 3 至2 9 d 分别有两个产气上升又跌落的阶段，并分别在第 5 和1 7 d 达到产气高峰，前一产气峰值较高，波动较大，持续时间短，后一阶段 的产气峰值较低，波动范围小，产气时间长。 再力花在发酵前5 d 产气量逐渐减少，是由于受到原料大量水解酸化，脂肪酸 累积的影响，但没有像香菇草和紫芋那样出现产气停滞，说明再力花的原料成分 更适合厌氧发酵，无需干预调节可保证产气的顺利进行。再力花在第6 d 到第8 d 产气量波动攀升，无明显产气峰值的存在，随后产气量下降。在第1 3 d 至第2 5 d 有一次产气的波动，在第1 6 d 达到产气峰值。从第2 5 d 到产气结束的第3 0 d ，日 产气量很少，都不超过3 5 m l 。 美人蕉在发酵过程中只有两个明显的产气峰值的存在，第一次出现在发酵的 第1 d ，第二次出现在第6 d 。产气量分别在第3 d 和第1 2 d 出现产气速率变化的折 点，前1 2 d 的产气量变化幅度较大，从第1 3 d 开始产气量的减速变缓。美人蕉的 木质素含量是测定的7 种水生植物里最高的，木质素与半纤维素一起组成复杂难 降解的结构，阻碍了纤维素酶接近纤维素，使其水解困难，因此没有第三个产气 峰值的存在。此处美人蕉的厌氧发酵规律跟第二章中相比，产气量变化曲线更流 畅，各阶段产气规律更明显，可能是因为此处的接种污泥活性更高，而且生长期 的美人蕉比枯萎期的美人蕉从原料成分上更适合发酵，在条件适合的情况下，原 料能更好的发酵。 综上可以看出，各水生植物发酵过程中大致都经历了三个阶段的产气过程， 先是污泥和水生植物中水溶性小分子的分解，随后是大分子的碳水化合物、蛋白 质、脂肪等的分解，最后是分子结构比较复杂的纤维素、半纤维素和木质素等的 降解转化，发酵是按有机成分的降解难易程度进行的，因此发酵经历的时间依次 延长，产气量依次减少。 中南林业科技大学硕士学位论文 3 2 37 种水生植物产沼气潜力的比较 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 嘈4 0 0 0 咖l 圹3 0 0 0 l 2 咖 1 0 0 0 0 0 5 1 0 1 5 烈)z 53 03 5 4 0 4 5 发酵时问d 图3 3 不同水生植物累积产气量的变化曲线 f i g a c c u m u l a t i v eb i o g a sy i e l do fd i f f e r e n ta q u a t i cp l a n t s 从水生植物累积产气量的变化曲线可以看出，各原料的发酵周期大都在3 0 d 左右，只有紫芋为4 3 d 。发酵初期，各原料的产气速率较高，累积产气量呈直线 增长，各原料的峰值各不相同，再力花、香菇草的峰值最高，在l0 0 0 m l 左右， 香蒲和菖蒲的峰值超过8 0 0 m l ，美人蕉、梭鱼草、紫芋的产气峰值只有6 0 0 r a l 左右。前3 d 再力花与香菇草的累积产气量变化曲线基本重叠，从第4 d 起再力花 的产气速率大于香菇草，随着反应的进行，产气速率下降，累计产气量出现一些 拐点，在发酵快结束时，产气量几乎不变。美人蕉、香蒲、菖蒲、梭鱼草在前4 d 产气变化差不多，之后，菖蒲的产气情况不如其他组，保持着较低的产气量，在 发酵进行了一段时间后，产气速率提升，所以菖蒲的累积量变化曲线呈“s ”型变化。 香菇草的产气率减弱后，变化曲线在第7 d 与美人蕉相遇后基本重叠，香蒲从第 6 d 开始产气速率低于梭鱼草，但在发酵后期，香蒲超过梭鱼草，但这四者基本上 的变化趋势和累积产气产气量是接近的。紫芋的累积产气量变化曲线在前期基本 上是一条水平线，恢复产气后，变化曲线以很快的速度增长，随后产气速率减缓。 4 种纤维类水生植物：香蒲、菖蒲、美人蕉、梭鱼草的物化成分相似，在发酵过 程中累积产气量的变化趋势除了菖蒲也表现出一些相似性。再力花、香菇草、紫 芋所含木质纤维素以外的碳水化合物含量分别高达4 1 0 5 、3 7 3 5 和4 7 0 9 ， 因此，与其他纤维含量高的原料表现不同。发酵前期碳水化合物的含量越高，产 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 气停滞期越长，因此再力花的产气效果最好，后期则相反。发酵结束后，各原料 的累积产气量表现为：紫芋 再力花 香蒲 香菇草 菖蒲 美人蕉 梭鱼草。 表3 - 3 水生植物的累积产气量和产气率 t a b l e 3 - 3c u m u l a t i v eb i o g a sp r o d u c t i o na n db i o g a sp r o d u c t i o nr a t eo fa q u a t i cp l a n t s 所选用的7 种水生植物基本理化成分不同，导致其产气特性也各不相同，但 都表现出很好的产气潜力，具体情况如表3 3 ，单位v s 的产气率表现为：紫芋 再力花 美人蕉 香菇草 香蒲 菖蒲 梭鱼草。因各实验组原料的固体含量相同， 故单位t s 产气率与累积产气量的表现一样。纤维含量较少的紫芋和再力花，其 产气率比纤维含量较高的美人蕉、香蒲、菖蒲、梭鱼草高，说明木质纤维素的存 在可能会降低水生植物的产气潜力。但香菇草的v s 产气率却低于美人蕉，这可 能是因为香菇草的脂肪和蛋白质含量过高，而蛋白质和脂肪的水解速率和程度比 碳水化合物弱很多【1 0 ，产气效果也变差；另一方面，香菇草的叶片鲜嫩，含水率 高，香菇草烘干后的含水率仍有8 3 ，是7 种水生植物里最高的，存放及烘干过 程中，叶片堆积易腐烂分解，造成部分有机成分的损失，产气潜力测定量偏低。 中温( 3 7 ( 2 ) 条件下，测得的水生植物的产沼气潜力有3 9 9 6 9 5 4 0 6 7 m l g t s ，而在3 5 进行农作物秸秆的产气潜力研究中【1 0 4 1 ，测得玉米秸秆 的发酵潜力有0 5 1 l g t s ，小麦秸秆的产潜力有0 4 8 m l g t s ，油菜秸秆的产气 潜力达0 4 7 l g t s 。可见水生植物与一般农作物秸秆的产气潜力相当，可以代替 一些经济作物作为能源植物，并且水生植物从开始产气到产气结束经历的时间只 有3 0 d 左右，而农作物秸秆则超过6 0 d ，利用水生植物进行厌氧发酵可有效缩短 原料的水力停留时间，提高发酵装置的利用率。水葫芦是已知的水生植物中产气 潜力较高的，有研究【1 0 0 得出在设定发酵温度为3 0 。c 时，水葫芦独立发酵的厌氧 产沼气潜力大约为5 0 0 m l g t s ，本试验中再力花和紫芋的产气潜力分别为 5 2 7 7 9 m l g 1 t s 和5 4 0 6 7 m l g t s ，比水葫芦的产气潜力相当。试验结果表明， 选取的7 种水生植物都可以单独作为发酵原料，对于紫芋、香菇草，为防止酸累 积现象，可在发酵初期进行p h 的调节来提高产气效果；而对于美人蕉、香蒲、 菖蒲、梭鱼草等木质纤维含量较高的原料，为了提高产气率，除了粉碎，还可用 酸碱对原料进行预处理，添加纤维素酶和真菌等。 中南林业科技大学硕士学位论文 3 2 4 发酵前后料液性质的分析 表3 4 发酵液性质 t a b l e 3 - 4p r o p e r t i e so ff e r m e n t a t i o nl i q u i d 发酵前后料液性质如表3 4 所示，发酵前所有料液成分都是按总固体浓度6 设计的，发酵结束后，发酵液的总固体含量和挥发性固体含量均有所降低，t s 的减少量表现为：再力花 紫芋 梭鱼草 香菇草 香蒲 美人蕉 菖蒲；v s 的减少 量表现为：再力花 紫芋 香菇草 梭鱼草 美人蕉 香蒲 菖蒲，说明所有水生植物 在发酵过程中均被微生物分解利用，产生沼气。从表中可以发现，再力花、紫芋 的t s 和v s 降解的较多，香蒲、菖蒲、美人蕉降解的较少，而再力花和紫芋的产 气潜力也较其他植物多，从整体上看，水生植物的t s 、v s 的降解程度越高，其 产沼气潜力也越高，但之间并不存在必然的正相关性，比如梭鱼草的降解程度较 高，但产气潜力是7 种植物里最低的；紫芋的降解程度低于再力花，但产气潜力 却高于再力花。 发酵结束后，料液p h 值在7 1 7 7 3 3 的范围内，产甲烷菌的最适发酵环境是 p h 范围6 8 - - 7 5 ，这说明在未加入酸碱缓冲物质的情况下，这些水生植物最终能 自我调节酸碱度至近中性，满足产甲烷菌生长产沼气的要求。发酵液中的挥发性 脂肪酸是原料水解酸化的产物，若脂肪酸含量过低，产甲烷菌就会因底物不足而 停止产气，若含量过高，则会造成脂肪酸累积，抑制甲烷菌的活性。本试验的结 果显示，发酵结束时，香菇草的v f a 含量最高，有31 9 6 8 0 m g l ，这可能是因 为香菇草极易降解，原料水解程度高，但远远达不到v i e i t e z 等【1 0 5 1 研究的导致厌 氧消化停止的v f a 最低浓度( 1 30 0 0 m g l 。) ，可见导致香菇草停止产气的可能不 3 2 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 是酸抑制，而是其他因素。其他植物在发酵结束时v f a 含量都很低，其中，香蒲、 再力花、美人蕉、梭鱼草的v f a 含量在5 0 0 m g l j 以下，这可能是因为原料中大 部分能被降解的已分解完毕，只有很少的难降解成分留下，导致v f a 含量不足， 产气停止。 3 2 5 不同水生植物生化降解性分析 在进行厌氧消化工艺或反映器性能的评估时，原料的沼气产率是反映原料可 生化降解性的一个重要参数，通常将产沼气能力以理论产沼气能力为基准来进行 比较。原料的理论产沼气潜力是指原料完全降解所能得到的最大沼气体积，可以 以原料的元素分析结果或是有机物成分分析的结果为依据来进行预测【1 0 6 】。元素分 析的方法是根据原料的c 、h 、o 和n 元素分析求得经验分子结构c 。h 。o b n 。， 再利用b u s w e l l 方程【1 0 7 】计算得到，见式3 5 。有机成分分析的方法是通过测定原 料中v f a 、蛋白质、脂质、碳水化合物等可降解有机成分，再根据各有机物的经 验分子式算得的产沼气潜力来计算。有研究认为根据有机成分分析的方法得到的 理论沼气产量比元素分析法的结果偏低，但更接近真实值1 1 0 6 1 ，这是因为元素分析 法不能将有机元素和无机元素区分开，所有的元素均计入结果1 1 0 8 l 。本论文将采用 元素分析的方法，选取香蒲和紫芋为分析样品，其元素分析结果见表3 5 。 表3 - 5 香蒲、紫芋的基本性质 t a b l e 3 5s a m p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a c o r u sc a l a m u sl i n na n dc o l o c a s i at o n o i m on a k a i 瞩q 虬+ ( 疗i b + 珈。一睁西ab 一詈卜+ ( 嚣+ _ + b 詈卜”n h 3 ( 3 - 5 ) 由元素分析的结果可以看出水生植物的氮含量较高，碳氮比偏低。通常认为 沼气发酵原料的可以在较宽的碳氮比( 1 3 - - - 6 0 ) ：l 范围内产气，其中最合适的范 围为( 2 0 - - 3 0 ) ：l ，在其他范围内，也可以发酵，但产气量以及产气速率很低【1 0 9 ，1 1 们。 香蒲和紫芋的碳氮比在最适碳氮比附近，能正常产气。香蒲和紫芋的分子结构式 分别为c 2 1 1 5 h 3 1 4 l o l 2 9 9 n 和c 1 9 3 0 h 2 9 8 8 0 1 4 0 7 n ，计算求得其理论产沼气潜力分别 为9 6 9 2 1 m l 矿1v s 和8 9 7 6 9 m l g v s 。在水生植物的发酵实验中，得出香蒲和 紫芋的厌氧生化产沼气潜力分别为5 1 3 2 3 m l g dv s 和6 2 9 4 1 m l g v s ，因此， 其厌氧降解率分别为5 2 9 5 和7 0 1l 。 3 3 中南林业科技大学硕士学位论文 原料的生化产沼气潜力与理论产沼气潜力通常并不一致，比如在d a v i d s s o n 等【1 1 1 】的实验中，生化产甲烷能力最高占理论产甲烷能力的7 8 。在原料的v s 中，有易生物降解部分( b i o d e g r a d a b l ev o l a t i l es o l i d s ，b v s ) ，比如：糖、淀粉、有 机酸、纤维素、脂肪和蛋白质等物质；也有一些难生物降解部分( r e f r a c t o r yv o l a t i l e s o l i d s ，r v s ) ，比如：木质素等不易被微生物降解的部分【1 1 2 1 。其中b v s 是原料 厌氧生化产沼气潜力的重要贡献部分，而元素分析法得到的理论产沼气潜力将 r v s 部分也纳入计算。各水生植物由于所含元素组成较为接近，其理论产沼气潜 力也相差不大，但生化产沼气潜力受有机成分的影响，相差较大。香蒲的木质纤 维成分较紫芋高，原料的厌氧消化变得困难，因此，降解率明显低于紫芋。 3 2 6 产气潜力模型的构建 厌氧生化产沼气潜力( a b p ) 及生化产甲烷潜力( b m p ) 的测定意义在于： 可以用来评价原料的生物降解( b d ) 性能【1 0 8 1 ，为规模化沼气场发酵原料的实际 产气潜力预测提供理论依据。b m p 指通过厌氧发酵试验，保证发酵原料中的有机 成分在无抑制状态下完全被转化分解，测定的甲烷产量。b m p 的测定方法有多， 比如h a n s e n 等【3 】提出在中温( 3 7 ) 条件下培养l o o d ，或在高n ( 5 5 。c ) 条件下培 养5 0 d ，不同温度条件下的试验结果基本一致，本试验采用中温( 3 7 ) 发酵，但产 气未进行那么久，水生植物的产气周期较短。而由不同的学者和研究机构评估出 的的b m p 大多是不一致的【1 1 4 】，这是由所用实验设备、环境、标准协议等条件的 差异引起的。由于b m p 结果可能因测定方法的不同而异，我们需要应用一种标 准的方法来测定b m p 。现有的b m p 测定方法耗时耗财，因此创新方法建立一个 模型进行b m p 或b d 的预测，有着重要的意义。 已有学者研究出了一些快速测定b d 的方法，有许多研究都试图根据有机物 的成分测定来预测b d 或b m p l l l 5 8 1 。近红外光谱技术( n i r s ) 已被用来测定 有机物的成分【1 1 9 , 1 2 0 】，最新的研究结果发现，城市有机固体废物的b m p 与用n i r s 法测定的有机物的成分有很好的相关性【l 】。至今，很少有研究者将木质素、纤维 素以及半纤维素作为的主导变量来预测b m p 或b d 的。c h a n d l e r 1 2 1 1 发现有机废 弃物的生物降解与v s 中木质素的含量之间有很强的相关性( r 2 = o 9 4 ) 。 s c h i e v a n o 1 2 2 1 的研究结果表明，在研究营养物和污泥混合发酵时，厌氧生物产沼 气潜力( a b p ) 与木质素( d m ) 的相关性( r 2 = 0 5 5 9 ) 相对较低。而g u n a s s e e l a n l l l 6 】 研究发现水果蔬菜的b m p 与固体中木质素含量存在很微弱的相关性( r 2 = o 4 9 ) ， 他们认为这种低的相关性是由于所选原料中木质素含量变化范围较窄，木质素引 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 起的b m p 的差异不显著。 木质纤维素是水生植物的主要成分，其水解酸化是水生植物厌氧发酵的限速步 骤，因此本文将用s p s s 软件对水生植物的t s 、v s 、木质纤维素含量等与厌氧生 物产沼气潜力( a b p ) 的关系进行相关性分析。分析结果见表3 - 6 ，木质素与a b p 间的相关性( r = - 0 2 5 9 ，p o 0 5 ) 很微弱，半纤维素含量跟a b p 间具有相关性 ( r = 0 7 8 l ，p 0 0 5 ) 很微弱，而半纤 维素与b m p 间有一定的相关性( r = 0 7 8 1 ，p 3 0 ) 厌氧环境下 3 7 中南林业科技大学硕士学位论文 放置两个月，定期放空产生的气体，其t s = 8 8 2 ，v s = 4 3 9 0 。 4 1 3 试验设计 实验设计的总料液量为4 0 0 9 ，总料液浓度( 按t s 计，计算公式见2 1 ) 设6 、 8 两个水平，接种率( 计算公式见2 2 ) 设4 0 、5 0 、6 0 三个水平。接种污 泥经放置两个月后，作空白产气试验，发现污泥只在前2 d 有少量气体产生，累计 产气量不超过2 0 m l ，故在后面的批量试验设计时不设空白组，具体试验设置见 表l ，每组设两个平行样。实验采用批量发酵的方式，一次加入原料和接种物， 不足量的用水补充，连接好试验装置后，放入生化培养箱中，3 7 c 恒温培养。本 试验累计进行时间为5 0 天左右，每天同一时间记录产气量，同时摇动发酵瓶，促 使沼气的有效排出，试验后期由于每日产气量很少，隔3 天记录一次产气量，结 果计入累计产气量。 表4 1 香蒲厌氧发酵试验设计 t a l b e 4 1t h ee x p e r i m e n td e s i g no fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nf o rt y p h ao r i e n t a l i sp r e s l 试验编号 abcdef 料液浓度( )68 接种率( ) 4 0 5 06 04 05 06 0 4 1 4 分析项目与测试方法 t s 、v s 、产气量、p h 的计算分别见2 1 1 、2 1 2 和3 1 4 5 。 4 2 结果与分析 4 2 1 不同料液浓度、接种率条件下发酵过程中发酵液p h 的变化 7 6 7 5 7 4 7 3 暑7 2 7 1 7 0 6 9 o d 趵问 a 时 m 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模型的构建 7 8 7 7 7 6 7 5 = 7 4 7 3 7 2 7 1 7 0 01 02 03 04 0 时间d b 图4 - 1 发酵过程中p h 值的变化 f i g 4 - 1c h a n g e so f p hv a l u e so f t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n 发酵过程中各实验组p h 值的变化如图4 1 所示。研究认为厌氧发酵的细菌 对p h 值的变化很敏感，水解产酸菌可在偏酸性的环境下生存，适宜生长的p h 范 围为5 o 8 5 ，而产甲烷菌需要在偏碱性的环境下生存j 适宜p h 范围在6 6 7 5 【1 3 2 1 。固体浓度为6 时，a 、b 组的初始p h 值分别为7 0 6 和7 1 5 ，在此范围 内，水解产酸菌和产甲烷菌均能良好的生长，正常产气。c 组的初始p h 值为7 5 3 ， 这是因为该组的接种率较高，接种污泥中主要是产甲烷菌，呈偏碱性，随着污泥 添加量的增加【1 3 3 1 ，发酵液的碱度增高，在6 0 的接种率下，虽然料液偏碱性， 但仍在厌氧发酵菌的最适p h 值附近，而且另有研究认为产甲烷菌的适宜p h 范围 在6 8 7 8 【1 3 4 ，从实验结果来看未对发酵过程产生太大影响，。从第2 d 起，不同 接种率的实验组p h 值均有所下降，到第5 d ，各组p h 值降到最低，分别为：6 9 8 、 7 0 5 、6 9 l ，原料水解酸化生成大量脂肪酸导致p h 降低。随着甲烷菌对脂肪酸的 利用以及氨氮、重碳酸盐等p h 缓冲物质的生成，各实验组p h 值逐步回升，到第 8 d 分别达到7 0 9 、7 1 2 、7 0 9 ，说明污泥接种量足够，各实验组在发酵过程中能 自我调节p h 。之后随着香蒲体内木质纤维素的水解酸化，料液p h 值有小幅下降， b 、c 的p h 值从第1 2 d 开始回升，而a 的接种率偏低，p h 值下降持续到第1 6 d 。 随着原料的消耗完毕，最终各发酵体系内p h 值分别回升并稳定在7 1 3 、7 1 5 、7 1 7 。 从整个发酵过程来看，料液的p h 值经历了先降低后升高，再降低升高然后保持 稳定的过程，而且前期p h 值波动较大，后期较为缓和，但都保持在6 9 以上，接 种率越高的，p h 值越高。 中南林业科技大学硕士学位论文 固体浓度为8 时，接种率为4 0 的实验组d 的初始p h 值为7 1 7 ；接种率 为5 0 和6 0 的实验组e 、f ，初始p h 值分别高达7 8 2 和7 7 5 ，发现，接种率 从4 0 提升到5 0 后，料液碱度有明显增加。料液固体浓度为8 的实验组p h 值 变化规律与固体浓度为6 的各实验组表现相似，但整体p h 值比固体浓度为6 的实验组偏高。发酵过程中，p h 值先经历一个迅速下降回升的过程，之后，p h 值小幅下降，随着生成的挥发性脂肪酸被甲烷菌逐步利用，料液的p h 值逐渐升 高，保持稳定。在发酵后期，6 0 接种率的实验组f 的p h 值从7 1 3 升到7 3 4 ， 升幅最明显，发酵结束后该组p h 值也是最高的，这可能是因为本实验组本来就 有一定的碱度存在，在接种率较高的情况下，容器原料负荷降低，原料分解产生 的脂肪酸少，且被利用的彻底，料液的p h 值很容易恢复。 从p h 值的变化上来说，设计的各实验组均能满足原料正常产气的需求。发 酵过程中p h 值的变化越小，说明料液的酸碱缓冲能力越强，发酵进行的越稳定。 从图上分析得出b 组的p h 值波动最小，维持在7 0 2 7 1 5 ，其次是实验组d ， p h 值维持在7 0 0 - 7 3 2 ，因此，固体浓度6 、接种率5 0 以及固体浓度8 、接 种率4 0 的工艺条件都比较适合作为香蒲规模化产沼气的应用参数。 4 2 2 不同料液浓度、接种率条件下发酵过程中产气情况的变化 051 01 52 02 53 03 54 0 天数( d ) a 咖鲫瑚鲫吞伽姗脚瑚。 一1mv删扩傲皿 水生植物厌氧发酵产沼气研究及其产气模璎的构建 j 3 删 扩 爱 皿 o5l o1 5z oz 53 04 0 天数( d ) b 图4 - 2 厌氧发酵过程日产气量的变化 f i g 4 2c h a n g e so fd a i l yb i o g a sp r o d u c t i o nd u r i n ga n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n 香蒲厌氧发酵过程中日产气量的变化见图4 2 。从图中可以看出，各试验组 在发酵的第1 d 就开始大量大量产气，这是因为接种污泥经过两个月的放置后，含 有的大量水解产酸菌和产甲烷菌处于生长停滞期，在加入发酵原料后，能够迅速 利用原料中的小分子物质，很快进入厌氧发酵的产甲烷阶段。固体浓度为6 的a 、 b