甘蔗葉預(yù)處理產(chǎn)沼氣試驗(yàn)分析

焦靜　王金麗　鄭勇　郭昌進(jìn)　黃小紅　杜嵇華

摘 要 甘蔗葉含有大量纖維素，難于直接被厭氧微生物利用，降低了干法厭氧發(fā)酵技術(shù)處理甘蔗葉產(chǎn)沼氣的效率。試驗(yàn)采用氫氧化鈉和纖維素酶對(duì)甘蔗葉進(jìn)行預(yù)處理，以破壞甘蔗葉纖維素結(jié)構(gòu)，加快厭氧發(fā)酵進(jìn)程。結(jié)果表明：采用2%氫氧化鈉溶液對(duì)甘蔗葉進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)酵啟動(dòng)速度快，發(fā)酵40 d總產(chǎn)氣量為1 209 L，是對(duì)照組的2.25倍，纖維素降解率達(dá)到55.87%，有效促進(jìn)了甘蔗葉的厭氧消化。采用1%纖維素酶預(yù)處理甘蔗葉進(jìn)行沼氣發(fā)酵，產(chǎn)氣量、甲烷含量等各項(xiàng)指標(biāo)雖然均高于對(duì)照組，但與2%氫氧化鈉預(yù)處理相比，促進(jìn)效果不明顯。

關(guān)鍵詞 甘蔗葉；干法厭氧發(fā)酵；預(yù)處理；纖維素；沼氣

中圖分類(lèi)號(hào)：S216.4；S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-890X（2015）33-00-03

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈約7億t[1-2]，農(nóng)作物秸稈蘊(yùn)含著豐富的生物質(zhì)能，但目前除了少量作為飼料和直接還田外，大部分農(nóng)作物秸稈直接在田間地頭焚燒，不僅污染環(huán)境，而且造成了資源的巨大浪費(fèi)。秸稈中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料，如果1 kg秸稈轉(zhuǎn)化為沼氣燃燒，可使秸稈的有效熱值提高到64%[3-4]。然而，由于秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量較高，且這些大分子互相纏結(jié)，不易降解，使產(chǎn)甲烷菌難以獲得所需的小分子有機(jī)物，造成沼氣發(fā)酵啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣率低，周期較長(zhǎng)[5-7]。康佳麗等[8]采用4%～10%的氫氧化鈉對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，可顯著提高麥秸沼氣發(fā)酵的總產(chǎn)氣量。李海紅等[9]采用復(fù)合菌劑預(yù)處理玉米稈、小麥稈和稻草，可以提高秸稈的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)甲烷量。由此可見(jiàn)，預(yù)處理可以改變秸稈天然纖維素的結(jié)構(gòu)，破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，增加原料的疏松性以增加作用面積，促進(jìn)秸稈的厭氧消化。本研究以我國(guó)熱帶地區(qū)大宗的農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗葉為發(fā)酵原料，在前期研究獲得的堿液和纖維素酶預(yù)處理的最佳條件下，以產(chǎn)氣量、甲烷含量和纖維素降解率等為考察指標(biāo)，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并分析比較不同預(yù)處理方式對(duì)甘蔗葉產(chǎn)沼氣效果的影響，為探尋最適合甘蔗葉厭氧發(fā)酵的預(yù)處理方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)原料：甘蔗葉，取自湛江市湖光農(nóng)場(chǎng)，粉碎成3～5 cm的不規(guī)則小段，其總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87%；豬糞，取自湛江市麻章區(qū)志滿(mǎn)鎮(zhèn)個(gè)體養(yǎng)豬場(chǎng)，其總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。接種物：前期試驗(yàn)室發(fā)酵底物，總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %。試劑藥品：氫氧化鈉、碳酸氫銨和纖維素酶（中溫酶）。

1.2 方法

氫氧化鈉預(yù)處理：稱(chēng)取甘蔗葉1.72 kg（干物質(zhì)含量1.5 kg），加入3 500 mL氫氧化鈉溶液（濃度2%），在常溫下浸潤(rùn)7 d，然后再加入豬糞6 kg（與甘蔗葉干物質(zhì)比1∶1），加入接種物6 kg和適量水，用碳酸氫銨調(diào)節(jié)碳氮比，攪拌后裝罐，發(fā)酵溫度38 ℃，發(fā)酵時(shí)間40 d，做兩組平行試驗(yàn)。

纖維素酶預(yù)處理：稱(chēng)取甘蔗葉1.72 kg（干物質(zhì)含量1.5 kg），加入1%的纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理溫度50 ℃，預(yù)處理后的物料加入豬糞6 kg（與甘蔗葉干物質(zhì)比1∶1），加入接種物6 kg和適量水，用碳酸氫銨調(diào)節(jié)碳氮比，攪拌后裝罐，發(fā)酵溫度38 ℃，發(fā)酵時(shí)間40 d，做2組平行試驗(yàn)。

同時(shí)做沒(méi)有預(yù)處理的對(duì)照試驗(yàn)。

測(cè)試指標(biāo)及測(cè)定方法見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置為可控性水浴恒溫厭氧發(fā)酵裝置，罐內(nèi)容積44 L，裝料體積30 L。主要由罐體、加熱保溫系統(tǒng)和沼氣計(jì)量系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.溫度控制儀；2.水；3.加熱器；4.保溫材料；5.溫度傳感器；6.排氣閥；7.膠管；8.透明橡膠管；9.發(fā)酵原料；10.流量計(jì)

圖1 厭氧發(fā)酵裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量

采用不同方式預(yù)處理甘蔗葉后，沼氣日產(chǎn)氣量如圖2所示。從圖中可以看出，各組均可正常啟動(dòng)，但啟動(dòng)速度氫氧化鈉組>纖維素酶組>對(duì)照組，各組總體產(chǎn)氣趨勢(shì)較為一致，產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵前半段時(shí)間。其中，2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第16 天，為59 L；1%纖維素酶預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第12 d，為32 L；未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第9 d，為27.8 L。從日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣趨勢(shì)上看，2%氫氧化鈉預(yù)處理組明顯好于其他兩組，且發(fā)酵后期日產(chǎn)氣量仍然維持在較高水平。

圖2 日產(chǎn)氣量

2.2 總產(chǎn)氣量

由圖3可以看出，在40 d的發(fā)酵周期內(nèi)，2%氫氧化鈉預(yù)處理組的總產(chǎn)氣量最高，為1 209 L；1%纖維素酶預(yù)處理組的總產(chǎn)氣量其次，為637.7 L；對(duì)照組的總產(chǎn)氣量最低，為536.3 L。2%氫氧化鈉預(yù)處理組和1%纖維素酶預(yù)處理組分別比對(duì)照組高672.7 L和101.4 L。由此可見(jiàn)，對(duì)甘蔗葉進(jìn)行預(yù)處理能提高產(chǎn)沼氣量，且采用氫氧化鈉預(yù)處理效果最好，總產(chǎn)氣量是對(duì)照組的2.25倍。

圖3 總產(chǎn)氣量

2.3 容積產(chǎn)氣量

容積產(chǎn)氣率是沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，容積產(chǎn)氣率越大，單位體積單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)沼氣就越多。從圖4可以看出，以40 d發(fā)酵時(shí)間計(jì)，2 %氫氧化鈉預(yù)處理組的容積產(chǎn)氣率為0.69 m3/（m3·d），比對(duì)照組高0.39 m3/（m3·d）；1%纖維素酶預(yù)處理組的容積產(chǎn)氣率為0.36 m3/（m3·d），比對(duì)照組高0.06 m3/（m3·d）?？梢?jiàn)，在相同的反應(yīng)容積內(nèi)，經(jīng)過(guò)2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉產(chǎn)沼氣量最多，這也說(shuō)明，要獲得相同的產(chǎn)氣量，采用2%氫氧化鈉預(yù)處理甘蔗葉，所需的發(fā)酵罐體積最小，更節(jié)省空間。

圖4 容積產(chǎn)氣率

2.4 階段產(chǎn)氣量

由圖2可以看出，在發(fā)酵過(guò)程中，各組產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵前半段時(shí)間，因此，分階段對(duì)產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。由表2可以看出，在發(fā)酵前20 d，2%氫氧化鈉預(yù)處理組，1%纖維素酶組和對(duì)照組產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例分別為：67.41%、71.8 %和68.17%；在發(fā)酵前30 d，2%氫氧化鈉預(yù)處理組，1%纖維素酶組和對(duì)照組產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例分別為：89.33%、87.93%和88.31%。由此可知，在30 d的發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，各組已經(jīng)獲得85%以上的總沼氣產(chǎn)量，發(fā)酵后10 d的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)不大，因此可以將發(fā)酵周期縮短至30 d。

2.5 甲烷含量

從圖5可以看出，各組的甲烷含量分別為60.2%、53.5%和51.3%。其中，2%氫氧化鈉預(yù)處理組最高，對(duì)照組最低，這與產(chǎn)氣量結(jié)果一致。說(shuō)明甘蔗葉經(jīng)氫氧化鈉和纖維素酶預(yù)處理后，纖維結(jié)構(gòu)被破壞，使甘蔗葉能更好地被發(fā)酵體系中的微生物利用，增加了產(chǎn)沼氣微生物可利用的底物，促進(jìn)了沼氣的生成，且經(jīng)2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉所產(chǎn)沼氣質(zhì)量最好。

圖5 甲烷含量

2.6 纖維素降解率

對(duì)發(fā)酵前后原料的纖維素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖6所示，2%氫氧化鈉組的纖維素降解率為55.87%，比對(duì)照組高35.84%，1%纖維素酶組的纖維素降解率為24.92%，比對(duì)照組高4.89%。可見(jiàn)厭氧微生物對(duì)預(yù)處理甘蔗葉的利用率要高于未預(yù)處理的甘蔗葉，預(yù)處理可有效促進(jìn)甘蔗葉纖維素降解，但經(jīng)1%纖維素酶預(yù)處理的甘蔗葉纖維素降解率相對(duì)較低。

圖6 纖維素降解率

3 結(jié)論與討論

預(yù)處理是提高秸稈利用率和產(chǎn)氣率的一種有效手段，不同的預(yù)處理方式，對(duì)甘蔗葉的作用效果不同。采用2%氫氧化鈉溶液對(duì)甘蔗葉進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)酵啟動(dòng)速度快，在發(fā)酵第2 天的日產(chǎn)氣量就達(dá)到了36 L，遠(yuǎn)高于對(duì)照組，發(fā)酵40 d總產(chǎn)氣量為1 209 L，是對(duì)照組的2.25倍，纖維素降解率達(dá)到55.87%，預(yù)處理效果良好，這與蔣建國(guó)等[6]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明堿液能夠充分作用于甘蔗葉，破壞了甘蔗葉纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使之變得更容易被消化利用，從而達(dá)到提高甘蔗葉消化率的目的。采用1%纖維素酶預(yù)處理甘蔗葉進(jìn)行沼氣發(fā)酵，產(chǎn)氣量、甲烷含量等各項(xiàng)指標(biāo)雖然均高于對(duì)照組，但與2%氫氧化鈉預(yù)處理相比，促進(jìn)效果不明顯，這與白潔瑞等[10]研究結(jié)果有差異，說(shuō)明針對(duì)不同的農(nóng)作物秸稈，纖維素酶的處理效果有所不同，需要針對(duì)發(fā)酵原料的特性，選擇最佳的預(yù)處理方式。

堿預(yù)處理效率高，但如果大量使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染；纖維素酶預(yù)處理?xiàng)l件溫和、無(wú)污染，但處理效率低。如果要進(jìn)行規(guī)?；託馍a(chǎn)，需要進(jìn)一步集成各預(yù)處理方法的優(yōu)點(diǎn)，形成聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)，以提高甘蔗葉降解轉(zhuǎn)化，促進(jìn)甘蔗葉干發(fā)酵技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：劉昀）