碱预处理提高香蕉茎秆厌氧消化产气性能的研究

郑丽丽　艾斌凌　郑晓燕　盛占武

摘 要 为有效利用香蕉茎秆资源，提高其厌氧消化效率，采用碱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下香蕉茎秆厌氧消化产气性能的影响。结果表明：当NaOH浓度为8%时，对香蕉茎秆原料半纤维素、纤维素、木质素降解率达最高，分别为22.5%、9.1%、13.7%；6% NaOH处理组30 d累积产气量最高可达3 775 mL，比对照组提高24.2%，单位干物质产气量达377.5 mL/g TS。碱预处理可有效提高香蕉茎秆产气潜力。

关键词 香蕉茎秆 ；厌氧消化 ；沼气 ；碱 ；预处理

中图分类号 S216.4 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.008

Abstract Banana stems are a typical organic waste in tropical regions and are ignored for a long time. In fact， they can be used to produce bio-gas by anaerobic digestion. For enhancing utilization of banana stalks and improving the biogas production efficiency banana stems were pretreated with alkaline solution at different concentrations to investigate the effects of alkaline pretreatment on anaerobic digestion performance. Anaerobic digestion experiments were operated at （35±2） C for 30 days. The results show that the banana stems pretreated with NaOH at the concentration of 8% had the highest degradation rates of hemicellulose， cellulose and lignin （22.5%， 9.1% and 13.7%， respectively）， while the banana stems pretreated with NaOH at 6% produced the highest cumulative volume of biogas （3 775 mL）， 24.2% higher than the untreated control （3 040 mL）， and generated biogas of 377.5 mL/g based on the total solids of the banana stems. Results indicated that the alkaline pretreatment could improve biogas production of the banana stems.

Keywords banana stalk； anaerobic digestion； biogas； alkaline； pretreatment

香蕉是世界上最重要的水果作物之一，广泛种植于热带和亚热带地区。据联合国粮农组织（FAO）统计，2011年中国香蕉栽培面积达40.32万hm2，产量达1 070.6万t，在世界排名分别为第5位和第2位，中国已成为仅次于印度的第二大香蕉生产国[1]。

香蕉收获后会产生与果实几乎等量的香蕉茎秆、叶片等废弃物。目前在中国产区大多直接废弃，不仅造成了蕉园的环境污染，而且浪费了大量的植物资源[2]。香蕉茎秆是热带农业废弃资源的重要组成部分，已引起各界科学家的高度重视。据报道，它可用于复合材料[3]、纺织品[4-5]、工艺品、肥料[6]、饲料[7]及生物燃料[8]等产品的加工，这些产品在建材、医药、化工、种植养殖等领域都有广阔的应用前景。通过厌氧消化生产沼气是最具潜力的选择之一，利用农业废弃物制备沼气部分替代化石资源，可减少植物资源的浪费及使用化石资源对环境污染，是一种双向清洁的生产方法[9]，现已引起全世界的广泛关注。

香蕉茎秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，约占秸秆总量的70%～80%[8]。纤维素、半纤维素易被厌氧微生物分解利用，而木质素填充于纤维素骨架中较难降解，并且木质素在细胞壁中与纤维素及半纤维素相互交联，使得纤维素及其它可发酵物质难以被厌氧微生物或酶降解利用[8]。直接进行厌氧消化，会出现启动慢、效率低、转化利用率低等问题。预处理技术可破坏纤维素、半纤维素和木质素之间的连接，并对其进行一定程度的预降解，增加厌氧微生物对可发酵原料的可及度，从而有效提高秸秆厌氧消化性能，预处理技术的研究开发是厌氧消化技术体系的关键环。因此，国内外大量学者对其进行了研究。目前，常见的秸秆预处理方法包括物理法、化学法、生物法等。物理方法有机械研磨、超声波处理、膨化处理、微波处理、蒸汽爆破等，其目的主要是增加厌氧微生物与基质的接触面积，或通过破坏细胞壁结构使处理后的秸秆更易于消化。物理方法操作简单、处理时间短，但能耗大、处理费用高。化学方法主要有氨化、碱化、酸化等，可改变秸秆的化学组成、结构和物理性质，具有方便、快捷、操作简单、处理效率高等优点。生物方法是利用具有强木质纤维素分解能力的微生物对秸秆进行生物降解，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，具有处理条件温和、无环境污染等优点，但预处理效率低，很难达到生产需求。

本研究采用碱法对香蕉茎秆进行预处理，探讨碱预处理对香蕉茎秆组成成分的降解作用，并讨论碱预处理对香蕉茎秆厌氧消化过程中沼气产量和甲烷含量的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜香蕉茎秆取自海南省澄迈县福山镇，水分含量为90%以上，自然风干后水分含量降为30%～40%，粉碎至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。2种原料的理化特性见表1。

1.2 方法

1.2.1 预处理

配置厌氧浓度为2%、4%、6%、8%、10%（基于香蕉茎秆TS）的NaOH溶液，冷却后与香蕉茎秆原料以1∶1（质量）混合均匀，然后潮湿状态下放入烧杯中并压实。55℃下保持湿态堆沤预处理54 h[10]。最后在105℃的烘箱中烘干至恒重后，备用。

1.2.2 厌氧消化

厌氧消化装置由1 000 mL 发酵瓶+1 000 mL排水集气瓶+集水瓶组成。预处理后的香蕉茎秆原料与接种污泥按1∶2（TS）进行投料。调整发酵系统总固体（TS）的浓度为20%（w/V），混合均匀置于恒温水浴锅（35±2）℃下厌氧发酵30 d，每天手动摇晃消化瓶2次，并定时记录沼气日产气量和累积产气量，同时做对照试验和空白试验。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按扣除空白组接种污泥产气量的影响后计算。

1.2.3 测试方法

原料TS、VS重量法[11]分析，测试3次，取平均值。半纤维素、纤维素、木质素采用范式法进行测试[12]。厌氧消化过程中沼气产量利用排水集气法置换溶液体积测定[13]。

2 结果与分析

2.1 NaOH预处理前后香蕉茎秆成分变化

由表2可知，半纤维素、纤维素和木质素是香蕉茎秆厌氧消化过程中厌氧微生物的主要碳源[10]，NaOH处理前的香蕉茎秆原料木质素含量为14.6%，低于田梦等[14]的研究结果（18.36%），可能由于香蕉茎秆品种、取样部位或测试方法差异引起的。经过预处理降解后木质素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[15]。碱预处理通过改变木质生物质原料的化学成分、化学结构和物理特性提高生物降解能力[14]。由图3可知，不同浓度NaOH处理液对香蕉茎秆中半纤维素、纤维素、木质素均有不同程度的降解。随着NaOH浓度的增大，对各组分降解作用增强。当NaOH处理液浓度为8%时，半纤维素、纤维素、木质素含量由13.3%、48.3%、14.6%分别降至10.3%、43.9%、12.6%，降解率分别为22.5%、9.1%、13.7%，这些结果与清华大学Zhang等[9]、田梦等[14]的研究结果类似。可能是由于NaOH中的OH-破坏了纤维素、木质素之间的连接键，促进其分离或分解。

2.2 不同浓度NaOH预处理对香蕉茎秆厌氧消化日产气量影响

由图1可知，与对照组比较而言，4%、6%、8%浓度的NaOH预处理后的香蕉茎秆日产气量均有不同程度的提升，主要体现在厌氧消化0～20 d，2%浓度的NaOH预处理后的香蕉茎秆原料日产气量较低，这可能是由于NaOH浓度过低，处理液未完全破坏木质素、纤维素和半纤维素之间的链接，使得原料各组分未降解完全。10%浓度的NaOH处理后香蕉茎秆原料日产量整体水平甚至低于对照组，说明NaOH浓度过高不利于香蕉茎秆原料的厌氧消化，可能是由于Na+过剩对参与厌氧消化的微生物产生了一定的抑制[9]。

2.3 不同浓度NaOH预处理对香蕉茎秆厌氧消化累积产气量影响

由图2可知，各组的累积产气量变化均表现为快速增加后逐渐趋于稳定，6% NaOH处理组累积产气量最高为3 775 mL，单位干物质产气量达377.5 mL/g TS；其次为4% NaOH处理组累积产气量为3 670 mL，2% NaOH处理组累积产气量为3 650 mL，8% NaOH处理组累积产气量为3 550 mL，10% NaOH处理组累积产气量为3 150 mL；单位干物质产气量分别367、365、35 5和315 mL/g TS，分别比对照组3 040 mL（304 mL/g TS）提高了24.18%、20.72%、20.07%、16.78%、3.62%。这表明低浓度NaOH处理能有效地提高香蕉茎秆厌氧消化产气量，这可能由于低浓度的Na+存在会在消化系统中增加与HCO-的结合而增加消化，避免或减少酸化，从而有利于厌氧消化产沼气的顺利进行。然而，Na+过剩可能抑制厌氧微生物的活性[16]。6% NaOH预处理后香蕉茎秆最高产气潜力达377.5 mL/g TS，这与Zhang等[9]、田梦等[14]的研究结果相似，但高于欧忠庆等[17]的研究结果（273 mL/g TS）。

3 结论

不同浓度NaOH处理液对香蕉茎秆中半纤维素、纤维素、木质素均有不同程度的降解。随着NaOH浓度的增大，对各组分降解作用增强。当NaOH处理液浓度为8%时，半纤维素、纤维素、木质素含量由13.3%、48.3%、14.6%分别降至10.3%、43.9%、12.6%，降解率分别为22.5%、9.1%、13.7%。

经过6% NaOH预处理后，香蕉茎秆与猪粪发酵剩余物混合，在（35±2）℃下厌氧消化最高产气潜力达377.5 mL/g TS，比对照组提高了24.2%。此结果表明碱预处理方法有效地提高了香蕉茎秆厌氧消化产气潜力。

参考文献

[1] 盛占武，郑丽丽，高锦合，等. 香蕉纤维酶解脱胶工艺及脱胶纤维性能[J]. 农业工程学报，2014，30（10）：277-284.

[2] 郑丽丽，韩冰莹，盛占武，等. 香蕉茎秆废弃物综合利用研究现状与分析[J]. 热带农业科学，2013，33（7）：63-67.

[3] Pothan L A， Oommen Z， Thomas S. Dynamic mechanical analysis of banana fiber rein-forced polyester composites[J]. Composites Sci-ence and Technology， 2003， 63（2）： 283-293.

[4] Sheng Z W， Gao J H， Jin Z Q， et al. Effect of steam explosion on degumming efficiency and physicochemical characteristics of banana fiber[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2014， 131（16）： 590-600.

[5] 熊月林. 香蕉纤维的制取及其结构理化性能研究[D].上海：东华大学，2007.

[6] 韩丽娜，李建国，金志强，等. 香蕉茎秆有机肥及其制备方法[P]. 中国专利， CN1O2432355 A，2012.

[7] Padam B S， Tin H S， Chye F Y， et al. Banana by-products：an under-utilized renewable food biomass with great potential[J]. Journal of Food Science and Technology， 2014， 51（12）： 3 527-3 545.

[8] 郑丽丽，艾斌凌，王必尊，等. 蒸汽爆破预处理提高香蕉茎秆厌氧消化产气性能研究[J]. 热带农业科学，2016，36（1）：121-125.

[9] Zhang C M， Li J H， Liu C， et al. Alkaline pretreatment for enhancement of biogas production from banana stem and swine manure by anaerobic codigestion[J]. Bioresource Technology， 2013， 149（1）： 353-358.

[10] Zheng M， Li X， Li L， et al. Enhancing anaerobic biogasification of corn stover through wet state NaOH pretreatment[J]. Bioresource Technology，2009， 100（14）： 5 140-5 145.

[11] Wang J， Yue Z B， Chen T H， et al. Anaerobic digestibility and fiber composition of bulrush in response to steam explosion[J]. Bioresource Technology， 2010， 101（17）： 6 610-6 614.

[12] Van P V， Soest J， Lewis R B. Methods for dietary fiber， neutral detergent fiber， and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition[J]. Journal of Dairy Science， 1991， 74（12）： 3 583-3 597.

[13] 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.

[14] 田 梦，刘晓玲，李十中，等. 香蕉秸秆与牲畜粪便固体联合厌氧发酵产沼气的特性[J]. 农业工程学报，2013，29（7）：177-184.

[15] 崔凤杰，李向菲，周宇光，等. NaOH预处理对玉米秸秆固态厌氧消化的影响[J]. 环境工程学报，2013，7（5）：1 919-1 924.

[16] Kalia V C， Sonakya V， Raizada N. Anaerobic digestion of banana stem waste[J]. Bioresource Technology， 2000， 91（1）： 191-193.

[17] 欧忠庆，张 劲，邓干然，等. 香蕉茎秆渣制作沼气试验[J]. 中国热带农业，2006，3（5）：35.