甘蔗叶预处理产沼气试验分析

2022-09-11

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[5,6,7]。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 m L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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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