甘蔗渣沼氣發(fā)酵潛力的研究

李永麗　孫傳伯　尹　芳　張無敵　劉士清

[摘要]實(shí)驗(yàn)在常溫條件下以甘蔗渣為原料，采用批量發(fā)酵工藝，進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甘蔗渣是一種較好的沼氣發(fā)酵原料，其沼氣發(fā)酵潛力為201mL/gTS，212mL/gVS。發(fā)酵產(chǎn)沼氣是提高甘蔗渣燃燒熱效率的一種途徑。

[關(guān)鍵詞]甘蔗渣 發(fā)酵 沼氣潛力

中圖分類號：O69文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120010－01

甘蔗是我國重要的糖料經(jīng)濟(jì)作物之一。在我國大部分的糖廠都是以甘蔗為原料，隨之就會產(chǎn)生大量的甘蔗渣。只有少量的蔗渣被糖廠資源化利用，絕大部分被當(dāng)作廢棄物處理[1]-[3]。這樣不僅帶來了環(huán)境的污染，而且造成了資源的浪費(fèi)。甘蔗渣的主要成分是纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，其中纖維素、半纖維素可以被產(chǎn)沼氣微生物菌群利用，產(chǎn)生沼氣，沼氣發(fā)酵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境，廢棄物資源化利用的有效途徑之一。本文選擇甘蔗渣作為發(fā)酵原料，進(jìn)行沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究[3]-[7]。

一、材料與方法

（一）材料

1．發(fā)酵原料及接種物

發(fā)酵原料為甘蔗渣，并以實(shí)驗(yàn)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。經(jīng)測定原料及接種物的TS與VS及pH值見下表。

2．實(shí)驗(yàn)裝置

自制1000mL實(shí)驗(yàn)型水壓式厭氧消化批量發(fā)酵裝置。常溫條件下進(jìn)行發(fā)酵。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組和一個(gè)對照組，重復(fù)設(shè)三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，配料如下：

1．實(shí)驗(yàn)組：300g接種物，13.4g甘蔗渣，加水調(diào)至1000mL。

2．對照組：300g接種物，加水稀釋至1000mL。

（三）測試項(xiàng)目及方法

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)采用常規(guī)分析法，測定原料接種物，以及發(fā)酵前后料液的TS、VS。具體測定方法見文獻(xiàn)4。

產(chǎn)氣情況記錄：本實(shí)驗(yàn)采用水壓式法收集沼氣，每天定時(shí)記錄各套裝置的產(chǎn)氣量，根據(jù)沼氣燃燒時(shí)的火焰顏色，采用火焰顏色光譜法[8]確定氣體中甲烷的含量。

測定其熱值：自動量熱儀（金鷹全自動量熱儀，長沙友欣儀器廠）（國產(chǎn)GR-3500型）。

二、結(jié)果與分析

（一）料液發(fā)酵前后相關(guān)指標(biāo)的測定結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行了92d，對沼氣發(fā)酵前后發(fā)酵料液的TS、VS和pH進(jìn)行了分析，結(jié)果見表2；從表中得到發(fā)酵前后實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組，其原料的TS利用率為41.03%，VS利用率為12.77%。對于對照組，其TS、VS含量本身發(fā)生了變化，但變化量小，產(chǎn)生了少量的氣體。從發(fā)酵過程前后pH值變化情況來看，實(shí)驗(yàn)組和對照組的pH值均有一定的降低，分別為6.86和7.28，他們均處于沼氣發(fā)酵的最適pH范圍中[9]，說明甘蔗渣可以作為發(fā)酵產(chǎn)沼氣的原料。

（二）產(chǎn)氣量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

從圖1可以得到甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)沼氣持續(xù)的時(shí)間較長。但發(fā)酵啟動的時(shí)間較慢，到第12天產(chǎn)氣量才達(dá)到一個(gè)小高潮，但是不能點(diǎn)燃，說明在啟動過程中得到的氣體CO2含量較高。隨后產(chǎn)氣量有所下降，此時(shí)正處于水解階段和產(chǎn)酸階段，有少量的甲烷氣體產(chǎn)生；第15天時(shí)，所產(chǎn)的氣體可以點(diǎn)燃，但不能持續(xù)燃燒，到第18天時(shí)，氣體能夠持續(xù)燃燒并且為藍(lán)色火焰，說明氣體的甲烷含量達(dá)到60%～65%（體積比）[8]。從第16天開始產(chǎn)氣量又開始逐漸上升，第34天產(chǎn)氣達(dá)到了最高峰，隨后產(chǎn)氣量日漸下降，到第88天以后，日產(chǎn)氣量已經(jīng)小于5mL，并且很難燃燒。

從圖中實(shí)驗(yàn)組的曲線可以明顯的看到3次高峰。第1次高峰是由于體系中的好氧菌利用氧氣進(jìn)行有氧消化形成的，所得氣體主要是CO2，空白組也有同樣的高峰，在此期間，產(chǎn)甲烷微生物菌群正處于活化階段；第2次高峰是發(fā)生在24天左右，可能是因?yàn)楦收嵩幸恍┮妆晃⑸锓纸獾臍執(zhí)穷愇镔|(zhì)、淀粉類物質(zhì)和易水解類物質(zhì)被利用，產(chǎn)生甲烷氣體形成一個(gè)氣體小高峰；當(dāng)那些易分解的物質(zhì)消耗完時(shí)，體系中的微生物和其代謝物酶類都比較豐富，此時(shí)甘蔗渣中的主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素就被活性污泥中微生物菌群發(fā)酵利用，其中纖維素和半纖維素可以被菌體和酶類物質(zhì)水解形成的小分子物質(zhì)，其后又被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分解，最終形成產(chǎn)甲烷菌可以利用的物質(zhì)，產(chǎn)生沼氣，這就形成了圖1中最大的一次產(chǎn)氣高峰即第3次產(chǎn)氣高峰。而空白組中，由于沒有供微生物利用的發(fā)酵底物，所以沒有再形成第2次高峰。纖維素、半纖維素的分解速度很慢，同時(shí)微生物發(fā)酵菌群很難將它們徹底分解，所以第3次高峰的出現(xiàn)需要一定的時(shí)間，發(fā)酵產(chǎn)沼氣的產(chǎn)氣周期也比較長。

從表3可以得到實(shí)驗(yàn)組的總產(chǎn)氣量、日平均產(chǎn)氣量和池容產(chǎn)氣率都比空白組大。說明甘蔗渣可以作為發(fā)酵產(chǎn)沼氣的原料。從表1、表2和表3可以得到甘蔗渣產(chǎn)沼氣的潛力：甘蔗渣的TS產(chǎn)氣潛力為201mL/gTS，VS產(chǎn)氣潛力為212mL/gVS，新鮮原料產(chǎn)氣潛力為150mL/g。

實(shí)驗(yàn)使用甘蔗渣原料13.4g，通過發(fā)酵后獲得了2005mL的沼氣（甲烷的燃燒熱值為35.822MJ/m3），按照沼氣中的甲烷含量一般為50%－70%來計(jì)算[9]，得到13.4g甘蔗渣可以產(chǎn)生35.9kJ－50.3kJ的熱量。如果13.4g甘蔗渣（TS為74.68%）完全燃燒（甘蔗渣的燃燒值為17.765MJ/kg），可以得到177.8kJ的熱量。甘蔗渣發(fā)酵之后產(chǎn)生沼氣它的燃燒效率在20.2%－28.3%之間。而一般使用爐灶直接燃燒，其熱效率僅為15%－20%[10]。說明發(fā)酵產(chǎn)沼氣是提高甘蔗渣燃燒熱效率的一種途徑。

三、結(jié)論

1．以甘蔗渣為沼氣發(fā)酵原料，采用批量發(fā)酵的方式，可以發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

2．經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，甘蔗渣是一種良好的發(fā)酵原料。在常溫條件下即可進(jìn)行，甘蔗渣的TS產(chǎn)氣潛力為201mL/g TS，VS產(chǎn)氣潛力為212mL/g VS，新鮮原料產(chǎn)氣潛力為150mL/g。

3．發(fā)酵產(chǎn)沼氣是提高甘蔗渣燃燒熱效率的一種途徑。

基金項(xiàng)目：云南省自然科學(xué)基金（2007E049M）資助。

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作者簡介：

李永麗，女，云南昆明人，碩士，生物質(zhì)能與環(huán)境工程；劉士清，男，云南江川人，副研究員，現(xiàn)主要從事生物環(huán)境與能源資源研究工作。