蒸汽爆破预处理提高香蕉茎秆厌氧消化产气性能研究

郑丽丽　艾斌凌　王必尊　金志强　盛占武

摘 要 为有效利用香蕉茎秆资源，提高厌氧消化效率，采用蒸汽爆破法对香蕉茎秆固体剩余物进行预处理，探讨不同预处理条件对香蕉茎秆厌氧消化产气性能的影响。试验结果表明：当汽爆压力为3.0 MPa时，30 d累积产气量、甲烷产量达最高，为4 130、2 350 mL，分别比对照组（累积产气量3 040 mL，甲烷量1 371 mL）提高35.8%和71.4%；单位干物质产气量达413 mL/g TS，单位干物质产甲烷量235 mL/g TS；蒸汽爆破预处理可有效提高香蕉茎秆产气潜力。

关键词 蒸汽爆破 ；预处理 ；香蕉茎秆 ；厌氧消化 ；产气潜力

分类号 S216.4 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.01.013

Abstract Rich resources of banana stem （BS） are typical organic wastes in tropical regions and are ignored for a long time. In fact， they can be used to produce bio-gas by anaerobic digestion as corn stalks， wheat stalks and so on. Recycling and stabilization of wastes of stalks through anaerobic digestion is a better approach for treatment than aerobic treatment or composting. For enhancing utilization of banana stalks and improving the biogas production efficiency. The objective of this research was to propose and investigate the availability of digested banana stem （BS） to produce biogas. In this study， BS were pretreated by steam explosion with different explosion pressure，Investigate the effects on anaerobic digestion performance with BS and swine manure （SM）. The results show that the capability of biogas production after pretreatment. Anaerobic digestion experiments were operated at （35±2）℃ for 30 days， and only SM was taken as the control. Analysis results of anaerobic digestion experiment show that the explosion pressure was 3.0 MPa， the biogas and methane yields loading were 4 130 mL and 2 350 mL which were 35.8% and 71.4% higher than the untreated control （biogas 3 040 mL， methane 1 371 mL）. Based on TS were 413 mL/g TS and 235 mL/g TS respectively. Results indicated that the method of steam explosion processes could be effective methodes for using BS to produce biogas.

Keywords steam explosion ； pretreatment ； banana stalk ； anaerobic digestion ； biogas potential

据FAO（国际粮农组织）数据统计，2011年中国香蕉栽培面积40.32万hm2，产量1 070.6万t，分别占世界总额的7.6%和10.0%，排名世界第5和第2，中国已成为仅次于印度的第二大香蕉生产国[1]。香蕉果实采收后会产生几乎等量的香蕉茎秆，目前在产区大多直接废弃，不仅造成资源的极大浪费，而且污染农村和蕉园环境，日益成为香蕉产业可持续发展亟待解决的瓶颈问题[2]。香蕉茎秆是我国热区主要的农作物秸秆资源之一，数量巨大且周年生产，是优质的生物质能源化利用原料。

厌氧消化是农作物秸秆回收利用的有效途径。香蕉茎秆与其他秸秆类生物质资源相比，木质素含量高，木质素与半纤维素、纤维素相互交联，结构极其复杂，在厌氧消化的过程中，厌氧微生物无法快速将有机物成分分解和利用，直接进行厌氧消化会出现启动慢、效率低等问题。需针对生物质资源结构特点和成分组成设计开发有效合理的预处理技术，破坏其交联结构，对木质素进行预降解，增加微生物对纤维中各成分的可及度，促进木质纤维素的高效降解。常用预处理方法主要有物理法[2-5]、化学法[6-10]、生物法[11-14]以及其他联合预处理等[15-18]。国内外研究表明，蒸汽爆破法预处理秸秆具有操作简单、降解效果好等诸多优点[19-20]，是一项绿色、高效、节能的预处理手段。目前，国内外应用于香蕉茎秆预处理的方法主要是物理法（机械粉碎或研磨）和碱法（NaOH）。本文考察蒸汽爆破法在不同压力下对香蕉茎秆厌氧消化性能及产气能力的影响，为香蕉茎秆资源进一步厌氧消化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

香蕉茎秆取自海南省澄迈县福山镇，自然风干后剪碎至1～2 cm2大小备用。接种污泥采用以猪粪为原料的发酵剩余物，取自海南省澄迈县福山镇农村沼气池。原料理化特性见表1。

1.2 方法

1.2.1 试验装置

1.2.1.1 蒸汽爆破装置

蒸汽爆破装置如图1。

1.2.1.2 厌氧消化装置

厌氧消化装置由500 mL发酵瓶+1000 mL排水集气瓶+集水瓶组成，如图2所示。

1.2.2 预处理

将蒸汽爆破装置启动进行预热，蒸汽持续稳定产生后，待罐内蒸汽压力达1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 MPa维持180 s，打开阀门瞬间释放。每组设3次重复操作。

1.2.3 厌氧消化

预处理后的香蕉茎秆原料与接种污泥按1∶2（TS）投料于500 mL广口消化瓶，固体质量分数控制在10%，混合均匀置于恒温水浴锅（35±2）℃下厌氧发酵30 d，每天定时记录沼气日产气量和累积产气量，同时做对照和空白试验。对照组为相同条件下加入等量的未预处理的香蕉茎秆与接种污泥混合厌氧发酵，空白组为相同条件下只投等量的接种污泥进行厌氧发酵。沼气日产量和累积产沼气量均扣除空白组接种污泥产气量的影响计算。

1.2.4 数据统计分析

原料TS、VS重量法[22]分析，测试3次取平均值。厌氧消化过程中沼气日产量利用排水集气法置换溶液体积测定[17]，甲烷含量利用专业气体检测仪95C-CH4-IR进行检测，测试3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破预处理对香蕉茎秆厌氧消化日产气量影响

不同蒸汽爆破压力预处理后香蕉茎秆厌氧消化的日产气量变化如图3。

从图3可以发现，各组的产气量变化趋势基本相同。厌氧消化5 d内，各组同时出现了产气高峰，这可能是由于反应初期产酸菌群以茎秆中可溶性有机物为原料，在将其降解为挥发性有机酸的同时，产生了 CO2和 H2等气体所致[17]。厌氧发酵前20 d，不同压力汽爆处理日产气量较对照组偏高，尤其是蒸汽压力在2.5 MPa以上的预处理组，对照组产气高峰出现在前10 d左右，10～20 d开始迅速下降，说明原料中可以被厌氧微生物消化的物质快速消耗后，剩余原料不易被厌氧消化，导致产气量降低，经过汽爆预处理的香蕉茎秆拥有更多容易被厌氧微生物利用的物质，厌氧发酵中期10～20 d，依然保持较高的产气量。这是由于预处理组使秸秆中部分复杂有机物被降解为可溶性有机物，增加了产酸菌的底物，使产气量高于对照组[18-19]，厌氧发酵后期20～30 d，各处理组产气量均减弱甚至低于对照组，说明经30 d的厌氧消化，经预处理的茎秆原料消化较完全，对照组中的茎秆原料未消化完全[20-21]。说明蒸汽爆破预处理的生物质原料易被厌氧微生物分解，利于香蕉茎秆的厌氧消化转换成沼气[22-23]。

2.2 蒸汽爆破预处理对香蕉茎秆厌氧消化累计产气量影响

不同蒸汽爆破压力预处理后香蕉茎秆厌氧消化的累积产气量变化如图4。

除去空白组产气量影响，不同蒸汽爆破压力3.5、3.0、2.5、2.0、1.5 MPa预处理后香蕉茎秆原料30 d累积产气量分别为4 050、4 130、3 525、3 100和3 170 mL，分别比对照组3 040 mL提高33.22%、35.85%、15.95%、1.97%和4.28%，说明蒸汽压力高于2.5 MPa的预处理组可显著增加香蕉茎秆原料的产气量，其中3.0 MPa预处理组累积产气量最高，单位干物质产气量达413 mL/g，高于田梦等（365 mL/g）[24] 和欧忠庆等（273 mL/g）[25]的研究结果，说明蒸汽爆破预处理方法可以有效提高香蕉茎秆原料厌氧消化性能，提高产气量。蒸汽压力继续增加到3.5 MPa时，累积产气量没有继续提升，并伴有些许焦糊气味，说明继续增加蒸汽压力不再利于厌氧消化产气量的提升，蒸汽爆破预处理压力不宜过高（3.5 MPa）。

不同蒸汽爆破压力预处理后，香蕉茎秆累积产气量甲烷含量如表2所示。

从甲烷含量百分比来看，不同蒸汽压力预处理后对香蕉茎秆厌氧消化产气中甲烷含量影响不大（45.1～56.9），这可能是由于相同接种污泥中微生物菌群组成、分布差异不大[26]。但结合累积产气量计算出的甲烷产量来看，当蒸汽压力为3.0 MPa时，甲烷产量最高为2 350 mL，比对照组1 371 mL提高71.41%，单位干物质产甲烷量为235 mL/g TS，蒸汽压力3.5 MPa（1 887.3 mL）、2.5 MPa（1 847.1）、1.5 MPa（1 562.8 mL）、2.0 MPa（1 444.6 mL）处理组分别比对照组（1 371 mL）提高37.7%、34.7%、14.0%、5.4%，说明经过不同蒸汽爆破处理，不同程度地提高了混合原料产甲烷的量。

3 结论

经过不同蒸汽爆破预处理后，香蕉茎秆与猪粪发酵剩余物混合（35±2）℃下厌氧消化最高产气潜力达413 mL/g TS，甲烷产量235 mL/g TS（3.0 MPa处理组），分别比对照组提高35.9% 和71.4%，蒸汽爆破预处理方法有效提高香蕉茎秆厌氧消化产气潜力，提高甲烷产量更为显著。当汽爆压力为3.0 MPa时，30 d累积产气量、甲烷产量最高，分别为4 130、2 350 mL，分别比对照组（累积产气量3 040 mL，甲烷量1 371 mL）提高35.8%和71.4%，单位干物质产气量达413 mL/g TS，单位干物质产甲烷量235 mL/g TS；蒸汽爆破预处理可有效提高香蕉茎秆产气潜力。

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