蒸汽爆破預處理提高香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣性能研究

鄭麗麗　艾斌凌　王必尊　金志強　盛占武

摘 要 為有效利用香蕉莖稈資源，提高厭氧消化效率，采用蒸汽爆破法對香蕉莖稈固體剩余物進行預處理，探討不同預處理條件對香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響。試驗結(jié)果表明：當汽爆壓力為3.0 MPa時，30 d累積產(chǎn)氣量、甲烷產(chǎn)量達最高，為4 130、2 350 mL，分別比對照組（累積產(chǎn)氣量3 040 mL，甲烷量1 371 mL）提高35.8%和71.4%；單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達413 mL/g TS，單位干物質(zhì)產(chǎn)甲烷量235 mL/g TS；蒸汽爆破預處理可有效提高香蕉莖稈產(chǎn)氣潛力。

關(guān)鍵詞 蒸汽爆破 ；預處理 ；香蕉莖稈 ；厭氧消化 ；產(chǎn)氣潛力

分類號 S216.4 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.01.013

Abstract Rich resources of banana stem （BS） are typical organic wastes in tropical regions and are ignored for a long time. In fact， they can be used to produce bio-gas by anaerobic digestion as corn stalks， wheat stalks and so on. Recycling and stabilization of wastes of stalks through anaerobic digestion is a better approach for treatment than aerobic treatment or composting. For enhancing utilization of banana stalks and improving the biogas production efficiency. The objective of this research was to propose and investigate the availability of digested banana stem （BS） to produce biogas. In this study， BS were pretreated by steam explosion with different explosion pressure，Investigate the effects on anaerobic digestion performance with BS and swine manure （SM）. The results show that the capability of biogas production after pretreatment. Anaerobic digestion experiments were operated at （35±2）℃ for 30 days， and only SM was taken as the control. Analysis results of anaerobic digestion experiment show that the explosion pressure was 3.0 MPa， the biogas and methane yields loading were 4 130 mL and 2 350 mL which were 35.8% and 71.4% higher than the untreated control （biogas 3 040 mL， methane 1 371 mL）. Based on TS were 413 mL/g TS and 235 mL/g TS respectively. Results indicated that the method of steam explosion processes could be effective methodes for using BS to produce biogas.

Keywords steam explosion ； pretreatment ； banana stalk ； anaerobic digestion ； biogas potential

據(jù)FAO（國際糧農(nóng)組織）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2011年中國香蕉栽培面積40.32萬hm2，產(chǎn)量1 070.6萬t，分別占世界總額的7.6%和10.0%，排名世界第5和第2，中國已成為僅次于印度的第二大香蕉生產(chǎn)國[1]。香蕉果實采收后會產(chǎn)生幾乎等量的香蕉莖稈，目前在產(chǎn)區(qū)大多直接廢棄，不僅造成資源的極大浪費，而且污染農(nóng)村和蕉園環(huán)境，日益成為香蕉產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的瓶頸問題[2]。香蕉莖稈是我國熱區(qū)主要的農(nóng)作物秸稈資源之一，數(shù)量巨大且周年生產(chǎn)，是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能源化利用原料。

厭氧消化是農(nóng)作物秸稈回收利用的有效途徑。香蕉莖稈與其他秸稈類生物質(zhì)資源相比，木質(zhì)素含量高，木質(zhì)素與半纖維素、纖維素相互交聯(lián)，結(jié)構(gòu)極其復雜，在厭氧消化的過程中，厭氧微生物無法快速將有機物成分分解和利用，直接進行厭氧消化會出現(xiàn)啟動慢、效率低等問題。需針對生物質(zhì)資源結(jié)構(gòu)特點和成分組成設(shè)計開發(fā)有效合理的預處理技術(shù)，破壞其交聯(lián)結(jié)構(gòu)，對木質(zhì)素進行預降解，增加微生物對纖維中各成分的可及度，促進木質(zhì)纖維素的高效降解。常用預處理方法主要有物理法[2-5]、化學法[6-10]、生物法[11-14]以及其他聯(lián)合預處理等[15-18]。國內(nèi)外研究表明，蒸汽爆破法預處理秸稈具有操作簡單、降解效果好等諸多優(yōu)點[19-20]，是一項綠色、高效、節(jié)能的預處理手段。目前，國內(nèi)外應(yīng)用于香蕉莖稈預處理的方法主要是物理法（機械粉碎或研磨）和堿法（NaOH）。本文考察蒸汽爆破法在不同壓力下對香蕉莖稈厭氧消化性能及產(chǎn)氣能力的影響，為香蕉莖稈資源進一步厭氧消化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

香蕉莖稈取自海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)，自然風干后剪碎至1～2 cm2大小備用。接種污泥采用以豬糞為原料的發(fā)酵剩余物，取自海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)農(nóng)村沼氣池。原料理化特性見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗裝置

1.2.1.1 蒸汽爆破裝置

蒸汽爆破裝置如圖1。

1.2.1.2 厭氧消化裝置

厭氧消化裝置由500 mL發(fā)酵瓶+1000 mL排水集氣瓶+集水瓶組成，如圖2所示。

1.2.2 預處理

將蒸汽爆破裝置啟動進行預熱，蒸汽持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生后，待罐內(nèi)蒸汽壓力達1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 MPa維持180 s，打開閥門瞬間釋放。每組設(shè)3次重復操作。

1.2.3 厭氧消化

預處理后的香蕉莖稈原料與接種污泥按1∶2（TS）投料于500 mL廣口消化瓶，固體質(zhì)量分數(shù)控制在10%，混合均勻置于恒溫水浴鍋（35±2）℃下厭氧發(fā)酵30 d，每天定時記錄沼氣日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量，同時做對照和空白試驗。對照組為相同條件下加入等量的未預處理的香蕉莖稈與接種污泥混合厭氧發(fā)酵，空白組為相同條件下只投等量的接種污泥進行厭氧發(fā)酵。沼氣日產(chǎn)量和累積產(chǎn)沼氣量均扣除空白組接種污泥產(chǎn)氣量的影響計算。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

原料TS、VS重量法[22]分析，測試3次取平均值。厭氧消化過程中沼氣日產(chǎn)量利用排水集氣法置換溶液體積測定[17]，甲烷含量利用專業(yè)氣體檢測儀95C-CH4-IR進行檢測，測試3次取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸汽爆破預處理對香蕉莖稈厭氧消化日產(chǎn)氣量影響

不同蒸汽爆破壓力預處理后香蕉莖稈厭氧消化的日產(chǎn)氣量變化如圖3。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，各組的產(chǎn)氣量變化趨勢基本相同。厭氧消化5 d內(nèi)，各組同時出現(xiàn)了產(chǎn)氣高峰，這可能是由于反應(yīng)初期產(chǎn)酸菌群以莖稈中可溶性有機物為原料，在將其降解為揮發(fā)性有機酸的同時，產(chǎn)生了 CO2和 H2等氣體所致[17]。厭氧發(fā)酵前20 d，不同壓力汽爆處理日產(chǎn)氣量較對照組偏高，尤其是蒸汽壓力在2.5 MPa以上的預處理組，對照組產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在前10 d左右，10～20 d開始迅速下降，說明原料中可以被厭氧微生物消化的物質(zhì)快速消耗后，剩余原料不易被厭氧消化，導致產(chǎn)氣量降低，經(jīng)過汽爆預處理的香蕉莖稈擁有更多容易被厭氧微生物利用的物質(zhì)，厭氧發(fā)酵中期10～20 d，依然保持較高的產(chǎn)氣量。這是由于預處理組使秸稈中部分復雜有機物被降解為可溶性有機物，增加了產(chǎn)酸菌的底物，使產(chǎn)氣量高于對照組[18-19]，厭氧發(fā)酵后期20～30 d，各處理組產(chǎn)氣量均減弱甚至低于對照組，說明經(jīng)30 d的厭氧消化，經(jīng)預處理的莖稈原料消化較完全，對照組中的莖稈原料未消化完全[20-21]。說明蒸汽爆破預處理的生物質(zhì)原料易被厭氧微生物分解，利于香蕉莖稈的厭氧消化轉(zhuǎn)換成沼氣[22-23]。

2.2 蒸汽爆破預處理對香蕉莖稈厭氧消化累計產(chǎn)氣量影響

不同蒸汽爆破壓力預處理后香蕉莖稈厭氧消化的累積產(chǎn)氣量變化如圖4。

除去空白組產(chǎn)氣量影響，不同蒸汽爆破壓力3.5、3.0、2.5、2.0、1.5 MPa預處理后香蕉莖稈原料30 d累積產(chǎn)氣量分別為4 050、4 130、3 525、3 100和3 170 mL，分別比對照組3 040 mL提高33.22%、35.85%、15.95%、1.97%和4.28%，說明蒸汽壓力高于2.5 MPa的預處理組可顯著增加香蕉莖稈原料的產(chǎn)氣量，其中3.0 MPa預處理組累積產(chǎn)氣量最高，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達413 mL/g，高于田夢等（365 mL/g）[24] 和歐忠慶等（273 mL/g）[25]的研究結(jié)果，說明蒸汽爆破預處理方法可以有效提高香蕉莖稈原料厭氧消化性能，提高產(chǎn)氣量。蒸汽壓力繼續(xù)增加到3.5 MPa時，累積產(chǎn)氣量沒有繼續(xù)提升，并伴有些許焦糊氣味，說明繼續(xù)增加蒸汽壓力不再利于厭氧消化產(chǎn)氣量的提升，蒸汽爆破預處理壓力不宜過高（3.5 MPa）。

不同蒸汽爆破壓力預處理后，香蕉莖稈累積產(chǎn)氣量甲烷含量如表2所示。

從甲烷含量百分比來看，不同蒸汽壓力預處理后對香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣中甲烷含量影響不大（45.1～56.9），這可能是由于相同接種污泥中微生物菌群組成、分布差異不大[26]。但結(jié)合累積產(chǎn)氣量計算出的甲烷產(chǎn)量來看，當蒸汽壓力為3.0 MPa時，甲烷產(chǎn)量最高為2 350 mL，比對照組1 371 mL提高71.41%，單位干物質(zhì)產(chǎn)甲烷量為235 mL/g TS，蒸汽壓力3.5 MPa（1 887.3 mL）、2.5 MPa（1 847.1）、1.5 MPa（1 562.8 mL）、2.0 MPa（1 444.6 mL）處理組分別比對照組（1 371 mL）提高37.7%、34.7%、14.0%、5.4%，說明經(jīng)過不同蒸汽爆破處理，不同程度地提高了混合原料產(chǎn)甲烷的量。

3 結(jié)論

經(jīng)過不同蒸汽爆破預處理后，香蕉莖稈與豬糞發(fā)酵剩余物混合（35±2）℃下厭氧消化最高產(chǎn)氣潛力達413 mL/g TS，甲烷產(chǎn)量235 mL/g TS（3.0 MPa處理組），分別比對照組提高35.9% 和71.4%，蒸汽爆破預處理方法有效提高香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣潛力，提高甲烷產(chǎn)量更為顯著。當汽爆壓力為3.0 MPa時，30 d累積產(chǎn)氣量、甲烷產(chǎn)量最高，分別為4 130、2 350 mL，分別比對照組（累積產(chǎn)氣量3 040 mL，甲烷量1 371 mL）提高35.8%和71.4%，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達413 mL/g TS，單位干物質(zhì)產(chǎn)甲烷量235 mL/g TS；蒸汽爆破預處理可有效提高香蕉莖稈產(chǎn)氣潛力。

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