农业机械学报

第 ４２卷第 ３期

２０１１年 ３月

甘蔗叶干法厌氧发酵工艺研究

王金丽 焦 静 张 劲 邓怡国 郑 勇 王 刚

（中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江 ５２４０９１）

【摘要】 为实现甘蔗叶的能源化利用，采用干法厌氧发酵方法研究发酵原料总固体含量为 ２０％ 时，不同接种 量、草粪比以及发酵温度对甘蔗叶产气量和产甲烷的影响。结果表明：接种量在 ３０％ 和 ４０％ 时发酵可以正常启 动，接种量为 ４０％时总产气量最高，但发酵后期甲烷含量下降很快；草粪比为 １∶１和 ２∶１时总产气量高，甲烷含量均 在 ６０％以上，产气效果明显好于草粪比为 １∶０的处理组；发酵温度为 ３５℃ 时，总产气量和甲烷含量最高，发酵温度 为 ３０℃和 ４０℃时总产气量相差不大。甘蔗叶干法厌氧发酵产沼气效果较好的工艺参数为：接种量 ３０％、草粪比 １∶１和发酵温度 ３５℃。各处理组在甲烷含量达到最高值之前，甲烷含量与发酵时间之间呈现很强的线性相关性。 产气高峰过后，虽然日产气量明显下降，但气体中甲烷含量下降幅度不大。

关键词：甘蔗叶 干法厌氧发酵 沼气 产气量 甲烷含量 中图分类号：Ｓ２１６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１１）０３０１０９０６

ＳｕｇａｒｃａｎｅＬｅａｖｅｓＤｒｙＡｎａｅｒｏｂｉｃＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ＷａｎｇＪｉｎｌｉ ＪｉａｏＪｉｎｇ ＺｈａｎｇＪｉｎ ＤｅｎｇＹｉｇｕｏ ＺｈｅｎｇＹｏｎｇ ＷａｎｇＧａｎｇ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＴｒｏｐｉｃａｌＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ５２４０９１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆａｂａｎｄｏｎｅｄｓｕｇａｒｃａｎｅｌｅａｖｅｓｉｎｔｏｂｉｏｇａｓｅｎｅｒｇｙ， ｄｒｙ ａｎａｅｒｏｂｉｃｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｔｏｔａｌｓｏｌｉｄｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２０％ｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎ ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ，ｇｒａｓｓｍａｎｕｒｅｒａｔｉｏｓａｎｄｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｎｔｈｅｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄａｎｄｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｗｏｒｋｎｏｒｍａｌｌｙｗｈｅｎｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ３０％ａｎｄ４０％．Ｔｈｅ４０％ｉｎｏｃｕｌｕｍ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｈａｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｏｔａｌｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｂｕｔｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｒａｐｉｄｌｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎａｐｈａｓｅ．Ｗｈｅｎｇｒａｓｓｍａｎｕｒｅｒａｔｉｏｗａｓ１∶１ａｎｄ２∶１，ｍａｘｉｍｕｍｔｏｔａｌｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｉｔｈｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｍｏｒｅｔｈａｎ６０％，ａｎｄｔｈｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｂｔａｉｎｅｄｗｈｅｎｇｒａｓｓｍａｎｕｒｅｒａｔｉｏｗａｓ１∶０．Ｍａｘｉｍｕｍｔｏｔａｌｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄ ｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｔｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ３５℃．Ｔｈｅｒｅｗａｓｌｉｔｔｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｏｔａｌ ｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓａｔ３０℃ａｎｄ４０℃．Ｔｈｅｂｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｒｙ ａｎａｅｒｏｂｉｃｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｓｕｇａｒｃａｎｅｌｅａｖｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｏｒａｎｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆ３０％ｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，１∶１ｇｒａｓｓｍａｎｕｒｅｒａｔｉｏａｎｄ３５℃ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｆｏｒａｌｌｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｇｒｏｕｐｓ， ｔｈｅｒｅｗａｓａｓｔｒｏｎｇｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｉｍｅｂｅｆｏｒｅｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓｔｈｏｕｇｈｔｈｅｄａｉｌｙｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｔｅｒｔｈｅｐｅａｋｏｆｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｕｇａｒｃａｎｅｌｅａｖｅｓ，Ｄｒｙａｎａｅｒｏｂｉｃｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｂｉｏｇａｓ，Ｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄ，Ｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔ

收稿日期：２０１ ０ ０ ５ １８ 修回日期：２０１ ０ ０ ７ １５

“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＤ０７Ａ０ ２ ４）、２０１０年农村能源综合建设项目（２１３０１３８）和中国热带农业科学院重点 学科建设项目

作者简介：王金丽，研究员，主要从事热带农业工程研究，Ｅｍａｉｌ：ｊｉｎｌｉｗ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ

通讯作者：张劲，研究员，主要从事热带农业工程研究，Ｅｍａｉｌ：Ｚｊ１２０４＠ｔｏｍ．ｃｏｍ

农 业 机 械 学 报 ２０１１年

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引言

当今世界诸多新能源中，生物质能源是最安全、 最稳定的能源，也是目前国家重点鼓励的新能源领 域 ［１］。我国华南等热带地区，具备良好的光、热、湿 等自然气候条件，农作物种类丰富，造就了丰富的生 物质资源。国内甘蔗种植面积为 １２０万 ｈｍ２，年废 弃甘蔗叶总量 ２７００万 ｔ［２～３］。目前绝大多数甘蔗 叶被就地焚烧，除了严重污染空气外，还造成了极大 的安全隐患。甘蔗叶中营养物质丰富，总碳含量很 高，通过干法厌氧发酵技术可以将废弃的甘蔗叶转 化成生物质能源，进而替代农村薪柴，还可用于燃烧 供热或发电 ［４～５］，对于获取新型能源和控制农村环 境污染都有积极意义。

沼气干法厌氧发酵是以固体有机废弃物为原料 （总固体含量在 ２０％以上），利用厌氧菌将其分解为 ＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ等气体的发酵工艺 ［６～７］。目前，国外 干法厌氧发酵技术已经成熟，如车库型干发酵系统、 气袋型干发酵系统、干湿联合型发酵系统、渗滤液储 存桶型干发酵系统等大型沼气干发酵系统 ［８］，已经 投入生产性应用，可进行规模化的沼气生产。我国 干法厌氧发酵技术起步较晚，目前仅有数家利用垃 圾填埋场所产沼气发电的企业 ［９～１０］。农业部规划 设计研究院以新鲜牛粪和青贮玉米秸秆废料为原料 进行沼气干法厌氧发酵中试工程，取得了比较好的 效果 ［１１］。

甘蔗叶属于南方农作物秸杆，目前在沼气发酵 方面的研究还未见报道。接种量、草粪比和发酵温 度是影响沼气发酵的几个重要因素 ［１２～１４］，为了探索 一条适合于甘蔗叶能源化利用的工艺技术路线，本 文采用干法厌氧发酵方法，研究不同接种量、草粪比 和发酵温度对甘蔗叶沼气发酵的影响，掌握其产气 特性。

１２ 试验装置

试验装置如图 １所示，是由中国热带农业科学 院农业机械研究所制作的可控恒温厌氧发酵装置， 主要由罐体、加热保温系统和沼气计量系统组成，发 酵罐体积为 ２５Ｌ。

图 １ 厌氧发酵装置

Ｆｉｇ．１ Ａｎａｅｒｏｂｉｃｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ

１．温度控制仪 ２．罐体 ３．发酵原料 ４．加热器 ５．保温材料

６．盖板 ７．进液阀 ８．排气阀 ９．沼气压力表 １０．流量计

１３ 试验方法

每个处理组称取甘蔗叶 １６７ｋｇ（含干物质 １５ｋｇ），按照每组工艺规定的草粪比混合好物料， 再添加甘蔗叶干物质质量 ０３％ 的绿秸灵进行好氧 堆沤，堆沤温度为 ５０～５５℃，堆沤时间 ７ｄ。堆沤好 的物料加入一定比例的接种物，再加入碳酸氢铵调 节碳氮比为 ２５∶１左右，加适量水，控制发酵原料总 固体含量为 ２０％，搅拌均匀后装罐，调节温度至规 定值进行厌氧发酵，发酵时间 ６０ｄ，每个处理组做两 罐平行试验。通过单因素试验探讨不同接种量、草 粪比以及发酵温度对甘蔗叶干法厌氧发酵的影响。 发酵过程中，每天下午 １７：００准时打开排气阀门，记 录流量计读数，每 ２天测定一次甲烷含量。各组单 因素试验水平设置如下：接种量：２０％、３０％、４０％，３ 个水平；草粪比（干物质比）：１∶１、２∶１、１∶０，３个水 平；发酵温度：３０、３５、４０℃，３个水平。

１４ 测试指标及分析

１ 试验材料与方法

１１ 试验材料

试验原料：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 ３～５ｃｍ 的不规则 小段，测其总固体含量为 ８９８２％；猪粪，取自湛江 市湖光农场个体养猪场的新鲜猪粪，测其总固体含 量为 ２６５７％。

接种物：甘蔗叶和猪粪混合后进行中温干法厌 氧发酵富集而成，富集时间大于 ２个月，总固体含量 为 ５％。

其他材料：碳酸氢铵（含 Ｎ量 １７％）、绿秸灵。

总固体：采用 １０５℃ 烘干法测定；挥发性固体： 采用 ５５０℃ 灼烧法测定；总碳：采用 Ｋ２Ｃｒ２^Ｏ ７^—外热 源法测定；总氮：采用全自动凯式定氮仪测定；甲烷 含量：采用 Ｂｉｏｇａｓ沼气成分分析仪测定。

试验结束后，综合试验数据进行指标分析 ［４］， 计算干物质产气率 Ｃｗ 和容积产气率 Ｃｖ，计算公式 为

第 ３期 王金丽等：甘蔗叶干法厌氧发酵工艺研究

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Ｗ———每罐发酵物料中甘蔗叶干物质含量， ｋｇ

表 １ 不同接种量试验的各项产气指标 Ｔａｂ．１ Ｇａｓｉｎｄｅｘｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ

２ 试验结果与分析

２１ 接种量对产气效果的影响

２１１ 产气量

试验在草粪比 １∶０、发酵温度 ３５℃条件下进行。 日产气量变化表明（图 ２）：接种量为 ２０％ 时，甘蔗 叶干发酵日产气量上升缓慢，没有明显的产气高峰， 发酵周期在 ４０ｄ左右；接种量为 ３０％ 和 ４０％ 时，甘 蔗叶干发酵日产气量上升非常快，均在发酵第 ４天 出现了一个产气小高峰，然后迅速下降至较低水平， 说明发酵初期有一个产酸阶段，到发酵第 １１天这两 组均达到日产气量最高值，分别为 １４８Ｌ／ｄ和 ２０８Ｌ／ｄ，发酵周期在 ３０ｄ左右。

图 ２ 不同接种量试验的日产气量 Ｆｉｇ．２ Ｄａｉｌｙｂｉｏｇａｓｙｉｅｌｄｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ

水解反应是不溶性底物厌氧发酵过程的第一级 反应，也是限速反应 ［１５］。甘蔗叶在干发酵方式下水 分较少，使微生物的活动受到一定限制，影响了甘蔗 叶的分解和产甲烷菌的繁殖，所以需要较多的接种 物，以增加沼气微生物数量，避免原料在分解过程中 有机酸积累，出现“酸中毒”现象，从而破坏沼气发 酵的正常条件。对于甘蔗叶干发酵来说，接种量至 少应达到 ３０％ 以上发酵才能正常启动。接种物中 含有大量沼气微生物，此外接种物中还含有微生物 生长所必不可少的“生长因素”，如某些氨基酸、维 生素等 ［１６］，因此，接种量加大，沼气微生物数量多， 产气量变大。

不同接种量各项产气指标如表 １所示。接种量 从 ２０％增加到 ３０％ 时，总产气量增加了 ２０４１５Ｌ， 当接种量从 ３０％ 增加到 ４０％ 时，总产气量增加了 １１３７０Ｌ，产气增幅不大，说明干法厌氧发酵接种量 达到一定值时，分解率就到了一定极限，因此接种量 ３０％是较合适的。各组对应的干物质产气率和容积 产气率也随着接种量的增加而升高，可见，接种量对 于甘蔗叶干发酵来说是非常重要的影响因素之一。

产气指标	２０	接种量／％ ３０	４０
总产气量ＣＴ／Ｌ	１６７７５	３７１９０	４８５６０
干物质产气率Ｃｗ／Ｌ·ｋｇ－１	１１１８３	２４７９３	３２３７３
容积产气率Ｃｖ／Ｌ·Ｌ－１	６７１	１４８８	１９４２

２１２ 甲烷含量

选用发酵 ４０ｄ内的甲烷含量进行分析（图 ３）， 可以看出：接种量为 ２０％时甘蔗叶干发酵所产气体 甲烷含量上升缓慢，在第 ３２ 天才达到最高值 ４５０％；接种量为 ３０％和 ４０％时气体中甲烷含量上 升迅速，均在第 １２天达到最高值，分别为 ５４９％ 和 ５５２％；结合图 ２可以看出，产气高峰之后，日产气 量下降较快，但是这两组甲烷含量均保持在 ５０％ 以 上，沼气质量较好，发酵 ３０ｄ后才开始明显下降，其 中接种量 ４０％时降幅较大，可能是因为发酵前期接 种量为 ４０％的处理组消耗了大量的营养物质，在没 有添加新料的情况下，产生沼气的营养物质不足，因 此甲烷含量下降较快。对各处理组在甲烷含量达到 最高值之前的数据作直线回归分析，接种量为 ２０％、３０％ 和 ４０％ 时的相关系数分别为 ０９８２３、 ０９７６９和 ０９８４６，可见，甲烷含量在达到最高值前 与发酵时间之间呈现很强的线性相关。

图 ３ 不同接种量试验的甲烷含量 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｏｃｕｌｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ

２２ 草粪比对产气效果的影响

２２１ 产气量

试验在接种量 ３０％、发酵温度 ３５℃ 条件下进 行。从图 ４可以看出，当草粪比为 １∶０时甘蔗叶干 发酵最先出现产气高峰，在发酵第 １１天达到最高值 １４８Ｌ／ｄ，发酵周期在 ３０ｄ左右；草粪比为 １∶１和 ２∶１时日产气量随着发酵时间的延长平稳上升，在发 酵第 ２２天均达到最高值，分别为 １６６Ｌ／ｄ和 １５７５Ｌ／ｄ，发酵周期均在 ５０ｄ左右，表明发酵原料 中猪粪比例越大，产气量越多。由于甘蔗叶原料的