焦静等

摘 要 以甘蔗叶为发酵原料，研究采用酸、碱预处理对甘蔗叶干法厌氧发酵产沼气效果影响。试验结果表明：酸、碱预处理均可提高甘蔗叶沼气产量，碱预处理的产气量总体好于酸预处理，甲烷含量也相对较高，碱预处理发酵后物料纤维素降解率可达56.15%。通过扫描电镜观察甘蔗叶的表观形态结构，发现经NaOH预处理后，甘蔗叶表面结构遭到较明显的破坏，更容易被消化利用。

关键词 甘蔗叶；化学预处理；产气效果；纤维素降解

中图分类号 S216.4；S216.2 文献标识码 A

Effects of Chemical Pretreatment on Biogas Production by

Anaerobic Fermentation of sugarcane Leaves

JIAO Jing1，2，WANG Jinli1，2*，ZHENG Yong1，2，WANG Gang1，2，

GUO Changjin1，2，PENG Zhilian1，2，ZHOU Jing3

1 Institute of Agricultural Machinery， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091， China

2 Tropical Biogas Research Center， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091， China

3 Key Laboratory of Tropical Crop Biology and Genetic Resources Utilization， MOA/Institute of

Tropical Bioscience and Biotechnology， CATAS， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract The effect of acid pretreatment and alkali pretreatment on biogas production from sugarcane leaves was studied. The results showed that acid pretreatment and alkali pretreatment could improve the biogas yield of sugarcane leaves. The biogas yield and methane content of alkali pretreatment was better than that of acid pretreatment，and the degradation rate of cellulose was up to 56.15%. The scanning electron microscopy（SEM） results showed that the fibrous structure of the sugarcane leaves was apparently destructed after pretreated with alkali.

Key words Sugarcane leaves；Chemical pretreatment；Biogas production；Degradation rate of cellulose

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.027

甘蔗是中国主要的糖料作物，其种植面积占中国常年糖料作物种植面积85%以上，主要集中在广西、广东、海南及福建等省区[1]。甘蔗叶中营养物质丰富，与玉米秸秆相比，碳含量高10个百分点，是生产沼气的优良原料[2]。目前绝大多数甘蔗叶被就地焚烧，造成大量的资源浪费和生态环境污染，解决好甘蔗叶利用问题已迫在眉睫。由于甘蔗叶中纤维素、半纤维素、木质素的含量较高，且这些大分子互相缠结，不易降解，使产甲烷菌难以获得所需的小分子有机物，造成沼气发酵效率低下，周期较长[3-6]，因此有必要对甘蔗叶进行预处理，使之成为微生物的养分来源。

对秸秆进行预处理是提高秸秆利用率和产气率的一种有效手段，是目前秸秆沼气利用研究的重要内容[7-10]。预处理秸秆的方法主要有物理、化学和生物方法[11-14]。物理法预处理技术虽能对秸秆内部结构产生一定的破坏作用，但破坏程度较低，而且能耗较高；生物法利用特定的微生物去降解纤维素、木质素，反应条件温和，但该方法反应时间长，并且对反应环境要求严格，降解效率较低；化学法预处理对反应设备要求高，要求耐腐蚀，但稀酸和稀碱在一定条件下处理秸秆具有处理效率高、处理时间短、耗能低、能连续操作等优点[15]。康佳丽等[16]采用4%～10%的NaOH对麦秸进行预处理，可显著提高麦秸沼气发酵的总产气量。李鹤等[15]将玉米秸秆经稀酸处理和稀碱处理后进行厌氧干发酵试验，发现其累积产气率和甲烷含量都有所提高。

目前，秸秆预处理的研究重点已经从原来的单一方法预处理向混合方法预处理转变，成为国内外研究的重点领域[17]。前期笔者已经对甘蔗叶进行过生物预处理产沼气试验分析，但是目前还没有采用化学方法预处理甘蔗叶的相关研究报道。因此，在前期研究基础上，本研究采用稀酸和稀碱预处理甘蔗叶，分析其产气效果，以期为甘蔗叶的混合预处理提供理论依据，促进甘蔗叶能源化利用。

1 材料与方法

1.1 材料

甘蔗叶：取自湛江市湖光农场甘蔗收获后的干黄叶，用粉碎机粉碎成3～5 cm的不规则小段，测其总固体质量分数为87%。

猪粪：取自湛江市麻章区高阳个体养猪场，测其总固体质量分数为25%。

接种物：前期实验室发酵底物，总固体质量分数为5%。

试剂药品：硫酸、氢氧化钠、碳酸氢铵

1.2 方法

以总产气量、最高甲烷含量、纤维素降解率以及表观形态结构为指标，主要考察稀硫酸浓度和稀碱浓度对甘蔗叶厌氧发酵产沼气的影响（见表1）。（1）H2SO4浓度：称取甘蔗叶1.72 kg，分别加入3 500 mL的 0.5%、1%、1.5%、2%的稀硫酸溶液，在常温下预处理7 d。预处理后的甘蔗叶加入干物质比1 ∶ 1的猪粪6 kg，再加入碳酸氢铵120 g、30%的接种物和6 kg水，搅拌均匀，用6 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7～8，在38 ℃的条件下进行厌氧发酵，发酵时间40 d。同时做不加稀硫酸的对照组。 （2）NaOH浓度：称取甘蔗叶1.72 kg，分别加入3 500 mL的2%、4%、6%、8%的氢氧化钠溶液，在常温下预处理7 d。预处理后的甘蔗叶加入干物质比1 ∶ 1的猪粪6 kg，再加入尿素碳酸氢铵120 g、30%的接种物和6 kg水，搅拌均匀， 用25%的HCL调节pH值至7～8，在38 ℃的条件下进行厌氧发酵，发酵时间40 d。同时做不加氢氧化钠的对照组。所有试验均重复2次进行。

1.3 发酵装置

本试验所用试验装置是由中国热带农业科学院农业机械研究所制作的可控性水浴恒温厌氧发酵装置，罐内容积44 L，装料体积25 L。主要由罐体、加热保温系统和沼气计量系统组成，如图1所示。

1.4 数据处理

所有试验均重复2次，结果以平均值表示。应用Excel 2003软件对结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 产气量和甲烷含量

经不同浓度的稀硫酸预处理后，甘蔗叶总产气量如图2所示。由图2可知，经H2SO4预处理的试验组均比对照组的总产气量高，当H2SO4浓度为1.0%时，产气量最高，可达1 076 L，比对照组的706 L多出370 L。可见，采用H2SO4进行预处理，可提高甘蔗叶产沼气量。当H2SO4浓度大于1%时，总产气量随着酸浓度的增加而降低，其原因可能是酸浓度过大对厌氧发酵产生了抑制。由图3可知，各处理组的最高甲烷含量都在60%以上，当H2SO4浓度为1.5%时，甲烷含量最高，为64.2%，比对照组的62%高2.2%。综合比较可见，当H2SO4浓度为1.0%时，产气效果最佳。

经不同浓度的稀碱液预处理后，甘蔗叶总产气量如图4所示。从图4可以看出，当NaOH浓度为2%时，总产气量最大，为1 223 L，比对照组的706 L多出517 L。随着NaOH浓度的增加，甘蔗叶厌氧发酵总产气量逐渐下降，但均高于对照组。可见，采用NaOH进行预处理，可提高甘蔗叶产沼气量，但是小于2%的NaOH预处理浓度还需要进一步试验分析。从图5可以看出，各处理组的最高甲烷含量都大于60%，当NaOH浓度为8%时，甲烷含量最高，为67.2%，比对照组的62%高5.2%。综合比较可见，当NaOH浓度为2%时，产气效果最佳。

取酸处理和碱处理产气效果最好的试验组进行比较，酸处理组的总产气量为1 076 L，最高甲烷含量为61.6%；碱处理组的总产气量为1 223 L，最高甲烷含量为62.1%。可见，在相同的试验条件下，对于甘蔗叶厌氧发酵，碱处理的产气效果要优于酸处理。

2.2 纤维素降解率

发酵前物料纤维素含量为77.81%，经过预处理，再经厌氧发酵后，物料中纤维素含量均有所降低，如图6和图7所示。碱预处理、酸预处理以及未添加化学试剂的对照组的纤维素含量分别为34.12%、37.81%和43.80%，纤维素的降解率分别为56.15%、51.41%、43.71%。可见采用酸、碱预处理可加速甘蔗叶分解转化，有效促进纤维素降解，经过碱预处理后物料纤维素降解率最高，转化效率最好，厌氧发酵产沼气效果也最好。

2.3 扫描电镜分析

采用扫描电镜对酸、碱预处理前后甘蔗叶表观形态结构进行观察，结果见图8和图9。由图可见，酸预处理后甘蔗叶表面粗糙，有部分絮状杂质覆盖，但其结构依然比较致密；碱预处理后的甘蔗叶表面有孔隙出现，结构疏松，有明显的腐蚀痕迹。可见，碱处理对甘蔗叶表面破环程度更大。

3 讨论与结论

以作物秸秆为原料，通过厌氧发酵制取沼气是实现农业废弃物资源化利用和减少其环境污染的重要途径。但由于秸秆组织结构紧密，难以直接被沼气发酵微生物利用，需要进行一定的预处理。化学预处理是提高秸秆转化率的有效方法，麦杆、水稻秸秆、玉米秸秆等作物秸秆都是目前化学预处理的研究对象。甘蔗叶作为热带地区比较大宗的农业废弃物，厌氧发酵后所产沼气甲烷含量均在60%以上，可见采用沼气发酵技术处理甘蔗叶是其今后能源化利用的主要方向。为了提高甘蔗叶产沼气利用率，对其进行预处理研究是十分必要的。

在本研究结果表明，当H2SO4浓度为1.0%时产气效果最好，单位TS产气量为8.28 L（/kg·d），甲烷含量最高可达61.6%。覃国栋[19]等采用酸预处理水稻秸秆进行湿法沼气发酵，结果表明6%的酸处理浓度为最好，厌氧发酵时单位TS产气量为3.49 L（/kg·d），甲烷含量最高可达44.3%，均高于对照组。可见，采用干法厌氧发酵产气效果要好于传统的湿法发酵方式，而且由于甘蔗叶中添加了猪粪，有效的提高了产气量和甲烷含量，说明猪粪也是促进沼气发酵的有利因素。根据发酵物料的不同，酸预处理的最佳反应条件也不一样，对甘蔗叶来说，当H2SO4浓度超过1.0%时，总产气量随着酸浓度的增加而降低，这可能是因为过高的酸处理浓度一方面造成甘蔗叶降解充分，干物质损失过多，另一方面也可能产生一些抑制厌氧发酵微生物的物质，如糠醛等，进而影响发酵。由此可见，适当的酸浓度处理甘蔗叶能改善甘蔗叶的降解性能，增加沼气产量，浓度过大则会产生抑制作用，这个结果与覃国栋、常景玲[20]等人的研究结果一致。

与酸预处理相比，碱预处理的产气效果更好一些。通过碱预处理可显著改善和提高甘蔗叶的降解性能，增加甘蔗叶的可厌氧消化成分。在本次试验中，当NaOH浓度为2%时，产气效果最佳。从扫描电镜检测结果可见，经碱预处理后，甘蔗叶的表面物理结构变得疏松、碎裂，出现孔隙及明显的腐蚀现象。这种破坏改善了甘蔗叶的结构和质地，有利于释放包裹在木质素和半纤维素中的纤维素，使之变得更容易被消化利用，从而达到提高甘蔗叶消化率的目的。发酵后纤维素降解率高达56.15%也证实了NaOH预处理的有效性。蒋建国[11]等采用酸碱等4种不同化学药剂浸泡玉米秸秆并进行沼气发酵，发现NaOH预处理可大大提高秸秆的沼气发酵性能，产气效果也好于酸预处理，当NaOH浓度提高后，虽然溶出的营养物质增加了，但高浓度的Na+会对微生物生命活动产生抑制作用，而本试验中，当NaOH浓度大于2%时，产气量也是逐渐下降，这说明还需要在小于2%的浓度条件下进一步试验分析，以找到碱预处理甘蔗叶的最佳参数。

单一采用碱预处理甘蔗叶时，碱的种类、碱浓度及预处理时间等因素还需要进行进一步的优化，且要综合考虑处理成本。李湘[21]等研究表明经1%NaOH溶液浸泡过的秸秆，再用微生物菌剂处理时，秸秆降解率可显著提高，因此，后续可结合生物预处理方法，对甘蔗叶进行混合预处理技术研究，进一步增强预处理效果。

综合以上分析认为，采用酸、碱预处理甘蔗叶进行沼气干法厌氧发酵，碱预处理效果最好，当NaOH浓度为2%时，甘蔗叶发酵40 d的总产气量为1 223 L，最高甲烷含量为62.1%，纤维素降解率可达56.15%。本研究结果对甘蔗叶沼气利用具有一定的指导作用。

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