張笑妹 王思明 楊寧

摘 要 秸稈是一種可再生資源，但是秸稈的難降解性與復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)減少了對(duì)秸稈的應(yīng)用，因此，對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理是非常有必要的。

關(guān)鍵詞 秸稈；厭氧發(fā)酵；沼氣

中圖分類號(hào)：X712；S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2015）36--02

隨著環(huán)境的惡化程度越來(lái)越高，能源也越來(lái)越匱乏，利用農(nóng)業(yè)廢棄物再生資源是全世界都在研究的課題，沼氣則是再生資源的一類，它為人類做出了巨大的貢獻(xiàn)。發(fā)酵停留時(shí)間、啟動(dòng)性能、總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、沼氣產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化率與發(fā)酵底物濃度有關(guān)。目前，農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵技術(shù)[1]中濕發(fā)酵的總固體濃度大約在10%以下，而干發(fā)酵總固體濃度大約在15%～35%。通常情況下，農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵技術(shù)中濕發(fā)酵不僅傳質(zhì)相對(duì)均勻，而且具有十分良好的啟動(dòng)性。干式發(fā)酵啟動(dòng)性能盡管比不上濕法發(fā)酵，但是它的單位容積產(chǎn)氣率較高，且無(wú)大量沼液排放。2種發(fā)酵方法各具優(yōu)勢(shì)。如果能將干法與濕法聯(lián)合起來(lái)發(fā)酵沼氣，其效果會(huì)更好，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)主要運(yùn)用厭氧活性污泥此類物質(zhì)作為厭氧發(fā)酵的主要接種物。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的污水處理工廠的污泥經(jīng)過(guò)離心加工處理之后，就能夠得到厭氧發(fā)酵制沼氣的污泥原料，其總固體（TS）為12，97%，揮發(fā)性固體（VS）為35.76%。實(shí)驗(yàn)的底物主要是風(fēng)干的玉米秸稈，其總固體（TS）為81.69%，揮發(fā)性固體（VS）為88.39%。將玉米秸稈切碎備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵制沼氣實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為濕式厭氧發(fā)酵和干式厭氧發(fā)酵兩級(jí)主要的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)方式。在具體的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要通過(guò)發(fā)酵物的詳細(xì)比例配置，使配置比例達(dá)到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如濕式發(fā)酵底物作為實(shí)驗(yàn)的第一級(jí)主要發(fā)酵物要與第二級(jí)發(fā)酵物——干式厭氧發(fā)酵的比例控制在2∶1，然后將配置好的混合物置于發(fā)酵盒中，隨后可以利用農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵原理將農(nóng)作物秸稈總固體（TS）的濃度配合比控制到4%左右，將其置于100 mL容積的厭氧發(fā)酵盒中，在其過(guò)程中要控制好混合物的酸堿平衡值，可以采用堿性溶液將pH值調(diào)至7.5，隨后采用80%氮?dú)馀c20%二氧化碳混合氣，曝氣5 min，再用鋁制封口與橡膠塞密封，將密封物放置于37 ℃的水浴振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行轉(zhuǎn)速為150 r/min的培養(yǎng)。最重要的是將濕式發(fā)酵物的發(fā)酵周期設(shè)為3、5、10、15和25 d這5個(gè)不同的發(fā)酵周期，通過(guò)濕式發(fā)酵物的過(guò)濾處理，就可以進(jìn)行接下來(lái)的干式發(fā)酵物實(shí)驗(yàn)處理，首先需要將其置于容積為250 mL的厭氧發(fā)酵盒內(nèi)，通過(guò)第1次發(fā)酵物的濾除物來(lái)觀測(cè)濾除液體與第2組發(fā)酵物料的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)情況，一直到發(fā)酵物產(chǎn)生氧氣。隨之可以把干式厭氧發(fā)酵物的發(fā)酵盒放置于溫度為37 ℃發(fā)酵培養(yǎng)箱內(nèi)，然后再測(cè)定甲烷含量與產(chǎn)氣量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

氣體的收集可以采取排水集氣法[2]，通過(guò)不同時(shí)間段的隨機(jī)檢測(cè)來(lái)記錄每天的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量。然后可以利用氣相色譜儀分析其甲烷含量。運(yùn)用Van Soest纖維素測(cè)定法測(cè)定木質(zhì)素、纖維素與半纖維素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩級(jí)發(fā)酵過(guò)程中甲烷產(chǎn)氣量變化

甲烷是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分，在農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵制沼氣實(shí)驗(yàn)中，沼氣的來(lái)源主要為濕式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣和干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣[3]，從發(fā)酵周期來(lái)看，約需50 d，從沼氣的整個(gè)制造過(guò)程來(lái)看，前一階段的甲烷產(chǎn)量比后一階段的甲烷產(chǎn)量要相對(duì)較高。發(fā)酵后期沼氣中的甲烷含量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持在50%～70%。濕式發(fā)酵階段中3、5、10、15和25 d中的甲烷產(chǎn)量分別是12.76、16.40、13.25、13.82、16.19 mL。由于受干式發(fā)酵轉(zhuǎn)換的影響，在第3天與第5天的甲烷變化有明顯的下降趨勢(shì)。濕式厭氧發(fā)酵的第10天以及第15和25天時(shí)出現(xiàn)了發(fā)酵高峰期外，其發(fā)酵產(chǎn)量都是由高向低的趨勢(shì)運(yùn)行著。兩級(jí)發(fā)酵體系中的甲烷產(chǎn)量是第一級(jí)濕式與第二級(jí)干式的甲烷的總和。秸稈厭氧的發(fā)酵前期主要是微生物利用底物有機(jī)分子來(lái)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降解轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)揮發(fā)性的有機(jī)酸。所以在第3天和第5天的甲烷產(chǎn)量較其他組要低。

2.2 纖維素類的降解程度

秸稈的主要部分是木質(zhì)纖維素[4]，因此，對(duì)木質(zhì)纖維素降解程度與濕式發(fā)酵周期進(jìn)行研究，對(duì)確定兩級(jí)發(fā)酵中濕式發(fā)酵的周期有一定的參考意義。通過(guò)測(cè)定不同濕式發(fā)酵周期后發(fā)酵物料的纖維素含量，對(duì)此可以得知，農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵過(guò)程中農(nóng)作物秸稈中的纖維素和半纖維素有明顯的降解現(xiàn)象。半纖維素在秸稈發(fā)酵制氧的過(guò)程中是最易降解的，其次是纖維素，而木質(zhì)素在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中最難降解，其原因是由于降解的過(guò)程需要有氧的參與。

3 結(jié)論與討論

在農(nóng)業(yè)秸稈濕干兩級(jí)厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，干式厭氧發(fā)酵與濕式厭氧發(fā)酵相融合的兩級(jí)發(fā)酵過(guò)程中，濕式厭氧發(fā)酵如果發(fā)酵周期太短就非常不利于甲烷菌群的聚集，如果發(fā)酵周期太長(zhǎng)，也不能很好地突出干式厭氧發(fā)酵處理中的巨大優(yōu)勢(shì)。因此，在玉米等農(nóng)作物秸稈的各種成分降解過(guò)程中，最容易降解的是半纖維素，其次是纖維素，最難降解的是木質(zhì)纖維素。因此，在該研究過(guò)程中，濕式厭氧發(fā)酵時(shí)，農(nóng)作物秸稈中揮發(fā)性固體（VS）的降解量[5]與甲烷產(chǎn)率之間呈現(xiàn)出一致的發(fā)展變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：劉昀）