堿預(yù)處理提高香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣性能的研究

鄭麗麗　艾斌凌　鄭曉燕　盛占武

摘 要 為有效利用香蕉莖稈資源，提高其厭氧消化效率，采用堿法對香蕉莖稈固體剩余物進行預(yù)處理，探討不同預(yù)處理條件下香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)NaOH濃度為8%時，對香蕉莖稈原料半纖維素、纖維素、木質(zhì)素降解率達最高，分別為22.5%、9.1%、13.7%；6% NaOH處理組30 d累積產(chǎn)氣量最高可達3 775 mL，比對照組提高24.2%，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達377.5 mL/g TS。堿預(yù)處理可有效提高香蕉莖稈產(chǎn)氣潛力。

關(guān)鍵詞 香蕉莖稈 ；厭氧消化 ；沼氣 ；堿 ；預(yù)處理

中圖分類號 S216.4 文獻標(biāo)識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.008

Abstract Banana stems are a typical organic waste in tropical regions and are ignored for a long time. In fact， they can be used to produce bio-gas by anaerobic digestion. For enhancing utilization of banana stalks and improving the biogas production efficiency banana stems were pretreated with alkaline solution at different concentrations to investigate the effects of alkaline pretreatment on anaerobic digestion performance. Anaerobic digestion experiments were operated at （35±2） C for 30 days. The results show that the banana stems pretreated with NaOH at the concentration of 8% had the highest degradation rates of hemicellulose， cellulose and lignin （22.5%， 9.1% and 13.7%， respectively）， while the banana stems pretreated with NaOH at 6% produced the highest cumulative volume of biogas （3 775 mL）， 24.2% higher than the untreated control （3 040 mL）， and generated biogas of 377.5 mL/g based on the total solids of the banana stems. Results indicated that the alkaline pretreatment could improve biogas production of the banana stems.

Keywords banana stalk； anaerobic digestion； biogas； alkaline； pretreatment

香蕉是世界上最重要的水果作物之一，廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計，2011年中國香蕉栽培面積達40.32萬hm2，產(chǎn)量達1 070.6萬t，在世界排名分別為第5位和第2位，中國已成為僅次于印度的第二大香蕉生產(chǎn)國[1]。

香蕉收獲后會產(chǎn)生與果實幾乎等量的香蕉莖稈、葉片等廢棄物。目前在中國產(chǎn)區(qū)大多直接廢棄，不僅造成了蕉園的環(huán)境污染，而且浪費了大量的植物資源[2]。香蕉莖稈是熱帶農(nóng)業(yè)廢棄資源的重要組成部分，已引起各界科學(xué)家的高度重視。據(jù)報道，它可用于復(fù)合材料[3]、紡織品[4-5]、工藝品、肥料[6]、飼料[7]及生物燃料[8]等產(chǎn)品的加工，這些產(chǎn)品在建材、醫(yī)藥、化工、種植養(yǎng)殖等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。通過厭氧消化生產(chǎn)沼氣是最具潛力的選擇之一，利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備沼氣部分替代化石資源，可減少植物資源的浪費及使用化石資源對環(huán)境污染，是一種雙向清潔的生產(chǎn)方法[9]，現(xiàn)已引起全世界的廣泛關(guān)注。

香蕉莖稈的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，約占秸稈總量的70%～80%[8]。纖維素、半纖維素易被厭氧微生物分解利用，而木質(zhì)素填充于纖維素骨架中較難降解，并且木質(zhì)素在細胞壁中與纖維素及半纖維素相互交聯(lián)，使得纖維素及其它可發(fā)酵物質(zhì)難以被厭氧微生物或酶降解利用[8]。直接進行厭氧消化，會出現(xiàn)啟動慢、效率低、轉(zhuǎn)化利用率低等問題。預(yù)處理技術(shù)可破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接，并對其進行一定程度的預(yù)降解，增加厭氧微生物對可發(fā)酵原料的可及度，從而有效提高秸稈厭氧消化性能，預(yù)處理技術(shù)的研究開發(fā)是厭氧消化技術(shù)體系的關(guān)鍵環(huán)。因此，國內(nèi)外大量學(xué)者對其進行了研究。目前，常見的秸稈預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法、生物法等。物理方法有機械研磨、超聲波處理、膨化處理、微波處理、蒸汽爆破等，其目的主要是增加厭氧微生物與基質(zhì)的接觸面積，或通過破壞細胞壁結(jié)構(gòu)使處理后的秸稈更易于消化。物理方法操作簡單、處理時間短，但能耗大、處理費用高?；瘜W(xué)方法主要有氨化、堿化、酸化等，可改變秸稈的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，具有方便、快捷、操作簡單、處理效率高等優(yōu)點。生物方法是利用具有強木質(zhì)纖維素分解能力的微生物對秸稈進行生物降解，破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，具有處理條件溫和、無環(huán)境污染等優(yōu)點，但預(yù)處理效率低，很難達到生產(chǎn)需求。

本研究采用堿法對香蕉莖稈進行預(yù)處理，探討堿預(yù)處理對香蕉莖稈組成成分的降解作用，并討論堿預(yù)處理對香蕉莖稈厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮香蕉莖稈取自海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)，水分含量為90%以上，自然風(fēng)干后水分含量降為30%～40%，粉碎至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。2種原料的理化特性見表1。

1.2 方法

1.2.1 預(yù)處理

配置厭氧濃度為2%、4%、6%、8%、10%（基于香蕉莖稈TS）的NaOH溶液，冷卻后與香蕉莖稈原料以1∶1（質(zhì)量）混合均勻，然后潮濕狀態(tài)下放入燒杯中并壓實。55℃下保持濕態(tài)堆漚預(yù)處理54 h[10]。最后在105℃的烘箱中烘干至恒重后，備用。

1.2.2 厭氧消化

厭氧消化裝置由1 000 mL 發(fā)酵瓶+1 000 mL排水集氣瓶+集水瓶組成。預(yù)處理后的香蕉莖稈原料與接種污泥按1∶2（TS）進行投料。調(diào)整發(fā)酵系統(tǒng)總固體（TS）的濃度為20%（w/V），混合均勻置于恒溫水浴鍋（35±2）℃下厭氧發(fā)酵30 d，每天手動搖晃消化瓶2次，并定時記錄沼氣日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量，同時做對照試驗和空白試驗。對照組為相同條件下加入等量的未預(yù)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)沼氣量均按扣除空白組接種污泥產(chǎn)氣量的影響后計算。

1.2.3 測試方法

原料TS、VS重量法[11]分析，測試3次，取平均值。半纖維素、纖維素、木質(zhì)素采用范式法進行測試[12]。厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量利用排水集氣法置換溶液體積測定[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaOH預(yù)處理前后香蕉莖稈成分變化

由表2可知，半纖維素、纖維素和木質(zhì)素是香蕉莖稈厭氧消化過程中厭氧微生物的主要碳源[10]，NaOH處理前的香蕉莖稈原料木質(zhì)素含量為14.6%，低于田夢等[14]的研究結(jié)果（18.36%），可能由于香蕉莖稈品種、取樣部位或測試方法差異引起的。經(jīng)過預(yù)處理降解后木質(zhì)素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[15]。堿預(yù)處理通過改變木質(zhì)生物質(zhì)原料的化學(xué)成分、化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理特性提高生物降解能力[14]。由圖3可知，不同濃度NaOH處理液對香蕉莖稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素均有不同程度的降解。隨著NaOH濃度的增大，對各組分降解作用增強。當(dāng)NaOH處理液濃度為8%時，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量由13.3%、48.3%、14.6%分別降至10.3%、43.9%、12.6%，降解率分別為22.5%、9.1%、13.7%，這些結(jié)果與清華大學(xué)Zhang等[9]、田夢等[14]的研究結(jié)果類似?？赡苁怯捎贜aOH中的OH-破壞了纖維素、木質(zhì)素之間的連接鍵，促進其分離或分解。

2.2 不同濃度NaOH預(yù)處理對香蕉莖稈厭氧消化日產(chǎn)氣量影響

由圖1可知，與對照組比較而言，4%、6%、8%濃度的NaOH預(yù)處理后的香蕉莖稈日產(chǎn)氣量均有不同程度的提升，主要體現(xiàn)在厭氧消化0～20 d，2%濃度的NaOH預(yù)處理后的香蕉莖稈原料日產(chǎn)氣量較低，這可能是由于NaOH濃度過低，處理液未完全破壞木質(zhì)素、纖維素和半纖維素之間的鏈接，使得原料各組分未降解完全。10%濃度的NaOH處理后香蕉莖稈原料日產(chǎn)量整體水平甚至低于對照組，說明NaOH濃度過高不利于香蕉莖稈原料的厭氧消化，可能是由于Na+過剩對參與厭氧消化的微生物產(chǎn)生了一定的抑制[9]。

2.3 不同濃度NaOH預(yù)處理對香蕉莖稈厭氧消化累積產(chǎn)氣量影響

由圖2可知，各組的累積產(chǎn)氣量變化均表現(xiàn)為快速增加后逐漸趨于穩(wěn)定，6% NaOH處理組累積產(chǎn)氣量最高為3 775 mL，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量達377.5 mL/g TS；其次為4% NaOH處理組累積產(chǎn)氣量為3 670 mL，2% NaOH處理組累積產(chǎn)氣量為3 650 mL，8% NaOH處理組累積產(chǎn)氣量為3 550 mL，10% NaOH處理組累積產(chǎn)氣量為3 150 mL；單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別367、365、35 5和315 mL/g TS，分別比對照組3 040 mL（304 mL/g TS）提高了24.18%、20.72%、20.07%、16.78%、3.62%。這表明低濃度NaOH處理能有效地提高香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣量，這可能由于低濃度的Na+存在會在消化系統(tǒng)中增加與HCO-的結(jié)合而增加消化，避免或減少酸化，從而有利于厭氧消化產(chǎn)沼氣的順利進行。然而，Na+過?？赡芤种茀捬跷⑸锏幕钚訹16]。6% NaOH預(yù)處理后香蕉莖稈最高產(chǎn)氣潛力達377.5 mL/g TS，這與Zhang等[9]、田夢等[14]的研究結(jié)果相似，但高于歐忠慶等[17]的研究結(jié)果（273 mL/g TS）。

3 結(jié)論

不同濃度NaOH處理液對香蕉莖稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素均有不同程度的降解。隨著NaOH濃度的增大，對各組分降解作用增強。當(dāng)NaOH處理液濃度為8%時，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量由13.3%、48.3%、14.6%分別降至10.3%、43.9%、12.6%，降解率分別為22.5%、9.1%、13.7%。

經(jīng)過6% NaOH預(yù)處理后，香蕉莖稈與豬糞發(fā)酵剩余物混合，在（35±2）℃下厭氧消化最高產(chǎn)氣潛力達377.5 mL/g TS，比對照組提高了24.2%。此結(jié)果表明堿預(yù)處理方法有效地提高了香蕉莖稈厭氧消化產(chǎn)氣潛力。

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