芭蕉葉沼氣發(fā)酵潛力研究

邵瓊麗，李建昌，張無敵

(云南師范大學太陽能研究所，云南 昆明 650500)

芭蕉，屬芭蕉科，為多年生草本植物，是熱帶主要果樹之一.在我國主要分布在秦嶺淮河以南地區(qū)[1].莖高達3～4 m，不分枝，叢生.葉大，長可達2～3 m，寬約40 cm，呈長橢圓形，性喜溫暖耐寒力弱，莖分生能力強，耐半蔭，適應性較強，生長速度較快.生長期間應隨時剪去黃葉，以燒徒耗養(yǎng)分，并影響美觀.沼氣是可再生的清潔能源，既可替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明顯高于秸稈、薪柴等直接燃燒.而中國農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境的承載力十分有限，發(fā)展農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟，不能以消耗農(nóng)業(yè)資源、犧牲農(nóng)業(yè)環(huán)境為代價.農(nóng)村沼氣把能源建設、生態(tài)建設、環(huán)境建設、農(nóng)民增收鏈接起來，促進了生產(chǎn)發(fā)展和生活文明.發(fā)展農(nóng)村沼氣，優(yōu)化廣大農(nóng)村地區(qū)能源消費結(jié)構(gòu)，是中國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，對增加優(yōu)質(zhì)能源供應、緩解國家能源壓力具有重大的現(xiàn)實意義.

近年來， 國內(nèi)不少人做了大量探索以尋求新的發(fā)酵物料.劉繼紅等[2-3]對四季青廢料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力進行了研究，孫和臨等[4]對茶樹葉產(chǎn)沼氣潛力進行了研究，為了尋求更優(yōu)的沼氣發(fā)酵工藝和更好的原料，使沼氣發(fā)揮其在能源與環(huán)境界的重大作用，使沼氣發(fā)酵技術(shù)得以推廣應用，我們必須需要不斷的探索，不斷地實驗.所以本實驗以芭蕉葉為原料探究其厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力，一方面使修剪下來的芭蕉葉得到充分利用，解決一部分農(nóng)業(yè)廢棄物；另一方面，也試圖為農(nóng)村沼氣找到一種新的補充原料.

1 材料與方法

1.1 材料

發(fā)酵原料為芭蕉葉，試樣采集后，用刀切成 3 ～ 5 mm 的碎段，并以實驗室長期馴化的豬糞發(fā)酵殘留物為底物的混合厭氧消化污泥為接種物.原料及接種物的總固體(total solid,TS)、揮發(fā)性固體(volatile solid,VS)見表1.

表1 原料、接種物的TS和VS質(zhì)量分數(shù) %

1.2 實驗裝置

實驗采用實驗室自制的500 mL的批量式發(fā)酵罐在恒溫水浴鍋中進行恒溫發(fā)酵.裝置如圖1所示.

1.3 方法

1.3.1 實驗驗方法

本實驗采用批量發(fā)酵法，在30 ℃的恒溫水浴鍋里進行發(fā)酵.共設置了一個實驗組，一個對照組，重復設3個平行試驗，配料如下(按TS為5%計算).

實驗組 120 mL接種物，61 g芭蕉葉，加水調(diào)至400 mL；

對照組 120 mL接種物，加水稀釋至400 mL.

1.3.2 測試項目及方法

1) 總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS) 采用常規(guī)分析法[5]測定原料、接種物，以及發(fā)酵前后料液的TS、VS.

2) pH值 采用精密pH試紙測定接種物以及發(fā)酵前后料液的pH值.

3) 產(chǎn)氣情況記錄 本實驗采用排水集氣法收集氣體，每天定時記錄各實驗組的產(chǎn)氣量，根據(jù)沼氣燃燒時的火焰顏色初步判斷甲烷含量，并每5 d用氣相色譜儀測定氣體中甲烷的含量，一共測了6次.

2 結(jié)果與討論

2.1 料液發(fā)酵前后相關(guān)指標的測定結(jié)果及分析

本實驗進行了32 d，發(fā)酵結(jié)束后，對沼氣發(fā)酵前后發(fā)酵料液的TS、VS和pH進行了比較分析，結(jié)果見表2.

表2 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH值

從表中得到發(fā)酵前后實驗組、對照組的料液中TS、VS含量都不同程度地降低.這說明發(fā)酵過程中，原料被不同程度地消化并產(chǎn)生沼氣.從表中的數(shù)據(jù)看，對于實驗組，其原料的TS利用率為48.5%，VS利用率為52.0%.對于對照組，其TS、VS含量本身發(fā)生了變化，但變化較小，整個過程中只產(chǎn)生了少量的氣體.是由于接種物中還有少量有機質(zhì)可以供微生物生長代謝.從發(fā)酵過程前后pH值變化情況來看，實驗組和對照組的pH值均呈下降趨勢，分別為7.5和7.0，屬于沼氣發(fā)酵的最適pH范圍[6]，說明芭蕉葉可以作為沼氣發(fā)酵的原料.

2.2 日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率與甲烷含量測定結(jié)果與分析

實驗啟動后，每天定時記錄產(chǎn)氣情況，通過整理分析得到芭蕉葉厭氧發(fā)酵凈日產(chǎn)氣量(實驗組的日產(chǎn)氣量-對照組的日產(chǎn)氣量)及產(chǎn)氣速率隨時間的變化曲線，如圖2、圖3所示.每5 d測一次甲烷含量，變化情況如圖4所示.

由圖2、圖3、圖4可知，芭蕉葉厭氧發(fā)酵實驗啟動速度較快，第1天產(chǎn)氣量較大，是由于實驗開始階段，發(fā)酵罐中含有大量的空氣，隨著空氣的排出，進入嚴格厭氧環(huán)境開始厭氧消化產(chǎn)沼氣，產(chǎn)氣量又逐漸降低，但隨著接種物中產(chǎn)甲烷菌的生長代謝利用底物中最容易降解的一部分有機質(zhì)產(chǎn)生氣體，所以第4天達到了日產(chǎn)氣的高峰，為425 mL，但由氣相色譜儀測定結(jié)果可知，此時的甲烷的含量較低為40%～55%，這是因為發(fā)酵初期芭蕉葉被水解產(chǎn)生大量的CO2；第5天以后，產(chǎn)氣量的總體趨勢是下降的，此時發(fā)酵罐中主要處于厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，使有機酸累積，導致環(huán)境pH值下降，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，當有機酸累積到一定的程度又被產(chǎn)甲烷菌逐漸降解產(chǎn)生沼氣，第12天再次出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，為200 mL，這段發(fā)酵時期，經(jīng)氣相色譜儀測定甲烷含量為60%～70%.是產(chǎn)氣質(zhì)量最佳階段，該階段，持續(xù)幾天產(chǎn)氣量相對持平，到第17天后，隨著底物中有機質(zhì)的消耗，產(chǎn)氣量總體呈穩(wěn)定下降趨勢，期間經(jīng)氣體成分分析可知甲烷含量為55%左右.第29天至第32天，雖然每天可以產(chǎn)少量氣體，但均不能持續(xù)燃燒，甲烷含量較低.綜上分析，芭蕉葉厭氧發(fā)酵曲線符合沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的一般規(guī)律：實驗開始時產(chǎn)氣較多，隨后逐漸減少，然后再逐漸增加，達到產(chǎn)氣高峰后，又逐漸下降.

從產(chǎn)氣速率來看，整個發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣速率呈先快后慢的趨勢，剛進入?yún)捬醢l(fā)酵的幾天由于微生物對環(huán)境的適應及底物較難降解，所以產(chǎn)氣速率較慢，第4天以后，由于微生物活性增高利用底物產(chǎn)生氣體，直到第17天，產(chǎn)氣速率都相對較快，但隨著底物的消耗，產(chǎn)氣速率又逐漸減慢，直到產(chǎn)氣結(jié)束.

2.3 產(chǎn)氣潛力

對實驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算整理得芭蕉葉的產(chǎn)氣潛力，見表3.

表3 產(chǎn)氣潛力

從表3中可以看出，整個發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣量共3 760 mL，產(chǎn)氣率達428 mL/g·TS、563 mL/g·VS，原料產(chǎn)氣率為62 mL/g、池容產(chǎn)氣率為0.235 mL/(mL·d).在已知的同類沼氣發(fā)酵原料中產(chǎn)氣率不是最高，卻也是較高的.

2.4 不同種類沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力的比較

為了詳細說明芭蕉葉的產(chǎn)氣潛力，將其TS產(chǎn)氣率與其他發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣潛力進行比較，結(jié)果如表4所示，表4中“倍數(shù)”是指芭蕉葉的TS產(chǎn)氣率與其他發(fā)酵原料的TS產(chǎn)氣率的比值.

表4 不同原料的產(chǎn)沼氣潛力

從表4可以看出，在纖維素類等沼氣發(fā)酵原料中，芭蕉葉的TS產(chǎn)氣率偏高，與果皮類原料相比，TS產(chǎn)氣率較低，這是由于纖維素難易降解從而影響產(chǎn)氣量， 綜合比較，芭蕉葉不僅產(chǎn)氣周期短，產(chǎn)氣率相對于同類原料相對較高.

3 結(jié)語

以芭蕉葉作為原料，在30 ℃恒溫條件下進行批量式厭氧發(fā)酵實驗，發(fā)酵時間為32 d，產(chǎn)氣啟動較快，且主要集中在前20天，到第20天時累積的產(chǎn)氣量已超過總產(chǎn)氣量的90%；芭蕉葉是一種良好的發(fā)酵原料，整個發(fā)酵過程共產(chǎn)氣3760 mL，發(fā)酵前后pH值變化不大并維持在沼氣發(fā)酵的較佳范圍內(nèi)，TS利用率為48.5%，VS利用率為52.0%．經(jīng)過計算，芭蕉葉的日平均產(chǎn)氣量為117.5 mL，原料產(chǎn)氣率為62 mL/g，TS產(chǎn)氣潛力為428 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為563 mL/g，池容產(chǎn)氣率為0.235；實驗結(jié)果表明，與其他發(fā)酵原料相比，芭蕉葉發(fā)酵時間相對較短，具有較好的產(chǎn)氣潛力，且在較短的時間內(nèi)，TS產(chǎn)氣率較高，本研究為實際沼氣工程設計提供了理論依據(jù)，為芭蕉葉的資源化利用提供一條合理的途徑.