化學預處理對甘蔗葉厭氧發酵產沼氣的影響

焦靜等

摘 要 以甘蔗葉為發酵原料，研究采用酸、堿預處理對甘蔗葉干法厭氧發酵產沼氣效果影響。試驗結果表明：酸、堿預處理均可提高甘蔗葉沼氣產量，堿預處理的產氣量總體好于酸預處理，甲烷含量也相對較高，堿預處理發酵后物料纖維素降解率可達56.15%。通過掃描電鏡觀察甘蔗葉的表觀形態結構，發現經NaOH預處理后，甘蔗葉表面結構遭到較明顯的破壞，更容易被消化利用。

關鍵詞 甘蔗葉；化學預處理；產氣效果；纖維素降解

中圖分類號 S216.4；S216.2 文獻標識碼 A

Effects of Chemical Pretreatment on Biogas Production by

Anaerobic Fermentation of sugarcane Leaves

JIAO Jing1，2，WANG Jinli1，2*，ZHENG Yong1，2，WANG Gang1，2，

GUO Changjin1，2，PENG Zhilian1，2，ZHOU Jing3

1 Institute of Agricultural Machinery， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091， China

2 Tropical Biogas Research Center， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091， China

3 Key Laboratory of Tropical Crop Biology and Genetic Resources Utilization， MOA/Institute of

Tropical Bioscience and Biotechnology， CATAS， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract The effect of acid pretreatment and alkali pretreatment on biogas production from sugarcane leaves was studied. The results showed that acid pretreatment and alkali pretreatment could improve the biogas yield of sugarcane leaves. The biogas yield and methane content of alkali pretreatment was better than that of acid pretreatment，and the degradation rate of cellulose was up to 56.15%. The scanning electron microscopy（SEM） results showed that the fibrous structure of the sugarcane leaves was apparently destructed after pretreated with alkali.

Key words Sugarcane leaves；Chemical pretreatment；Biogas production；Degradation rate of cellulose

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.027

甘蔗是中國主要的糖料作物，其種植面積占中國常年糖料作物種植面積85%以上，主要集中在廣西、廣東、海南及福建等省區[1]。甘蔗葉中營養物質豐富，與玉米秸稈相比，碳含量高10個百分點，是生產沼氣的優良原料[2]。目前絕大多數甘蔗葉被就地焚燒，造成大量的資源浪費和生態環境污染，解決好甘蔗葉利用問題已迫在眉睫。由于甘蔗葉中纖維素、半纖維素、木質素的含量較高，且這些大分子互相纏結，不易降解，使產甲烷菌難以獲得所需的小分子有機物，造成沼氣發酵效率低下，周期較長[3-6]，因此有必要對甘蔗葉進行預處理，使之成為微生物的養分來源。

對秸稈進行預處理是提高秸稈利用率和產氣率的一種有效手段，是目前秸稈沼氣利用研究的重要內容[7-10]。預處理秸稈的方法主要有物理、化學和生物方法[11-14]。物理法預處理技術雖能對秸稈內部結構產生一定的破壞作用，但破壞程度較低，而且能耗較高；生物法利用特定的微生物去降解纖維素、木質素，反應條件溫和，但該方法反應時間長，并且對反應環境要求嚴格，降解效率較低；化學法預處理對反應設備要求高，要求耐腐蝕，但稀酸和稀堿在一定條件下處理秸稈具有處理效率高、處理時間短、耗能低、能連續操作等優點[15]?？导邀惖萚16]采用4%～10%的NaOH對麥秸進行預處理，可顯著提高麥秸沼氣發酵的總產氣量。李鶴等[15]將玉米秸稈經稀酸處理和稀堿處理后進行厭氧干發酵試驗，發現其累積產氣率和甲烷含量都有所提高。

目前，秸稈預處理的研究重點已經從原來的單一方法預處理向混合方法預處理轉變，成為國內外研究的重點領域[17]。前期筆者已經對甘蔗葉進行過生物預處理產沼氣試驗分析，但是目前還沒有采用化學方法預處理甘蔗葉的相關研究報道。因此，在前期研究基礎上，本研究采用稀酸和稀堿預處理甘蔗葉，分析其產氣效果，以期為甘蔗葉的混合預處理提供理論依據，促進甘蔗葉能源化利用。

1 材料與方法

1.1 材料

甘蔗葉：取自湛江市湖光農場甘蔗收獲后的干黃葉，用粉碎機粉碎成3～5 cm的不規則小段，測其總固體質量分數為87%。

豬糞：取自湛江市麻章區高陽個體養豬場，測其總固體質量分數為25%。

接種物：前期實驗室發酵底物，總固體質量分數為5%。

試劑藥品：硫酸、氫氧化鈉、碳酸氫銨

1.2 方法

以總產氣量、最高甲烷含量、纖維素降解率以及表觀形態結構為指標，主要考察稀硫酸濃度和稀堿濃度對甘蔗葉厭氧發酵產沼氣的影響（見表1）。（1）H2SO4濃度：稱取甘蔗葉1.72 kg，分別加入3 500 mL的 0.5%、1%、1.5%、2%的稀硫酸溶液，在常溫下預處理7 d。預處理后的甘蔗葉加入干物質比1 ∶ 1的豬糞6 kg，再加入碳酸氫銨120 g、30%的接種物和6 kg水，攪拌均勻，用6 mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH值至7～8，在38 ℃的條件下進行厭氧發酵，發酵時間40 d。同時做不加稀硫酸的對照組。 （2）NaOH濃度：稱取甘蔗葉1.72 kg，分別加入3 500 mL的2%、4%、6%、8%的氫氧化鈉溶液，在常溫下預處理7 d。預處理后的甘蔗葉加入干物質比1 ∶ 1的豬糞6 kg，再加入尿素碳酸氫銨120 g、30%的接種物和6 kg水，攪拌均勻， 用25%的HCL調節pH值至7～8，在38 ℃的條件下進行厭氧發酵，發酵時間40 d。同時做不加氫氧化鈉的對照組。所有試驗均重復2次進行。

1.3 發酵裝置

本試驗所用試驗裝置是由中國熱帶農業科學院農業機械研究所制作的可控性水浴恒溫厭氧發酵裝置，罐內容積44 L，裝料體積25 L。主要由罐體、加熱保溫系統和沼氣計量系統組成，如圖1所示。

1.4 數據處理

所有試驗均重復2次，結果以平均值表示。應用Excel 2003軟件對結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 產氣量和甲烷含量

經不同濃度的稀硫酸預處理后，甘蔗葉總產氣量如圖2所示。由圖2可知，經H2SO4預處理的試驗組均比對照組的總產氣量高，當H2SO4濃度為1.0%時，產氣量最高，可達1 076 L，比對照組的706 L多出370 L。可見，采用H2SO4進行預處理，可提高甘蔗葉產沼氣量。當H2SO4濃度大于1%時，總產氣量隨著酸濃度的增加而降低，其原因可能是酸濃度過大對厭氧發酵產生了抑制。由圖3可知，各處理組的最高甲烷含量都在60%以上，當H2SO4濃度為1.5%時，甲烷含量最高，為64.2%，比對照組的62%高2.2%。綜合比較可見，當H2SO4濃度為1.0%時，產氣效果最佳。

經不同濃度的稀堿液預處理后，甘蔗葉總產氣量如圖4所示。從圖4可以看出，當NaOH濃度為2%時，總產氣量最大，為1 223 L，比對照組的706 L多出517 L。隨著NaOH濃度的增加，甘蔗葉厭氧發酵總產氣量逐漸下降，但均高于對照組?？梢?，采用NaOH進行預處理，可提高甘蔗葉產沼氣量，但是小于2%的NaOH預處理濃度還需要進一步試驗分析。從圖5可以看出，各處理組的最高甲烷含量都大于60%，當NaOH濃度為8%時，甲烷含量最高，為67.2%，比對照組的62%高5.2%。綜合比較可見，當NaOH濃度為2%時，產氣效果最佳。

取酸處理和堿處理產氣效果最好的試驗組進行比較，酸處理組的總產氣量為1 076 L，最高甲烷含量為61.6%；堿處理組的總產氣量為1 223 L，最高甲烷含量為62.1%?？梢?，在相同的試驗條件下，對于甘蔗葉厭氧發酵，堿處理的產氣效果要優于酸處理。

2.2 纖維素降解率

發酵前物料纖維素含量為77.81%，經過預處理，再經厭氧發酵后，物料中纖維素含量均有所降低，如圖6和圖7所示。堿預處理、酸預處理以及未添加化學試劑的對照組的纖維素含量分別為34.12%、37.81%和43.80%，纖維素的降解率分別為56.15%、51.41%、43.71%。可見采用酸、堿預處理可加速甘蔗葉分解轉化，有效促進纖維素降解，經過堿預處理后物料纖維素降解率最高，轉化效率最好，厭氧發酵產沼氣效果也最好。

2.3 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡對酸、堿預處理前后甘蔗葉表觀形態結構進行觀察，結果見圖8和圖9。由圖可見，酸預處理后甘蔗葉表面粗糙，有部分絮狀雜質覆蓋，但其結構依然比較致密；堿預處理后的甘蔗葉表面有孔隙出現，結構疏松，有明顯的腐蝕痕跡?？梢姡瑝A處理對甘蔗葉表面破環程度更大。

3 討論與結論

以作物秸稈為原料，通過厭氧發酵制取沼氣是實現農業廢棄物資源化利用和減少其環境污染的重要途徑。但由于秸稈組織結構緊密，難以直接被沼氣發酵微生物利用，需要進行一定的預處理?；瘜W預處理是提高秸稈轉化率的有效方法，麥桿、水稻秸稈、玉米秸稈等作物秸稈都是目前化學預處理的研究對象。甘蔗葉作為熱帶地區比較大宗的農業廢棄物，厭氧發酵后所產沼氣甲烷含量均在60%以上，可見采用沼氣發酵技術處理甘蔗葉是其今后能源化利用的主要方向。為了提高甘蔗葉產沼氣利用率，對其進行預處理研究是十分必要的。

在本研究結果表明，當H2SO4濃度為1.0%時產氣效果最好，單位TS產氣量為8.28 L（/kg·d），甲烷含量最高可達61.6%。覃國棟[19]等采用酸預處理水稻秸稈進行濕法沼氣發酵，結果表明6%的酸處理濃度為最好，厭氧發酵時單位TS產氣量為3.49 L（/kg·d），甲烷含量最高可達44.3%，均高于對照組?？梢?，采用干法厭氧發酵產氣效果要好于傳統的濕法發酵方式，而且由于甘蔗葉中添加了豬糞，有效的提高了產氣量和甲烷含量，說明豬糞也是促進沼氣發酵的有利因素。根據發酵物料的不同，酸預處理的最佳反應條件也不一樣，對甘蔗葉來說，當H2SO4濃度超過1.0%時，總產氣量隨著酸濃度的增加而降低，這可能是因為過高的酸處理濃度一方面造成甘蔗葉降解充分，干物質損失過多，另一方面也可能產生一些抑制厭氧發酵微生物的物質，如糠醛等，進而影響發酵。由此可見，適當的酸濃度處理甘蔗葉能改善甘蔗葉的降解性能，增加沼氣產量，濃度過大則會產生抑制作用，這個結果與覃國棟、常景玲[20]等人的研究結果一致。

與酸預處理相比，堿預處理的產氣效果更好一些。通過堿預處理可顯著改善和提高甘蔗葉的降解性能，增加甘蔗葉的可厭氧消化成分。在本次試驗中，當NaOH濃度為2%時，產氣效果最佳。從掃描電鏡檢測結果可見，經堿預處理后，甘蔗葉的表面物理結構變得疏松、碎裂，出現孔隙及明顯的腐蝕現象。這種破壞改善了甘蔗葉的結構和質地，有利于釋放包裹在木質素和半纖維素中的纖維素，使之變得更容易被消化利用，從而達到提高甘蔗葉消化率的目的。發酵后纖維素降解率高達56.15%也證實了NaOH預處理的有效性。蔣建國[11]等采用酸堿等4種不同化學藥劑浸泡玉米秸稈并進行沼氣發酵，發現NaOH預處理可大大提高秸稈的沼氣發酵性能，產氣效果也好于酸預處理，當NaOH濃度提高后，雖然溶出的營養物質增加了，但高濃度的Na+會對微生物生命活動產生抑制作用，而本試驗中，當NaOH濃度大于2%時，產氣量也是逐漸下降，這說明還需要在小于2%的濃度條件下進一步試驗分析，以找到堿預處理甘蔗葉的最佳參數。

單一采用堿預處理甘蔗葉時，堿的種類、堿濃度及預處理時間等因素還需要進行進一步的優化，且要綜合考慮處理成本。李湘[21]等研究表明經1%NaOH溶液浸泡過的秸稈，再用微生物菌劑處理時，秸稈降解率可顯著提高，因此，后續可結合生物預處理方法，對甘蔗葉進行混合預處理技術研究，進一步增強預處理效果。

綜合以上分析認為，采用酸、堿預處理甘蔗葉進行沼氣干法厭氧發酵，堿預處理效果最好，當NaOH濃度為2%時，甘蔗葉發酵40 d的總產氣量為1 223 L，最高甲烷含量為62.1%，纖維素降解率可達56.15%。本研究結果對甘蔗葉沼氣利用具有一定的指導作用。

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