甘蔗葉預處理產沼氣試驗分析

焦靜　王金麗　鄭勇　郭昌進　黃小紅　杜嵇華

摘 要 甘蔗葉含有大量纖維素，難于直接被厭氧微生物利用，降低了干法厭氧發酵技術處理甘蔗葉產沼氣的效率。試驗采用氫氧化鈉和纖維素酶對甘蔗葉進行預處理，以破壞甘蔗葉纖維素結構，加快厭氧發酵進程。結果表明：采用2%氫氧化鈉溶液對甘蔗葉進行預處理，發酵啟動速度快，發酵40 d總產氣量為1 209 L，是對照組的2.25倍，纖維素降解率達到55.87%，有效促進了甘蔗葉的厭氧消化。采用1%纖維素酶預處理甘蔗葉進行沼氣發酵，產氣量、甲烷含量等各項指標雖然均高于對照組，但與2%氫氧化鈉預處理相比，促進效果不明顯。

關鍵詞 甘蔗葉；干法厭氧發酵；預處理；纖維素；沼氣

中圖分類號：S216.4；S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-890X（2015）33-00-03

我國是農業大國，每年產生的農作物秸稈約7億t[1-2]，農作物秸稈蘊含著豐富的生物質能，但目前除了少量作為飼料和直接還田外，大部分農作物秸稈直接在田間地頭焚燒，不僅污染環境，而且造成了資源的巨大浪費。秸稈中營養物質豐富，是生產沼氣的優良原料，如果1 kg秸稈轉化為沼氣燃燒，可使秸稈的有效熱值提高到64%[3-4]。然而，由于秸稈中纖維素、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，造成沼氣發酵啟動慢、產氣率低，周期較長[5-7]?？导邀惖萚8]采用4%～10%的氫氧化鈉對麥秸進行預處理，可顯著提高麥秸沼氣發酵的總產氣量。李海紅等[9]采用復合菌劑預處理玉米稈、小麥稈和稻草，可以提高秸稈的產氣速率和產甲烷量。由此可見，預處理可以改變秸稈天然纖維素的結構，破壞纖維素-木質素-半纖維素之間的連接，增加原料的疏松性以增加作用面積，促進秸稈的厭氧消化。本研究以我國熱帶地區大宗的農業廢棄物甘蔗葉為發酵原料，在前期研究獲得的堿液和纖維素酶預處理的最佳條件下，以產氣量、甲烷含量和纖維素降解率等為考察指標，進行驗證試驗，并分析比較不同預處理方式對甘蔗葉產沼氣效果的影響，為探尋最適合甘蔗葉厭氧發酵的預處理方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗原料：甘蔗葉，取自湛江市湖光農場，粉碎成3～5 cm的不規則小段，其總固體質量分數為87%；豬糞，取自湛江市麻章區志滿鎮個體養豬場，其總固體質量分數為25%。接種物：前期試驗室發酵底物，總固體質量分數為5 %。試劑藥品：氫氧化鈉、碳酸氫銨和纖維素酶（中溫酶）。

1.2 方法

氫氧化鈉預處理：稱取甘蔗葉1.72 kg（干物質含量1.5 kg），加入3 500 mL氫氧化鈉溶液（濃度2%），在常溫下浸潤7 d，然后再加入豬糞6 kg（與甘蔗葉干物質比1∶1），加入接種物6 kg和適量水，用碳酸氫銨調節碳氮比，攪拌后裝罐，發酵溫度38 ℃，發酵時間40 d，做兩組平行試驗。

纖維素酶預處理：稱取甘蔗葉1.72 kg（干物質含量1.5 kg），加入1%的纖維素酶進行預處理，預處理溫度50 ℃，預處理后的物料加入豬糞6 kg（與甘蔗葉干物質比1∶1），加入接種物6 kg和適量水，用碳酸氫銨調節碳氮比，攪拌后裝罐，發酵溫度38 ℃，發酵時間40 d，做2組平行試驗。

同時做沒有預處理的對照試驗。

測試指標及測定方法見表1。

1.3 試驗裝置

本試驗所用試驗裝置為可控性水浴恒溫厭氧發酵裝置，罐內容積44 L，裝料體積30 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.溫度控制儀；2.水；3.加熱器；4.保溫材料；5.溫度傳感器；6.排氣閥；7.膠管；8.透明橡膠管；9.發酵原料；10.流量計

圖1 厭氧發酵裝置

2 結果與分析

2.1 日產氣量

采用不同方式預處理甘蔗葉后，沼氣日產氣量如圖2所示。從圖中可以看出，各組均可正常啟動，但啟動速度氫氧化鈉組>纖維素酶組>對照組，各組總體產氣趨勢較為一致，產氣高峰均出現在發酵前半段時間。其中，2%氫氧化鈉預處理的甘蔗葉日產沼氣最大值出現在發酵第16 天，為59 L；1%纖維素酶預處理的甘蔗葉日產沼氣最大值出現在發酵第12 d，為32 L；未經過預處理的甘蔗葉日產沼氣最大值出現在發酵第9 d，為27.8 L。從日產氣量和產氣趨勢上看，2%氫氧化鈉預處理組明顯好于其他兩組，且發酵后期日產氣量仍然維持在較高水平。

圖2 日產氣量

2.2 總產氣量

由圖3可以看出，在40 d的發酵周期內，2%氫氧化鈉預處理組的總產氣量最高，為1 209 L；1%纖維素酶預處理組的總產氣量其次，為637.7 L；對照組的總產氣量最低，為536.3 L。2%氫氧化鈉預處理組和1%纖維素酶預處理組分別比對照組高672.7 L和101.4 L。由此可見，對甘蔗葉進行預處理能提高產沼氣量，且采用氫氧化鈉預處理效果最好，總產氣量是對照組的2.25倍。

圖3 總產氣量

2.3 容積產氣量

容積產氣率是沼氣發酵系統運行好壞的一個重要指標，容積產氣率越大，單位體積單位時間內所產沼氣就越多。從圖4可以看出，以40 d發酵時間計，2 %氫氧化鈉預處理組的容積產氣率為0.69 m3/（m3·d），比對照組高0.39 m3/（m3·d）；1%纖維素酶預處理組的容積產氣率為0.36 m3/（m3·d），比對照組高0.06 m3/（m3·d）?？梢姡谙嗤姆磻莘e內，經過2%氫氧化鈉預處理的甘蔗葉產沼氣量最多，這也說明，要獲得相同的產氣量，采用2%氫氧化鈉預處理甘蔗葉，所需的發酵罐體積最小，更節省空間。

圖4 容積產氣率

2.4 階段產氣量

由圖2可以看出，在發酵過程中，各組產氣高峰均出現在發酵前半段時間，因此，分階段對產氣量進行對比，如表2所示。由表2可以看出，在發酵前20 d，2%氫氧化鈉預處理組，1%纖維素酶組和對照組產氣量占總產氣量的比例分別為：67.41%、71.8 %和68.17%；在發酵前30 d，2%氫氧化鈉預處理組，1%纖維素酶組和對照組產氣量占總產氣量的比例分別為：89.33%、87.93%和88.31%。由此可知，在30 d的發酵時間內，各組已經獲得85%以上的總沼氣產量，發酵后10 d的產氣貢獻不大，因此可以將發酵周期縮短至30 d。

2.5 甲烷含量

從圖5可以看出，各組的甲烷含量分別為60.2%、53.5%和51.3%。其中，2%氫氧化鈉預處理組最高，對照組最低，這與產氣量結果一致。說明甘蔗葉經氫氧化鈉和纖維素酶預處理后，纖維結構被破壞，使甘蔗葉能更好地被發酵體系中的微生物利用，增加了產沼氣微生物可利用的底物，促進了沼氣的生成，且經2%氫氧化鈉預處理的甘蔗葉所產沼氣質量最好。

圖5 甲烷含量

2.6 纖維素降解率

對發酵前后原料的纖維素含量進行測定，結果如圖6所示，2%氫氧化鈉組的纖維素降解率為55.87%，比對照組高35.84%，1%纖維素酶組的纖維素降解率為24.92%，比對照組高4.89%?？梢妳捬跷⑸飳︻A處理甘蔗葉的利用率要高于未預處理的甘蔗葉，預處理可有效促進甘蔗葉纖維素降解，但經1%纖維素酶預處理的甘蔗葉纖維素降解率相對較低。

圖6 纖維素降解率

3 結論與討論

預處理是提高秸稈利用率和產氣率的一種有效手段，不同的預處理方式，對甘蔗葉的作用效果不同。采用2%氫氧化鈉溶液對甘蔗葉進行預處理，發酵啟動速度快，在發酵第2 天的日產氣量就達到了36 L，遠高于對照組，發酵40 d總產氣量為1 209 L，是對照組的2.25倍，纖維素降解率達到55.87%，預處理效果良好，這與蔣建國等[6]的研究結果一致，說明堿液能夠充分作用于甘蔗葉，破壞了甘蔗葉纖維素的結晶結構，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。采用1%纖維素酶預處理甘蔗葉進行沼氣發酵，產氣量、甲烷含量等各項指標雖然均高于對照組，但與2%氫氧化鈉預處理相比，促進效果不明顯，這與白潔瑞等[10]研究結果有差異，說明針對不同的農作物秸稈，纖維素酶的處理效果有所不同，需要針對發酵原料的特性，選擇最佳的預處理方式。

堿預處理效率高，但如果大量使用會對環境造成二次污染；纖維素酶預處理條件溫和、無污染，但處理效率低。如果要進行規模化沼氣生產，需要進一步集成各預處理方法的優點，形成聯合預處理技術，以提高甘蔗葉降解轉化，促進甘蔗葉干發酵技術的推廣應用。

參考文獻

[1]劉琪，馬興元，馬君.生物質能源干式厭氧發酵預處理的研究進展[J].能源環境保護，2011，25（4）：5-9.

[2]閆志英，袁月祥，劉曉風，等.復合菌劑預處理秸稈產沼氣[J].四川農業大學學報，2009，27（2）：176-179.

[3]黃如一，何萬寧，唐和建，等.秸稈預處理產沼氣對比試驗[J].中國沼氣，2008，26（4）：24-26.

[4]李世密，魏雅潔，張曉建，等.秸稈類木質纖維素原料厭氧發酵產沼氣研究[J].可再生能源，2008，26（1）：51-54.

[5]邊義，劉慶玉，李金洋.玉米秸稈干發酵制取沼氣的試驗[J].沈陽農業大學學報，2007，38（3）：440-442.

[6]蔣建國，趙振振，杜雪娟，等.秸稈高固體厭氧消化預處理試驗研究[J].環境科學，2007，28（4）：886-890.

[7]陳洪章，李佐虎.木質纖維原料組分分離的研究 [J].纖維素科學與技術，2003，11（4）：31-40.

[8]康佳麗，李秀金，朱保寧，等.氫氧化鈉固態化學預處理對麥秸沼氣發酵效率的影響研究[J].農業環境科學學報，2007，26（5）：1973-1976.

[9]李海紅，常華，袁月祥，等.復合菌劑預處理對秸稈厭氧發酵的影響[J].西北大學學報：自然科學版，2012，42（6）：949-952.

[10]白潔瑞，李軼冰，郭歐燕，等.不同溫度條件糞稈結構配比及尿素、纖維素酶對沼氣產量的影響[J].農業工程學報，2009，25（2）：188-193.

（責任編輯：劉昀）