不同预处理对甘蔗叶厌氧消化性能的影响

罗 娟， 李秀金， 袁海荣

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029; 2.农业部规划设计研究院 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)



不同预处理对甘蔗叶厌氧消化性能的影响

罗 娟1,2， 李秀金1， 袁海荣1

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029; 2.农业部规划设计研究院 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)

试验研究了生物和化学预处理对甘蔗叶厌氧消化性能的影响，采用复合菌剂和2%，4%，6%，8%的NaOH对甘蔗叶进行预处理。试验结果表明，经预处理后的甘蔗叶木质素、纤维素和半纤维素总含量降低，产气量和沼气中甲烷含量提高，厌氧消化时间缩短，其中，添加6%的NaOH 的预处理方式效果最佳，复合菌剂次之，与对照组相比，干物质产气率从131.64 mL·g-1TS分别提高到267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS，厌氧消化时间有所缩短。采用复合菌剂和NaOH 预处理产生的沼气中甲烷含量基本一致，最大甲烷含量均在60%以上，比对照组提高了15%以上。复合菌剂与NaOH预处理可以提高甘蔗叶的可生物降解性和厌氧发酵产气率。

预处理；甘蔗叶；厌氧消化；沼气

甘蔗是我国主要糖料作物之一，主要分布在广西、云南、广东及海南等省区，我国甘蔗种植面积和总产量自2000年开始一直保持世界第三[1]。随着甘蔗产业功能转移，未来全球的甘蔗种植面积还将进一步增加。甘蔗收获后遗留下来的甘蔗叶量巨大，一般占甘蔗产量的12%～20%[2]，根据中国统计年鉴，2013年我国甘蔗产量为12820.1万吨，则每年可产生甘蔗叶1538～2564万吨。目前对甘蔗叶的利用率不到20%，除堆肥发酵还田或直接还田外，大部分甘蔗叶的传统处理方式是直接田间焚烧。甘蔗叶直接焚烧不但污染环境，而且浪费资源[3]。在我国每年都可以看到政府禁止甘蔗叶田间焚烧的公告，却仍是屡禁不止。利用甘蔗叶厌氧消化生产沼气，一方面可以从源头上减少焚烧甘蔗叶带来的环境污染问题；另一方面，可使农业有机废弃物中的有用物质转化为能源和有机肥料，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。

目前，国内外已有较多学者对玉米秸、麦秸等秸秆类物料作为原料生产沼气进行了研究[4-7]，研究结果表明，适当的预处理可有效提高秸秆类物料的厌氧消化性能[8-11]，是实现秸秆类物料高效生物降解、高值化转化的前提和关键[12]。在实际沼气工程中以生物菌剂和化学试剂对秸秆原料进行预处理的方式已经取得了较好的效果[13-14]，并在一定范围内进行了应用推广，而针对以甘蔗叶作为发酵原料的相关研究还非常少。由于甘蔗叶中木质素、纤维素等含量较高，且这些大分子互相缠结，不易降解，因此本文采用微生物菌剂和不同浓度NaOH对甘蔗叶进行预处理，通过研究不同预处理方式对甘蔗叶主要成分含量变化及厌氧消化产沼气过程的影响，探讨提高甘蔗叶产气量和产气效率的预处理条件，以期为甘蔗叶厌氧消化产沼气技术和设备研发以及工程应用提供相关技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

文章以甘蔗叶作为试验材料，甘蔗叶取自广东省茂名市电白县，自然条件下风干后粉碎，过20 目筛备用。接种用活性污泥取自研究团队实验室培养的活性污泥。甘蔗叶的特性见表1。采用微生物菌剂和NaOH作为预处理药剂。其中，微生物菌剂为研究团队自制的秸秆类物料专用菌剂，由高温单胞菌、木霉菌、枯草芽孢杆菌(质量比为5∶2∶2)等多种发酵有益菌和营养元素组成；NaOH(分析纯)购于国药集团化学试剂有限公司。

表1 甘蔗叶特性 (%)

1.2 试验装置

试验装置由500 mL广口瓶，1000 mL锥形瓶和1000 mL广口瓶组成，采用中温(38℃)发酵，500 mL广口瓶用于盛放发酵物料，并置于水浴锅中；锥形瓶作为排水集气瓶；1000 mL广口瓶用作集水瓶。

1.3 试验方法

1.3.1 预处理

室温条件下，将质量分数为2%，4%，6%，8%(相对于甘蔗叶干物质质量)的NaOH分别添加到甘蔗叶中，用自来水将物料含水率调至约30%，混匀后放置3 d；按照0.3%(相对于甘蔗叶干物质质量)的质量分数在甘蔗叶中加入微生物菌剂，充分混匀后堆沤3 d。检测预处理前后甘蔗叶中半纤维素、纤维素和木质素的含量。

1.3.2 厌氧消化

采用批式厌氧消化，试验分为试验组和对照组，其中试验组中发酵原料为不同预处理后甘蔗叶20 g与30%(污泥干物质质量占甘蔗叶干物质质量的百分比)接种污泥的混合物料；对照组中发酵原料为未经预处理的甘蔗叶与30%接种污泥的混合物料。物料充分混合均匀后投入广口瓶中，广口瓶密封后置于38℃恒温条件下进行厌氧消化，逐日记录产气量。每组设置3个平行试验。

1.3.3 检测方法

原料的总固体质量(TS)和挥发性固体质量(VS)的测定采用称量法；甘蔗叶中纤维素、半纤维素和木质素含量的检测采用Van Soest法；沼气产量的测定采用排水集气法；沼气中甲烷含量采用便携式沼气成分分析仪进行测量。

2 结果与讨论

2.1 不同预处理对甘蔗叶成分的影响

不同预处理前后甘蔗叶的半纤维素、纤维素和木质素含量变化如图1所示。由图1可知，未经预处理的甘蔗叶中，各成分含量由多到少依次为纤维素(34.6%)，半纤维素(22.1%)，木质素(15.6%)。经过微生物菌剂和NaOH预处理后，甘蔗叶中纤维素、半纤维素和木质素的总含量均有不同程度的降低，这可能是由于微生物菌剂中的微生物和NaOH中的OH-破坏了纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，改变了天然纤维素的结构，促进其分离或分解[15-16]。

在NaOH预处理各组原料中，从纤维素等3种成分的总含量来看，总含量随着NaOH浓度的增加而降低；其中8%NaOH处理效果最好，纤维素等的总含量为58.7%，比未处理的甘蔗叶降低了18.8%。从单项成分含量来看，纤维素含量和木质素含量随着NaOH浓度的增加而降低，而半纤维素含量则随着NaOH浓度的增加而增加。

图1 预处理前后甘蔗叶主要成分变化

2.2 不同预处理对厌氧消化性能的影响

2.2.1 对日产气量的影响

不同预处理甘蔗叶厌氧消化的日产气量变化如图2所示。对照组和各试验组的日产气量变化曲线大致相同，均呈现先上升后下降趋势，并在第8～10 d出现产气峰值，这是由于经过一段时间适应后，水解产酸菌大量生长繁殖，以甘蔗叶中的纤维素、半纤维素多糖类物质等为原料，将其降解为挥发性有机酸等简单的物质，同时产生CO2和H2等。由于复杂有机物的降解难易程度不同，日产气量出现一定的波动，随着可降解的有机物逐渐被消耗，日产气量呈现出不断下降的趋势，25 d后几乎没有气体产生。

与对照组相比，各试验组的最大日产气量大幅提高且出现时间明显提前。其中6%的NaOH处理后的甘蔗叶日产气量最高，达到450 mL·d-1；其次是微生物菌剂处理，最大日产气量为420 mL·d-1；其他各试验组(2%，4%和8%NaOH)与对照组的最大日产气量分别为340，310和260 mL·d-1。

图2 不同预处理对日产气量的影响

2.2.2 对累积产气量的影响

不同预处理甘蔗叶的累积产气量变化见图3。各组试验的累积产气量变化趋势基本相同，均表现为先快速增加后逐渐趋于稳定。由图3可以看出，6%NaOH处理和微生物菌剂处理在所有试验组中的优势最为明显，其累积产气量分别达到4635 mL和4355 mL，折算出干物质产气率分别为267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS；其余各试验组累积产气量大致相同，均约为3000 mL；对照组的累计产气量仅为2280 mL，干物质产气率仅为131.64 mL·g-1TS。各试验组累积产气量与对照组相比均大幅增加，由此可见，经预处理后甘蔗叶的可生物消化性能得到了显著提高，产气量大幅增加。这是由于微生物菌剂中含有对纤维素和木质素有降解功能的微生物，在堆沤过程中将甘蔗叶中的纤维素和木质素降解成容易被厌氧菌群利用的物质；而NaOH则通过破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接键，增加甘蔗叶的疏松性以增加厌氧菌群的作用面积，从而提高产气量。

图3 不同预处理对累积产气量的影响

此外，当NaOH浓度为2%～6%时，甘蔗叶的累积产气量随着NaOH浓度的增大而增加，从2%时的3030 mL增加到6%时的最大值4635 mL，比未处理甘蔗叶的累积产气量增加了约1倍。之后，当NaOH浓度继续增大时，甘蔗叶的累积产气量反而呈快速下降趋势，NaOH浓度为8%时甘蔗叶的累积产气量仅为2930 mL。这可能是由于NaOH浓度过高时，反应器中过高的Na+浓度干扰了微生物的代谢，抑制了厌氧菌群的活性，从而影响了产气量[17]。

2.2.3 对厌氧消化时间的影响

物料完成整个产气过程所需厌氧消化时间的长短直接反映了厌氧消化效率，对沼气工程运营具有重要的指导意义。厌氧消化时间一般是指厌氧消化产生的累积产气量达到最大产气量的80%所需的时间[18]。根据前述甘蔗叶累积产气量计算出甘蔗叶在不同预处理条件下80%累积产气量的值，并得出达到相应产气量所需的厌氧消化时间如表2所示。由表2可以看出，各预处理试验组与对照组相比，厌氧消化时间有所缩短，累积产气量有较大幅度的提高。由此可见，经过预处理后，甘蔗叶具有更高的产气速率和厌氧消化效率。

表2 不同预处理对甘蔗叶厌氧消化时间的影响

2.3.4 对甲烷含量的影响

不同预处理甘蔗叶厌氧消化产生的沼气中甲烷含量随时间的变化如图4所示。由图4可知，各组试验的沼气中甲烷含量经过一段时间的迅速增加后逐渐趋于稳定，并随着时间增加呈现出缓慢下降趋势。对照组沼气中的甲烷含量稳定后最高仅为52.1%，大部分时间都在50%以下；各试验组沼气中甲烷含量稳定后基本维持在50%～60%之间，明显高于对照组。

图4 不同预处理对甲烷含量的影响

试验组和对照组厌氧消化产生的沼气中最大甲烷含量如图5所示。从图5可以看出，各试验组甲烷含量在开始阶段比对照组更快达到较高水平，这可能是由于预处理后底物更容易分解为能被产酸和产甲烷菌利用的小分子物质。各试验组沼气的最大甲烷含量相差不大，含量均在60%以上，沼气质量较优。其中，8%NaOH处理的甘蔗叶中最大甲烷含量最高，达到63.4%，其次是6%NaOH处理，其甲烷最大含量为62.7%；对照组的最大甲烷含量为52.1%。这说明预处理能小幅提高甲烷含量，因为预处理后的甘蔗叶中有更多的可溶性有机物可供甲烷菌分解利用。

图5 不同预处理产沼气中最大甲烷含量

3 结论

(1)经微生物菌剂和不同浓度NaOH处理后，各试验组原料各组分含量、沼气产量、干物质产气率和甲烷含量等均优于对照组，说明预处理可以提高甘蔗叶的厌氧消化性能。

(2)从预处理后甘蔗叶的木质素、纤维素和半纤维素总体含量来看，8%的NaOH预处理效果最佳，最有利于甘蔗叶厌氧消化，其次是6%的NaOH预处理。

(3)经过沼气产量来看，6%的NaOH预处理在所有预处理中表现最优，其次是微生物菌剂预处理，其日产气量最高分别为450 mL·d-1和420 mL·d-1，比对照组分别提高了73.08%和61.54%；干物质产气率分别为267.61 mL·g-1TS和251.44 mL·g-1TS，比对照组分别提高了103.29%和91.01%。

(4)经过预处理后，沼气中甲烷含量能较快达到较高水平并维持稳定，各试验组沼气的最大甲烷含量相差不大，且均优于对照组。其中8%的NaOH和6%的NaOH预处理最大甲烷含量分别为63.4%和62.7%，比对照组分别提高了21.69%和20.34%。

(5)综合原料组分含量变化、总产气量、甲烷含量等各项指标来看，6%的NaOH预处理对甘蔗叶厌氧消化性能的提高最有利。

[1] 郑 勇，王金丽，李 明，等. 热带农业废弃物资源利用现状与分析——甘蔗废弃物综合利用[J].广东农业科学，2011(1):15-18,26.

[2] 李茂植.甘蔗叶沤制还田试验[J].广西热带农业，2004(6)：13.

[3] 艾 平，张衍林，李善军，等.农业废弃物处理利用技术与农业机械化发展[J].农机化研究，2009(9):234-237.

[4] 罗 娟，董保成，陈 羚，等. 畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化的产气特性试验[J]．农业工程学报，2012，28(10)：219-224．

[5] 刘德江，邱桃玉，饶晓娟，等. 小麦、玉米秸秆不同预处理产沼气试验研究[J]. 中国沼气，2012，30(3)：34-37.

[6] 覃国栋，刘荣厚，孙 辰. NaOH预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(增刊1)：59-63.

[7] 杨海燕，胡万里.玉米秸秆发酵和粪便发酵产气对比试验[J]. 中国沼气，2014，32(4)：48-50.

[8] 刘研萍，方 刚，党 锋，等. NaOH和H2O2预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响[J]．农业工程学报，2011，27(12)：260-263．

[9] 陈 羚，罗 娟，董保成，等. 复合菌剂和NaOH 预处理提高秸秆厌氧消化性能[J]. 农业工程学报，2013，29(7)：185-190.

[10] López Torres M, Espinosa Llorens M D C, Effect of alkaline pretreatment on anaerobic digestion of solid wastes[J]. Waste Manage, 2008, 28(11): 2229-2234.

[11] 柳 珊，吴树彪，张万钦，等.白腐真菌预处理对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷影响实验[J].农业机械学报， 2013，44(Supp2):124-129,142.

[12] Chen Yu, Yang Gaihe, Sweeney Sandra, et al. Household biogas use in rural China: A study of opportunities and constraints[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(1): 545-549.

[13] 石卫国. 生物复合菌剂处理秸秆产沼气研究[J]. 农业工程学报，2006，22(增1):93-95.

[14] 李秀金. 山东省德州市秸秆沼气集中供气示范工程运行模式与管理经验[J]. 农业工程技术：新能源产业，2010，4：6-13.

[15] 陈小华，朱洪光.农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J].农业工程学报，2007，23(3):279-283.

[16] 陈洪章，李佐虎.木质纤维原料组分分离的研究[J].纤维素科学与技术，2003，11(4):31-40.

[17] 杨 立，张 婷，龚乃超，等.稀碱法预处理对秸秆厌氧发酵产气的影响研究[J].安徽农业科学，2011，39(15)：9165-9166.

[18] Palmowski L M, M Muller J A . Influence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion [J]. Water Science and Technology, 2000, 4(3): 155-162.

Effect of Different Pretreatment on Anaerobic Digestion Performance of Sugarcane Leaves

LUO Juan1,2, LI Xiu-jin1, YUAN Hai-rong1

(1.College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China; 2. Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agricultural Residues, Beijing 100125, China)

To improve anaerobic performance of sugarcane leaves, sugarcane leaves were pretreated by complex microbe and four different concentration of NaOH ( 2%, 4%, 6% and 6%) respectively for three days at room temperature. The pretreated sugarcane leaves then was went on anaerobic fermentation under temperature of 38℃. The results showed that, the pretreated sugarcane leaves obtained higher biogas production and methane content with shorter digestion periods, and the effluent contained less lignin, cellulose and hemicelluloses. Among all these pretreatments, the treatment with 6% of NaOH obtained the best result, and the treatment with complex microbe was the second, their TS biogas production were 267.61 mL·g-1and 251.44 mL·g-1respectively, while the control was only 131.64 mL·g-1. The methane contents of biogas for all the pretreatmens were basically the same with the maximum methane contents of over 60%，which were at least 15% higher than that of the control. It was an effective way to improving anaerobic digestion by NaOH and complex microbe pretreatment.

pretreatment；sugarcane leaves；anaerobic digestion；biogas

2015-03-05

2015-06-05

项目来源： 北京市自然科学基金项目(8142030)；教育部博士点基金项目(20120010110004)；农业部公益项目(201303099-02；201303101)

罗 娟(1986-)，女，湖南人，博士，主要研究方向为生物质能源技术装备与环境保护，E-mail:emimi2008@126.com 通信作者： 李秀金，E-mail:xjli@mail.buct.edu.cn

S216.4; X712

A

1000-1166(2016)01-0032-05