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酸洗、堆沤预处理方法对秸秆厌氧发酵产气量的影响

范文

章红黎少杰

摘? ?要：为研究不同预处理方法对提高水稻秸秆厌氧发酵产气量的影响，选择酸洗、堆漚两种方式对其进行预处理。通过测定厌氧发酵CH4和CO2的产生量，发现堆沤预处理破坏有机物之间的化学键及木质素的结构，产生更多可溶性物质，有利于酸化和产CH4的平衡，提高稻草的生物可降解性。酸洗后稻草由于在冲洗过程中有机质流失量大，在中和处理过程中有酸的残留，造成CH4产量减少。

关键词：酸洗;堆沤;水稻秸秆;厌氧发酵;产气量

沼气为重要的生物质能，利用农作物秸秆作为产沼气原料，可以解决沼气原料短缺问题，并从源头上解决秸秆焚烧带来的环境污染。另外，厌氧发酵可以杀死大部分病毒虫卵，避免直接还田造成的作物危害[1]。但秸秆含有大量难生物降解的纤维素、半纤维素和木质素等，导致沼气发酵缓慢、产气量低等问题，因此，对秸秆进行预处理意义重大。

经过酸洗、堆沤对秸秆的预处理后，稻草秸秆各组分发生较大变化，木质纤维组分得到降解，提高了其生物降解性能。为进一步研究预处理对秸秆厌氧消化产气性能的影响，设计实验，通过测试产气量、产气速率，探讨其在厌氧发酵过程中的作用。

1? ? 实验原料、方法

1.1? 实验原料

实验使用的污泥来源于合肥市王小郢污水处理厂的回流井，并于室温环境静置24 h。经测试，污泥总碱度（以CaCO3计）为600.06 mg/L，质量浓度为15.6 g/L，元素质量分数分别为：C 15.10%，H 5.34%，N 5.02%、S 0.85%。

稻草秸秆来源于合肥市郊区，经机械破碎后筛分出60目，并于105 ℃的干燥箱烘干至恒重。经测试，稻草秸秆元素质量分数分别为：C 36.14%，H 6.05%，N 1.01%、S 0.31%。

1.2? 实验方法

以250 mL血清瓶为反应器，设计3组试验考察经不同预处理后的秸秆厌氧发酵产CH4的影响。在实验瓶中分别加入稻草、堆沤后稻草、酸洗后稻草3 g，50 mL污泥，每组试验设计两组平行。加入反应基质后，再分别注入150 mL蒸馏水。所有反应器充N2 5 min脱氧，密封，置入恒温振荡器中，于35 ℃下进行培养。在反应过程中每隔5天用排水法（排水水溶液pH<1）测定气体产量[2]，从集气瓶中抽取气体测定CH4。

1.3? 分析测试项目统计方法

1.3.1? 污泥质量浓度

污泥质量浓度选用重量法，具体步骤如下：在（105±2）℃的烘箱中将定量滤纸烘干至恒重，取出在干燥器内冷却后称重，作为m0;滤纸过滤100 mL污泥后一同放入（105±2）℃的烘箱中烘干2 h至恒重，取出在干燥器内冷却后称重，作为m1。按下式计算污泥质量浓度，做3个平行样取平均值。

污泥质量浓度（g/L）=（m1-m0）/（100/1 000）（1）

1.3.2? 污泥中挥发性固体质量分数

污泥中挥发性固体为干污泥经过高温灼烧后减少的那部分物质，主要成分为有机物。

准确称取（105±2）℃下烘干的干污泥w0，于550 ℃的马弗炉中灼烧1 h，取出在干燥器中冷却，称重，记为w1。按下式计算污泥中挥发性固体的质量分数，3个平行样取平均值。

污泥中挥发性固体质量分数（%）=（1-w1/w0）×100% （2）

1.3.3? 污泥总碱度

总碱度是污泥厌氧消化是否正常的标志。总碱度的测定参照《秸秆预处理方法的筛选》[3]中碱度的测定。步骤如下：

取25 mL污泥上清液于100 mL烧杯中，置于磁力搅拌器上，将pH计插入液面以下，边搅拌边用滴管滴加0.1 mol/L盐酸至pH计读数为4.4，记录盐酸标准溶液的体积V1，按下式计算总碱度。

总碱度（g/L，以CaCO3计）=V1×c/V2×50.05（3）

式中：V1—盐酸溶液体积，mL;

c—盐酸溶液的浓度，mol/L;

V2—污泥上清液体积，mL;

50.05—碳酸钙（1/2 CaCO3）摩尔质量，g/mol。

1.3.4? CH4质量浓度

CH4质量浓度测定使用日本Shimadzu GC—2010气相色谱仪的氢火焰离子检测器[4]。分析测试条件如下：固定相为Rtx-Wax毛细管柱（30.00 m×0.25 mm），流动相为高纯N2，辅助气体为空气，燃烧气体为高纯H2，空气、H2流速分别为400 mL/min、40 mL/min。检测器、进样器温度均为300 ℃，初始温度为60 ℃，使用程序升温控制温度，以40 ℃/min的速率升温至140 ℃，保持1.00 min后，自动降温，整个程序耗时5.00 min。出峰时间在2.35 min左右。

（1）标准曲线。

待仪器准备就绪，将收集的纯CH4取10 μL注入进样口，得到CH4的保留时间。再分别注入甲烷4 μL、5 μL、6 μL、10 μL、15 μL、20 μL，即得到不同体积的峰面积，以峰面积和体积比作标准曲线。

（2）CH4定量分析。

待仪器准备就绪，抽取20 μL气体进样，即得到CH4的峰面积，加载标准曲线，即可得到不同组分的峰面积所对应的体积比，再换算为对应的体积。

2? ? 结果分析与讨论

2.1? 不同预处理的甲烷产气量

3组反应体系中产甲烷产量如图1所示，堆沤后稻草（S2）CH4产气和未处理的产气速度明显快于酸性处理后的秸秆产气，在20天时，产气量明显分开，S1的产气量为77 mL，S2的产气量为73 mL，S3的产气量仅约为30 mL。说明未处理的和堆沤处理的秸秆产气启动要快于酸洗处理秸秆的产气，因为酸洗秸秆，稀酸会杀死秸秆中的大部分微生物，尽管后续步骤中接种了污泥，但是秸秆中仍显酸性，对厌氧发酵不利。

（S1：未处理稻草+50 mL污泥;S2：堆沤后稻草+50 mL污泥;S3：酸洗后稻草+50 mL污泥）

當实验进行到80天时，各个反应体系中的产气量达到最高峰。S1中产气量为370 mL，S2的产气量为393 mL，S3的产气量为320 mL。随后产气进入停滞期。堆沤后稻草CH4产气速率明显偏高，产量提高了6.1%，酸洗后稻草的CH4质量却减少了14.4%。

2.2? 不同预处理CO2产气量

3组反应体系产CO2总量如图2所示。从实验第15天开始，体系中的CO2产量呈现3种趋势：未处理的秸秆产气量（S1）>堆沤处理的秸秆产气量（S2）>酸洗处理的秸秆产气量（S3）。到实验的第80天时，各个体系中产气量达到峰值，随后停滞，不再产气。S1中产气量为52 mL，S2的产气量为52 mL，S3的产气量为37 mL，比其他两组CO2产量减少29.5%。从CH4和CO2的产量看，甲烷菌在这个阶段起主导作用，一是甲烷菌直接将乙酸分解为CH4和CO2，约占生成CH4的70%;二是以CO2和H2为原料，在嗜氢产甲烷菌的作用下形成CH4，占30%。因此，CO2一部分不能被转化为CH4，一般有50%左右的CO2不能被转化，没有转化的CO2随CH4排出。

通过CH4产量可以看出，堆沤能提高稻草产气量，这说明堆沤可以使稻草秸秆纤维素变疏松，扩大纤维素分解菌和纤维素的接触面积，提高纤维素的分解效率，进而提高总产气量。在酸洗过程中造成碳源流失，而且由于酸的残留，pH偏低，抑制了生物的活性，产气量有所下降。

3? ? 结语

酸洗和堆沤预处理试验证明预处理对秸秆纤维素、半纤维素和木质素有一定的降解作用，秸秆的成分含量及结构发生了变化，预处理后CH4产气量有所不同，通过上述试验得出结论：

（1）堆沤预处理破坏有机物之间的化学键及木质素的结构，产生更多可溶性物质，有利于酸化和产甲烷的平衡、提高稻草的生物可降解性。

（2）酸洗后稻草由于在冲洗过程中有机质流失量大，在中和处理过程中有酸的残留，造成CH4产量减少，在以后试验中需注意此类问题。

[参考文献]

[1]卞有生.生态农业中废弃物的处理与再利用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]路鹏，蒋涛，李国学.木质纤维素乙醇发酵研究中的关键点及解决方案[J].农业工程学报，2006，22（9）：237-240.

[3]曲音波.纤维素乙醇产业化[J].化学进展，2007，19（7）：1 098-1 108.

[4]苏宇.基于稻草和污泥为营养源硫酸盐还原菌处理酸性矿山排水的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

Effect of acid pickling and retting pretreatment on

gas production of straw anaerobic fermentation

Zhang Hong1， Li Shaojie2

（1.Department of Ecology and Environment of Anhui Province， Hefei 230009， China; 2. Anhui JINCHENGANHUAN

Technology Development Co.， Ltd.， Hefei 230009， China）

Abstract：In order to study the effect of different pretreatment methods on improving the gas production of rice straw anaerobic fermentation， acid pickling and stacking were selected to pretreat the rice straw. By measuring the production of CH4 and CO2 in anaerobic fermentation， it was found that Composting Pretreatment destroyed the chemical bonds between organic substances and the structure of lignin， and produced more soluble substances， which was conducive to the balance of acidification and methanogenesis， and improved the biodegradability of rice straw. After pickling， rice straw loses a lot of organic matter in the washing process， and there is acid residue in the neutralization process， which reduces methane production.

Key words：acid pickling; stacking; rice straw; anaerobic fermentation; gas production

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