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我國茶園種植面積為138萬公頃,茶年產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)中,修剪枝葉和凋落葉一起,形成了一個(gè)凋落層,它們?cè)谕寥辣韺永鄯e、分解,對(duì)茶園土壤環(huán)境產(chǎn)生著深刻的影響。對(duì)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(zhuǎn)化率低,還會(huì)對(duì)造成土壤酸化2。將茶樹葉通過厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵技術(shù)轉(zhuǎn)化為沼氣,以可豐富沼氣原料來源,減緩?fù)寥牢廴?。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(jié)晶物質(zhì)和木質(zhì)素對(duì)纖維素包埋作用,這些物質(zhì)  難易降解使得厭氧微生物無法快速對(duì)其進(jìn)行分解和  利用3,導(dǎo)致黑膜沼氣池發(fā)酵過程中出現(xiàn)運(yùn)行緩慢、底物降解  率低、產(chǎn)氣量小的問題。因此,在黑膜沼氣池發(fā)酵前對(duì)茶葉進(jìn)行有效預(yù)處理十分必要  采用物理、化學(xué)、生物4-6預(yù)處理方法改變?cè)?nbsp; 物理化學(xué)結(jié)構(gòu),使復(fù)雜底物轉(zhuǎn)化為簡單物質(zhì)可提高  厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵速率與產(chǎn)氣量。物理預(yù)處理主要是通過機(jī)  械、高溫等方法改變?cè)牧系耐庥^形態(tài)或內(nèi)部物質(zhì)  結(jié)構(gòu),研究表明以稻草為原料,通過切碎與研磨

方法預(yù)處理都可以提高稻草的產(chǎn)氣潛能,但研磨比  相比于切碎預(yù)處理方法可以提高產(chǎn)氣量12.5%;陳  金發(fā)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(duì)沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵影響并提高產(chǎn)氣總  量?；瘜W(xué)預(yù)處理是通過化學(xué)藥品作用于底物原材  料,破壞原材料中纖維素與木質(zhì)素形成的共價(jià)鍵從  而達(dá)到提產(chǎn)甲烷菌對(duì)纖維素類物質(zhì)利用。如杜婷  婷等研究不同功能復(fù)合添加劑對(duì)牛糞厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵  的影響,得到結(jié)果通過添加復(fù)合添加劑可提高牛糞  產(chǎn)氣率并且功能添加劑不同組分對(duì)厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵有明顯  促進(jìn)。生物預(yù)處理是將黑膜沼氣池發(fā)酵原材料通過細(xì)菌、真菌  等微生物預(yù)先降解處理,可促進(jìn)原料中木質(zhì)素和纖  維素的降解。趙靜等探究NaOH和H2SO4與纖  維素酶預(yù)處理方法對(duì)水稻秸稈厭氧消化產(chǎn)氣影響  發(fā)現(xiàn)纖維素酶預(yù)處理效果優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)組。因此,  利用纖維類含量較高原料進(jìn)行黑膜沼氣池發(fā)酵,需要對(duì)原料進(jìn)  行預(yù)處理降解。

目前對(duì)于茶樹葉沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵研究鮮有報(bào)道,本文  在茶樹葉機(jī)械粉碎的基礎(chǔ)上,對(duì)茶樹葉分別進(jìn)行了  高溫預(yù)處理、堿預(yù)處理及纖維素酶處理,并設(shè)置了空  白對(duì)照組,比較處理后茶樹葉的黑膜沼氣池發(fā)酵情況及沼氣產(chǎn)  量,并把 Modified Gompertz模型引入到茶樹葉發(fā)  酵中。李建昌121等將 Modified Gompertz應(yīng)用于城  市生活垃圾沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵,得出城市生活垃圾沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵  的累計(jì)產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化與 Modified Gompertz模型具有較好的相關(guān)性。基于此,不同預(yù)處理必然會(huì)導(dǎo)  致茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵累積產(chǎn)氣量變化,進(jìn)而使Modified Gompertz模型參數(shù)改變,借此可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析,評(píng)價(jià)黑膜沼氣池發(fā)酵參數(shù)對(duì)底物產(chǎn)甲烷特性的影響,  得出合理判斷與結(jié)論,以期對(duì)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(yàn)材料與接種物

茶樹葉采集于昆明高香萬畝茶園,自然風(fēng)干并粉碎,過1mm篩備用,并測定其理化指標(biāo),物料特性見表1;接種物取自云南師范大學(xué)太陽能研究所生物質(zhì)能研究室豬糞為原料黑膜沼氣池發(fā)酵結(jié)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(mào)  有限公司);氫氧化鈉(分析純)。

1.2試驗(yàn)裝置  

試驗(yàn)裝置主要由溫控儀(WMK01型,數(shù)  圍10℃-100℃),傳感器、電熱管(500W)、恒  箱,500mL廣口消化瓶,1500mL計(jì)量瓶和10s  的錐形瓶等部分組成(見圖1)。計(jì)量瓶用于收集  錐形瓶中被排出的水,以計(jì)算產(chǎn)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(yàn)過程分為預(yù)試驗(yàn)階段和百式氧發(fā)  段,兩階段在同一裝置中進(jìn)行,試驗(yàn)過程采用中  酵(35℃±1℃)。預(yù)試驗(yàn)設(shè)3個(gè)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)處  平:堿處理方法分別在茶樹葉干物質(zhì)中加入質(zhì)量  數(shù)為2%,4%,6%的NaOH;酶處理法是分別在茶  葉干物質(zhì)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,0.5%,1%的圖  維素酶;高溫處理組將經(jīng)粉碎的茶樹葉置于  110℃,120℃高壓滅菌鍋中處理;同時(shí)設(shè)置一個(gè)對(duì)照  組(無預(yù)處理措施)。正式試驗(yàn)產(chǎn)沼氣階段是在上  述預(yù)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取每種預(yù)處理方法中愛  果最優(yōu)的一組,再次重復(fù)預(yù)試驗(yàn)的步驟進(jìn)行厭氧酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)。

1.3.1原料預(yù)處理  

(1)高溫預(yù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,0.5%,1%的纖維素酶,混合均勻。纖維素酶預(yù)處理溫度保持在35℃-40℃。

(3)NaOH處理:將經(jīng)粉碎的茶樹葉用蒸餾水把預(yù)處理體系含水率調(diào)為80%,以占茶葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%,4%,6%的NaOH分別處理15d。

1.3.2裝瓶黑膜沼氣池發(fā)酵

裝料系數(shù)為黑膜沼氣池發(fā)酵罐的80%,即500mLx80%400mL;黑膜沼氣池發(fā)酵液總固體含量7%;接種物的接種量  (接種物干物質(zhì)質(zhì)量占黑膜沼氣池發(fā)酵原料干物質(zhì)質(zhì)量的百分  比)為25%;黑膜沼氣池發(fā)酵液pH值用緩沖溶液調(diào)節(jié)至72  0.2,以未經(jīng)預(yù)處理的茶葉為對(duì)照,在水浴加熱下發(fā)  酵,平均溫度為35℃±1℃。每天定時(shí)測量產(chǎn)氣量  待產(chǎn)氣穩(wěn)定后測定各處理氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)  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(biāo)數(shù)據(jù)處理  

Gompertz模型是三參數(shù)方程,對(duì)應(yīng)曲線特點(diǎn)是  增長率>0(見圖2),其函數(shù)表態(tài)與參數(shù)密切相關(guān)  Gompertz模型如方程(1):

y(t)= ax exp[ -exp(b -ct)  在 Gompertz模型中,參數(shù)a,b,c通常不具有生  物學(xué)意義,因此,對(duì) Gompertz模型變換,并付予Mod  fied Gompertz模型參數(shù)特殊的生物學(xué)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(shí)間t時(shí)的累積產(chǎn)氣量( accumula-  tive biogas yield),mL,當(dāng)t→∞時(shí),y(t)→a,有Hn=  a為最大累積產(chǎn)氣量(mL);Rn=a·c/e為最大產(chǎn)氣  速率,mLd-l;A=(b-1)/e,A為黑膜沼氣池發(fā)酵滯留時(shí)間,d;  e為exp(1)=2.71828。實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中,利用  ongin軟件對(duì)參數(shù)a,b,c進(jìn)行擬合,然后轉(zhuǎn)換為H,  Rn,A的值,進(jìn)而計(jì)算原料的TS產(chǎn)氣率(mLg),  VS產(chǎn)氣率(mL·g-1),以及產(chǎn)氣90%時(shí)的黑膜沼氣池發(fā)酵周期  (沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵能源回收突出顯示在黑膜沼氣池發(fā)酵時(shí)間的90%)。  形成了以擬合茶樹葉黑膜沼氣池發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量的方法,從  而獲得了最大累積產(chǎn)氣量、最大比產(chǎn)氣速率和滯留  時(shí)間3個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù),借此評(píng)價(jià)不同預(yù)處理對(duì)茶樹

產(chǎn)氣特性的影響。

1.3.4測定項(xiàng)目與分析方法  

含水量、總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS):沼氣  常規(guī)分析法;灰分:依據(jù)TS和Ⅴs測定值計(jì)算;產(chǎn)  氣量:排水法測定;pH值:PHS-3C型p計(jì)測定;  H體積分?jǐn)?shù):福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀。  試驗(yàn)結(jié)束后,綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)分析,計(jì)算出最  大累積產(chǎn)氣量(Hn,mL);最大產(chǎn)氣速率(Rn,ml);  水力滯留時(shí)間(A,d)的值;90%產(chǎn)氣周期(T9,)  原料TS和VS產(chǎn)氣率。

2結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)各處理組的日產(chǎn)氣量、甲烷含量以  及預(yù)處理藥品用量,選擇空白處理處理效果最優(yōu)的  1%纖維素酶預(yù)處理,4%NaOH預(yù)處理,120℃高溫

預(yù)處理進(jìn)行日產(chǎn)氣量變化,CH4含量變化, Modified  Gompertz模型擬合的對(duì)比分析相關(guān)討論。  

2.1不同預(yù)處理對(duì)茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣的影響  

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

2.2不同預(yù)處理對(duì)茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

由圖4可看出,纖維素酶與NaOH預(yù)處理組的  甲烷體積百分?jǐn)?shù)從黑膜沼氣池發(fā)酵開始階段就開始很快增加。  纖維素酶預(yù)處理組黑膜沼氣池發(fā)酵過程中甲烷含量上升速度最  快,在第7天就達(dá)到30%以上,隨黑膜沼氣池發(fā)酵進(jìn)行,甲烷含量繼續(xù)增加,最高含量可達(dá)65.4%。4%NaOH預(yù)處理組甲烷含量高峰稍有滯后,在第13天甲烷含量達(dá)到30%以上,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加,最高含量達(dá)到67.5%。高溫預(yù)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(duì)照組整體甲烷含量較低,始終持續(xù)在10%~20%之間。綜上可見,纖維素酶與NaOH預(yù)處理組均可穩(wěn)定和大幅度提高厭氧黑膜沼氣池發(fā)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(zhì)被預(yù)先降解,可供產(chǎn)甲烷菌所利用。接種物中的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌能很容易的利用

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

2.3不同預(yù)處理原料 M

odified Gompertz模型擬合的對(duì)比分析  根據(jù)圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各預(yù)處理實(shí)際累積產(chǎn)  氣量(見圖5)并聯(lián)合 Modified Gompertz模型擬合處理后得出結(jié)果如圖6與表2。

試驗(yàn)過程中,黑膜沼氣池發(fā)酵罐內(nèi)日產(chǎn)氣量的變化趨勢反

映了產(chǎn)氣情況的好壞與微生物生長及利用底物情  息息相關(guān)。 Modified Gompertz模型對(duì)不同試驗(yàn)約  產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到最大累積產(chǎn)氣/  與圖5中實(shí)際累積產(chǎn)氣量相比,實(shí)際累積產(chǎn)氣量喚  低于Hn,相對(duì)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(yù)處理試驗(yàn)剛開始啟動(dòng)階段,產(chǎn)氣速率上升較快  后產(chǎn)氣達(dá)到最高產(chǎn)氣速率階段,后期產(chǎn)氣速率趨于  平緩,累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到最大固定值。其中1%纖維  素酶與4%NaOH預(yù)處理組初始產(chǎn)氣速率上升較快并且4%NaOH預(yù)處理組累積產(chǎn)氣量達(dá)到最高值因此選擇4%NaOH預(yù)處理茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣效果最好。

表2為日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)擬合后獲得不同預(yù)處理試驗(yàn)組的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及相關(guān)系數(shù),得到各底物最大累積產(chǎn)氣量、最大日產(chǎn)氣量、滯留時(shí)間。由表2可以看出,所得到擬合曲線相關(guān)系數(shù)都在0.98以上,具有良好的相關(guān)性,進(jìn)而獲得相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)累計(jì)  產(chǎn)氣量計(jì)算得到各預(yù)處理的TS產(chǎn)氣率和ⅤS產(chǎn)氣率測定與計(jì)算結(jié)果,其中TS產(chǎn)氣率即單位原料干物質(zhì)產(chǎn)氣量,主要反映原料的產(chǎn)氣潛力;VS產(chǎn)氣率即單位原料揮發(fā)性有機(jī)物產(chǎn)氣量,主要反映原料有  機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化潛力5

各種預(yù)處理方法不同程度的破壞茶樹葉纖維素  結(jié)構(gòu),有助于產(chǎn)甲烷菌對(duì)黑膜沼氣池發(fā)酵底物的利用和酶解的進(jìn)行,提高茶樹葉的厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵轉(zhuǎn)化率。從表2可以看出,未經(jīng)處理的茶樹葉累積產(chǎn)氣量最少,僅為805

mL,最大產(chǎn)氣速率為62.1mL·d-1,滯留時(shí)間長達(dá)  2.35d,.表明該條件下黑膜沼氣池發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間為2.35d.5產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率僅分別為30.84mLg-132mLg,但經(jīng)過各種預(yù)處理后,各產(chǎn)氣指標(biāo)有了大

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

3結(jié)論

(1)相比于對(duì)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(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間,并能不同程度提高茶樹葉黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣的能力。

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

(3) Modified Gompertz模型分析不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣影響,具有較好的相關(guān)性,  根據(jù) Modified Gompertz模型獲得相關(guān)參數(shù)指標(biāo),可  以對(duì)不同預(yù)處理茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵效果做出合理評(píng)  價(jià)。就累積產(chǎn)氣影響、原料轉(zhuǎn)化效率而言,不同預(yù)處  理方法的對(duì)比處理效果為4%NaOH>1%纖維素酶  >120℃高溫處理>對(duì)照。其中NaOH預(yù)處理最適  合茶樹葉沼氣黑膜沼氣池發(fā)酵,采取4%NaOH對(duì)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(fā)酵累積產(chǎn)氣2860mL,與對(duì)照組相比,提高了

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

(4)由于該試驗(yàn)只進(jìn)行了固定預(yù)處理時(shí)間,無法確定不同時(shí)長與種類的堿處理對(duì)茶樹葉厭氧黑膜沼氣池發(fā)酵影響,后續(xù)研究可對(duì)堿處理的條件,如堿的種類與處理時(shí)間等因素進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

摘自《中國沼氣》2018第三期 孫和臨 李建昌 邵瓊麗

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