我國茶園種植面積為138萬公頃,茶年產量突  破百萬噸,排名世界第一1。茶樹生長過程中形成大量落葉,并且需要修剪枝葉。在茶園生態系統中,修剪枝葉和凋落葉一起,形成了一個凋落層,它們在土壤表層累積、分解,對茶園土壤環境產生著深刻的影響。對于剩余茶樹枝葉的處理,目前大部分仍然是直接粉碎還田,不但生物轉化率低,還會對造成土壤酸化2。將茶樹葉通過厭氧黑膜沼氣池發酵技術轉化為沼氣,以可豐富沼氣原料來源,減緩土壤污染。茶樹葉  作為沼氣原料,由于含有較高的半纖維素、纖維素高

度結晶物質和木質素對纖維素包埋作用,這些物質  難易降解使得厭氧微生物無法快速對其進行分解和  利用3,導致黑膜沼氣池發酵過程中出現運行緩慢、底物降解  率低、產氣量小的問題。因此,在黑膜沼氣池發酵前對茶葉進行有效預處理十分必要  采用物理、化學、生物4-6預處理方法改變原料  物理化學結構,使復雜底物轉化為簡單物質可提高  厭氧黑膜沼氣池發酵速率與產氣量。物理預處理主要是通過機  械、高溫等方法改變原材料的外觀形態或內部物質  結構,研究表明以稻草為原料,通過切碎與研磨

方法預處理都可以提高稻草的產氣潛能,但研磨比  相比于切碎預處理方法可以提高產氣量12.5%;陳  金發等通過干燥、粉碎、堆漚方法處理紫荊澤蘭  可以降低原料中毒素對沼氣黑膜沼氣池發酵影響并提高產氣總  量。化學預處理是通過化學藥品作用于底物原材  料,破壞原材料中纖維素與木質素形成的共價鍵從  而達到提產甲烷菌對纖維素類物質利用。如杜婷  婷等研究不同功能復合添加劑對牛糞厭氧黑膜沼氣池發酵  的影響,得到結果通過添加復合添加劑可提高牛糞  產氣率并且功能添加劑不同組分對厭氧黑膜沼氣池發酵有明顯  促進。生物預處理是將黑膜沼氣池發酵原材料通過細菌、真菌  等微生物預先降解處理,可促進原料中木質素和纖  維素的降解。趙靜等探究NaOH和H2SO4與纖  維素酶預處理方法對水稻秸稈厭氧消化產氣影響  發現纖維素酶預處理效果優于其他實驗組。因此,  利用纖維類含量較高原料進行黑膜沼氣池發酵,需要對原料進  行預處理降解。

目前對于茶樹葉沼氣黑膜沼氣池發酵研究鮮有報道,本文  在茶樹葉機械粉碎的基礎上,對茶樹葉分別進行了  高溫預處理、堿預處理及纖維素酶處理,并設置了空  白對照組,比較處理后茶樹葉的黑膜沼氣池發酵情況及沼氣產  量,并把 Modified Gompertz模型引入到茶樹葉發  酵中。李建昌121等將 Modified Gompertz應用于城  市生活垃圾沼氣黑膜沼氣池發酵,得出城市生活垃圾沼氣黑膜沼氣池發酵  的累計產氣量隨時間變化與 Modified Gompertz模型具有較好的相關性。基于此,不同預處理必然會導  致茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵累積產氣量變化,進而使Modified Gompertz模型參數改變,借此可以對試驗數據深入分析,評價黑膜沼氣池發酵參數對底物產甲烷特性的影響,  得出合理判斷與結論,以期對茶樹葉廢棄物的資源化利用提供了參考

1材料和方法

1.1試驗材料與接種物

茶樹葉采集于昆明高香萬畝茶園,自然風干并粉碎,過1mm篩備用,并測定其理化指標,物料特性見表1;接種物取自云南師范大學太陽能研究所生物質能研究室豬糞為原料黑膜沼氣池發酵結束后殘余物。物料特性見表1。纖維素酶為中溫酶(上海埃博商貿  有限公司);氫氧化鈉(分析純)。

1.2試驗裝置  

試驗裝置主要由溫控儀(WMK01型,數  圍10℃-100℃),傳感器、電熱管(500W)、恒  箱,500mL廣口消化瓶,1500mL計量瓶和10s  的錐形瓶等部分組成(見圖1)。計量瓶用于收集  錐形瓶中被排出的水,以計算產氣量,消化瓶與集  瓶瓶口用膠塞塞緊,各部分用硅膠管連接,所有接口  處均用密封膠密封。

試驗過程分為預試驗階段和百式氧發  段,兩階段在同一裝置中進行,試驗過程采用中  酵(35℃±1℃)。預試驗設3個質量百分數處  平:堿處理方法分別在茶樹葉干物質中加入質量  數為2%,4%,6%的NaOH;酶處理法是分別在茶  葉干物質中加入質量分數為0.1%,0.5%,1%的圖  維素酶;高溫處理組將經粉碎的茶樹葉置于  110℃,120℃高壓滅菌鍋中處理;同時設置一個對照  組(無預處理措施)。正式試驗產沼氣階段是在上  述預試驗結果的基礎上,選取每種預處理方法中愛  果最優的一組,再次重復預試驗的步驟進行厭氧酵產沼氣試驗。

1.3.1原料預處理  

(1)高溫預處理:將粉碎的茶樹葉分別置于  100℃,10℃,120℃高壓滅菌鍋中處理3h

(2)纖維素酶處理:向粉碎的茶樹葉分別加人  質量分數為0.1%,0.5%,1%的纖維素酶,混合均勻。纖維素酶預處理溫度保持在35℃-40℃。

(3)NaOH處理:將經粉碎的茶樹葉用蒸餾水把預處理體系含水率調為80%,以占茶葉干物質質量分數2%,4%,6%的NaOH分別處理15d。

1.3.2裝瓶黑膜沼氣池發酵

裝料系數為黑膜沼氣池發酵罐的80%,即500mLx80%400mL;黑膜沼氣池發酵液總固體含量7%;接種物的接種量  (接種物干物質質量占黑膜沼氣池發酵原料干物質質量的百分  比)為25%;黑膜沼氣池發酵液pH值用緩沖溶液調節至72  0.2,以未經預處理的茶葉為對照,在水浴加熱下發  酵,平均溫度為35℃±1℃。每天定時測量產氣量  待產氣穩定后測定各處理氣體中的甲烷體積分數  緩沖溶液:KH2PO4(6.1gL)  L),KCl(2.22g·L),NH4Cl(0.28g·L

MgSO4·7H2O(100mg·L),CaC2·H2O(10

mg  )。  

1.3.3指標數據處理  

Gompertz模型是三參數方程,對應曲線特點是  增長率>0(見圖2),其函數表態與參數密切相關  Gompertz模型如方程(1):

y(t)= ax exp[ -exp(b -ct)  在 Gompertz模型中,參數a,b,c通常不具有生  物學意義,因此,對 Gompertz模型變換,并付予Mod  fied Gompertz模型參數特殊的生物學意義。獲得  Modified Compertz模型如方程(2):

R.  y(t)=Hm x expl-explHx(A  (2)

式中:y()為時間t時的累積產氣量( accumula-  tive biogas yield),mL,當t→∞時,y(t)→a,有Hn=  a為最大累積產氣量(mL);Rn=a·c/e為最大產氣  速率,mLd-l;A=(b-1)/e,A為黑膜沼氣池發酵滯留時間,d;  e為exp(1)=2.71828。實際數據處理過程中,利用  ongin軟件對參數a,b,c進行擬合,然后轉換為H,  Rn,A的值,進而計算原料的TS產氣率(mLg),  VS產氣率(mL·g-1),以及產氣90%時的黑膜沼氣池發酵周期  (沼氣黑膜沼氣池發酵能源回收突出顯示在黑膜沼氣池發酵時間的90%)。  形成了以擬合茶樹葉黑膜沼氣池發酵的累積產氣量的方法,從  而獲得了最大累積產氣量、最大比產氣速率和滯留  時間3個動力學參數,借此評價不同預處理對茶樹

產氣特性的影響。

1.3.4測定項目與分析方法  

含水量、總固體(TS)、揮發性固體(VS):沼氣  常規分析法;灰分:依據TS和Ⅴs測定值計算;產  氣量:排水法測定;pH值:PHS-3C型p計測定;  H體積分數:福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀。  試驗結束后,綜合數據進行指標分析,計算出最  大累積產氣量(Hn,mL);最大產氣速率(Rn,ml);  水力滯留時間(A,d)的值;90%產氣周期(T9,)  原料TS和VS產氣率。

2結果與分析

根據預試驗各處理組的日產氣量、甲烷含量以  及預處理藥品用量,選擇空白處理處理效果最優的  1%纖維素酶預處理,4%NaOH預處理,120℃高溫

預處理進行日產氣量變化,CH4含量變化, Modified  Gompertz模型擬合的對比分析相關討論。  

2.1不同預處理對茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵產氣的影響  

圖3所示各處理日產氣量。經處理后的茶樹葉  可以較快啟動黑膜沼氣池發酵并且有不同程度產氣高峰期,而  對照組沒有明顯的產氣高峰。預處理試驗組均在第  2天開始產氣,其中,1%纖維素酶處理后試驗組啟  動最快,迅速產氣,并且在第2天就達到產氣高峰,  立氣量為230mL,隨后產氣下降,在第5天達到谷  底,產氣量為40mL,之后的產氣峰上升,在第9天  達到第2個產氣高峰,日產氣量190mL;從各預處  理方法來看,4%NaOH預處理的效果最佳,啟動第3  天達到產氣高峰,產氣量為170mL,隨后進入波谷  期,后又上升至高峰期,在17天達到最大產氣量,為210mL,產氣速率與累積產氣量均要明顯高于其他處理。高溫預處理組與對照組較類似,始終保持一個較低的產氣率,總體來說,4%NaOH預處理組累積產氣量最高。纖維素預處理組產氣28d,產氣總量次于NaOH預處理組。高溫預處理組與對照組產氣效果明顯不及纖維素酶與堿預處理,產氣時間短(高溫處理26d,對照21d)并且產氣速率與累積產氣量均要低很多。

2.2不同預處理對茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵產甲烷的影響

由圖4可看出,纖維素酶與NaOH預處理組的  甲烷體積百分數從黑膜沼氣池發酵開始階段就開始很快增加。  纖維素酶預處理組黑膜沼氣池發酵過程中甲烷含量上升速度最  快,在第7天就達到30%以上,隨黑膜沼氣池發酵進行,甲烷含量繼續增加,最高含量可達65.4%。4%NaOH預處理組甲烷含量高峰稍有滯后,在第13天甲烷含量達到30%以上,在此基礎上繼續增加,最高含量達到67.5%。高溫預處理組甲烷上升速度較為緩慢,并且甲烷含量最高僅有38.1%。對照組整體甲烷含量較低,始終持續在10%~20%之間。綜上可見,纖維素酶與NaOH預處理組均可穩定和大幅度提高厭氧黑膜沼氣池發酵過程中甲烷含量,主要由于大分子的纖維素、半纖維素類物質被預先降解,可供產甲烷菌所利用。接種物中的產酸菌和產甲烷菌能很容易的利用

底物來生長繁殖,產生大量的氣體。隨著反應的進  行,這些容易降解組分被產甲烷菌大量的消耗而減  少,產酸菌和產甲烷菌的生長代謝減慢,產氣量與甲烷下降,直到最后產氣停止。

2.3不同預處理原料 M

odified Gompertz模型擬合的對比分析  根據圖3試驗數據計算出各預處理實際累積產  氣量(見圖5)并聯合 Modified Gompertz模型擬合處理后得出結果如圖6與表2。

試驗過程中,黑膜沼氣池發酵罐內日產氣量的變化趨勢反

映了產氣情況的好壞與微生物生長及利用底物情  息息相關。 Modified Gompertz模型對不同試驗約  產氣量的數據進行擬合得到最大累積產氣/  與圖5中實際累積產氣量相比,實際累積產氣量喚  低于Hn,相對偏差分別為0.31%,0.93%,1.45%  14%,因此模型擬合效果較好,如圖6所示,各  預處理試驗剛開始啟動階段,產氣速率上升較快  后產氣達到最高產氣速率階段,后期產氣速率趨于  平緩,累計產氣量達到最大固定值。其中1%纖維  素酶與4%NaOH預處理組初始產氣速率上升較快并且4%NaOH預處理組累積產氣量達到最高值因此選擇4%NaOH預處理茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵產氣效果最好。

表2為日產氣量數據擬合后獲得不同預處理試驗組的動力學參數及相關系數,得到各底物最大累積產氣量、最大日產氣量、滯留時間。由表2可以看出,所得到擬合曲線相關系數都在0.98以上,具有良好的相關性,進而獲得相關參數指標。根據累計  產氣量計算得到各預處理的TS產氣率和ⅤS產氣率測定與計算結果,其中TS產氣率即單位原料干物質產氣量,主要反映原料的產氣潛力;VS產氣率即單位原料揮發性有機物產氣量,主要反映原料有  機質的轉化潛力5

各種預處理方法不同程度的破壞茶樹葉纖維素  結構,有助于產甲烷菌對黑膜沼氣池發酵底物的利用和酶解的進行,提高茶樹葉的厭氧黑膜沼氣池發酵轉化率。從表2可以看出,未經處理的茶樹葉累積產氣量最少,僅為805

mL,最大產氣速率為62.1mL·d-1,滯留時間長達  2.35d,.表明該條件下黑膜沼氣池發酵啟動時間為2.35d.5產氣率和VS產氣率僅分別為30.84mLg-132mLg,但經過各種預處理后,各產氣指標有了大

度提升。其中4%NaOH預處理效果最好,處理后  茶樹葉的累積產氣量達到2860m,最大產氣速率  1279mLd.TS產氣率,VS產氣率分別為9.58  mLg,116.73mL·g1,并且滯留時間為0.084  NaOH預處理后茶樹葉沼氣黑膜沼氣池發酵啟動時間大幅縮  短。黑膜沼氣池發酵周期隨預處理效果增加而增加,NaOH預  處理90%黑膜沼氣池發酵周期最長為28.9d,表明黑膜沼氣池發酵期集中  在前29d,這可能由于處理后可供產甲烷菌利用物  質含量增多隨之代謝時間延長。纖維素酶處理組效  果僅次于NaOH處理組,累積產氣量2598m。茶  樹葉經過纖維素酶預處理后破壞了包覆在纖維素分  子表面的半纖維素和木質素分子,使纖維素半纖維  素與木質素分離,并且發生部分分解,改善了茶樹葉的厭氧消化性質,為厭氧菌提供了易消化的營養物質,這是導致纖維素預處理試驗組滯留時間最短(0.06d)的主要原因。高溫預處理組各產氣特性提高不顯著,黑膜沼氣池發酵累積產氣量1472mL,TS和ⅤS產氣率分別為56.40mLg-1,60.08mL·g,滯留時間相比纖維素酶與NaOH預處理較長,90%黑膜沼氣池發酵周期  僅比對照組延長3.4d,并且高溫預處理方式需要額外的能量消耗,勢必增加預處理成本。  綜上,筆者認為本試驗所采用的幾種預處理方  法中,1%纖維素酶,120℃高溫處理,4%NaOH累積  產氣量分別達到2598mL,1472mL,23860mL,較對  照組分別提高232.7%,82.9%,25.3%,處理效  果:4%NaOH>1%纖維素酶>120℃高溫處理>對

3結論

(1)相比于對照組,纖維素酶處理、高溫處理、NaOH處理均能有效縮短茶樹葉黑膜沼氣池發酵啟動時間,并能不同程度提高茶樹葉黑膜沼氣池發酵產氣的能力。

(2)不同預處理產氣氣體成分分析表明1%纖維素酶與4%NaOH預處理后的茶樹葉黑膜沼氣池發酵產氣甲烷量顯著提升,甲烷含量最高分別可達65.4%和67.5%。

(3) Modified Gompertz模型分析不同預處理條件對茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵產氣影響,具有較好的相關性,  根據 Modified Gompertz模型獲得相關參數指標,可  以對不同預處理茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵效果做出合理評  價。就累積產氣影響、原料轉化效率而言,不同預處  理方法的對比處理效果為4%NaOH>1%纖維素酶  >120℃高溫處理>對照。其中NaOH預處理最適  合茶樹葉沼氣黑膜沼氣池發酵,采取4%NaOH對含水率為  80%的茶樹葉處理15d后,以7%的總固體濃度在  35℃黑膜沼氣池發酵累積產氣2860mL,與對照組相比,提高了

255.3%,主要產氣階段集中在前29d,此時TS和VS產氣率分別為109.58mLg-1,116.73mL·g1

(4)由于該試驗只進行了固定預處理時間,無法確定不同時長與種類的堿處理對茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發酵影響,后續研究可對堿處理的條件,如堿的種類與處理時間等因素進行進一步的優化。

摘自《中國沼氣》2018第三期 孫和臨 李建昌 邵瓊麗

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