能源草单独厌氧发酵产气性能研究

能源草单独厌氧发酵产气性能研究
李连华;孙永明;袁振宏;孔晓英;刘晓风;李东
【摘要】以柳枝稷、荻和杂交狼尾草为原料,采用批式中温厌氧消化工艺,研究不同能源草的原料特性及厌氧发酵性能.研究结果表明:不同能源草品种其原料特性和产气性能差别较大,并且这种差别与能源草的生长阶段有关.这几种能源草发酵过程中的平均甲烷含量为51％～52％,产甲烷率为214 ～288 mL·g-1VS,其中杂交狼尾草的产气率要高于柳枝稷和荻,其挥发性固体的最高产气率和产甲烷率分别为552mL·g-1VS和288mL·g-1 VS,比柳枝稷的产气率和产甲烷率分别高24％和26％.该研究可为筛选适宜厌氧发酵的能源草品种提供参考.
【期刊名称】《中国沼气》
【年(卷),期】2014(032)001
【总页数】5页(P18-22)
【关键词】厌氧发酵;产气率;能源草
【作者】李连华;孙永明;袁振宏;孔晓英;刘晓风;李东
【作者单位】中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院成都生物研究所,成都610041;中国科学院成都生物研究所,成都610041
【正文语种】中文
【中图分类】S216.4
能源草是一系列可以作为燃料使用的草本植物的统称，一般是禾本科多年生高大的丛生草本植物，如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等。

由于具有高太阳能转化和水分利用效率，生物质产量高、适应性高和抗逆能力强、纤维素含量高、且环境友好而成为重要的能源植物(energy source plants)被开发利用［1 ～3］。

柳枝稷(switchgrass，Panicumvirgatum，L.)，是起源于北美热带草原的多年生草本C4 植物。

柳枝稷具有生物质产量高、耐旱耐脊能力强和环境友好等特点，可用于能源生产，因此美国选取柳枝稷(Panicumvirgantum L.)作为模式植物加以重点研究［1，4］。

杂交狼尾草是以美洲狼尾草(Pennsetumameicanum)Tift23A 不育系为母本，以象草(P.purpureum)N51 为父本配制而成的三倍体杂种的多年生草本C4 植物。

干物质产量高，每年每亩可达88 MT［3］;叶茎比高，叶片干物质含量约占植株干物质重的50%;再生能力强，生长季内可多次刈割利用［5 ～6］，因此国内外许多学者认为杂交狼尾草是一种具有较大发展潜力的能源作物。

荻(Triarrhenasacchariflora)为禾本科荻属多年生草本水陆两生植物，俗称荻草、霸王剑。

荻的适应性广、抗病虫能力强、抗旱性强、养护成本低，在能源转化领域有很好的发展潜力［7］。

国外研究的可用于厌氧发酵产沼气的能源草有柳枝稷、鸭茅(Dactylisglomerata L.)、高羊茅(FetucaarundinaceaeSchreb.)、蒂莫(Phleumpratense L.)、草芦(Phalarisarundinaceae L.)等［2，8］。

研究的方向主要有:高效预处理方式、收割时间和收割频率、反应器等。

国内已开展对聚合草(Symphytumasperum)［9］、香根草(Vetiveriazizanicides)［10］和皇竹草(Herba Andrographitis)
［11］的厌氧发酵性能研究。

本文选取了柳枝稷、荻和杂交狼尾草为厌氧发酵原料，研究不同能源草的原料特性及厌氧发酵性能，并分析了这几种能源草厌氧发酵动力学性能，为筛选适宜厌氧发酵的能源草品种提供参考。

1 材料与方法
1.1 实验原料
实验中所使用的多年生草本植物有荻(Triarrhenasacchari flora (Maxim.)Nakai)、柳枝稷(Panicumvirgatum L.)、杂交狼尾草
(Pennisetumamericanum×P.purpureum)、杂交狼尾草1#和杂交狼尾草2#。

这几种能源草种植在广东省广州市增城宁西实验基地(23o24' N，113o64' E)，该地区属亚热带季风气候，年降雨量为1600 ～1800 mm，主要集中在4月至9 月，年平均气温为22. 2 ℃，最高气温可达36.8℃。

土壤呈酸性(pH 值为5.91 ～
5.95)，有效磷含量为73.1 ±0.5 mg·kg-1，速效钾含量为64.5±0.5 mg·kg-1。

实验中的草本植物于2010 年5月播种。

其中柳枝稷、荻、杂交狼尾草1#和杂交
狼尾草2#采用的是苗种植，而杂交狼尾草采用种子播种。

柳枝稷的种植行距、株
距分别为60 cm 和60 cm。

杂交狼尾草的种植株距、行距分别为60 cm 和120 cm，相应的密度为13889 株·h m-2。

实验小区面积为1.5 亩(50 m ×20 m)。

整
个生长期内不基施磷肥，不追施氮肥，不进行人工浇水灌溉、不施农药、除草剂等化学药剂。

实验原料于2010 年9 月20 日刈割。

收割时荻处于成熟期，柳枝稷处于开花期，杂交狼尾草处于拨节期。

刈割的原料首先切割成2 cm 左右，之后在粉碎机中粉碎1min。

粉碎后的原料放在冰箱中保存。

1.2 实验装置及操作
实验反应装置为1 L 的玻璃反应器，反应器侧壁上有2 个出口，上出口为取气样口，下出口为取液样口，反应器上部连通有集气瓶，集气瓶后连通有集液瓶。

反应
器放于温度为37℃±1℃的水浴锅中。

鲜草和接种物按质量比为1∶4 加入，并添加2.5%的NH4HCO3 作为缓冲剂和补充氮源。

冲入高纯N2排出反应器顶部的空气。

试验期间每天手动搅拌反应器1 次，整个消化过程直到无气体产出为止，共运行33 d。

1.3 分析测试方法
TS 和VS 分别采用101℃烘干和550℃煅烧法测定;C 和N 含量采用Vario EL 元素分析仪(德国elementar 公司)测定;pH 值测定用雷磁pHS-3C 型pH 计;
采用HP-6890 型高效气相色谱(美国安捷伦仪器公司)测定所产气体中CH4 和CO2 等的体积百分含量，TCD 检测器，载气为Ar，进样口和检测器温度分别为100℃和150℃。

柱箱采用程序升温，初始温度40℃，保持2 min，然后以10℃·min-1 的升温速率升到80℃并保持1 min。

1.4 数据分析和计算
1.4.1 累积产甲烷曲线拟合
对于批式厌氧消化产甲烷过程，一定程度上甲烷产量是微生物生长的一个函数，微生物的典型生长曲线包括一段延滞期，此时可以采用修正Gompertz 方程［12 ～14］(见式1)来模拟累积产甲烷曲线。

M 为t 时刻的累积甲烷产量(mL·g-1 VS);P为甲烷产率(mL·g-1 VS);Rm 为最大产甲烷速率(mL·d-1g-1VS);λ 为延滞期(d);P，Rm 和λ 可以通过批式厌氧消化实验数据拟合得到。

1.4.2 数据处理
采用CurveExpert 1.38 软件，进行累积产甲烷曲线拟合;采用Origin Pro7.5 软件进行数据处理及绘图。

2 结果与讨论
2.1 原料特性
柳枝稷、荻和杂交狼尾草的理化特性见表1。

从表可见对于不同的能源草，即使其生长周期相同，其理化性质的变化也较大。

TS 含量变化从14.08%(杂交狼尾草1#)到32.84%(荻)。

TS 中大部分为可挥发性固体成分(VS)，占TS 的比率从86%到94%。

原料中C 的质量分数为37.52% ～43.56%，N 的质量分数为0.88% ～
1.49%，原料的C/N 为29.16 ～49.48。

一般认为适宜的发酵C/N 在20 ～32 之间，若是C/N 失衡就会限制产甲烷速率［15 ～16］，所以实验中加入
NH4HCO3 作为补充氮源。

荻中的木质素(20.48%)含量较高，而粗脂肪(1.32%)
含量比较低，这与荻刈割时所处得生长期有关。

通常禾本科牧草的整个生长期分为幼苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期，在拔节至孕穗以前，叶多茎少，粗纤维含量低，质地柔嫩，蛋白质含量丰富，但到生育后期，蛋白质含量显著下降，茎的比例增加，粗纤维素含量增多，消化率降低。

咸育龙［15］等
研究了在北京地区种植的杂交狼尾草的营养成分随生长时间的变化情况，显示随着生长时间的延长，杂交狼尾草水份和粗蛋白含量大体上逐渐下降，中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量大体上逐渐上升。

表1 实验中使用的能源草原料特性草料物种柳枝稷荻杂交狼尾草杂交狼尾草1# 杂交狼尾草2#TS/% 28.77 32.84 16.01 14.08 22.74 VS/% 26.95 30.49 13.71 12.09 20.59 C/% 43.32 43.56 37.52 37.72 40.91 N/% 0.88 1.49 1.04 1.02
0.99 C/N 49.48 29.16 36.15 37.12 41.30木质素/% 11.15 20.48 7.73 12.98 13.07粗脂肪/% 1.58 1.32 1.53 1.38 2.11
2.2 厌氧发酵特性
柳枝稷、荻和杂交狼尾草的日产气情况见图1。

可见不同种类能源草的产气趋势总体一致，一般是在原料加入后的第2 ～3 d 出现产气高峰，之后产气量逐渐下降。

这主要与参与厌氧发酵的微生物种类有关。

首先是参与水解的微生物将原料中易生
物利用成分分解为小分子物质，产生的气体主要为CO2，此时为水解阶段，主要
是在发酵开始的2 ～3 d 内。

此后产甲烷进入旺盛期，经气相色谱测定可知，沼气中的CH4 体积分数一般在50%以上，表明发酵系统已经进入稳定产甲烷阶段，该阶段可从第4 d 持续到第10 d，沼气的体积产量可占总产气量的80%左右;最后是产沼气的衰落期，日产气量趋于稳定，这表明发酵液中可利用物质含量过低，产甲烷菌可利用基质不足，厌氧发酵基本结束。

荻、杂交狼尾草、杂交狼尾草1#、杂
交狼尾草2#和柳枝稷的挥发性固体的最高日产气量分别为65. 56，135. 04，95. 87，93.20 和65.56 mL·g-1VS。

图1 发酵过程中的日产气量变化
柳枝稷、荻、杂交狼尾草、杂交狼尾草1#和杂交狼尾草2#的累积产气量分别为21.0，24.7，13.8，10.3 和19.0 L。

杂交狼尾草的挥发性固体的产气率和产甲烷
率最高，分别为552 和288 mL·g-1 VS(见表2)。

其次为杂交狼尾草2#，挥发性
固体的产气率和产甲烷率分别为491 和257 mL·g-1VS。

柳枝稷的挥发性固体的
产气率和产甲烷率最低，比杂交狼尾草低24%(产甲烷率)和26%(产气率)。

这种产气率的差别与原料刈割时所处的生长期有关，随着作物生长阶段的延长，其所含有木质素和半纤维素增加而粗蛋白和粗脂肪降低，从而导致比甲烷产率下降［17］。

Massé［18］等研究了生长时间对柳枝稷产气性能的影响，结果显示挥发性固体
产甲烷率从夏季中期的0.266 ～0.309 nL CH4·g-1 VS 降至秋季初期的0.191 ～0.25 nL CH4·g-1 VS。

虉草的产气率也随着刈割期的延长而降低［4］。

平均甲烷含量在51% ～52%，本实验中的产甲烷量与已有文献报道的接近或稍低。

从目前的研究来看，添加微量元素或对原料进行预处理有益于提高增加CH4含量或总产
气量(产甲烷量)。

Demirel［19］等认为微量元素对能源草厌氧发酵性能的影响研究还相对较少，而添加微量元素具有可提高能源草产气潜力的可能性;Xie［20］等发现100℃，5% NaOH 可作为适宜的干青贮草的预处理方法。

Procház ka［21］
等发现瘤胃厌氧真菌可使能源作物的产气量提高4% ～22%。

表2 原料的厌氧消化性能401 431 206 221草料物种挥发性固体产气率产甲烷率mL·g-1TS mL·g-1VS mL·g-1TS mL·g-1 VS 393 419 201 214荻杂交狼尾草 473 552 247 288杂交狼尾草1# 412 480 214 250杂交狼尾草柳枝稷2# 446 491 233 257
图2 不同能源草的厌氧消化过程的实际累积产甲烷量与修正Gompertz 方程拟合曲线
理论产甲烷能力(TMP)指在标准状态下原料完全降解所能获得的最大甲烷体积，可通过Buswell［22］方程计算。

本实验通过原料的C，H，O 和N 元素分析求得CnHaObNc，从而得到柳枝稷、荻和杂交狼尾草计算理论产甲烷能力的方程如下: 柳枝稷:C62.92H127.76O46.33N+8.57H2O→35.47CH4 +27.45CO2 +NH3荻:C34.92H68.38O24.44N+6.35 H2O→19.52 CH4 +15.40 CO2 +NH3
杂交狼尾草:C42.81 H92.50 O34.02 N +3. 42 H2O→24.08 CH4 +18.72 CO2 +NH3
杂交狼尾草1#:C54.68 H115.82 O43.92 N +4.51 H2O→30.46 CH4 +24.22 CO2 +NH3
杂交狼尾草2#:C47.21H97.37O36.06N+5.58 H2O→26.38 CH4 +20.82 CO2 +NH3
根据方程可计算得到柳枝稷、荻、杂交狼尾草、杂交狼尾草1#和杂交狼尾草2#的理论产甲烷率分别为485，490，463，458 和471 mL·g-1VS。

由于在厌氧发酵过程中，微生物的生长代谢会消耗掉一部分有机物;另外有机物中还会含有惰性物质，该部分不能够微生物降解利用。

因此生化产甲烷能力低于理论产甲烷能力，从实验可见，能源草生化产甲烷能力为理论产甲烷能力的44% ～62%。

2.3 累积产甲烷曲线拟合
不同原料厌氧消化的累积产甲烷量经修正Gompertz 方程拟合后见图2，相应的模型参数见表3。

可见利用Gompertz 对数据拟合的效果较好，R2均大于0.98。

其中延滞期在0 ～0.19 d，这是因为在厌氧消化初期原料中易消化的物质首先迅速的得到利用。

杂交狼尾草获得了最高的产甲烷率(283 mL·g-1VS)和最大产甲烷速率(56.24 mL·d-1g-1VS)。

柳枝稷和荻则获得了比较接近的产甲烷率(205 ～206 mL·g-1VS)和最大产甲烷速率(18.80 ～19.46 mL·d-1g-1VS)。

表3 修正Gompertz 方程的模型参数P λ草料物种2 mL·g -1 VS Rm mL·d -1g -1 VS d R 206 19.46 0 0.988荻205 18.8 0 0.989杂交狼尾草 283 56.24 0.07 0.996杂交狼尾草1# 245 53.11 0.08 0.998杂交狼尾草柳枝稷2# 246 44.56 0.19 0.996
3 结论
虽然生长周期相同，但不同的能源草其所处的生长阶段不同，从而对其成分组成和厌氧发酵性能有较大影响，杂交狼尾草的产气率要高于柳枝稷和荻，其中杂交狼尾草的挥发性固体的产气率和产甲烷率最高，分别为552 mL · g-1 VS 和 288 mL·g-1VS。

这种产气率的差别可能与原料刈割时所处的生长期有关，随着作物生长阶段的延长，其所含有木质素和半纤维素增加而粗蛋白和粗脂肪降低，从而导致产甲烷率下降。

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