甘蔗叶预处理产沼气试验分析

焦静　王金丽　郑勇　郭昌进　黄小红　杜嵇华

摘 要 甘蔗叶含有大量纤维素，难于直接被厌氧微生物利用，降低了干法厌氧发酵技术处理甘蔗叶产沼气的效率。试验采用氢氧化钠和纤维素酶对甘蔗叶进行预处理，以破坏甘蔗叶纤维素结构，加快厌氧发酵进程。结果表明：采用2%氢氧化钠溶液对甘蔗叶进行预处理，发酵启动速度快，发酵40 d总产气量为1 209 L，是对照组的2.25倍，纤维素降解率达到55.87%，有效促进了甘蔗叶的厌氧消化。采用1%纤维素酶预处理甘蔗叶进行沼气发酵，产气量、甲烷含量等各项指标虽然均高于对照组，但与2%氢氧化钠预处理相比，促进效果不明显。

关键词 甘蔗叶；干法厌氧发酵；预处理；纤维素；沼气

中图分类号：S216.4；S216.2 文献标志码：A 文章编号：1673-890X（2015）33-00-03

我国是农业大国，每年产生的农作物秸秆约7亿t[1-2]，农作物秸秆蕴含着丰富的生物质能，但目前除了少量作为饲料和直接还田外，大部分农作物秸秆直接在田间地头焚烧，不仅污染环境，而且造成了资源的巨大浪费。秸秆中营养物质丰富，是生产沼气的优良原料，如果1 kg秸秆转化为沼气燃烧，可使秸秆的有效热值提高到64%[3-4]。然而，由于秸秆中纤维素、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，造成沼气发酵启动慢、产气率低，周期较长[5-7]。康佳丽等[8]采用4%～10%的氢氧化钠对麦秸进行预处理，可显著提高麦秸沼气发酵的总产气量。李海红等[9]采用复合菌剂预处理玉米秆、小麦秆和稻草，可以提高秸秆的产气速率和产甲烷量。由此可见，预处理可以改变秸秆天然纤维素的结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，增加原料的疏松性以增加作用面积，促进秸秆的厌氧消化。本研究以我国热带地区大宗的农业废弃物甘蔗叶为发酵原料，在前期研究获得的碱液和纤维素酶预处理的最佳条件下，以产气量、甲烷含量和纤维素降解率等为考察指标，进行验证试验，并分析比较不同预处理方式对甘蔗叶产沼气效果的影响，为探寻最适合甘蔗叶厌氧发酵的预处理方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验原料：甘蔗叶，取自湛江市湖光农场，粉碎成3～5 cm的不规则小段，其总固体质量分数为87%；猪粪，取自湛江市麻章区志满镇个体养猪场，其总固体质量分数为25%。接种物：前期试验室发酵底物，总固体质量分数为5 %。试剂药品：氢氧化钠、碳酸氢铵和纤维素酶（中温酶）。

1.2 方法

氢氧化钠预处理：称取甘蔗叶1.72 kg（干物质含量1.5 kg），加入3 500 mL氢氧化钠溶液（浓度2%），在常温下浸润7 d，然后再加入猪粪6 kg（与甘蔗叶干物质比1∶1），加入接种物6 kg和适量水，用碳酸氢铵调节碳氮比，搅拌后装罐，发酵温度38 ℃，发酵时间40 d，做两组平行试验。

纤维素酶预处理：称取甘蔗叶1.72 kg（干物质含量1.5 kg），加入1%的纤维素酶进行预处理，预处理温度50 ℃，预处理后的物料加入猪粪6 kg（与甘蔗叶干物质比1∶1），加入接种物6 kg和适量水，用碳酸氢铵调节碳氮比，搅拌后装罐，发酵温度38 ℃，发酵时间40 d，做2组平行试验。

同时做没有预处理的对照试验。

测试指标及测定方法见表1。

1.3 试验装置

本试验所用试验装置为可控性水浴恒温厌氧发酵装置，罐内容积44 L，装料体积30 L。主要由罐体、加热保温系统和沼气计量系统组成，如图1所示。

1.温度控制仪；2.水；3.加热器；4.保温材料；5.温度传感器；6.排气阀；7.胶管；8.透明橡胶管；9.发酵原料；10.流量计

图1 厌氧发酵装置

2 结果与分析

2.1 日产气量

采用不同方式预处理甘蔗叶后，沼气日产气量如图2所示。从图中可以看出，各组均可正常启动，但启动速度氢氧化钠组>纤维素酶组>对照组，各组总体产气趋势较为一致，产气高峰均出现在发酵前半段时间。其中，2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第16 天，为59 L；1%纤维素酶预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第12 d，为32 L；未经过预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第9 d，为27.8 L。从日产气量和产气趋势上看，2%氢氧化钠预处理组明显好于其他两组，且发酵后期日产气量仍然维持在较高水平。

图2 日产气量

2.2 总产气量

由图3可以看出，在40 d的发酵周期内，2%氢氧化钠预处理组的总产气量最高，为1 209 L；1%纤维素酶预处理组的总产气量其次，为637.7 L；对照组的总产气量最低，为536.3 L。2%氢氧化钠预处理组和1%纤维素酶预处理组分别比对照组高672.7 L和101.4 L。由此可见，对甘蔗叶进行预处理能提高产沼气量，且采用氢氧化钠预处理效果最好，总产气量是对照组的2.25倍。

图3 总产气量

2.3 容积产气量

容积产气率是沼气发酵系统运行好坏的一个重要指标，容积产气率越大，单位体积单位时间内所产沼气就越多。从图4可以看出，以40 d发酵时间计，2 %氢氧化钠预处理组的容积产气率为0.69 m3/（m3·d），比对照组高0.39 m3/（m3·d）；1%纤维素酶预处理组的容积产气率为0.36 m3/（m3·d），比对照组高0.06 m3/（m3·d）。可见，在相同的反应容积内，经过2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶产沼气量最多，这也说明，要获得相同的产气量，采用2%氢氧化钠预处理甘蔗叶，所需的发酵罐体积最小，更节省空间。

图4 容积产气率

2.4 阶段产气量

由图2可以看出，在发酵过程中，各组产气高峰均出现在发酵前半段时间，因此，分阶段对产气量进行对比，如表2所示。由表2可以看出，在发酵前20 d，2%氢氧化钠预处理组，1%纤维素酶组和对照组产气量占总产气量的比例分别为：67.41%、71.8 %和68.17%；在发酵前30 d，2%氢氧化钠预处理组，1%纤维素酶组和对照组产气量占总产气量的比例分别为：89.33%、87.93%和88.31%。由此可知，在30 d的发酵时间内，各组已经获得85%以上的总沼气产量，发酵后10 d的产气贡献不大，因此可以将发酵周期缩短至30 d。

2.5 甲烷含量

从图5可以看出，各组的甲烷含量分别为60.2%、53.5%和51.3%。其中，2%氢氧化钠预处理组最高，对照组最低，这与产气量结果一致。说明甘蔗叶经氢氧化钠和纤维素酶预处理后，纤维结构被破坏，使甘蔗叶能更好地被发酵体系中的微生物利用，增加了产沼气微生物可利用的底物，促进了沼气的生成，且经2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶所产沼气质量最好。

图5 甲烷含量

2.6 纤维素降解率

对发酵前后原料的纤维素含量进行测定，结果如图6所示，2%氢氧化钠组的纤维素降解率为55.87%，比对照组高35.84%，1%纤维素酶组的纤维素降解率为24.92%，比对照组高4.89%。可见厌氧微生物对预处理甘蔗叶的利用率要高于未预处理的甘蔗叶，预处理可有效促进甘蔗叶纤维素降解，但经1%纤维素酶预处理的甘蔗叶纤维素降解率相对较低。

图6 纤维素降解率

3 结论与讨论

预处理是提高秸秆利用率和产气率的一种有效手段，不同的预处理方式，对甘蔗叶的作用效果不同。采用2%氢氧化钠溶液对甘蔗叶进行预处理，发酵启动速度快，在发酵第2 天的日产气量就达到了36 L，远高于对照组，发酵40 d总产气量为1 209 L，是对照组的2.25倍，纤维素降解率达到55.87%，预处理效果良好，这与蒋建国等[6]的研究结果一致，说明碱液能够充分作用于甘蔗叶，破坏了甘蔗叶纤维素的结晶结构，使之变得更容易被消化利用，从而达到提高甘蔗叶消化率的目的。采用1%纤维素酶预处理甘蔗叶进行沼气发酵，产气量、甲烷含量等各项指标虽然均高于对照组，但与2%氢氧化钠预处理相比，促进效果不明显，这与白洁瑞等[10]研究结果有差异，说明针对不同的农作物秸秆，纤维素酶的处理效果有所不同，需要针对发酵原料的特性，选择最佳的预处理方式。

碱预处理效率高，但如果大量使用会对环境造成二次污染；纤维素酶预处理条件温和、无污染，但处理效率低。如果要进行规模化沼气生产，需要进一步集成各预处理方法的优点，形成联合预处理技术，以提高甘蔗叶降解转化，促进甘蔗叶干发酵技术的推广应用。

参考文献

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[9]李海红，常华，袁月祥，等.复合菌剂预处理对秸秆厌氧发酵的影响[J].西北大学学报：自然科学版，2012，42（6）：949-952.

[10]白洁瑞，李轶冰，郭欧燕，等.不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响[J].农业工程学报，2009，25（2）：188-193.

（责任编辑：刘昀）