兩種預處理方法對低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響

趙崧岐　宋洪川　高旭紅等

摘要研究了7%黑曲霉預處理和7%復合酶預處理低次煙葉對低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響。通過試驗數(shù)據(jù)對兩種生物預處理方法產(chǎn)氣效果進行了比較，得到了7%的黑曲霉預處理低次煙葉進行厭氧消化產(chǎn)沼氣的產(chǎn)氣效率更高，低次煙葉分解更徹底的結(jié)論。

關鍵詞低次煙葉；厭氧發(fā)酵；沼氣；預處理

中圖分類號S572文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-263-02

我國是世界煙葉的主產(chǎn)國，我國煙草植物的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。據(jù)統(tǒng)計，2006年煙草植物種植面積為104.8萬hm2，煙葉和卷煙產(chǎn)量均占世界總產(chǎn)量的1/3。2003年煙葉總產(chǎn)量（PAO統(tǒng)計口徑）230.8萬t，占全球煙葉總產(chǎn)量619.2萬t的37.3%[1]。

目前作為煙草生產(chǎn)大國，我國每年煙葉產(chǎn)量中約有近25%（近90萬～150萬t）的煙葉、煙末等下腳料被廢棄，不能用于卷煙生產(chǎn)，這已造成嚴重的環(huán)境污染。以云南為例，作為煙草大省，云南每年烤煙產(chǎn)量中約有30%～35%屬于無法進行卷煙加工的低等或等外級煙葉未能得到合理利用。

在卷煙生產(chǎn)中，由于卷煙對煙葉的品質(zhì)要求較高，等級質(zhì)量高的煙葉往往優(yōu)先利用，且供不應求，低次煙葉除很少一部分用來做膨脹煙絲或薄片，其余大部分在倉庫中堆放，有的甚至發(fā)霉變質(zhì)，沒有充分發(fā)揮其真正的使用價值，造成資源的浪費，從而給國家和企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。現(xiàn)在世界上各國煙草企業(yè)為了追求更高的經(jīng)濟效益，都在倡導提質(zhì)降耗，力求資源的最佳配置和合理利用。

據(jù)現(xiàn)有相關文獻報道[2]，厭氧消化反應是有效利用煙草廢棄物的方法之一。通過厭氧消化的過程，不僅可脫去煙草廢棄物中的毒性，產(chǎn)生沼氣為人類生產(chǎn)生活提供所需能源動力；同時，其發(fā)酵殘余物還可有效防治多種病蟲害，從而為我國有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有利條件[3]。然而，在常規(guī)厭氧消化過程中，煙草廢棄物的發(fā)酵會引起產(chǎn)甲烷微生物群慢性中毒，使沼氣池不能正常運行[4]。因此，有效的預處理是保證煙草廢棄物正常進行厭氧發(fā)酵的前提，同時也是提高煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣含量及效率的關鍵。以經(jīng)濟、環(huán)保、高效為出發(fā)點，筆者研究了兩種不同的生物預處理方法對低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響，旨在為提高低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣效率方面提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料以添加玉米芯的經(jīng)過一年培養(yǎng)的豬糞和人糞混合的沼氣池底泥為接種物；以云南省紅河州彌勒市的未能得到有效利用的低次煙葉作為發(fā)酵原料；以黑曲霉和復合酶作為預處理試劑。家用密封保鮮盒2個，恒溫水槽1個。

1.2試驗設計

首先，測定未經(jīng)處理的煙葉的TS（總固體）為90.02%，VS（揮發(fā)性固體）為14.55%。將未處理的煙葉400 g經(jīng)過粉碎至4～8 mm后，兌水3 200 ml使含水量達到90%，均分到兩個保鮮盒中，分別加入質(zhì)量分數(shù)為7%的黑曲霉和質(zhì)量分數(shù)為7%的復合酶，密閉，放入38 ℃恒溫水槽中處理7 d。

其次，將處理好的煙葉分為黑曲霉、復合酶和對照組3組，每組3個平行，進行發(fā)酵（對照組為沒有進行預處理的煙葉）。發(fā)酵液總體積為500 ml，接種物體積為150 ml，發(fā)酵濃度為6%，發(fā)酵持續(xù)時間為45 d，發(fā)酵前分別對發(fā)酵液的TS和VS進行測定。

試驗裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶和計量瓶組成。選用1 000 ml錐形瓶作為發(fā)酵瓶，利用橡膠塞密封，橡膠塞上設有導氣孔；集氣瓶為1 000 ml廣口瓶，瓶口用橡膠塞密封，橡膠塞上連接用于導氣和排氣的三通管，排水口與計量瓶連接。

試驗裝置如圖1所示。發(fā)酵物料基本性質(zhì)如表1所示。

注：1.發(fā)酵瓶；2.集氣瓶；3.讀數(shù)瓶（排水瓶）。

圖1試驗發(fā)酵裝置

表1發(fā)酵物料基本性質(zhì)

試驗組試驗溫度℃低次煙葉∥g接種物g發(fā)酵料液體積∥ml發(fā)酵料液總固體質(zhì)量分數(shù)%pH

黑曲霉室溫75.731505006.116.540

復合酶室溫56.901505006.326.533

對照組室溫19.921505006.456.738

1.3測試項目及方法

①TS含量和VS含量：參照文獻[5]中的相關方法測定。

②pH采用PHS-25酸度計進行測定。

③產(chǎn)氣量利用排水集氣法收集沼氣，根據(jù)水的體積測量出沼氣的產(chǎn)量。

2結(jié)果與分析

黑曲霉預處理、復合酶預處理和對照組的日產(chǎn)氣量情況如圖2所示。由圖2可知，對照組在發(fā)酵的1～7 d出現(xiàn)一個產(chǎn)氣高峰，之后出現(xiàn)了產(chǎn)氣的間歇期。這是由于隨著前期發(fā)酵的進行，出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰后，伴隨著烤煙秸稈的分解，有機酸積累逐漸增多，抑制了甲烷菌的生長，發(fā)酵系統(tǒng)失去平衡，產(chǎn)氣量減少[6]。而隨著發(fā)酵體系的自身調(diào)節(jié)，在35～39 d出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰，整個發(fā)酵時間持續(xù)47 d。同樣的，復合酶預處理也出現(xiàn)了類似的情況。而黑曲霉預處理則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，這說明黑曲霉預處理很好地解決了發(fā)酵過程中有

圖2日平均產(chǎn)氣量對比

機酸過度積累抑制甲烷菌生長的現(xiàn)象[7]。

由圖3可知，黑曲霉預處理發(fā)酵進行到第22天，產(chǎn)氣趨于平穩(wěn)，總產(chǎn)氣量為2 535 ml；復合酶預處理在第10天產(chǎn)氣趨于平穩(wěn)后，在第25天繼續(xù)產(chǎn)氣，總產(chǎn)氣量為1 455 ml；對照組在第7天產(chǎn)氣量趨于平穩(wěn)，在第35天繼續(xù)產(chǎn)氣，總產(chǎn)氣量為3 150 ml。

圖3累計產(chǎn)氣量對比

3結(jié)論與討論

綜上所述，各組試驗中，由黑曲霉預處理后，低次煙葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素總體含量降低，發(fā)酵啟動時間短，發(fā)酵效率得到明顯的提高。由復合酶預處理后，低次煙葉中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素總體含量降低，但處理過程中原料消耗過大，導致日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量均不足，發(fā)酵效率同對照組比較也沒有得到明顯的改善。因此通過質(zhì)量分數(shù)7%的黑曲霉預處理低次煙葉進行厭氧發(fā)酵是一種相對經(jīng)濟、合理且對環(huán)境友好的發(fā)酵方式。

3.1不同預處理對低次煙葉厭氧消化日產(chǎn)氣量的影響

不同預處理方法的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示，可見黑曲霉預處理的日產(chǎn)氣量變化波動不大，而復合酶預處理以及對照組的日產(chǎn)氣量變化較大，且對照組的日最高產(chǎn)氣量達到了690 ml。由此可見，黑曲霉預處理很好地控制了厭氧消化前期大量揮發(fā)性有機酸的積累對甲烷菌生長的抑制作用[8]。

3.2不同預處理對低次煙葉厭氧消化累計產(chǎn)氣量的影響

不同預處理方法的累計產(chǎn)氣量變化如圖3所示，可見各個試驗組的累計產(chǎn)氣量差距顯著，其中以對照組最高，為3 150 ml，黑曲霉預處理后累計產(chǎn)氣量居中，為2 535 ml，而復合酶預處理的產(chǎn)氣量最低，為1 455 ml。這是由于在預處理的過程中，黑曲霉和復合酶消耗了一定量的發(fā)酵原料，使得厭氧消化過程的產(chǎn)氣量變少[9]。

3.3不同預處理對低次煙葉厭氧消化產(chǎn)氣時間的影響

由圖3可知，黑曲霉預處理極大地提高了煙葉厭氧消化的產(chǎn)氣效率，整個厭氧消化過程只需要21 d。而復合酶預處理則依然與對照組厭氧消化的時間相同，都是47 d。黑曲霉預處理與復合酶預處理以及對照組的比較中可以發(fā)現(xiàn)，黑曲霉預處理厭氧消化的效率提高了55.31%[10]。

參考文獻

[1] 彭靖里，馬敏象，吳紹情，等.論煙草廢棄物的綜合利用技術及其發(fā)展前景[J].中國資源綜合利用，2001（8）：18-20.

[2] 丁琨，田光亮，蘇有勇，等.烤煙秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的動力學研究[J].農(nóng)機化研究，2013（2）：217-220.

[3] 吳楠，孔垂雪，劉景濤，等.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣技術研究進展[J].中國沼氣，2012，30（4）：14-20.

[4] 焦翔翔，靳紅燕，王明明.我國秸稈技術產(chǎn)沼氣的研究開展及展望[J].黑龍江生物工程職業(yè)學院學報，2013，26（3）：27-29.

[5] 蘇有勇.沼氣發(fā)酵檢測技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[6] 王芳，劉曉飛，劉曉風，等.產(chǎn)氫菌對沼氣發(fā)酵的生物強化作用[J].應用與環(huán)境生物學報，2013，19（2）：351-355.

[7] 胡曉明，張無敵，尹芳，等.黑曲霉處理稻草秸稈提高沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率的研究[J].云南師范大學學報：自然科學版，2011，31（S1）：110-114.

[8] 羅娟，張玉華，陳羚，等.CaO預處理提高玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（15）：192-198.

[9] 宋籽霖，楊改河，張彤，等.Ca（OH）2預處理對水稻秸稈沼氣產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（19）：207-212.

[10] 徐澤敏，趙國明.秸稈沼氣預處理技術的研究與探討[J].農(nóng)機化研究，2013（9）：227-230.