不同預處理對甘蔗葉厭氧消化性能的影響

羅 娟， 李秀金， 袁海榮

(1.北京化工大學 環(huán)境科學與工程系， 北京 100029; 2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

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不同預處理對甘蔗葉厭氧消化性能的影響

羅 娟1,2， 李秀金1， 袁海榮1

(1.北京化工大學 環(huán)境科學與工程系， 北京 100029; 2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

試驗研究了生物和化學預處理對甘蔗葉厭氧消化性能的影響，采用復合菌劑和2%，4%，6%，8%的NaOH對甘蔗葉進行預處理。試驗結果表明，經(jīng)預處理后的甘蔗葉木質(zhì)素、纖維素和半纖維素總含量降低，產(chǎn)氣量和沼氣中甲烷含量提高，厭氧消化時間縮短，其中，添加6%的NaOH 的預處理方式效果最佳，復合菌劑次之，與對照組相比，干物質(zhì)產(chǎn)氣率從131.64 mL·g-1TS分別提高到267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS，厭氧消化時間有所縮短。采用復合菌劑和NaOH 預處理產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量基本一致，最大甲烷含量均在60%以上，比對照組提高了15%以上。復合菌劑與NaOH預處理可以提高甘蔗葉的可生物降解性和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率。

預處理；甘蔗葉；厭氧消化；沼氣

甘蔗是我國主要糖料作物之一，主要分布在廣西、云南、廣東及海南等省區(qū)，我國甘蔗種植面積和總產(chǎn)量自2000年開始一直保持世界第三[1]。隨著甘蔗產(chǎn)業(yè)功能轉移，未來全球的甘蔗種植面積還將進一步增加。甘蔗收獲后遺留下來的甘蔗葉量巨大，一般占甘蔗產(chǎn)量的12%～20%[2]，根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒，2013年我國甘蔗產(chǎn)量為12820.1萬噸，則每年可產(chǎn)生甘蔗葉1538～2564萬噸。目前對甘蔗葉的利用率不到20%，除堆肥發(fā)酵還田或直接還田外，大部分甘蔗葉的傳統(tǒng)處理方式是直接田間焚燒。甘蔗葉直接焚燒不但污染環(huán)境，而且浪費資源[3]。在我國每年都可以看到政府禁止甘蔗葉田間焚燒的公告，卻仍是屢禁不止。利用甘蔗葉厭氧消化生產(chǎn)沼氣，一方面可以從源頭上減少焚燒甘蔗葉帶來的環(huán)境污染問題；另一方面，可使農(nóng)業(yè)有機廢棄物中的有用物質(zhì)轉化為能源和有機肥料，具有明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

目前，國內(nèi)外已有較多學者對玉米秸、麥秸等秸稈類物料作為原料生產(chǎn)沼氣進行了研究[4-7]，研究結果表明，適當?shù)念A處理可有效提高秸稈類物料的厭氧消化性能[8-11]，是實現(xiàn)秸稈類物料高效生物降解、高值化轉化的前提和關鍵[12]。在實際沼氣工程中以生物菌劑和化學試劑對秸稈原料進行預處理的方式已經(jīng)取得了較好的效果[13-14]，并在一定范圍內(nèi)進行了應用推廣，而針對以甘蔗葉作為發(fā)酵原料的相關研究還非常少。由于甘蔗葉中木質(zhì)素、纖維素等含量較高，且這些大分子互相纏結，不易降解，因此本文采用微生物菌劑和不同濃度NaOH對甘蔗葉進行預處理，通過研究不同預處理方式對甘蔗葉主要成分含量變化及厭氧消化產(chǎn)沼氣過程的影響，探討提高甘蔗葉產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣效率的預處理條件，以期為甘蔗葉厭氧消化產(chǎn)沼氣技術和設備研發(fā)以及工程應用提供相關技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

文章以甘蔗葉作為試驗材料，甘蔗葉取自廣東省茂名市電白縣，自然條件下風干后粉碎，過20 目篩備用。接種用活性污泥取自研究團隊實驗室培養(yǎng)的活性污泥。甘蔗葉的特性見表1。采用微生物菌劑和NaOH作為預處理藥劑。其中，微生物菌劑為研究團隊自制的秸稈類物料專用菌劑，由高溫單胞菌、木霉菌、枯草芽孢桿菌(質(zhì)量比為5∶2∶2)等多種發(fā)酵有益菌和營養(yǎng)元素組成；NaOH(分析純)購于國藥集團化學試劑有限公司。

表1 甘蔗葉特性 (%)

1.2 試驗裝置

試驗裝置由500 mL廣口瓶，1000 mL錐形瓶和1000 mL廣口瓶組成，采用中溫(38℃)發(fā)酵，500 mL廣口瓶用于盛放發(fā)酵物料，并置于水浴鍋中；錐形瓶作為排水集氣瓶；1000 mL廣口瓶用作集水瓶。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

室溫條件下，將質(zhì)量分數(shù)為2%，4%，6%，8%(相對于甘蔗葉干物質(zhì)質(zhì)量)的NaOH分別添加到甘蔗葉中，用自來水將物料含水率調(diào)至約30%，混勻后放置3 d；按照0.3%(相對于甘蔗葉干物質(zhì)質(zhì)量)的質(zhì)量分數(shù)在甘蔗葉中加入微生物菌劑，充分混勻后堆漚3 d。檢測預處理前后甘蔗葉中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的含量。

1.3.2 厭氧消化

采用批式厭氧消化，試驗分為試驗組和對照組，其中試驗組中發(fā)酵原料為不同預處理后甘蔗葉20 g與30%(污泥干物質(zhì)質(zhì)量占甘蔗葉干物質(zhì)質(zhì)量的百分比)接種污泥的混合物料；對照組中發(fā)酵原料為未經(jīng)預處理的甘蔗葉與30%接種污泥的混合物料。物料充分混合均勻后投入廣口瓶中，廣口瓶密封后置于38℃恒溫條件下進行厭氧消化，逐日記錄產(chǎn)氣量。每組設置3個平行試驗。

1.3.3 檢測方法

原料的總固體質(zhì)量(TS)和揮發(fā)性固體質(zhì)量(VS)的測定采用稱量法；甘蔗葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的檢測采用Van Soest法；沼氣產(chǎn)量的測定采用排水集氣法；沼氣中甲烷含量采用便攜式沼氣成分分析儀進行測量。

2 結果與討論

2.1 不同預處理對甘蔗葉成分的影響

不同預處理前后甘蔗葉的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量變化如圖1所示。由圖1可知，未經(jīng)預處理的甘蔗葉中，各成分含量由多到少依次為纖維素(34.6%)，半纖維素(22.1%)，木質(zhì)素(15.6%)。經(jīng)過微生物菌劑和NaOH預處理后，甘蔗葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的總含量均有不同程度的降低，這可能是由于微生物菌劑中的微生物和NaOH中的OH-破壞了纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，改變了天然纖維素的結構，促進其分離或分解[15-16]。

在NaOH預處理各組原料中，從纖維素等3種成分的總含量來看，總含量隨著NaOH濃度的增加而降低；其中8%NaOH處理效果最好，纖維素等的總含量為58.7%，比未處理的甘蔗葉降低了18.8%。從單項成分含量來看，纖維素含量和木質(zhì)素含量隨著NaOH濃度的增加而降低，而半纖維素含量則隨著NaOH濃度的增加而增加。

圖1 預處理前后甘蔗葉主要成分變化

2.2 不同預處理對厭氧消化性能的影響

2.2.1 對日產(chǎn)氣量的影響

不同預處理甘蔗葉厭氧消化的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示。對照組和各試驗組的日產(chǎn)氣量變化曲線大致相同，均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并在第8～10 d出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，這是由于經(jīng)過一段時間適應后，水解產(chǎn)酸菌大量生長繁殖，以甘蔗葉中的纖維素、半纖維素多糖類物質(zhì)等為原料，將其降解為揮發(fā)性有機酸等簡單的物質(zhì)，同時產(chǎn)生CO2和H2等。由于復雜有機物的降解難易程度不同，日產(chǎn)氣量出現(xiàn)一定的波動，隨著可降解的有機物逐漸被消耗，日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，25 d后幾乎沒有氣體產(chǎn)生。

與對照組相比，各試驗組的最大日產(chǎn)氣量大幅提高且出現(xiàn)時間明顯提前。其中6%的NaOH處理后的甘蔗葉日產(chǎn)氣量最高，達到450 mL·d-1；其次是微生物菌劑處理，最大日產(chǎn)氣量為420 mL·d-1；其他各試驗組(2%，4%和8%NaOH)與對照組的最大日產(chǎn)氣量分別為340，310和260 mL·d-1。

圖2 不同預處理對日產(chǎn)氣量的影響

2.2.2 對累積產(chǎn)氣量的影響

不同預處理甘蔗葉的累積產(chǎn)氣量變化見圖3。各組試驗的累積產(chǎn)氣量變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)為先快速增加后逐漸趨于穩(wěn)定。由圖3可以看出，6%NaOH處理和微生物菌劑處理在所有試驗組中的優(yōu)勢最為明顯，其累積產(chǎn)氣量分別達到4635 mL和4355 mL，折算出干物質(zhì)產(chǎn)氣率分別為267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS；其余各試驗組累積產(chǎn)氣量大致相同，均約為3000 mL；對照組的累計產(chǎn)氣量僅為2280 mL，干物質(zhì)產(chǎn)氣率僅為131.64 mL·g-1TS。各試驗組累積產(chǎn)氣量與對照組相比均大幅增加，由此可見，經(jīng)預處理后甘蔗葉的可生物消化性能得到了顯著提高，產(chǎn)氣量大幅增加。這是由于微生物菌劑中含有對纖維素和木質(zhì)素有降解功能的微生物，在堆漚過程中將甘蔗葉中的纖維素和木質(zhì)素降解成容易被厭氧菌群利用的物質(zhì)；而NaOH則通過破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接鍵，增加甘蔗葉的疏松性以增加厭氧菌群的作用面積，從而提高產(chǎn)氣量。

圖3 不同預處理對累積產(chǎn)氣量的影響

此外，當NaOH濃度為2%～6%時，甘蔗葉的累積產(chǎn)氣量隨著NaOH濃度的增大而增加，從2%時的3030 mL增加到6%時的最大值4635 mL，比未處理甘蔗葉的累積產(chǎn)氣量增加了約1倍。之后，當NaOH濃度繼續(xù)增大時，甘蔗葉的累積產(chǎn)氣量反而呈快速下降趨勢，NaOH濃度為8%時甘蔗葉的累積產(chǎn)氣量僅為2930 mL。這可能是由于NaOH濃度過高時，反應器中過高的Na+濃度干擾了微生物的代謝，抑制了厭氧菌群的活性，從而影響了產(chǎn)氣量[17]。

2.2.3 對厭氧消化時間的影響

物料完成整個產(chǎn)氣過程所需厭氧消化時間的長短直接反映了厭氧消化效率，對沼氣工程運營具有重要的指導意義。厭氧消化時間一般是指厭氧消化產(chǎn)生的累積產(chǎn)氣量達到最大產(chǎn)氣量的80%所需的時間[18]。根據(jù)前述甘蔗葉累積產(chǎn)氣量計算出甘蔗葉在不同預處理條件下80%累積產(chǎn)氣量的值，并得出達到相應產(chǎn)氣量所需的厭氧消化時間如表2所示。由表2可以看出，各預處理試驗組與對照組相比，厭氧消化時間有所縮短，累積產(chǎn)氣量有較大幅度的提高。由此可見，經(jīng)過預處理后，甘蔗葉具有更高的產(chǎn)氣速率和厭氧消化效率。

表2 不同預處理對甘蔗葉厭氧消化時間的影響

2.3.4 對甲烷含量的影響

不同預處理甘蔗葉厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，各組試驗的沼氣中甲烷含量經(jīng)過一段時間的迅速增加后逐漸趨于穩(wěn)定，并隨著時間增加呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢。對照組沼氣中的甲烷含量穩(wěn)定后最高僅為52.1%，大部分時間都在50%以下；各試驗組沼氣中甲烷含量穩(wěn)定后基本維持在50%～60%之間，明顯高于對照組。

圖4 不同預處理對甲烷含量的影響

試驗組和對照組厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中最大甲烷含量如圖5所示。從圖5可以看出，各試驗組甲烷含量在開始階段比對照組更快達到較高水平，這可能是由于預處理后底物更容易分解為能被產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌利用的小分子物質(zhì)。各試驗組沼氣的最大甲烷含量相差不大，含量均在60%以上，沼氣質(zhì)量較優(yōu)。其中，8%NaOH處理的甘蔗葉中最大甲烷含量最高，達到63.4%，其次是6%NaOH處理，其甲烷最大含量為62.7%；對照組的最大甲烷含量為52.1%。這說明預處理能小幅提高甲烷含量，因為預處理后的甘蔗葉中有更多的可溶性有機物可供甲烷菌分解利用。

圖5 不同預處理產(chǎn)沼氣中最大甲烷含量

3 結論

(1)經(jīng)微生物菌劑和不同濃度NaOH處理后，各試驗組原料各組分含量、沼氣產(chǎn)量、干物質(zhì)產(chǎn)氣率和甲烷含量等均優(yōu)于對照組，說明預處理可以提高甘蔗葉的厭氧消化性能。

(2)從預處理后甘蔗葉的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素總體含量來看，8%的NaOH預處理效果最佳，最有利于甘蔗葉厭氧消化，其次是6%的NaOH預處理。

(3)經(jīng)過沼氣產(chǎn)量來看，6%的NaOH預處理在所有預處理中表現(xiàn)最優(yōu)，其次是微生物菌劑預處理，其日產(chǎn)氣量最高分別為450 mL·d-1和420 mL·d-1，比對照組分別提高了73.08%和61.54%；干物質(zhì)產(chǎn)氣率分別為267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS，比對照組分別提高了103.29%和91.01%。

(4)經(jīng)過預處理后，沼氣中甲烷含量能較快達到較高水平并維持穩(wěn)定，各試驗組沼氣的最大甲烷含量相差不大，且均優(yōu)于對照組。其中8%的NaOH和6%的NaOH預處理最大甲烷含量分別為63.4%和62.7%，比對照組分別提高了21.69%和20.34%。

(5)綜合原料組分含量變化、總產(chǎn)氣量、甲烷含量等各項指標來看，6%的NaOH預處理對甘蔗葉厭氧消化性能的提高最有利。

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Effect of Different Pretreatment on Anaerobic Digestion Performance of Sugarcane Leaves

LUO Juan1,2, LI Xiu-jin1, YUAN Hai-rong1

(1.College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China; 2. Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agricultural Residues, Beijing 100125, China)

To improve anaerobic performance of sugarcane leaves, sugarcane leaves were pretreated by complex microbe and four different concentration of NaOH ( 2%, 4%, 6% and 6%) respectively for three days at room temperature. The pretreated sugarcane leaves then was went on anaerobic fermentation under temperature of 38℃. The results showed that, the pretreated sugarcane leaves obtained higher biogas production and methane content with shorter digestion periods, and the effluent contained less lignin, cellulose and hemicelluloses. Among all these pretreatments, the treatment with 6% of NaOH obtained the best result, and the treatment with complex microbe was the second, their TS biogas production were 267.61 mL·g-1and 251.44 mL·g-1respectively, while the control was only 131.64 mL·g-1. The methane contents of biogas for all the pretreatmens were basically the same with the maximum methane contents of over 60%，which were at least 15% higher than that of the control. It was an effective way to improving anaerobic digestion by NaOH and complex microbe pretreatment.

pretreatment；sugarcane leaves；anaerobic digestion；biogas

2015-03-05

2015-06-05

項目來源： 北京市自然科學基金項目(8142030)；教育部博士點基金項目(20120010110004)；農(nóng)業(yè)部公益項目(201303099-02；201303101)

羅 娟(1986-)，女，湖南人，博士，主要研究方向為生物質(zhì)能源技術裝備與環(huán)境保護，E-mail:emimi2008@126.com 通信作者： 李秀金，E-mail:xjli@mail.buct.edu.cn

S216.4; X712

A

1000-1166(2016)01-0032-05