我国茶园种植面积为138万公顷,茶年产量突  破百万吨,排名世界第一1。茶树生长过程中形成大量落叶,并且需要修剪枝叶。在茶园生态系统中,修剪枝叶和凋落叶一起,形成了一个凋落层,它们在土壤表层累积、分解,对茶园土壤环境产生着深刻的影响。对于剩余茶树枝叶的处理,目前大部分仍然是直接粉碎还田,不但生物转化率低,还会对造成土壤酸化2。将茶树叶通过厌氧黑膜沼气池发酵技术转化为沼气,以可丰富沼气原料来源,减缓土壤污染。茶树叶  作为沼气原料,由于含有较高的半纤维素、纤维素高

度结晶物质和木质素对纤维素包埋作用,这些物质  难易降解使得厌氧微生物无法快速对其进行分解和  利用3,导致黑膜沼气池发酵过程中出现运行缓慢、底物降解  率低、产气量小的问题。因此,在黑膜沼气池发酵前对茶叶进行有效预处理十分必要  采用物理、化学、生物4-6预处理方法改变原料  物理化学结构,使复杂底物转化为简单物质可提高  厌氧黑膜沼气池发酵速率与产气量。物理预处理主要是通过机  械、高温等方法改变原材料的外观形态或内部物质  结构,研究表明以稻草为原料,通过切碎与研磨

方法预处理都可以提高稻草的产气潜能,但研磨比  相比于切碎预处理方法可以提高产气量12.5%;陈  金发等通过干燥、粉碎、堆沤方法处理紫荆泽兰  可以降低原料中毒素对沼气黑膜沼气池发酵影响并提高产气总  量。化学预处理是通过化学药品作用于底物原材  料,破坏原材料中纤维素与木质素形成的共价键从  而达到提产甲烷菌对纤维素类物质利用。如杜婷  婷等研究不同功能复合添加剂对牛粪厌氧黑膜沼气池发酵  的影响,得到结果通过添加复合添加剂可提高牛粪  产气率并且功能添加剂不同组分对厌氧黑膜沼气池发酵有明显  促进。生物预处理是将黑膜沼气池发酵原材料通过细菌、真菌  等微生物预先降解处理,可促进原料中木质素和纤  维素的降解。赵静等探究NaOH和H2SO4与纤  维素酶预处理方法对水稻秸秆厌氧消化产气影响  发现纤维素酶预处理效果优于其他实验组。因此,  利用纤维类含量较高原料进行黑膜沼气池发酵,需要对原料进  行预处理降解。

目前对于茶树叶沼气黑膜沼气池发酵研究鲜有报道,本文  在茶树叶机械粉碎的基础上,对茶树叶分别进行了  高温预处理、碱预处理及纤维素酶处理,并设置了空  白对照组,比较处理后茶树叶的黑膜沼气池发酵情况及沼气产  量,并把 Modified Gompertz模型引入到茶树叶发  酵中。李建昌121等将 Modified Gompertz应用于城  市生活垃圾沼气黑膜沼气池发酵,得出城市生活垃圾沼气黑膜沼气池发酵  的累计产气量随时间变化与 Modified Gompertz模型具有较好的相关性。基于此,不同预处理必然会导  致茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵累积产气量变化,进而使Modified Gompertz模型参数改变,借此可以对试验数据深入分析,评价黑膜沼气池发酵参数对底物产甲烷特性的影响,  得出合理判断与结论,以期对茶树叶废弃物的资源化利用提供了参考

1材料和方法

1.1试验材料与接种物

茶树叶采集于昆明高香万亩茶园,自然风干并粉碎,过1mm筛备用,并测定其理化指标,物料特性见表1;接种物取自云南师范大学太阳能研究所生物质能研究室猪粪为原料黑膜沼气池发酵结束后残余物。物料特性见表1。纤维素酶为中温酶(上海埃博商贸  有限公司);氢氧化钠(分析纯)。

1.2试验装置  

试验装置主要由温控仪(WMK01型,数  围10℃-100℃),传感器、电热管(500W)、恒  箱,500mL广口消化瓶,1500mL计量瓶和10s  的锥形瓶等部分组成(见图1)。计量瓶用于收集  锥形瓶中被排出的水,以计算产气量,消化瓶与集  瓶瓶口用胶塞塞紧,各部分用硅胶管连接,所有接口  处均用密封胶密封。

试验过程分为预试验阶段和百式氧发  段,两阶段在同一装置中进行,试验过程采用中  酵(35℃±1℃)。预试验设3个质量百分数处  平:碱处理方法分别在茶树叶干物质中加入质量  数为2%,4%,6%的NaOH;酶处理法是分别在茶  叶干物质中加入质量分数为0.1%,0.5%,1%的图  维素酶;高温处理组将经粉碎的茶树叶置于  110℃,120℃高压灭菌锅中处理;同时设置一个对照  组(无预处理措施)。正式试验产沼气阶段是在上  述预试验结果的基础上,选取每种预处理方法中爱  果最优的一组,再次重复预试验的步骤进行厌氧酵产沼气试验。

1.3.1原料预处理  

(1)高温预处理:将粉碎的茶树叶分别置于  100℃,10℃,120℃高压灭菌锅中处理3h

(2)纤维素酶处理:向粉碎的茶树叶分别加人  质量分数为0.1%,0.5%,1%的纤维素酶,混合均匀。纤维素酶预处理温度保持在35℃-40℃。

(3)NaOH处理:将经粉碎的茶树叶用蒸馏水把预处理体系含水率调为80%,以占茶叶干物质质量分数2%,4%,6%的NaOH分别处理15d。

1.3.2装瓶黑膜沼气池发酵

装料系数为黑膜沼气池发酵罐的80%,即500mLx80%400mL;黑膜沼气池发酵液总固体含量7%;接种物的接种量  (接种物干物质质量占黑膜沼气池发酵原料干物质质量的百分  比)为25%;黑膜沼气池发酵液pH值用缓冲溶液调节至72  0.2,以未经预处理的茶叶为对照,在水浴加热下发  酵,平均温度为35℃±1℃。每天定时测量产气量  待产气稳定后测定各处理气体中的甲烷体积分数  缓冲溶液:KH2PO4(6.1gL)  L),KCl(2.22g·L),NH4Cl(0.28g·L

MgSO4·7H2O(100mg·L),CaC2·H2O(10

mg  )。  

1.3.3指标数据处理  

Gompertz模型是三参数方程,对应曲线特点是  增长率>0(见图2),其函数表态与参数密切相关  Gompertz模型如方程(1):

y(t)= ax exp[ -exp(b -ct)  在 Gompertz模型中,参数a,b,c通常不具有生  物学意义,因此,对 Gompertz模型变换,并付予Mod  fied Gompertz模型参数特殊的生物学意义。获得  Modified Compertz模型如方程(2):

R.  y(t)=Hm x expl-explHx(A  (2)

式中:y()为时间t时的累积产气量( accumula-  tive biogas yield),mL,当t→∞时,y(t)→a,有Hn=  a为最大累积产气量(mL);Rn=a·c/e为最大产气  速率,mLd-l;A=(b-1)/e,A为黑膜沼气池发酵滞留时间,d;  e为exp(1)=2.71828。实际数据处理过程中,利用  ongin软件对参数a,b,c进行拟合,然后转换为H,  Rn,A的值,进而计算原料的TS产气率(mLg),  VS产气率(mL·g-1),以及产气90%时的黑膜沼气池发酵周期  (沼气黑膜沼气池发酵能源回收突出显示在黑膜沼气池发酵时间的90%)。  形成了以拟合茶树叶黑膜沼气池发酵的累积产气量的方法,从  而获得了最大累积产气量、最大比产气速率和滞留  时间3个动力学参数,借此评价不同预处理对茶树

产气特性的影响。

1.3.4测定项目与分析方法  

含水量、总固体(TS)、挥发性固体(VS):沼气  常规分析法;灰分:依据TS和Ⅴs测定值计算;产  气量:排水法测定;pH值:PHS-3C型p计测定;  H体积分数:福立GC9790Ⅱ型气相色谱仪。  试验结束后,综合数据进行指标分析,计算出最  大累积产气量(Hn,mL);最大产气速率(Rn,ml);  水力滞留时间(A,d)的值;90%产气周期(T9,)  原料TS和VS产气率。

2结果与分析

根据预试验各处理组的日产气量、甲烷含量以  及预处理药品用量,选择空白处理处理效果最优的  1%纤维素酶预处理,4%NaOH预处理,120℃高温

预处理进行日产气量变化,CH4含量变化, Modified  Gompertz模型拟合的对比分析相关讨论。  

2.1不同预处理对茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵产气的影响  

图3所示各处理日产气量。经处理后的茶树叶  可以较快启动黑膜沼气池发酵并且有不同程度产气高峰期,而  对照组没有明显的产气高峰。预处理试验组均在第  2天开始产气,其中,1%纤维素酶处理后试验组启  动最快,迅速产气,并且在第2天就达到产气高峰,  立气量为230mL,随后产气下降,在第5天达到谷  底,产气量为40mL,之后的产气峰上升,在第9天  达到第2个产气高峰,日产气量190mL;从各预处  理方法来看,4%NaOH预处理的效果最佳,启动第3  天达到产气高峰,产气量为170mL,随后进入波谷  期,后又上升至高峰期,在17天达到最大产气量,为210mL,产气速率与累积产气量均要明显高于其他处理。高温预处理组与对照组较类似,始终保持一个较低的产气率,总体来说,4%NaOH预处理组累积产气量最高。纤维素预处理组产气28d,产气总量次于NaOH预处理组。高温预处理组与对照组产气效果明显不及纤维素酶与碱预处理,产气时间短(高温处理26d,对照21d)并且产气速率与累积产气量均要低很多。

2.2不同预处理对茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵产甲烷的影响

由图4可看出,纤维素酶与NaOH预处理组的  甲烷体积百分数从黑膜沼气池发酵开始阶段就开始很快增加。  纤维素酶预处理组黑膜沼气池发酵过程中甲烷含量上升速度最  快,在第7天就达到30%以上,随黑膜沼气池发酵进行,甲烷含量继续增加,最高含量可达65.4%。4%NaOH预处理组甲烷含量高峰稍有滞后,在第13天甲烷含量达到30%以上,在此基础上继续增加,最高含量达到67.5%。高温预处理组甲烷上升速度较为缓慢,并且甲烷含量最高仅有38.1%。对照组整体甲烷含量较低,始终持续在10%~20%之间。综上可见,纤维素酶与NaOH预处理组均可稳定和大幅度提高厌氧黑膜沼气池发酵过程中甲烷含量,主要由于大分子的纤维素、半纤维素类物质被预先降解,可供产甲烷菌所利用。接种物中的产酸菌和产甲烷菌能很容易的利用

底物来生长繁殖,产生大量的气体。随着反应的进  行,这些容易降解组分被产甲烷菌大量的消耗而减  少,产酸菌和产甲烷菌的生长代谢减慢,产气量与甲烷下降,直到最后产气停止。

2.3不同预处理原料 M

odified Gompertz模型拟合的对比分析  根据图3试验数据计算出各预处理实际累积产  气量(见图5)并联合 Modified Gompertz模型拟合处理后得出结果如图6与表2。

试验过程中,黑膜沼气池发酵罐内日产气量的变化趋势反

映了产气情况的好坏与微生物生长及利用底物情  息息相关。 Modified Gompertz模型对不同试验约  产气量的数据进行拟合得到最大累积产气/  与图5中实际累积产气量相比,实际累积产气量唤  低于Hn,相对偏差分别为0.31%,0.93%,1.45%  14%,因此模型拟合效果较好,如图6所示,各  预处理试验刚开始启动阶段,产气速率上升较快  后产气达到最高产气速率阶段,后期产气速率趋于  平缓,累计产气量达到最大固定值。其中1%纤维  素酶与4%NaOH预处理组初始产气速率上升较快并且4%NaOH预处理组累积产气量达到最高值因此选择4%NaOH预处理茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵产气效果最好。

表2为日产气量数据拟合后获得不同预处理试验组的动力学参数及相关系数,得到各底物最大累积产气量、最大日产气量、滞留时间。由表2可以看出,所得到拟合曲线相关系数都在0.98以上,具有良好的相关性,进而获得相关参数指标。根据累计  产气量计算得到各预处理的TS产气率和ⅤS产气率测定与计算结果,其中TS产气率即单位原料干物质产气量,主要反映原料的产气潜力;VS产气率即单位原料挥发性有机物产气量,主要反映原料有  机质的转化潜力5

各种预处理方法不同程度的破坏茶树叶纤维素  结构,有助于产甲烷菌对黑膜沼气池发酵底物的利用和酶解的进行,提高茶树叶的厌氧黑膜沼气池发酵转化率。从表2可以看出,未经处理的茶树叶累积产气量最少,仅为805

mL,最大产气速率为62.1mL·d-1,滞留时间长达  2.35d,.表明该条件下黑膜沼气池发酵启动时间为2.35d.5产气率和VS产气率仅分别为30.84mLg-132mLg,但经过各种预处理后,各产气指标有了大

度提升。其中4%NaOH预处理效果最好,处理后  茶树叶的累积产气量达到2860m,最大产气速率  1279mLd.TS产气率,VS产气率分别为9.58  mLg,116.73mL·g1,并且滞留时间为0.084  NaOH预处理后茶树叶沼气黑膜沼气池发酵启动时间大幅缩  短。黑膜沼气池发酵周期随预处理效果增加而增加,NaOH预  处理90%黑膜沼气池发酵周期最长为28.9d,表明黑膜沼气池发酵期集中  在前29d,这可能由于处理后可供产甲烷菌利用物  质含量增多随之代谢时间延长。纤维素酶处理组效  果仅次于NaOH处理组,累积产气量2598m。茶  树叶经过纤维素酶预处理后破坏了包覆在纤维素分  子表面的半纤维素和木质素分子,使纤维素半纤维  素与木质素分离,并且发生部分分解,改善了茶树叶的厌氧消化性质,为厌氧菌提供了易消化的营养物质,这是导致纤维素预处理试验组滞留时间最短(0.06d)的主要原因。高温预处理组各产气特性提高不显著,黑膜沼气池发酵累积产气量1472mL,TS和ⅤS产气率分别为56.40mLg-1,60.08mL·g,滞留时间相比纤维素酶与NaOH预处理较长,90%黑膜沼气池发酵周期  仅比对照组延长3.4d,并且高温预处理方式需要额外的能量消耗,势必增加预处理成本。  综上,笔者认为本试验所采用的几种预处理方  法中,1%纤维素酶,120℃高温处理,4%NaOH累积  产气量分别达到2598mL,1472mL,23860mL,较对  照组分别提高232.7%,82.9%,25.3%,处理效  果:4%NaOH>1%纤维素酶>120℃高温处理>对

3结论

(1)相比于对照组,纤维素酶处理、高温处理、NaOH处理均能有效缩短茶树叶黑膜沼气池发酵启动时间,并能不同程度提高茶树叶黑膜沼气池发酵产气的能力。

(2)不同预处理产气气体成分分析表明1%纤维素酶与4%NaOH预处理后的茶树叶黑膜沼气池发酵产气甲烷量显著提升,甲烷含量最高分别可达65.4%和67.5%。

(3) Modified Gompertz模型分析不同预处理条件对茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵产气影响,具有较好的相关性,  根据 Modified Gompertz模型获得相关参数指标,可  以对不同预处理茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵效果做出合理评  价。就累积产气影响、原料转化效率而言,不同预处  理方法的对比处理效果为4%NaOH>1%纤维素酶  >120℃高温处理>对照。其中NaOH预处理最适  合茶树叶沼气黑膜沼气池发酵,采取4%NaOH对含水率为  80%的茶树叶处理15d后,以7%的总固体浓度在  35℃黑膜沼气池发酵累积产气2860mL,与对照组相比,提高了

255.3%,主要产气阶段集中在前29d,此时TS和VS产气率分别为109.58mLg-1,116.73mL·g1

(4)由于该试验只进行了固定预处理时间,无法确定不同时长与种类的碱处理对茶树叶厌氧黑膜沼气池发酵影响,后续研究可对碱处理的条件,如碱的种类与处理时间等因素进行进一步的优化。

摘自《中国沼气》2018第三期 孙和临 李建昌 邵琼丽

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