含水率对甘蔗叶干法发酵产沼气效果的影响

黄小红+王金丽+焦静+郑勇+郭昌进+王刚

摘 要 以甘蔗为原料，研究了含水率对干法厌氧发酵产沼气效果的影响。结果表明：发酵物料含水率越高，总产气量越大，单位干物质产气量越高。发酵原料含水率为81 %时，发酵30 d的总产气量最高，达到19 550 mL，单位干物质产气量为158.35 mL/g，甲烷含量61.06 %，相对其他2个处理而言，更有利于甘蔗叶干法厌氧发酵的进行。本研究结果为甘蔗叶干法沼气工程工艺设计提供了理论依据。

关键词 甘蔗叶 ；干法沼气发酵 ；含水率 ；产气效果

中图分类号 S216.2

Effects of Moisture Content on Biogas Production by Dry Anaerobic Fermentation of Sugarcane Leaves

HUANG Xiaohong WANG Jinli JIAO Jing ZHENG Yong GUO Changjin WANG Gang

（Institute of Agricultural Machinery， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091）

Abstract The effect of moisture content on biogas production from sugarcane leaves was studied. The results showed that： when the moisture content of raw material was greater， the total gas production and the unit TS gas production was better. When the moisture content was 81%， the gas yield reached the maximum of 19 550 mL in 30 days， the gas production rate of dry matter was 158.35 mL/g and the methane content was 61.06%. Therefore， 81% moisture content in favor of sugarcane leaves to carry out dry anaerobic fermentation. The experimental results had provided basis parameters for the process design of dry anaerobic fermentation project.

Key words sugarcane leaves ； dry anaerobic fermentation ； moisture content ； biogas production

甘蔗叶是甘蔗收获后的剩余物，一般占甘蔗产量的12 %-20 %[1]。据统计，中国2013年甘蔗种植面积为186.67万hm2[2]，但是甘蔗叶的利用率却很低。传统的处理方式是遗弃田间地头或者被农民焚烧后作为还田的肥料，只有极少数被充分利用。甘蔗叶的利用途径有肥料化（焚烧还田和直接粉碎还田[3-5]）、饲料化[6]和沼气化[7-9]等，由于田间作业的差异性，甘蔗叶直接粉碎还田的非常有限；甘蔗叶水分含量低，蛋白质含量少等，营养不均衡，饲料化利用难。与玉米秸秆相比，甘蔗叶碳含量高达10 %[10]，是生产沼气的优良原料，通过干法厌氧发酵技术可以将废弃的甘蔗叶转化成新能源，可用于燃烧供热或发电，对于获取新型能源和控制农村能源污染都有积极意义。但是蔗叶中纤维素、半纤维素、木质素的含量较高，且这些大分子互相缠结、不易降解、使产甲烷菌难以获得所需的小分子有机物，故产沼气效率低，周期较长[11-12]，直接影响甘蔗叶发酵产沼气的运行管理方式和效益。

干法沼气发酵是指发酵原料呈固态，虽然含水丰富，但没有或几乎没有自由流动水的沼气厌氧微生物发酵过程，它与湿发酵相比主要优点是节约用水，污染物排放少、发酵剩余物处理费用低等，是一种很有前景的技术途径。干法发酵产沼气过程的工艺参数，是保证发酵制备沼气系统的安全、经济和高效运行的主要条件。一般认为，干法发酵的干物质浓度>15 %[13]。目前，国内对于干法发酵技术不同含水率控制研究较少，课题组根据甘蔗叶自身的特点，研究甘蔗叶在不同含水率条件下的干法厌氧发酵的产气特性，以期找到最适宜甘蔗叶厌氧发酵的条件，对甘蔗叶厌氧发酵技术具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料

甘蔗叶：来源于湛江市麻章区甘蔗收获后的干黄叶，打捆保存，使用时用粉碎机粉碎成1-5 cm小段（含水量13.00 %，C %为67.85 %，N %为0.46 %）。

猪粪：来源于湛江市高阳个体养猪场（含水量75.00 %，C %为13.28 %，N %为0.87 %）。

接种物：来源于中国热带农业科学院农业机械研究所沼气基地正常发酵的底物（猪粪、生活污水淤泥、甘蔗叶为原料的发酵底物）。

试剂：碳酸氢铵、氢氧化钠、硫酸等。

试验装置：以容积为1 L的锥形瓶作为消化反应器，厌氧消化过程产生的气体由1 L的广口瓶收集，500 mL的锥形瓶作为集水器。装置由耐腐蚀的乳胶管连接，构成一套密闭厌氧消化装置（图1）。

试验装置加热保温采用电热恒温水浴锅。

1.2 方法

1.2.1 干法厌氧沼气发酵甘蔗叶

粉碎的甘蔗叶加适量水湿润24 h，与猪粪按1：1（干物质比）的比例混合，按含水率75 %、78 %和81 %分别加入适量水，在好氧条件下进行堆沤，堆沤温度为50-55 ℃，堆沤7 d。预处理结束后的物料加入30 %（V/V）接种物，再加入碳酸氢铵调节碳氮比为25：1，搅拌均匀后装罐，装罐系数为70 %（1 000 mL×70 %=700 mL）；温度调整至38 ℃，进行厌氧发酵，发酵时间30 d，每个处理2个重复，每天定时测量产气量，在产气高峰周期内测定各处理组气体的甲烷含量。

根据课题组以往的试验经验，初步判定了发酵后第5天至第20天为产气高峰周期。本试验分别选取了发酵第5天、发酵第10天及发酵第20天测量各处理组中气体的甲烷含量，计算3组数据的平均值。

1.2.2 测定方法

含水率：HR83水分测定仪（梅特勒-托利多）；总固体：采用105 ℃烘干法测定；总碳采用重络酸钾-外热源法测定；总氮采用凯氏定氮测定；甲烷含量采用Biogas沼气成分分析仪测定。

单位干物质产气量是指单位质量干物质在1个发酵周期（30 d）内产生的沼气量，计算公式为：

Cts=

Cts：单位干物质（TS）产气量（mL/g）；V：发酵周期（30 d）内累积产生的沼气量；W：发酵物总质量（g）；TS：发酵物TS含量（%）。

2 结果与分析

2.1 不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量和单位干物质（TS）产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量的影响见图2。由图2可知，不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量有一定的影响。含水率81 %时30 d的总产气量最高，达到19 550 mL，随着含水率的降低，总产气量下降，当含水率下降3 %时，总产气量下降444 mL；含水率下降6 %时，总产气量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %产气量。

不同含水率对甘蔗叶发酵单位干物质产气量见图3。由图3可知，75 %、78 %和81 %含水率的单位干物质产气量分别是110.09、137.46和158.35 mL/g，证明在所选含水率内，含水率越高，越有利于甘蔗叶发酵产沼气。

2.2 不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响见图4。由图4可知，75 %含水率的处理组在干发酵开始后的第5天就达到了最高产气峰值1 418 mL，产气高峰来得最早；78 %及81 %的含水率样品分别在第10天和第8天达到最高产气峰值1 560、1 613 mL。在30 d的产气周期内，75 %、78 %和81 %三个处理的日产气量>1 000 mL（视为高峰产气周期）的分别有13、12、13 d，产气量为15 104、15 898、17 751 mL，分别占总产气量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰产气周期长（13 d），高峰产期周期内的产气量高，最适合甘蔗叶干法发酵产沼气。物料含水率为78 %时，最高产气高峰值较晚，且高峰产气周期相对较短（1 d），但是从发酵的第6天开始，每天的产气量均高于75 %的含水率处理组，在高峰产气周期内的产气量较大。75 %含水率的处理组产气高峰值出现最早，但达到产气高峰值后，其产气量下降速度较快，高峰产气周期内产气量小，不利于沼气的积累。

2.3 不同含水率对甘蔗叶发酵产甲烷含量的影响

由图5可知，含水率81 %时对甘蔗叶发酵产甲烷含量最高，为61.06 %，其次是78 %，含水率75 %时甲烷含量最低（图5）。

3 结论

沼气是一种混合气体，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氢、一氧化碳、氢、氮、氧和氨气等气体[1]。含水率为75 %时，甘蔗叶发酵总产气量比含水率为81 %时少2 245 mL，约为产气高峰阶段内的2 d产气量。这可能是因为原料的含水率越低越容易阻碍菌种繁殖、发酵底物的热质传递等，使物料与菌种之间无法充分接触造成。

在干法中温厌氧发酵产沼气试验中，甘蔗叶发酵物料含水率增加，产沼气量增多，单位干物质产气量增加，高峰维持周期长。本试验中，原料含水率在81 %时，总产气量最高，为19 550 mL，高峰产气周期13 d，沼气中甲烷含量最大，为61.06 %，与78 %、75 %含水率原料比较，更适合用于甘蔗叶干法发酵产沼气。该结果为甘蔗叶的干法沼气工程工艺设计提供了理论依据。

参考文献

[1] 焦 静，王金丽，邓怡国，等.草粪比对甘蔗叶干法厌氧发酵产气效果的影响[J]. 广东农业科学，2010（1）：51-54.

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[4] 林姣艳，黄朱业，覃莉莎.蔗叶还田与焚烧对改良土壤效果试验[J]. 广西蔗糖，2005（3）：18-20.

[5] 卢敬铭，李 明，韦丽娇，等.甘蔗叶粉碎还田技术推广存在的现状及对策[J]. 热带农业工程，2012，3（6）：43-45.

[6] 刘运宁，刘 沛.一种以甘蔗叶或甘蔗渣为原料的牛羊饲料：中国，CN103478464A[P]. 2014-01-01.

[7] 王金丽，焦 静，张 劲，等.甘蔗叶干法厌氧发酵工艺研究[J]. 农业机械学报，2011，42（3）：109-114.

[8] 焦 静，王金丽，郑 勇，等.纤维素酶预处理对甘蔗叶产沼气研究[J]. 广东农业科学，2012，39（24）：202-204.

[9] 焦 静，王金丽，郑 勇，等.化学预处理对甘蔗叶厌氧发酵产沼气的影响[J]. 热带作物学报，2014，35（4）：779-783.

[10] 郭昌进，杨 喜，王金丽，等.基于ANSYS Workbench的甘蔗叶粉碎机机架模态分析[J]. 农机化研究，2014（8）：23-26.

[11] 边 义，刘庆玉，李金洋. 玉米秸秆干发酵制取沼气的试验[J]. 沈阳农业大学学报，2007，38（3）：440-442.

[12] Walter J W. Anaerobic dry fermentation [J]. Biotechnology & Bioengineering Symp， 1980，10：43-65.

[13] 林 峰.农作物秸秆干式厌氧发酵特性的研究[D]. 南京：南京师范大学，2013.

根据课题组以往的试验经验，初步判定了发酵后第5天至第20天为产气高峰周期。本试验分别选取了发酵第5天、发酵第10天及发酵第20天测量各处理组中气体的甲烷含量，计算3组数据的平均值。

1.2.2 测定方法

含水率：HR83水分测定仪（梅特勒-托利多）；总固体：采用105 ℃烘干法测定；总碳采用重络酸钾-外热源法测定；总氮采用凯氏定氮测定；甲烷含量采用Biogas沼气成分分析仪测定。

单位干物质产气量是指单位质量干物质在1个发酵周期（30 d）内产生的沼气量，计算公式为：

Cts=

Cts：单位干物质（TS）产气量（mL/g）；V：发酵周期（30 d）内累积产生的沼气量；W：发酵物总质量（g）；TS：发酵物TS含量（%）。

2 结果与分析

2.1 不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量和单位干物质（TS）产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量的影响见图2。由图2可知，不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量有一定的影响。含水率81 %时30 d的总产气量最高，达到19 550 mL，随着含水率的降低，总产气量下降，当含水率下降3 %时，总产气量下降444 mL；含水率下降6 %时，总产气量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %产气量。

不同含水率对甘蔗叶发酵单位干物质产气量见图3。由图3可知，75 %、78 %和81 %含水率的单位干物质产气量分别是110.09、137.46和158.35 mL/g，证明在所选含水率内，含水率越高，越有利于甘蔗叶发酵产沼气。

2.2 不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响见图4。由图4可知，75 %含水率的处理组在干发酵开始后的第5天就达到了最高产气峰值1 418 mL，产气高峰来得最早；78 %及81 %的含水率样品分别在第10天和第8天达到最高产气峰值1 560、1 613 mL。在30 d的产气周期内，75 %、78 %和81 %三个处理的日产气量>1 000 mL（视为高峰产气周期）的分别有13、12、13 d，产气量为15 104、15 898、17 751 mL，分别占总产气量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰产气周期长（13 d），高峰产期周期内的产气量高，最适合甘蔗叶干法发酵产沼气。物料含水率为78 %时，最高产气高峰值较晚，且高峰产气周期相对较短（1 d），但是从发酵的第6天开始，每天的产气量均高于75 %的含水率处理组，在高峰产气周期内的产气量较大。75 %含水率的处理组产气高峰值出现最早，但达到产气高峰值后，其产气量下降速度较快，高峰产气周期内产气量小，不利于沼气的积累。

2.3 不同含水率对甘蔗叶发酵产甲烷含量的影响

由图5可知，含水率81 %时对甘蔗叶发酵产甲烷含量最高，为61.06 %，其次是78 %，含水率75 %时甲烷含量最低（图5）。

3 结论

沼气是一种混合气体，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氢、一氧化碳、氢、氮、氧和氨气等气体[1]。含水率为75 %时，甘蔗叶发酵总产气量比含水率为81 %时少2 245 mL，约为产气高峰阶段内的2 d产气量。这可能是因为原料的含水率越低越容易阻碍菌种繁殖、发酵底物的热质传递等，使物料与菌种之间无法充分接触造成。

在干法中温厌氧发酵产沼气试验中，甘蔗叶发酵物料含水率增加，产沼气量增多，单位干物质产气量增加，高峰维持周期长。本试验中，原料含水率在81 %时，总产气量最高，为19 550 mL，高峰产气周期13 d，沼气中甲烷含量最大，为61.06 %，与78 %、75 %含水率原料比较，更适合用于甘蔗叶干法发酵产沼气。该结果为甘蔗叶的干法沼气工程工艺设计提供了理论依据。

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[13] 林 峰.农作物秸秆干式厌氧发酵特性的研究[D]. 南京：南京师范大学，2013.

根据课题组以往的试验经验，初步判定了发酵后第5天至第20天为产气高峰周期。本试验分别选取了发酵第5天、发酵第10天及发酵第20天测量各处理组中气体的甲烷含量，计算3组数据的平均值。

1.2.2 测定方法

含水率：HR83水分测定仪（梅特勒-托利多）；总固体：采用105 ℃烘干法测定；总碳采用重络酸钾-外热源法测定；总氮采用凯氏定氮测定；甲烷含量采用Biogas沼气成分分析仪测定。

单位干物质产气量是指单位质量干物质在1个发酵周期（30 d）内产生的沼气量，计算公式为：

Cts=

Cts：单位干物质（TS）产气量（mL/g）；V：发酵周期（30 d）内累积产生的沼气量；W：发酵物总质量（g）；TS：发酵物TS含量（%）。

2 结果与分析

2.1 不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量和单位干物质（TS）产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量的影响见图2。由图2可知，不同含水率对甘蔗叶发酵总产气量有一定的影响。含水率81 %时30 d的总产气量最高，达到19 550 mL，随着含水率的降低，总产气量下降，当含水率下降3 %时，总产气量下降444 mL；含水率下降6 %时，总产气量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %产气量。

不同含水率对甘蔗叶发酵单位干物质产气量见图3。由图3可知，75 %、78 %和81 %含水率的单位干物质产气量分别是110.09、137.46和158.35 mL/g，证明在所选含水率内，含水率越高，越有利于甘蔗叶发酵产沼气。

2.2 不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响

不同含水率对甘蔗叶发酵日产气量的影响见图4。由图4可知，75 %含水率的处理组在干发酵开始后的第5天就达到了最高产气峰值1 418 mL，产气高峰来得最早；78 %及81 %的含水率样品分别在第10天和第8天达到最高产气峰值1 560、1 613 mL。在30 d的产气周期内，75 %、78 %和81 %三个处理的日产气量>1 000 mL（视为高峰产气周期）的分别有13、12、13 d，产气量为15 104、15 898、17 751 mL，分别占总产气量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰产气周期长（13 d），高峰产期周期内的产气量高，最适合甘蔗叶干法发酵产沼气。物料含水率为78 %时，最高产气高峰值较晚，且高峰产气周期相对较短（1 d），但是从发酵的第6天开始，每天的产气量均高于75 %的含水率处理组，在高峰产气周期内的产气量较大。75 %含水率的处理组产气高峰值出现最早，但达到产气高峰值后，其产气量下降速度较快，高峰产气周期内产气量小，不利于沼气的积累。

2.3 不同含水率对甘蔗叶发酵产甲烷含量的影响

由图5可知，含水率81 %时对甘蔗叶发酵产甲烷含量最高，为61.06 %，其次是78 %，含水率75 %时甲烷含量最低（图5）。

3 结论

沼气是一种混合气体，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氢、一氧化碳、氢、氮、氧和氨气等气体[1]。含水率为75 %时，甘蔗叶发酵总产气量比含水率为81 %时少2 245 mL，约为产气高峰阶段内的2 d产气量。这可能是因为原料的含水率越低越容易阻碍菌种繁殖、发酵底物的热质传递等，使物料与菌种之间无法充分接触造成。

在干法中温厌氧发酵产沼气试验中，甘蔗叶发酵物料含水率增加，产沼气量增多，单位干物质产气量增加，高峰维持周期长。本试验中，原料含水率在81 %时，总产气量最高，为19 550 mL，高峰产气周期13 d，沼气中甲烷含量最大，为61.06 %，与78 %、75 %含水率原料比较，更适合用于甘蔗叶干法发酵产沼气。该结果为甘蔗叶的干法沼气工程工艺设计提供了理论依据。

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