几种常见行道树落叶厌氧发酵特性研究

几种常见行道树落叶厌氧发酵特性研究

目前，采用厌氧发酵技术生产清洁能源受到了人们的高度重视。早在20世纪70年代末,荷兰、比利时等就开始了厌氧发酵的研究,我国现在也正在大力进行农业废弃物的沼气发酵的研究工作,如废弃菠菜叶秆、水葫芦、玉米苞皮、蚕豆壳、紫茎泽兰、牛粪、羊粪、猪粪等都曾被作为发酵原料进行沼气发酵试验研究,它们均能通过厌氧发酵产生沼气。但对落叶厌氧发酵的研究较少。城镇每年有大量的行道树落叶产生,但处理方法单一且落后,大量行道树落叶被焚烧或掩埋,造成了严重的环境污染和资源浪费。因此,利用厌氧发酵技术处理行道树落叶产生沼气,是解决城镇行道树落叶高效能源化利用的一个出路。笔者选取城镇绿化中3种常见行道树(三角枫、紫叶李、法国梧桐)落叶作为发酵原料,在20、25、30℃3个温度条件下,研究单一原料厌氧发酵产气情况,以期为解决城市行道树落叶清扫后的资源化利用拓宽思路,同时也为实现厌氧发酵技术的推广及我国中小城镇可持续发展提供科学依据。1材料和方法1.1法国鳌桐桐发酵原料为风干的3种常见行道树落叶:三角枫(戚树科)、紫叶李(蔷薇科)和法国梧桐(梧桐科),均收集于西北农林科技大学北校区校园内,用粉碎机粉碎成1~2cm备用。接种物为常温厌氧发酵沼气池的发酵底物,取自西北农林科技大学附近沼气示范村(崔西沟)的农户家,设定总固体质量分数(TS)为10.00%。1.2集气装置组成所用试验装置为陕西省循环农业工程技术研究中心实验室自行设计的可控性恒温厌氧发酵装置,主要由发酵装置、集气装置及控温装置3部分组成(图1)。选用5L塑料壶作为发酵瓶,用橡胶塞密封,橡胶塞上设有导气口。集气装置由1000ml三角瓶和2.5L塑料壶连接而成。发酵装置和集气装置由橡胶管连接。将准备好的发酵装置分别放置于3个恒温水槽中,用1000W地热丝加热,智能温度控制仪(PC-1000)和继电器控制并显示发酵温度,温度波动范围为±1℃。1.3温度对发酵沼液产气量的影响发酵壶内装入上述粉碎好的风干样品(三角枫、紫叶李和法国梧桐落叶),质量分别为132.56、119.85、114.32g,用水补充至1000g,预处理5d,之后加入接种物500g,发酵沼液的总固体浓度为10.00%,采用3套恒温水槽同时进行试验。温度分别控制在20、25、30℃,每组试验设2个重复,每日18:30定时测量产气量。总固体质量分数(TS)测量采用烘干法,产气量测量采用排饱和食盐水集气法。2结果与分析2.13温度对三角枫和法国城桐产气天数的影响3种不同科属的林木落叶均能在中温下通过接种厌氧菌种而进行厌氧发酵产生沼气。表现在不同的原料在不同的温度下产气天数、累积产气量均明显不同,具有随温度的升高产气有所增加的趋势(表1)。三角枫的累积产气量与产气天数随温度的升高而降低,而紫叶李和法国梧桐却随温度的升高而升高,但3种发酵原料的单位干物质日平均产气量均随温度的升高而升高。从累积产气量来看,三角枫累积产气量平均较高(3个温度下均超过7000ml),可能是由于三角枫落叶中适于厌氧发酵产生沼气的有机质总量较多。但三角枫累积产气量随温度的升高而降低,与紫叶李和法国梧桐相反,其原因可能是三角枫厌氧发酵的最适温度较低,而紫叶李和法国梧桐的最适温度较高。从发酵产气天数来看,三角枫和法国梧桐产气天数较长,均超过60d(30℃下三角枫除外),而紫叶李的产气天数较短(均在50d以内)。产生差异的原因可能是紫叶李落叶中适于厌氧发酵产生沼气的有机质含量较其余二者少。另外,三角枫的产气天数随温度的升高而降低,而紫叶李和法国梧桐却随温度的升高而升高。从单位干物质日平均产气量来看,3种发酵原料均随温度的升高而升高。20℃紫叶李落叶产气量明显偏少。2.23不同温度下发酵原料的产气特性2.2.1法国越桐落叶物累积产气量在20℃恒温厌氧发酵条件下,3种树的落叶发酵15d左右即能正常产气,三角枫落叶最大产气速率为550ml/d,远远高于紫叶李落叶的105ml/d、法国梧桐落叶的405ml/d(图2)。其中,以三角枫累积产气量最大,持续时间较长,而紫叶李和法国梧桐累积产气量较少,且持续时间较短。厌氧发酵90d后,3种原料的总累积产气量分别为9062、540、4155ml。其中三角枫单位干物质积累产气量最大,为68.36ml/g,其余2种落叶分别为4.51和36.35ml/g;三角枫单位干物质日平均产气量最大为0.888ml/(g·d),其余2种落叶分别为0.102、0.512ml/(g·d)。2.2.2群落产气速率及累积产气量25℃恒温发酵条件下,3种发酵原料均可以正常产气,且持续时间相对较长。由图3可知,三角枫、法国梧桐均能在15d左右产气,而紫叶李所需启动时间较长,约为30d;3种落叶的最大产气速率差别较大,三角枫为455ml/d、法国梧桐为1030ml/d和紫叶李为650ml/d。而3种落叶的累积产气量相当,分别为7790、6517、5966ml。其中法国梧桐单位干物质积累产气量最大,为52.19ml/g,其余2种落叶分别为54.38、58.77ml/g;三角枫、紫叶李和法国梧桐单位干物质日平均产气量相当,分别为0.904、1.110、0.725ml/(g·d)。2.2.3法国越桐、三角枫的最大产气速率为5.30℃恒温发酵条件下,3种发酵原料均可以正常产气,且持续时间相对较长。由图4可知,法国梧桐、三角枫均能在较短的时间内产气,而紫叶李所需启动时间较长(约为40d);紫叶李、法国梧桐、三角枫的最大产气速率相当,分别为345、370、420ml/d。在30℃恒温发酵条件下,法国梧桐、紫叶李和三角枫累积产气量相当,且持续时间长。反应90d后,总累积产气量分别为7117、8036、7907ml。其中法国梧桐单位干物质积累产气量最大,为69.17ml/g,其余2种落叶分别为53.69、67.05ml/g;法国梧桐、紫叶李和三角枫单位干物质日平均产气量相当,分别为0.77、0.75、0.60ml/(g·d)。3不同落叶树种对厌氧发酵产生沼气的影响试验表明,3种不同科属行道树落叶均能在20、25、30℃的温度下厌氧发酵产生甲烷气体(20℃时紫叶李落叶除外)。可得出大部分的落叶可以进行厌氧发酵产生沼气。对紫叶李和法国梧桐,较高温度更适合落叶进行厌氧发酵产生沼气,而三角枫相反。产生差异的原因可能是不同落叶在结构、含有的有机质等方面存在差异。同时,不同树叶表皮蜡质层厚度也不同,影响了水解过程和产气过程。不同树种之间产气量也存在明显差异。三角枫落叶产气量最多,原因可能在于落叶中纤维素含量、碳氮比不同。3