黃小紅+王金麗+焦靜+鄭勇+郭昌進+王剛

摘 要 以甘蔗為原料，研究了含水率對干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響。結(jié)果表明：發(fā)酵物料含水率越高，總產(chǎn)氣量越大，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量越高。發(fā)酵原料含水率為81 %時，發(fā)酵30 d的總產(chǎn)氣量最高，達到19 550 mL，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量為158.35 mL/g，甲烷含量61.06 %，相對其他2個處理而言，更有利于甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵的進行。本研究結(jié)果為甘蔗葉干法沼氣工程工藝設計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 甘蔗葉 ；干法沼氣發(fā)酵 ；含水率 ；產(chǎn)氣效果

中圖分類號 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

甘蔗葉是甘蔗收獲后的剩余物，一般占甘蔗產(chǎn)量的12 %-20 %[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國2013年甘蔗種植面積為186.67萬hm2[2]，但是甘蔗葉的利用率卻很低。傳統(tǒng)的處理方式是遺棄田間地頭或者被農(nóng)民焚燒后作為還田的肥料，只有極少數(shù)被充分利用。甘蔗葉的利用途徑有肥料化（焚燒還田和直接粉碎還田[3-5]）、飼料化[6]和沼氣化[7-9]等，由于田間作業(yè)的差異性，甘蔗葉直接粉碎還田的非常有限；甘蔗葉水分含量低，蛋白質(zhì)含量少等，營養(yǎng)不均衡，飼料化利用難。與玉米秸稈相比，甘蔗葉碳含量高達10 %[10]，是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料，通過干法厭氧發(fā)酵技術(shù)可以將廢棄的甘蔗葉轉(zhuǎn)化成新能源，可用于燃燒供熱或發(fā)電，對于獲取新型能源和控制農(nóng)村能源污染都有積極意義。但是蔗葉中纖維素、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物，故產(chǎn)沼氣效率低，周期較長[11-12]，直接影響甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)沼氣的運行管理方式和效益。

干法沼氣發(fā)酵是指發(fā)酵原料呈固態(tài)，雖然含水豐富，但沒有或幾乎沒有自由流動水的沼氣厭氧微生物發(fā)酵過程，它與濕發(fā)酵相比主要優(yōu)點是節(jié)約用水，污染物排放少、發(fā)酵剩余物處理費用低等，是一種很有前景的技術(shù)途徑。干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程的工藝參數(shù)，是保證發(fā)酵制備沼氣系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟和高效運行的主要條件。一般認為，干法發(fā)酵的干物質(zhì)濃度>15 %[13]。目前，國內(nèi)對于干法發(fā)酵技術(shù)不同含水率控制研究較少，課題組根據(jù)甘蔗葉自身的特點，研究甘蔗葉在不同含水率條件下的干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣特性，以期找到最適宜甘蔗葉厭氧發(fā)酵的條件，對甘蔗葉厭氧發(fā)酵技術(shù)具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料

甘蔗葉：來源于湛江市麻章區(qū)甘蔗收獲后的干黃葉，打捆保存，使用時用粉碎機粉碎成1-5 cm小段（含水量13.00 %，C %為67.85 %，N %為0.46 %）。

豬糞：來源于湛江市高陽個體養(yǎng)豬場（含水量75.00 %，C %為13.28 %，N %為0.87 %）。

接種物：來源于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所沼氣基地正常發(fā)酵的底物（豬糞、生活污水淤泥、甘蔗葉為原料的發(fā)酵底物）。

試劑：碳酸氫銨、氫氧化鈉、硫酸等。

試驗裝置：以容積為1 L的錐形瓶作為消化反應器，厭氧消化過程產(chǎn)生的氣體由1 L的廣口瓶收集，500 mL的錐形瓶作為集水器。裝置由耐腐蝕的乳膠管連接，構(gòu)成一套密閉厭氧消化裝置（圖1）。

試驗裝置加熱保溫采用電熱恒溫水浴鍋。

1.2 方法

1.2.1 干法厭氧沼氣發(fā)酵甘蔗葉

粉碎的甘蔗葉加適量水濕潤24 h，與豬糞按1：1（干物質(zhì)比）的比例混合，按含水率75 %、78 %和81 %分別加入適量水，在好氧條件下進行堆漚，堆漚溫度為50-55 ℃，堆漚7 d。預處理結(jié)束后的物料加入30 %（V/V）接種物，再加入碳酸氫銨調(diào)節(jié)碳氮比為25：1，攪拌均勻后裝罐，裝罐系數(shù)為70 %（1 000 mL×70 %=700 mL）；溫度調(diào)整至38 ℃，進行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵時間30 d，每個處理2個重復，每天定時測量產(chǎn)氣量，在產(chǎn)氣高峰周期內(nèi)測定各處理組氣體的甲烷含量。

根據(jù)課題組以往的試驗經(jīng)驗，初步判定了發(fā)酵后第5天至第20天為產(chǎn)氣高峰周期。本試驗分別選取了發(fā)酵第5天、發(fā)酵第10天及發(fā)酵第20天測量各處理組中氣體的甲烷含量，計算3組數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.2 測定方法

含水率：HR83水分測定儀（梅特勒-托利多）；總固體：采用105 ℃烘干法測定；總碳采用重絡酸鉀-外熱源法測定；總氮采用凱氏定氮測定；甲烷含量采用Biogas沼氣成分分析儀測定。

單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量是指單位質(zhì)量干物質(zhì)在1個發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量，計算公式為：

Cts=

Cts：單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量（mL/g）；V：發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)累積產(chǎn)生的沼氣量；W：發(fā)酵物總質(zhì)量（g）；TS：發(fā)酵物TS含量（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量的影響見圖2。由圖2可知，不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量有一定的影響。含水率81 %時30 d的總產(chǎn)氣量最高，達到19 550 mL，隨著含水率的降低，總產(chǎn)氣量下降，當含水率下降3 %時，總產(chǎn)氣量下降444 mL；含水率下降6 %時，總產(chǎn)氣量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %產(chǎn)氣量。

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量見圖3。由圖3可知，75 %、78 %和81 %含水率的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別是110.09、137.46和158.35 mL/g，證明在所選含水率內(nèi)，含水率越高，越有利于甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

2.2 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響見圖4。由圖4可知，75 %含水率的處理組在干發(fā)酵開始后的第5天就達到了最高產(chǎn)氣峰值1 418 mL，產(chǎn)氣高峰來得最早；78 %及81 %的含水率樣品分別在第10天和第8天達到最高產(chǎn)氣峰值1 560、1 613 mL。在30 d的產(chǎn)氣周期內(nèi)，75 %、78 %和81 %三個處理的日產(chǎn)氣量>1 000 mL（視為高峰產(chǎn)氣周期）的分別有13、12、13 d，產(chǎn)氣量為15 104、15 898、17 751 mL，分別占總產(chǎn)氣量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰產(chǎn)氣周期長（13 d），高峰產(chǎn)期周期內(nèi)的產(chǎn)氣量高，最適合甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。物料含水率為78 %時，最高產(chǎn)氣高峰值較晚，且高峰產(chǎn)氣周期相對較短（1 d），但是從發(fā)酵的第6天開始，每天的產(chǎn)氣量均高于75 %的含水率處理組，在高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)的產(chǎn)氣量較大。75 %含水率的處理組產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)最早，但達到產(chǎn)氣高峰值后，其產(chǎn)氣量下降速度較快，高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)產(chǎn)氣量小，不利于沼氣的積累。

2.3 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量的影響

由圖5可知，含水率81 %時對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量最高，為61.06 %，其次是78 %，含水率75 %時甲烷含量最低（圖5）。

3 結(jié)論

沼氣是一種混合氣體，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氫、一氧化碳、氫、氮、氧和氨氣等氣體[1]。含水率為75 %時，甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量比含水率為81 %時少2 245 mL，約為產(chǎn)氣高峰階段內(nèi)的2 d產(chǎn)氣量。這可能是因為原料的含水率越低越容易阻礙菌種繁殖、發(fā)酵底物的熱質(zhì)傳遞等，使物料與菌種之間無法充分接觸造成。

在干法中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗中，甘蔗葉發(fā)酵物料含水率增加，產(chǎn)沼氣量增多，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量增加，高峰維持周期長。本試驗中，原料含水率在81 %時，總產(chǎn)氣量最高，為19 550 mL，高峰產(chǎn)氣周期13 d，沼氣中甲烷含量最大，為61.06 %，與78 %、75 %含水率原料比較，更適合用于甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。該結(jié)果為甘蔗葉的干法沼氣工程工藝設計提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 焦 靜，王金麗，鄧怡國，等.草糞比對甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2010（1）：51-54.

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根據(jù)課題組以往的試驗經(jīng)驗，初步判定了發(fā)酵后第5天至第20天為產(chǎn)氣高峰周期。本試驗分別選取了發(fā)酵第5天、發(fā)酵第10天及發(fā)酵第20天測量各處理組中氣體的甲烷含量，計算3組數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.2 測定方法

含水率：HR83水分測定儀（梅特勒-托利多）；總固體：采用105 ℃烘干法測定；總碳采用重絡酸鉀-外熱源法測定；總氮采用凱氏定氮測定；甲烷含量采用Biogas沼氣成分分析儀測定。

單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量是指單位質(zhì)量干物質(zhì)在1個發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量，計算公式為：

Cts=

Cts：單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量（mL/g）；V：發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)累積產(chǎn)生的沼氣量；W：發(fā)酵物總質(zhì)量（g）；TS：發(fā)酵物TS含量（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量的影響見圖2。由圖2可知，不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量有一定的影響。含水率81 %時30 d的總產(chǎn)氣量最高，達到19 550 mL，隨著含水率的降低，總產(chǎn)氣量下降，當含水率下降3 %時，總產(chǎn)氣量下降444 mL；含水率下降6 %時，總產(chǎn)氣量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %產(chǎn)氣量。

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量見圖3。由圖3可知，75 %、78 %和81 %含水率的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別是110.09、137.46和158.35 mL/g，證明在所選含水率內(nèi)，含水率越高，越有利于甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

2.2 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響見圖4。由圖4可知，75 %含水率的處理組在干發(fā)酵開始后的第5天就達到了最高產(chǎn)氣峰值1 418 mL，產(chǎn)氣高峰來得最早；78 %及81 %的含水率樣品分別在第10天和第8天達到最高產(chǎn)氣峰值1 560、1 613 mL。在30 d的產(chǎn)氣周期內(nèi)，75 %、78 %和81 %三個處理的日產(chǎn)氣量>1 000 mL（視為高峰產(chǎn)氣周期）的分別有13、12、13 d，產(chǎn)氣量為15 104、15 898、17 751 mL，分別占總產(chǎn)氣量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰產(chǎn)氣周期長（13 d），高峰產(chǎn)期周期內(nèi)的產(chǎn)氣量高，最適合甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。物料含水率為78 %時，最高產(chǎn)氣高峰值較晚，且高峰產(chǎn)氣周期相對較短（1 d），但是從發(fā)酵的第6天開始，每天的產(chǎn)氣量均高于75 %的含水率處理組，在高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)的產(chǎn)氣量較大。75 %含水率的處理組產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)最早，但達到產(chǎn)氣高峰值后，其產(chǎn)氣量下降速度較快，高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)產(chǎn)氣量小，不利于沼氣的積累。

2.3 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量的影響

由圖5可知，含水率81 %時對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量最高，為61.06 %，其次是78 %，含水率75 %時甲烷含量最低（圖5）。

3 結(jié)論

沼氣是一種混合氣體，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氫、一氧化碳、氫、氮、氧和氨氣等氣體[1]。含水率為75 %時，甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量比含水率為81 %時少2 245 mL，約為產(chǎn)氣高峰階段內(nèi)的2 d產(chǎn)氣量。這可能是因為原料的含水率越低越容易阻礙菌種繁殖、發(fā)酵底物的熱質(zhì)傳遞等，使物料與菌種之間無法充分接觸造成。

在干法中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗中，甘蔗葉發(fā)酵物料含水率增加，產(chǎn)沼氣量增多，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量增加，高峰維持周期長。本試驗中，原料含水率在81 %時，總產(chǎn)氣量最高，為19 550 mL，高峰產(chǎn)氣周期13 d，沼氣中甲烷含量最大，為61.06 %，與78 %、75 %含水率原料比較，更適合用于甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。該結(jié)果為甘蔗葉的干法沼氣工程工藝設計提供了理論依據(jù)。

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[10] 郭昌進，楊 喜，王金麗，等.基于ANSYS Workbench的甘蔗葉粉碎機機架模態(tài)分析[J]. 農(nóng)機化研究，2014（8）：23-26.

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

[13] 林 峰.農(nóng)作物秸稈干式厭氧發(fā)酵特性的研究[D]. 南京：南京師范大學，2013.

根據(jù)課題組以往的試驗經(jīng)驗，初步判定了發(fā)酵后第5天至第20天為產(chǎn)氣高峰周期。本試驗分別選取了發(fā)酵第5天、發(fā)酵第10天及發(fā)酵第20天測量各處理組中氣體的甲烷含量，計算3組數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.2 測定方法

含水率：HR83水分測定儀（梅特勒-托利多）；總固體：采用105 ℃烘干法測定；總碳采用重絡酸鉀-外熱源法測定；總氮采用凱氏定氮測定；甲烷含量采用Biogas沼氣成分分析儀測定。

單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量是指單位質(zhì)量干物質(zhì)在1個發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量，計算公式為：

Cts=

Cts：單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量（mL/g）；V：發(fā)酵周期（30 d）內(nèi)累積產(chǎn)生的沼氣量；W：發(fā)酵物總質(zhì)量（g）；TS：發(fā)酵物TS含量（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)（TS）產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量的影響見圖2。由圖2可知，不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量有一定的影響。含水率81 %時30 d的總產(chǎn)氣量最高，達到19 550 mL，隨著含水率的降低，總產(chǎn)氣量下降，當含水率下降3 %時，總產(chǎn)氣量下降444 mL；含水率下降6 %時，總產(chǎn)氣量下降2 245 mL，是81 %含水率的11.48 %產(chǎn)氣量。

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量見圖3。由圖3可知，75 %、78 %和81 %含水率的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別是110.09、137.46和158.35 mL/g，證明在所選含水率內(nèi)，含水率越高，越有利于甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

2.2 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響見圖4。由圖4可知，75 %含水率的處理組在干發(fā)酵開始后的第5天就達到了最高產(chǎn)氣峰值1 418 mL，產(chǎn)氣高峰來得最早；78 %及81 %的含水率樣品分別在第10天和第8天達到最高產(chǎn)氣峰值1 560、1 613 mL。在30 d的產(chǎn)氣周期內(nèi)，75 %、78 %和81 %三個處理的日產(chǎn)氣量>1 000 mL（視為高峰產(chǎn)氣周期）的分別有13、12、13 d，產(chǎn)氣量為15 104、15 898、17 751 mL，分別占總產(chǎn)氣量的62.51 %、60.85 %和64.34 %。

81 %含水率高峰產(chǎn)氣周期長（13 d），高峰產(chǎn)期周期內(nèi)的產(chǎn)氣量高，最適合甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。物料含水率為78 %時，最高產(chǎn)氣高峰值較晚，且高峰產(chǎn)氣周期相對較短（1 d），但是從發(fā)酵的第6天開始，每天的產(chǎn)氣量均高于75 %的含水率處理組，在高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)的產(chǎn)氣量較大。75 %含水率的處理組產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)最早，但達到產(chǎn)氣高峰值后，其產(chǎn)氣量下降速度較快，高峰產(chǎn)氣周期內(nèi)產(chǎn)氣量小，不利于沼氣的積累。

2.3 不同含水率對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量的影響

由圖5可知，含水率81 %時對甘蔗葉發(fā)酵產(chǎn)甲烷含量最高，為61.06 %，其次是78 %，含水率75 %時甲烷含量最低（圖5）。

3 結(jié)論

沼氣是一種混合氣體，主要成分有甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氫、一氧化碳、氫、氮、氧和氨氣等氣體[1]。含水率為75 %時，甘蔗葉發(fā)酵總產(chǎn)氣量比含水率為81 %時少2 245 mL，約為產(chǎn)氣高峰階段內(nèi)的2 d產(chǎn)氣量。這可能是因為原料的含水率越低越容易阻礙菌種繁殖、發(fā)酵底物的熱質(zhì)傳遞等，使物料與菌種之間無法充分接觸造成。

在干法中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗中，甘蔗葉發(fā)酵物料含水率增加，產(chǎn)沼氣量增多，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量增加，高峰維持周期長。本試驗中，原料含水率在81 %時，總產(chǎn)氣量最高，為19 550 mL，高峰產(chǎn)氣周期13 d，沼氣中甲烷含量最大，為61.06 %，與78 %、75 %含水率原料比較，更適合用于甘蔗葉干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣。該結(jié)果為甘蔗葉的干法沼氣工程工藝設計提供了理論依據(jù)。

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