李永丽　孙传伯　尹　芳　张无敌　刘士清

[摘要]实验在常温条件下以甘蔗渣为原料，采用批量发酵工艺，进行发酵产沼气实验，实验结果表明，甘蔗渣是一种较好的沼气发酵原料，其沼气发酵潜力为201mL/gTS，212mL/gVS。发酵产沼气是提高甘蔗渣燃烧热效率的一种途径。

[关键词]甘蔗渣 发酵 沼气潜力

中图分类号：O69文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120010－01

甘蔗是我国重要的糖料经济作物之一。在我国大部分的糖厂都是以甘蔗为原料，随之就会产生大量的甘蔗渣。只有少量的蔗渣被糖厂资源化利用，绝大部分被当作废弃物处理[1]-[3]。这样不仅带来了环境的污染，而且造成了资源的浪费。甘蔗渣的主要成分是纤维素、半纤维素及木质素，其中纤维素、半纤维素可以被产沼气微生物菌群利用，产生沼气，沼气发酵技术是实现改善环境，废弃物资源化利用的有效途径之一。本文选择甘蔗渣作为发酵原料，进行沼气发酵产气潜力的实验研究[3]-[7]。

一、材料与方法

（一）材料

1．发酵原料及接种物

发酵原料为甘蔗渣，并以实验室长期驯化的猪粪发酵残留物为底物的混合厌氧消化污泥为接种物。经测定原料及接种物的TS与VS及pH值见下表。

2．实验装置

自制1000mL实验型水压式厌氧消化批量发酵装置。常温条件下进行发酵。

（二）实验方法

本实验设两个实验组和一个对照组，重复设三个平行实验，配料如下：

1．实验组：300g接种物，13.4g甘蔗渣，加水调至1000mL。

2．对照组：300g接种物，加水稀释至1000mL。

（三）测试项目及方法

总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)采用常规分析法，测定原料接种物，以及发酵前后料液的TS、VS。具体测定方法见文献4。

产气情况记录：本实验采用水压式法收集沼气，每天定时记录各套装置的产气量，根据沼气燃烧时的火焰颜色，采用火焰颜色光谱法[8]确定气体中甲烷的含量。

测定其热值：自动量热仪（金鹰全自动量热仪，长沙友欣仪器厂）（国产GR-3500型）。

二、结果与分析

（一）料液发酵前后相关指标的测定结果及分析

本实验在常温条件下进行了92d，对沼气发酵前后发酵料液的TS、VS和pH进行了分析，结果见表2；从表中得到发酵前后实验组、对照组的料液中TS、VS含量都不同程度地降低。这说明发酵过程中，原料被不同程度地消化并产生沼气。从表中的数据看，对于实验组，其原料的TS利用率为41.03%，VS利用率为12.77%。对于对照组，其TS、VS含量本身发生了变化，但变化量小，产生了少量的气体。从发酵过程前后pH值变化情况来看，实验组和对照组的pH值均有一定的降低，分别为6.86和7.28，他们均处于沼气发酵的最适pH范围中[9]，说明甘蔗渣可以作为发酵产沼气的原料。

（二）产气量的统计结果与分析

从图1可以得到甘蔗渣发酵产沼气持续的时间较长。但发酵启动的时间较慢，到第12天产气量才达到一个小高潮，但是不能点燃，说明在启动过程中得到的气体CO2含量较高。随后产气量有所下降，此时正处于水解阶段和产酸阶段，有少量的甲烷气体产生；第15天时，所产的气体可以点燃，但不能持续燃烧，到第18天时，气体能够持续燃烧并且为蓝色火焰，说明气体的甲烷含量达到60%～65%（体积比）[8]。从第16天开始产气量又开始逐渐上升，第34天产气达到了最高峰，随后产气量日渐下降，到第88天以后，日产气量已经小于5mL，并且很难燃烧。

从图中实验组的曲线可以明显的看到3次高峰。第1次高峰是由于体系中的好氧菌利用氧气进行有氧消化形成的，所得气体主要是CO2，空白组也有同样的高峰，在此期间，产甲烷微生物菌群正处于活化阶段；第2次高峰是发生在24天左右，可能是因为甘蔗渣中一些易被微生物分解的残糖类物质、淀粉类物质和易水解类物质被利用，产生甲烷气体形成一个气体小高峰；当那些易分解的物质消耗完时，体系中的微生物和其代谢物酶类都比较丰富，此时甘蔗渣中的主要成分纤维素、半纤维素和木质素就被活性污泥中微生物菌群发酵利用，其中纤维素和半纤维素可以被菌体和酶类物质水解形成的小分子物质，其后又被产氢产乙酸菌分解，最终形成产甲烷菌可以利用的物质，产生沼气，这就形成了图1中最大的一次产气高峰即第3次产气高峰。而空白组中，由于没有供微生物利用的发酵底物，所以没有再形成第2次高峰。纤维素、半纤维素的分解速度很慢，同时微生物发酵菌群很难将它们彻底分解，所以第3次高峰的出现需要一定的时间，发酵产沼气的产气周期也比较长。

从表3可以得到实验组的总产气量、日平均产气量和池容产气率都比空白组大。说明甘蔗渣可以作为发酵产沼气的原料。从表1、表2和表3可以得到甘蔗渣产沼气的潜力：甘蔗渣的TS产气潜力为201mL/gTS，VS产气潜力为212mL/gVS，新鲜原料产气潜力为150mL/g。

实验使用甘蔗渣原料13.4g，通过发酵后获得了2005mL的沼气（甲烷的燃烧热值为35.822MJ/m3），按照沼气中的甲烷含量一般为50%－70%来计算[9]，得到13.4g甘蔗渣可以产生35.9kJ－50.3kJ的热量。如果13.4g甘蔗渣（TS为74.68%）完全燃烧（甘蔗渣的燃烧值为17.765MJ/kg），可以得到177.8kJ的热量。甘蔗渣发酵之后产生沼气它的燃烧效率在20.2%－28.3%之间。而一般使用炉灶直接燃烧，其热效率仅为15%－20%[10]。说明发酵产沼气是提高甘蔗渣燃烧热效率的一种途径。

三、结论

1．以甘蔗渣为沼气发酵原料，采用批量发酵的方式，可以发酵产沼气。

2．经实验测定，甘蔗渣是一种良好的发酵原料。在常温条件下即可进行，甘蔗渣的TS产气潜力为201mL/g TS，VS产气潜力为212mL/g VS，新鲜原料产气潜力为150mL/g。

3．发酵产沼气是提高甘蔗渣燃烧热效率的一种途径。

基金项目：云南省自然科学基金（2007E049M）资助。

参考文献：

[1]陈平华，甘蔗主成分分析及作为再生能源的可行性[J].甘蔗，2004，11(2):1-4.

[2]候伟鹏，开发甘蔗燃料乙醇大有可为[J].广西甘蔗，2004，(2):34-35.

[3]黄彩云、张文彬、姜淑芬，我国糖料作物甜菜与甘蔗主要性状指标的分析[J].中国糖料，2006，(2):41-44.

[4]查国君、曾国揆，张无敌等，水葫芦发酵产气潜力的实验研究[J].能源工程，2006，(6):50-51.

[5]许义忠，用农作物秸秆作沼气发酵原料的重要性和应注意的问题[J].中国沼气，1984，(1):24-25.

[6]马欢、尹芳、张无敌，玉米苞皮沼气发酵潜力研究[J].能源工程，2005，(1):34-35.

[7]路娟娟、张无敌、刘士清等，羊粪沼气发酵潜力的实验研究[J].可再生能源，2006，(5):29-31.

[8]江蕴华、余晓华，利用火焰颜色判断沼气中甲烷含量[J].中国沼气，1984，2(3):28.

[9]张无敌、宋洪川、尹芳等，沼气发酵残留物利用基础[M].昆明：云南科技出版社，2004.20-21.

[10]吴创之、马隆龙，生物质现代化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2003.10-11.

作者简介：

李永丽，女，云南昆明人，硕士，生物质能与环境工程；刘士清，男，云南江川人，副研究员，现主要从事生物环境与能源资源研究工作。