趙紅梅,秦向東,趙志樸

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,云南 昆明 650201;2.云南省高校生物天然氣產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心,云南 昆明 650201)

我國(guó)是最大的能源消耗國(guó)之一,這將帶來了不可再生能源的匱乏和環(huán)境污染問題。為了解決這些問題,很多研究者開始關(guān)注潔凈的可再生能源[1-4]。生物質(zhì)能源是其中一種研究較多的可再生資源,將生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為潔凈能源也是近年來研究的熱點(diǎn)之一[5-8]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是將生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為潔凈能源最有效的手段之一。厭氧發(fā)酵技術(shù)可以將生物質(zhì)能源材料中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣和乙醇等潔凈能源。厭氧發(fā)酵分為濕式發(fā)酵(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)TS<15%)和干式發(fā)酵(TS>20%)兩大類。濕式發(fā)酵中需大量水加入,后期將產(chǎn)生大量的污水,會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。干式發(fā)酵因其水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,發(fā)酵完后基本無污水,受到了廣泛的關(guān)注[9]。

雜交狼尾草(Hybridpennisetum)是較好的能源植物之一,具有速度快、產(chǎn)量高和對(duì)土壤要求不高等優(yōu)點(diǎn),具有較好的發(fā)展前景[10]。研究課題組[11-12]對(duì)雜交狼尾草的干式和濕式厭氧發(fā)酵的研究發(fā)現(xiàn):濕式條件下,添加不同的無機(jī)離子(Fe2+,Co2+,Ni2+)有助于促進(jìn)產(chǎn)氣;利用酸堿預(yù)處理過程中,NaOH預(yù)處理能較好地破壞雜交狼尾草的纖維素、半纖維素,提高雜交狼尾草的產(chǎn)氣量;在干式發(fā)酵研究中,發(fā)現(xiàn)干式發(fā)酵后的產(chǎn)氣量明顯比濕式發(fā)酵的產(chǎn)氣量高。我國(guó)每年有大量的蔬菜廢棄物產(chǎn)生,對(duì)環(huán)境造成較大的污染。蔬菜廢棄物本身含較多的糖類和半纖維素,纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少(約為8%～19%),且其有機(jī)質(zhì)能被厭氧生物很好地降解,產(chǎn)生甲烷氣體[13-17]。劉榮厚等[14]以廢棄的甘藍(lán)菜葉為發(fā)酵原料,進(jìn)行了厭氧發(fā)酵研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),其總產(chǎn)氣量高達(dá)7 790.81 mL。生菜葉在單獨(dú)發(fā)酵過程中容易酸化,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵過程受到抑制,雜交狼尾草含纖維素、半纖維素較多,發(fā)酵周期長(zhǎng),利用率不高?；旌习l(fā)酵能使雜交狼尾草和生菜葉協(xié)同作用,提供發(fā)酵過程中微生物群落更理想的生長(zhǎng)環(huán)境(C與N的質(zhì)量比),能有效提供2種物質(zhì)的利用率。雜交狼尾草因?yàn)楸旧砝w維素、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,為了提高混合產(chǎn)氣量,所以對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,降解纖維素、木質(zhì)素,提高利用率也是非常有必要的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和儀器

雜交狼尾草原料:采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山,為自種雜交狼尾草(Hybridpennisetum)的地上部分,陰干后切分為2～3 cm段,常溫密封保存。

生菜葉原料:采購(gòu)自昆明蒜村市場(chǎng),莖葉一起切碎為2～3 cm段,陰干,常溫密閉保存。

接種用污泥:采自昆明市第五水質(zhì)凈化廠,室內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

實(shí)驗(yàn)儀器:SX2-4-10型馬弗爐(上海市嵩明實(shí)驗(yàn)儀器廠)、DHVT-90型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、DZKW-S-8型電熱恒溫加熱鍋(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)、ISO901電子天平(北京賽多利斯天平有限公司)、GT901型甲烷測(cè)定儀(深圳科爾諾電子科技有限公司)。

藥品:纖維素酶(10 000 kg/g,天津市諾奧科技發(fā)展有限公司)、尿素、三甲基咪唑(分析純)、一氯十六烷(分析純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

前期實(shí)驗(yàn)確定最佳的m(雜交狼尾草)∶m(生菜葉)=3∶1,考慮到雜交狼尾纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,生菜葉也含有少量的纖維素和木質(zhì)素,預(yù)處理過程中,將雜交狼尾草先進(jìn)行預(yù)處理,考察預(yù)處理手段對(duì)發(fā)酵性能的影響。

14組實(shí)驗(yàn),每一組所取得量一樣,雜交狼尾草30 g,生菜10 g,1～5組用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%,4%,6%,8%,10%的尿素將雜交狼尾草噴灑均勻;6～9組用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,2%,3%,4%的離子液體將雜交狼尾草噴灑均勻;10～14組用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%,4%,6%,8%,10%的纖維素酶將雜交狼尾草噴灑均勻后自密封袋中處理7 d,將處理后原料于廣口瓶中,按干式發(fā)酵TS為20%加入沼泥,攪拌均勻后,進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵階段。每組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn),每天定時(shí)測(cè)日產(chǎn)氣量和pH值,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2.2 混合發(fā)酵原料

雜交狼尾草的性質(zhì)在前期實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)測(cè)定過,其纖維素為34.57%,半纖維素為21.37%,木質(zhì)素為8.24%。在混合發(fā)酵原料選擇中,植物類m(C)∶m(N)是較為重要的因素之一,研究證明:m(C)∶m(N)在20～30之間在產(chǎn)氣效果方面較為理想[17],若m(C)∶m(N)過高,新陳代謝不夠完全就不能使有機(jī)質(zhì)完全轉(zhuǎn)化;過低,則會(huì)形成過的的氨,不利于微生物的生長(zhǎng)[16]。對(duì)此,我們對(duì)雜交狼尾草和生菜葉元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定,其結(jié)果如表1所示。

表1 雜交狼尾草和生菜葉元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析Table 1 Analysis of the content of elements Hybridpennisetum and Lettuce Leaves

1.2.3 原料和接種物TS測(cè)定

原料為雜交狼尾草、生菜葉和活性污泥,其含水率與接種物總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)TS在(105±5) ℃下,采用干燥恒重法來測(cè)定。

1.2.4 綠色溶劑離子液體的合成

將30 mL一氯十六烷和10 mL三甲基咪唑加入圓底燒瓶中,并將磁力攪拌子放入圓底燒瓶中。置于裝有甲基硅油的鐵鍋中,鐵鍋放置在磁力攪拌器上,圓底燒瓶連接冷凝裝置,于80～90 ℃溫度下攪拌至黏稠狀,結(jié)束攪拌。放置,并加入200 mL四氫呋喃后加熱攪拌至溶解,放于室溫下冷卻結(jié)晶,使用真空泵抽濾,并將樣品收集晾干備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維素酶預(yù)處理雜交狼尾草對(duì)干式發(fā)酵的影響

圖1為纖維素酶預(yù)處理對(duì)雜交狼尾草與生菜葉混合干式厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)圖。由圖1可知:2%,4%,6%處理組變化趨勢(shì)大致相同,1～4 d開始上升,達(dá)到一個(gè)峰值360 mL左右,在第9 d達(dá)到一個(gè)峰值440 mL。在第12 d達(dá)到另一個(gè)峰值430 mL左右,之后緩慢下降,直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。8%預(yù)處理組1～4 d產(chǎn)氣量較高,后面發(fā)酵過程中,產(chǎn)氣量雖降低,但基本趨于平穩(wěn)。10%預(yù)處理組變化最大,1～4 d大幅度下降到80 mL,之后幾天緩慢上升,9～39 d起伏不斷的變化,39 d之后緩慢下降。

圖1 日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.1 Variation of daily biogas yield with fermentation time

圖2為纖維素酶預(yù)處理對(duì)雜交狼尾草與生菜葉混合干式厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量的柱狀圖。由圖2可知:2%,4%,6%,10%的纖維素預(yù)處理效果不佳,累積產(chǎn)氣量與對(duì)照組基本一致。8%的纖維素預(yù)處理后,明顯比對(duì)照組的累積產(chǎn)氣量高,達(dá)10 700 mL。說明纖維素酶預(yù)處理能一定程度破壞雜交狼尾草的纖維素、半纖維素。

圖2 纖維素預(yù)處理后累積產(chǎn)氣量的柱狀圖Fig.2 Histogram of cumulative biogas productionafter cellulase-pretreated

2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素預(yù)處理雜交狼尾草對(duì)發(fā)酵的影響

圖3為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理后的日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間變化趨勢(shì)圖。由圖3可以看出:預(yù)處理后的甲烷產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)圖基本一致,在第1 d日產(chǎn)氣量達(dá)到峰值,超過350 mL,之后迅速下降,在第5 d后日產(chǎn)氣量開始上升,在第9 d達(dá)到一個(gè)峰值,產(chǎn)氣量為300 mL左右,并于第15 d達(dá)到第二個(gè)峰值331 mL。

圖3 日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.3 Variation of daily biogas yield with fermentation time

圖4為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理后的累積產(chǎn)氣量的柱狀圖。由圖4可知:不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素預(yù)處理后,累積產(chǎn)氣量均高于對(duì)照組,8%尿素預(yù)處的產(chǎn)氣量最高,達(dá)9 878 mL。說明尿素可以有效的降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,這與前期測(cè)定結(jié)果一致,8%尿素預(yù)處理后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素明顯比未預(yù)處理的低(預(yù)處后的纖維素28.96%,半纖維素19.34%,木質(zhì)素4.93%;未處理的纖維素34.57%,半纖維素21.37%,木質(zhì)素8.24%)。

圖4 尿素預(yù)處理后累積產(chǎn)氣量的柱狀圖Fig.4 Histogram of cumulative biogas production after urea-pretreated

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的離子液體預(yù)處理狼尾草時(shí)對(duì)混合發(fā)酵的影響

2.3.1 預(yù)處理后的甲烷日產(chǎn)氣變化趨勢(shì)和累積產(chǎn)氣量

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子液體預(yù)處理后的甲烷日產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)圖。由圖5可知:離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,累積產(chǎn)氣量不斷增大,但總的累積產(chǎn)氣量相比對(duì)照組較低。

圖5 日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.5 Variation of daily methane yield with fermentation time

圖6為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子液體預(yù)處理后的甲烷累積產(chǎn)氣量的柱狀圖。從圖6中可知:隨著離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大,累積產(chǎn)氣量不斷增大,4%離子液體的產(chǎn)氣量達(dá)9 112 mL。說明離子液體能一定程度有效降解木質(zhì)纖維素。

圖6 離子液體預(yù)處理后累積產(chǎn)氣量的柱狀圖Fig.6 Histogram of cumulative biogas production after ion liquid pretreatment

2.3.2 離子液體預(yù)處理前后的雜交狼尾草掃描電鏡圖

圖7為離子液體預(yù)處理前后的雜交狼尾草的掃描電鏡圖。從圖7可看出:未處理的狼尾草纖維素結(jié)構(gòu)非常緊致,表面較光滑,沒有裂痕,離子液體處理的狼尾草表面結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞,失去了原來的平滑結(jié)構(gòu),變得疏松。說明離子液體溶解了部分雜交狼尾草的纖維素,破壞了結(jié)構(gòu),促進(jìn)發(fā)酵,但溶解效果不太理想。

圖7 離子液體預(yù)處理前后的雜交狼尾草SEM掃描圖Fig.7 SEM scans of Hybrid pennisetum afternon-pretreatment andpretreatment

3 結(jié) 論

采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素、纖維素和離子液體預(yù)處理雜交狼尾草后,將該原料與生菜葉混合發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)8%纖維素預(yù)處理效果最佳,累積產(chǎn)氣量最高。在離子液體預(yù)處理實(shí)驗(yàn)中,離子液體明顯地破壞了雜交狼尾草的結(jié)構(gòu),這為后期進(jìn)一步研究離子液體發(fā)酵機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)雖然取得一定的效果,但是不同預(yù)處理物質(zhì)的手段和條件還需進(jìn)一步優(yōu)化。