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        甘蔗葉預(yù)處理產(chǎn)沼氣試驗分析

        2015-12-25 04:30:07焦靜王金麗鄭勇郭昌進黃小紅杜嵇
        南方農(nóng)業(yè)·下旬 2015年11期
        關(guān)鍵詞:沼氣纖維素預(yù)處理

        焦靜 王金麗 鄭勇 郭昌進 黃小紅 杜嵇華

        摘 要 甘蔗葉含有大量纖維素,難于直接被厭氧微生物利用,降低了干法厭氧發(fā)酵技術(shù)處理甘蔗葉產(chǎn)沼氣的效率。試驗采用氫氧化鈉和纖維素酶對甘蔗葉進行預(yù)處理,以破壞甘蔗葉纖維素結(jié)構(gòu),加快厭氧發(fā)酵進程。結(jié)果表明:采用2%氫氧化鈉溶液對甘蔗葉進行預(yù)處理,發(fā)酵啟動速度快,發(fā)酵40 d總產(chǎn)氣量為1 209 L,是對照組的2.25倍,纖維素降解率達到55.87%,有效促進了甘蔗葉的厭氧消化。采用1%纖維素酶預(yù)處理甘蔗葉進行沼氣發(fā)酵,產(chǎn)氣量、甲烷含量等各項指標雖然均高于對照組,但與2%氫氧化鈉預(yù)處理相比,促進效果不明顯。

        關(guān)鍵詞 甘蔗葉;干法厭氧發(fā)酵;預(yù)處理;纖維素;沼氣

        中圖分類號:S216.4;S216.2 文獻標志碼:A 文章編號:1673-890X(2015)33-00-03

        我國是農(nóng)業(yè)大國,每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈約7億t[1-2],農(nóng)作物秸稈蘊含著豐富的生物質(zhì)能,但目前除了少量作為飼料和直接還田外,大部分農(nóng)作物秸稈直接在田間地頭焚燒,不僅污染環(huán)境,而且造成了資源的巨大浪費。秸稈中營養(yǎng)物質(zhì)豐富,是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料,如果1 kg秸稈轉(zhuǎn)化為沼氣燃燒,可使秸稈的有效熱值提高到64%[3-4]。然而,由于秸稈中纖維素、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,造成沼氣發(fā)酵啟動慢、產(chǎn)氣率低,周期較長[5-7]??导邀惖萚8]采用4%~10%的氫氧化鈉對麥秸進行預(yù)處理,可顯著提高麥秸沼氣發(fā)酵的總產(chǎn)氣量。李海紅等[9]采用復(fù)合菌劑預(yù)處理玉米稈、小麥稈和稻草,可以提高秸稈的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)甲烷量。由此可見,預(yù)處理可以改變秸稈天然纖維素的結(jié)構(gòu),破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接,增加原料的疏松性以增加作用面積,促進秸稈的厭氧消化。本研究以我國熱帶地區(qū)大宗的農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗葉為發(fā)酵原料,在前期研究獲得的堿液和纖維素酶預(yù)處理的最佳條件下,以產(chǎn)氣量、甲烷含量和纖維素降解率等為考察指標,進行驗證試驗,并分析比較不同預(yù)處理方式對甘蔗葉產(chǎn)沼氣效果的影響,為探尋最適合甘蔗葉厭氧發(fā)酵的預(yù)處理方式提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        試驗原料:甘蔗葉,取自湛江市湖光農(nóng)場,粉碎成3~5 cm的不規(guī)則小段,其總固體質(zhì)量分數(shù)為87%;豬糞,取自湛江市麻章區(qū)志滿鎮(zhèn)個體養(yǎng)豬場,其總固體質(zhì)量分數(shù)為25%。接種物:前期試驗室發(fā)酵底物,總固體質(zhì)量分數(shù)為5 %。試劑藥品:氫氧化鈉、碳酸氫銨和纖維素酶(中溫酶)。

        1.2 方法

        氫氧化鈉預(yù)處理:稱取甘蔗葉1.72 kg(干物質(zhì)含量1.5 kg),加入3 500 mL氫氧化鈉溶液(濃度2%),在常溫下浸潤7 d,然后再加入豬糞6 kg(與甘蔗葉干物質(zhì)比1∶1),加入接種物6 kg和適量水,用碳酸氫銨調(diào)節(jié)碳氮比,攪拌后裝罐,發(fā)酵溫度38 ℃,發(fā)酵時間40 d,做兩組平行試驗。

        纖維素酶預(yù)處理:稱取甘蔗葉1.72 kg(干物質(zhì)含量1.5 kg),加入1%的纖維素酶進行預(yù)處理,預(yù)處理溫度50 ℃,預(yù)處理后的物料加入豬糞6 kg(與甘蔗葉干物質(zhì)比1∶1),加入接種物6 kg和適量水,用碳酸氫銨調(diào)節(jié)碳氮比,攪拌后裝罐,發(fā)酵溫度38 ℃,發(fā)酵時間40 d,做2組平行試驗。

        同時做沒有預(yù)處理的對照試驗。

        測試指標及測定方法見表1。

        1.3 試驗裝置

        本試驗所用試驗裝置為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30 L。主要由罐體、加熱保溫系統(tǒng)和沼氣計量系統(tǒng)組成,如圖1所示。

        1.溫度控制儀;2.水;3.加熱器;4.保溫材料;5.溫度傳感器;6.排氣閥;7.膠管;8.透明橡膠管;9.發(fā)酵原料;10.流量計

        圖1 厭氧發(fā)酵裝置

        2 結(jié)果與分析

        2.1 日產(chǎn)氣量

        采用不同方式預(yù)處理甘蔗葉后,沼氣日產(chǎn)氣量如圖2所示。從圖中可以看出,各組均可正常啟動,但啟動速度氫氧化鈉組>纖維素酶組>對照組,各組總體產(chǎn)氣趨勢較為一致,產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵前半段時間。其中,2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第16 天,為59 L;1%纖維素酶預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第12 d,為32 L;未經(jīng)過預(yù)處理的甘蔗葉日產(chǎn)沼氣最大值出現(xiàn)在發(fā)酵第9 d,為27.8 L。從日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣趨勢上看,2%氫氧化鈉預(yù)處理組明顯好于其他兩組,且發(fā)酵后期日產(chǎn)氣量仍然維持在較高水平。

        圖2 日產(chǎn)氣量

        2.2 總產(chǎn)氣量

        由圖3可以看出,在40 d的發(fā)酵周期內(nèi),2%氫氧化鈉預(yù)處理組的總產(chǎn)氣量最高,為1 209 L;1%纖維素酶預(yù)處理組的總產(chǎn)氣量其次,為637.7 L;對照組的總產(chǎn)氣量最低,為536.3 L。2%氫氧化鈉預(yù)處理組和1%纖維素酶預(yù)處理組分別比對照組高672.7 L和101.4 L。由此可見,對甘蔗葉進行預(yù)處理能提高產(chǎn)沼氣量,且采用氫氧化鈉預(yù)處理效果最好,總產(chǎn)氣量是對照組的2.25倍。

        圖3 總產(chǎn)氣量

        2.3 容積產(chǎn)氣量

        容積產(chǎn)氣率是沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運行好壞的一個重要指標,容積產(chǎn)氣率越大,單位體積單位時間內(nèi)所產(chǎn)沼氣就越多。從圖4可以看出,以40 d發(fā)酵時間計,2 %氫氧化鈉預(yù)處理組的容積產(chǎn)氣率為0.69 m3/(m3·d),比對照組高0.39 m3/(m3·d);1%纖維素酶預(yù)處理組的容積產(chǎn)氣率為0.36 m3/(m3·d),比對照組高0.06 m3/(m3·d)??梢?,在相同的反應(yīng)容積內(nèi),經(jīng)過2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉產(chǎn)沼氣量最多,這也說明,要獲得相同的產(chǎn)氣量,采用2%氫氧化鈉預(yù)處理甘蔗葉,所需的發(fā)酵罐體積最小,更節(jié)省空間。

        圖4 容積產(chǎn)氣率

        2.4 階段產(chǎn)氣量

        由圖2可以看出,在發(fā)酵過程中,各組產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵前半段時間,因此,分階段對產(chǎn)氣量進行對比,如表2所示。由表2可以看出,在發(fā)酵前20 d,2%氫氧化鈉預(yù)處理組,1%纖維素酶組和對照組產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例分別為:67.41%、71.8 %和68.17%;在發(fā)酵前30 d,2%氫氧化鈉預(yù)處理組,1%纖維素酶組和對照組產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例分別為:89.33%、87.93%和88.31%。由此可知,在30 d的發(fā)酵時間內(nèi),各組已經(jīng)獲得85%以上的總沼氣產(chǎn)量,發(fā)酵后10 d的產(chǎn)氣貢獻不大,因此可以將發(fā)酵周期縮短至30 d。

        2.5 甲烷含量

        從圖5可以看出,各組的甲烷含量分別為60.2%、53.5%和51.3%。其中,2%氫氧化鈉預(yù)處理組最高,對照組最低,這與產(chǎn)氣量結(jié)果一致。說明甘蔗葉經(jīng)氫氧化鈉和纖維素酶預(yù)處理后,纖維結(jié)構(gòu)被破壞,使甘蔗葉能更好地被發(fā)酵體系中的微生物利用,增加了產(chǎn)沼氣微生物可利用的底物,促進了沼氣的生成,且經(jīng)2%氫氧化鈉預(yù)處理的甘蔗葉所產(chǎn)沼氣質(zhì)量最好。

        圖5 甲烷含量

        2.6 纖維素降解率

        對發(fā)酵前后原料的纖維素含量進行測定,結(jié)果如圖6所示,2%氫氧化鈉組的纖維素降解率為55.87%,比對照組高35.84%,1%纖維素酶組的纖維素降解率為24.92%,比對照組高4.89%。可見厭氧微生物對預(yù)處理甘蔗葉的利用率要高于未預(yù)處理的甘蔗葉,預(yù)處理可有效促進甘蔗葉纖維素降解,但經(jīng)1%纖維素酶預(yù)處理的甘蔗葉纖維素降解率相對較低。

        圖6 纖維素降解率

        3 結(jié)論與討論

        預(yù)處理是提高秸稈利用率和產(chǎn)氣率的一種有效手段,不同的預(yù)處理方式,對甘蔗葉的作用效果不同。采用2%氫氧化鈉溶液對甘蔗葉進行預(yù)處理,發(fā)酵啟動速度快,在發(fā)酵第2 天的日產(chǎn)氣量就達到了36 L,遠高于對照組,發(fā)酵40 d總產(chǎn)氣量為1 209 L,是對照組的2.25倍,纖維素降解率達到55.87%,預(yù)處理效果良好,這與蔣建國等[6]的研究結(jié)果一致,說明堿液能夠充分作用于甘蔗葉,破壞了甘蔗葉纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),使之變得更容易被消化利用,從而達到提高甘蔗葉消化率的目的。采用1%纖維素酶預(yù)處理甘蔗葉進行沼氣發(fā)酵,產(chǎn)氣量、甲烷含量等各項指標雖然均高于對照組,但與2%氫氧化鈉預(yù)處理相比,促進效果不明顯,這與白潔瑞等[10]研究結(jié)果有差異,說明針對不同的農(nóng)作物秸稈,纖維素酶的處理效果有所不同,需要針對發(fā)酵原料的特性,選擇最佳的預(yù)處理方式。

        堿預(yù)處理效率高,但如果大量使用會對環(huán)境造成二次污染;纖維素酶預(yù)處理條件溫和、無污染,但處理效率低。如果要進行規(guī)?;託馍a(chǎn),需要進一步集成各預(yù)處理方法的優(yōu)點,形成聯(lián)合預(yù)處理技術(shù),以提高甘蔗葉降解轉(zhuǎn)化,促進甘蔗葉干發(fā)酵技術(shù)的推廣應(yīng)用。

        參考文獻

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        [2]閆志英,袁月祥,劉曉風(fēng),等.復(fù)合菌劑預(yù)處理秸稈產(chǎn)沼氣[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,27(2):176-179.

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        [9]李海紅,常華,袁月祥,等.復(fù)合菌劑預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響[J].西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,42(6):949-952.

        [10]白潔瑞,李軼冰,郭歐燕,等.不同溫度條件糞稈結(jié)構(gòu)配比及尿素、纖維素酶對沼氣產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(2):188-193.

        (責(zé)任編輯:劉昀)

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