焦靜等

摘 要 以甘蔗葉為發(fā)酵原料，研究采用酸、堿預(yù)處理對(duì)甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：酸、堿預(yù)處理均可提高甘蔗葉沼氣產(chǎn)量，堿預(yù)處理的產(chǎn)氣量總體好于酸預(yù)處理，甲烷含量也相對(duì)較高，堿預(yù)處理發(fā)酵后物料纖維素降解率可達(dá)56.15%。通過(guò)掃描電鏡觀察甘蔗葉的表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH預(yù)處理后，甘蔗葉表面結(jié)構(gòu)遭到較明顯的破壞，更容易被消化利用。

關(guān)鍵詞 甘蔗葉；化學(xué)預(yù)處理；產(chǎn)氣效果；纖維素降解

中圖分類號(hào) S216.4；S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)主要的糖料作物，其種植面積占中國(guó)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(qū)[1]。甘蔗葉中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，與玉米秸稈相比，碳含量高10個(gè)百分點(diǎn)，是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料[2]。目前絕大多數(shù)甘蔗葉被就地焚燒，造成大量的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染，解決好甘蔗葉利用問(wèn)題已迫在眉睫。由于甘蔗葉中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量較高，且這些大分子互相纏結(jié)，不易降解，使產(chǎn)甲烷菌難以獲得所需的小分子有機(jī)物，造成沼氣發(fā)酵效率低下，周期較長(zhǎng)[3-6]，因此有必要對(duì)甘蔗葉進(jìn)行預(yù)處理，使之成為微生物的養(yǎng)分來(lái)源。

對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理是提高秸稈利用率和產(chǎn)氣率的一種有效手段，是目前秸稈沼氣利用研究的重要內(nèi)容[7-10]。預(yù)處理秸稈的方法主要有物理、化學(xué)和生物方法[11-14]。物理法預(yù)處理技術(shù)雖能對(duì)秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(zhì)素，反應(yīng)條件溫和，但該方法反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，并且對(duì)反應(yīng)環(huán)境要求嚴(yán)格，降解效率較低；化學(xué)法預(yù)處理對(duì)反應(yīng)設(shè)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(shí)間短、耗能低、能連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn)[15]。康佳麗等[16]采用4%～10%的NaOH對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，可顯著提高麥秸沼氣發(fā)酵的總產(chǎn)氣量。李鶴等[15]將玉米秸稈經(jīng)稀酸處理和稀堿處理后進(jìn)行厭氧干發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其累積產(chǎn)氣率和甲烷含量都有所提高。

目前，秸稈預(yù)處理的研究重點(diǎn)已經(jīng)從原來(lái)的單一方法預(yù)處理向混合方法預(yù)處理轉(zhuǎn)變，成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[17]。前期筆者已經(jīng)對(duì)甘蔗葉進(jìn)行過(guò)生物預(yù)處理產(chǎn)沼氣試驗(yàn)分析，但是目前還沒(méi)有采用化學(xué)方法預(yù)處理甘蔗葉的相關(guān)研究報(bào)道。因此，在前期研究基礎(chǔ)上，本研究采用稀酸和稀堿預(yù)處理甘蔗葉，分析其產(chǎn)氣效果，以期為甘蔗葉的混合預(yù)處理提供理論依據(jù)，促進(jìn)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(nóng)場(chǎng)甘蔗收獲后的干黃葉，用粉碎機(jī)粉碎成3～5 cm的不規(guī)則小段，測(cè)其總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87%。

豬糞：取自湛江市麻章區(qū)高陽(yáng)個(gè)體養(yǎng)豬場(chǎng)，測(cè)其總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。

接種物：前期實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵底物，總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

試劑藥品：硫酸、氫氧化鈉、碳酸氫銨

1.2 方法

以總產(chǎn)氣量、最高甲烷含量、纖維素降解率以及表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)為指標(biāo)，主要考察稀硫酸濃度和稀堿濃度對(duì)甘蔗葉厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響（見(jiàn)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(yù)處理7 d。預(yù)處理后的甘蔗葉加入干物質(zhì)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(diào)節(jié)pH值至7～8，在38 ℃的條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間40 d。同時(shí)做不加稀硫酸的對(duì)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(yù)處理7 d。預(yù)處理后的甘蔗葉加入干物質(zhì)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(diào)節(jié)pH值至7～8，在38 ℃的條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間40 d。同時(shí)做不加氫氧化鈉的對(duì)照組。所有試驗(yàn)均重復(fù)2次進(jìn)行。

1.3 發(fā)酵裝置

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置是由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所制作的可控性水浴恒溫厭氧發(fā)酵裝置，罐內(nèi)容積44 L，裝料體積25 L。主要由罐體、加熱保溫系統(tǒng)和沼氣計(jì)量系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)2次，結(jié)果以平均值表示。應(yīng)用Excel 2003軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量和甲烷含量

經(jīng)不同濃度的稀硫酸預(yù)處理后，甘蔗葉總產(chǎn)氣量如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)H2SO4預(yù)處理的試驗(yàn)組均比對(duì)照組的總產(chǎn)氣量高，當(dāng)H2SO4濃度為1.0%時(shí)，產(chǎn)氣量最高，可達(dá)1 076 L，比對(duì)照組的706 L多出370 L。可見(jiàn)，采用H2SO4進(jìn)行預(yù)處理，可提高甘蔗葉產(chǎn)沼氣量。當(dāng)H2SO4濃度大于1%時(shí)，總產(chǎn)氣量隨著酸濃度的增加而降低，其原因可能是酸濃度過(guò)大對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(dāng)H2SO4濃度為1.5%時(shí)，甲烷含量最高，為64.2%，比對(duì)照組的62%高2.2%。綜合比較可見(jiàn)，當(dāng)H2SO4濃度為1.0%時(shí)，產(chǎn)氣效果最佳。

經(jīng)不同濃度的稀堿液預(yù)處理后，甘蔗葉總產(chǎn)氣量如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)NaOH濃度為2%時(shí)，總產(chǎn)氣量最大，為1 223 L，比對(duì)照組的706 L多出517 L。隨著NaOH濃度的增加，甘蔗葉厭氧發(fā)酵總產(chǎn)氣量逐漸下降，但均高于對(duì)照組。可見(jiàn)，采用NaOH進(jìn)行預(yù)處理，可提高甘蔗葉產(chǎn)沼氣量，但是小于2%的NaOH預(yù)處理濃度還需要進(jìn)一步試驗(yàn)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(dāng)NaOH濃度為8%時(shí)，甲烷含量最高，為67.2%，比對(duì)照組的62%高5.2%。綜合比較可見(jiàn)，當(dāng)NaOH濃度為2%時(shí)，產(chǎn)氣效果最佳。

取酸處理和堿處理產(chǎn)氣效果最好的試驗(yàn)組進(jìn)行比較，酸處理組的總產(chǎn)氣量為1 076 L，最高甲烷含量為61.6%；堿處理組的總產(chǎn)氣量為1 223 L，最高甲烷含量為62.1%?？梢?jiàn)，在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)于甘蔗葉厭氧發(fā)酵，堿處理的產(chǎn)氣效果要優(yōu)于酸處理。

2.2 纖維素降解率

發(fā)酵前物料纖維素含量為77.81%，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，再經(jīng)厭氧發(fā)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(yù)處理、酸預(yù)處理以及未添加化學(xué)試劑的對(duì)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%?？梢?jiàn)采用酸、堿預(yù)處理可加速甘蔗葉分解轉(zhuǎn)化，有效促進(jìn)纖維素降解，經(jīng)過(guò)堿預(yù)處理后物料纖維素降解率最高，轉(zhuǎn)化效率最好，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果也最好。

2.3 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡對(duì)酸、堿預(yù)處理前后甘蔗葉表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。由圖可見(jiàn)，酸預(yù)處理后甘蔗葉表面粗糙，有部分絮狀雜質(zhì)覆蓋，但其結(jié)構(gòu)依然比較致密；堿預(yù)處理后的甘蔗葉表面有孔隙出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)疏松，有明顯的腐蝕痕跡?？梢?jiàn)，堿處理對(duì)甘蔗葉表面破環(huán)程度更大。

3 討論與結(jié)論

以作物秸稈為原料，通過(guò)厭氧發(fā)酵制取沼氣是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用和減少其環(huán)境污染的重要途徑。但由于秸稈組織結(jié)構(gòu)緊密，難以直接被沼氣發(fā)酵微生物利用，需要進(jìn)行一定的預(yù)處理?；瘜W(xué)預(yù)處理是提高秸稈轉(zhuǎn)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(xué)預(yù)處理的研究對(duì)象。甘蔗葉作為熱帶地區(qū)比較大宗的農(nóng)業(yè)廢棄物，厭氧發(fā)酵后所產(chǎn)沼氣甲烷含量均在60%以上，可見(jiàn)采用沼氣發(fā)酵技術(shù)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(chǎn)沼氣利用率，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理研究是十分必要的。

在本研究結(jié)果表明，當(dāng)H2SO4濃度為1.0%時(shí)產(chǎn)氣效果最好，單位TS產(chǎn)氣量為8.28 L（/kg·d），甲烷含量最高可達(dá)61.6%。覃國(guó)棟[19]等采用酸預(yù)處理水稻秸稈進(jìn)行濕法沼氣發(fā)酵，結(jié)果表明6%的酸處理濃度為最好，厭氧發(fā)酵時(shí)單位TS產(chǎn)氣量為3.49 L（/kg·d），甲烷含量最高可達(dá)44.3%，均高于對(duì)照組?？梢?jiàn)，采用干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果要好于傳統(tǒng)的濕法發(fā)酵方式，而且由于甘蔗葉中添加了豬糞，有效的提高了產(chǎn)氣量和甲烷含量，說(shuō)明豬糞也是促進(jìn)沼氣發(fā)酵的有利因素。根據(jù)發(fā)酵物料的不同，酸預(yù)處理的最佳反應(yīng)條件也不一樣，對(duì)甘蔗葉來(lái)說(shuō)，當(dāng)H2SO4濃度超過(guò)1.0%時(shí)，總產(chǎn)氣量隨著酸濃度的增加而降低，這可能是因?yàn)檫^(guò)高的酸處理濃度一方面造成甘蔗葉降解充分，干物質(zhì)損失過(guò)多，另一方面也可能產(chǎn)生一些抑制厭氧發(fā)酵微生物的物質(zhì)，如糠醛等，進(jìn)而影響發(fā)酵。由此可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)乃釢舛忍幚砀收崛~能改善甘蔗葉的降解性能，增加沼氣產(chǎn)量，濃度過(guò)大則會(huì)產(chǎn)生抑制作用，這個(gè)結(jié)果與覃國(guó)棟、常景玲[20]等人的研究結(jié)果一致。

與酸預(yù)處理相比，堿預(yù)處理的產(chǎn)氣效果更好一些。通過(guò)堿預(yù)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(yàn)中，當(dāng)NaOH濃度為2%時(shí)，產(chǎn)氣效果最佳。從掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，經(jīng)堿預(yù)處理后，甘蔗葉的表面物理結(jié)構(gòu)變得疏松、碎裂，出現(xiàn)孔隙及明顯的腐蝕現(xiàn)象。這種破壞改善了甘蔗葉的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，有利于釋放包裹在木質(zhì)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(dá)到提高甘蔗葉消化率的目的。發(fā)酵后纖維素降解率高達(dá)56.15%也證實(shí)了NaOH預(yù)處理的有效性。蔣建國(guó)[11]等采用酸堿等4種不同化學(xué)藥劑浸泡玉米秸稈并進(jìn)行沼氣發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理可大大提高秸稈的沼氣發(fā)酵性能，產(chǎn)氣效果也好于酸預(yù)處理，當(dāng)NaOH濃度提高后，雖然溶出的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加了，但高濃度的Na+會(huì)對(duì)微生物生命活動(dòng)產(chǎn)生抑制作用，而本試驗(yàn)中，當(dāng)NaOH濃度大于2%時(shí)，產(chǎn)氣量也是逐漸下降，這說(shuō)明還需要在小于2%的濃度條件下進(jìn)一步試驗(yàn)分析，以找到堿預(yù)處理甘蔗葉的最佳參數(shù)。

單一采用堿預(yù)處理甘蔗葉時(shí)，堿的種類、堿濃度及預(yù)處理時(shí)間等因素還需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，且要綜合考慮處理成本。李湘[21]等研究表明經(jīng)1%NaOH溶液浸泡過(guò)的秸稈，再用微生物菌劑處理時(shí)，秸稈降解率可顯著提高，因此，后續(xù)可結(jié)合生物預(yù)處理方法，對(duì)甘蔗葉進(jìn)行混合預(yù)處理技術(shù)研究，進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)處理效果。

綜合以上分析認(rèn)為，采用酸、堿預(yù)處理甘蔗葉進(jìn)行沼氣干法厭氧發(fā)酵，堿預(yù)處理效果最好，當(dāng)NaOH濃度為2%時(shí)，甘蔗葉發(fā)酵40 d的總產(chǎn)氣量為1 223 L，最高甲烷含量為62.1%，纖維素降解率可達(dá)56.15%。本研究結(jié)果對(duì)甘蔗葉沼氣利用具有一定的指導(dǎo)作用。

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