成鏡等

摘要[目的]弄清廢棄植物培養(yǎng)基厭氧消化潛力與特性。[方法]以廢棄的植物培養(yǎng)基為發(fā)酵原料，以沼氣池底部的活性污泥為接種物，在常溫條件下進(jìn)行了批式厭氧消化試驗(yàn)，研究了廢棄的植物培養(yǎng)基與接種污泥各處理厭氧消化的產(chǎn)氣速率、潛力和產(chǎn)氣量。[結(jié)果]常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥的TS比例為8∶1、濃度12%的處理，產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，并且發(fā)酵天數(shù)為5 d左右，發(fā)酵速度較快，產(chǎn)氣效果最好；混合培養(yǎng)基與接種污泥的TS比例為6∶1、濃度8%的處理，原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發(fā)酵天數(shù)為4 d左右，說明原料被利用的水平高。 [結(jié)論]該研究為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞厭氧發(fā)酵；廢棄的植物培養(yǎng)基；沼氣；產(chǎn)氣速率

中圖分類號(hào)S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）29-267-06

培養(yǎng)基是一類為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)，經(jīng)組織培養(yǎng)后，廢棄的培養(yǎng)基仍是富含大量有機(jī)質(zhì)的可利用資源。能進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)生沼氣的原料主要有畜禽養(yǎng)殖廢棄物，如豬、雞、牛、羊、鴨、兔等家畜家禽糞便；農(nóng)作物的秸稈、雜草、樹葉等農(nóng)產(chǎn)品加工的廢物、廢水（酒精廢醪、丙酮丁醇廢醪、味精、檸檬酸、淀粉、豆制品等加工廢水）。為了將廢棄物資源化利用，許多學(xué)者以人糞、馬糞、玉米秸、麥稈、稻草、青草、西瓜皮、馬蹄蓮秸稈、蠶豆殼、豬糞、羊糞、牛糞、兔糞、浮萍、奶牛糞、餐廚垃圾、魔芋、醋糟等為原料進(jìn)行產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)。但都是以常見的廢棄物作為發(fā)酵原料進(jìn)行產(chǎn)沼氣潛力的研究，目前，還沒有以廢棄培養(yǎng)基為原料進(jìn)行產(chǎn)沼氣潛力研究。筆者以廢棄培養(yǎng)基為發(fā)酵原料，研究其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，以期為植物組培工廠廢棄物的處理和配套沼氣工程的工藝設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用混合培養(yǎng)基（是將愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基、體胚發(fā)生培養(yǎng)基、出苗培養(yǎng)基按質(zhì)量比例1∶1∶1進(jìn)行混合）取自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所五隊(duì)組培室，接種污泥取中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)三隊(duì)沼氣池。廢棄培養(yǎng)基、接種污泥及廢水理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)裝置該試驗(yàn)采用批式厭氧消化工藝。試驗(yàn)裝置包括厭氧消化裝置（500 ml 自制玻璃發(fā)酵罐）、管道系統(tǒng)（玻璃管和乳膠管）、氣體收集測(cè)量系統(tǒng)（濕式氣體流量計(jì)、1 L 廣口瓶、帶刻度集水瓶）、恒溫系統(tǒng)（普通型電熱恒溫水浴鍋）（圖1）。

1.3試驗(yàn)方法

將取回的新鮮混合培養(yǎng)基去除雜質(zhì)，并對(duì)其中的植物殘余進(jìn)行粉碎。試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，混合培養(yǎng)基與接種污泥設(shè)置4種TS比例（10∶1、8∶1、6∶1、4∶1），然后分別加洗滌廢水稀釋成總固體（TS）濃度為8%、10%、12%的發(fā)酵液，然后將0.4 L發(fā)酵料液裝入消化罐內(nèi)，每個(gè)處理重復(fù) 3 次。調(diào)節(jié)初始 pH 為 7.2 左右。并分別做接種污泥空白樣品，計(jì)算產(chǎn)氣量時(shí)扣除空白樣品產(chǎn)氣量。每天上午、下午分別震蕩反應(yīng)瓶1 min，以起到攪拌作用。用 4 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH，使其維持在 7.2 左右。每次取樣或調(diào)節(jié) pH 后，往反應(yīng)瓶中通氮?dú)?2 min， 以保證厭氧環(huán)境。

1.4分析方法

pH：玻璃電極法；CODCr：重鉻酸鉀法；NH+4N：鈉氏試劑光度計(jì)；總固體（TS）：烘干法；VS（揮發(fā)性固體）：烘干法；全氮：紫外分光光度法；全磷：鉬銻抗分光光度法；全

鉀：火焰原子吸收法；有機(jī)碳：非分散紅外吸收法。以上分析方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第 4 版[19]。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel2003和SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1原料產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣潛力分析

2.1.1混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1。由表2和圖2可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1時(shí)，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達(dá)最大值，發(fā)酵前3 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的65.2%，前4 d占92.4%；濃度為10%的混合培養(yǎng)基發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第16天達(dá)最大值，發(fā)酵前10 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的34.9%，前15 d占63.8%；濃度為12%的混合培養(yǎng)基發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達(dá)最大值，發(fā)酵前4 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的64.3%，前10 d占98.8%。對(duì)比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的3.98、2.18倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1，發(fā)酵液濃度為8%時(shí)的產(chǎn)氣效果最好。

2.1.2混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1。由表3

和圖3可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1時(shí)，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第4天達(dá)最大值，發(fā)酵前4 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的82.2%；濃度

為10%的發(fā)酵液

產(chǎn)氣速率在第3天達(dá)最大值，發(fā)酵前3 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)

2.1.3混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為6∶1。由表4和圖4可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為6∶1時(shí)，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第3天達(dá)最大值，發(fā)酵前3 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的85.9%；濃度為10%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2 d達(dá)最大值，發(fā)酵前2 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的68.9%；濃度為12%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達(dá)最大值，發(fā)酵前3 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的90.7%。對(duì)比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1，發(fā)酵液濃度為8%時(shí)原料被利用的水平高。

2.1.4混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為4∶1。

由表5和圖5可知，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥比例為4∶1時(shí)，濃度為8%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達(dá)最大值，發(fā)酵前2 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的60.7%；濃度為10%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達(dá)最大值，發(fā)酵前2 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的92.8%；濃度為12%的發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第2天達(dá)最大值，發(fā)酵前2 d累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的74.8%。對(duì)比3種發(fā)酵濃度條件下的原料產(chǎn)氣率，濃度10%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。因此，在常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為4∶1，發(fā)酵液濃度為10%時(shí)原料被利用的水平高。

2.2混合培養(yǎng)基與接種污泥不同TS比例、不同發(fā)酵液濃度的產(chǎn)氣量比較

由表6可知，常溫條件下，TS比例8∶1、濃度12%處理的產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，并且發(fā)酵天數(shù)為5 d，發(fā)酵速度比較快。其他處理產(chǎn)氣量由高到低依次為TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例6∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。

2.3混合培養(yǎng)基與接種污泥不同TS比例、不同發(fā)酵液濃度的原料產(chǎn)氣率比較。由表7可知，常溫條件下，TS比例6∶1、濃度8%處理的原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg，并且發(fā)酵天數(shù)為4 d左右，說明原料被利用的水平高。其他處理的原料產(chǎn)氣率由高到低依次為TS比例8∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度8%處理，TS比例4∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度12%處理，TS比例10∶1、濃度12%處理，TS比例6∶1、濃度10%處理，TS比例8∶1、濃度10%處理，TS比例4∶1、濃度8%處理，TS比例8∶1、濃度8%處理，TS比例10∶1、濃度10%處理。其中，前4個(gè)處

理間在0.05水平上存在顯著性差異，TS比例10∶1、濃度

2.4不同混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例、發(fā)酵液濃度的產(chǎn)氣量的方差分析

從方差分析的結(jié)果（表8）可以看出，不同TS比例對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時(shí)的產(chǎn)氣量?jī)?yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵液濃度對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且濃度為12%時(shí)的產(chǎn)氣量?jī)?yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產(chǎn)氣量最高。從多重比較結(jié)果（表9和10）可以看出，TS比例4∶1與其他TS比例的產(chǎn)氣量有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間的產(chǎn)氣量有顯著性差異，前兩者的產(chǎn)氣量之間沒有顯著性差異；不同濃度間的產(chǎn)氣量也有顯著性差異，由高到低表現(xiàn)為12%>10%>8%。

2.5不同混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例、發(fā)酵料液濃度的原料產(chǎn)氣率的方差分析

根據(jù)方差分析的結(jié)果（表11）可以看出，不同TS比例對(duì)沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時(shí)的原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對(duì)原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且濃度為8%時(shí)原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為6∶1、濃度為8%的組合原料產(chǎn)氣率最高。從表12、13的多重比較結(jié)果可以看出，不同TS比例間的原料產(chǎn)氣率有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間的原料產(chǎn)氣率也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

3結(jié)論與討論

（1）在常溫條件下進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為10∶1，發(fā)酵液濃度為8%時(shí)的產(chǎn)氣效果最好 ，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的3.98、218倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1，發(fā)酵液濃度為12%時(shí)的產(chǎn)氣效果最好，濃度12%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、10%的3.21、2.47倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1，發(fā)酵液濃度為8%時(shí)的產(chǎn)氣效果最好，濃度8%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度10%、12%的2.53、2.24倍；混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為4∶1，發(fā)酵液濃度為10%時(shí)的產(chǎn)氣效果最好，濃度10%的原料產(chǎn)氣率分別是濃度8%、12%的2.14、1.38倍。

（2）常溫條件下，進(jìn)行混合培養(yǎng)基厭氧發(fā)酵，不同TS比例對(duì)沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為4∶1時(shí)的產(chǎn)氣量?jī)?yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且濃度為12%時(shí)產(chǎn)氣量?jī)?yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對(duì)產(chǎn)氣量有顯著影響，且TS比例為8∶1、濃度為12%的組合產(chǎn)氣量最高。TS比例4∶1與其他TS比例有顯著性差異，TS比例8∶1、6∶1與TS比例10∶1之間有顯著性差異，前兩者之間沒有顯著性差異；不同濃度間有顯著性差異，從高到低依次是12%>10%>8%。不同TS比例對(duì)沼氣發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且TS比例為6∶1時(shí)的原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他TS比例；不同發(fā)酵料液濃度對(duì)原料產(chǎn)氣率有顯著影響，且濃度為8%時(shí)原料產(chǎn)氣率優(yōu)于其他濃度；不同TS比例和不同濃度組合對(duì)原料產(chǎn)氣率有顯著性影響，且TS比例為6∶1、發(fā)酵液濃度為8%的組合原料產(chǎn)氣率最高。不同TS比例間有顯著性差異，從高到低依次是TS比例6∶1、4∶1、8∶1、10∶1；不同濃度間也有顯著性差異，從高到低依次是濃度8%、12%、10%。

（3）從整個(gè)發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量角度來(lái)看，常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為8∶1、濃度12%的處理，其發(fā)酵天數(shù)為5 d，產(chǎn)氣量最高，為10 391.3 ml，發(fā)酵效果比較好。如從原料產(chǎn)氣率的角度來(lái)看，常溫條件下，混合培養(yǎng)基與接種污泥TS比例為6∶1、濃度為8%處理的原料產(chǎn)氣率最高，為0.230 m3/kg（TS）。通常在進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，接種污泥的量占總發(fā)酵料液的30%，但是該研究接種污泥的比例只占總發(fā)酵料液的16.7%，這可能是因?yàn)樵撗芯坎捎玫陌l(fā)酵底物是廢棄的植物培養(yǎng)基，植物培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分很容易被微生物利用，不像作物秸稈、餐廚垃圾、豬糞等需要更多的微生物來(lái)降解，所以接種污泥的比例低，發(fā)酵速度快。

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