錢(qián)玉婷,杜 靜,陳廣銀,黃紅英,靳紅梅,奚永蘭,徐躍定,常志州(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用華東科學(xué)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站,江蘇 南京 210014)

溫和水熱預(yù)處理促進(jìn)秸稈產(chǎn)沼氣的條件優(yōu)化研究

錢(qián)玉婷,杜 靜,陳廣銀,黃紅英,靳紅梅,奚永蘭,徐躍定,常志州*(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用華東科學(xué)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站,江蘇 南京 210014)

以水稻秸稈為原料,在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)正交試驗(yàn)研究不同水熱預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)稻秸理化特性及產(chǎn)沼氣效果的影響.結(jié)果表明,預(yù)浸時(shí)間、初始含水率和熱處理時(shí)間3個(gè)因素對(duì)稻秸厭氧發(fā)酵20d累積TS產(chǎn)氣率的影響程度各不相同,各因素對(duì)厭氧發(fā)酵累積TS產(chǎn)氣率的影響大小順序?yàn)槌跏己剩绢A(yù)浸時(shí)間＞熱處理時(shí)間;得出的最佳水熱預(yù)處理?xiàng)l件為:初始含水率為 55%,預(yù)浸時(shí)間為 2h,熱處理時(shí)間為6h;與處理CK相比,最佳預(yù)處理?xiàng)l件下稻秸20d容積產(chǎn)氣率提高29.79%,產(chǎn)氣量達(dá)總產(chǎn)氣量60%和80%時(shí)間可提前5d;結(jié)合預(yù)處理前后稻秸理化特性變化規(guī)律分析,表明溫和水熱預(yù)處理促進(jìn)了纖維素和半纖維素的降解溶出,并促使其更多轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA),從而有利于稻秸快速產(chǎn)沼氣.

秸稈；溫和；水熱預(yù)處理；正交試驗(yàn)

將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為燃料是生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用的一個(gè)重要方向.纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是組成木質(zhì)纖維素的主要成分,它們之間通過(guò)共價(jià)和非共價(jià)鍵結(jié)合形成致密的結(jié)構(gòu),阻礙了酶對(duì)木質(zhì)纖維素的降解,因此木質(zhì)纖維預(yù)處理工藝是實(shí)現(xiàn)秸稈制備生物燃料和生物制品重要的關(guān)鍵技術(shù)[1-2].在眾多的預(yù)處理方法中,水熱預(yù)處理方法作為一種新興的綠色反應(yīng)工藝,由于具有無(wú)需添加任何化學(xué)試劑、降解產(chǎn)物少和易操作等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[3-9].

水熱法預(yù)處理是將物料置于高壓狀態(tài)的熱水中,在高壓下水可以滲透到生物質(zhì)材料內(nèi)部.水在高溫高壓下會(huì)解離出 H+和 OH-,催化半纖維素的水解,并使部分纖維素水解,以消除對(duì)纖維素酶的空間阻礙,從而提高酶解效率.水熱處理溫度一般為 160～240℃,處理時(shí)間從幾分鐘到數(shù)小時(shí),并且隨著處理溫度的升高而明顯縮短[10-14],然而此法尚存在以下缺點(diǎn):一是預(yù)處理過(guò)程需要大量的水且能耗高,難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用;二是水熱預(yù)處理溫度高,并且需高壓作業(yè),增加了工程化應(yīng)用的操作難度以及存在安全隱患等弊端;三是高溫條件下由半纖維素水解而成的單糖會(huì)進(jìn)一步水解生成糠醛和羥甲基糠醛(HMF)等微生物發(fā)酵的抑制物,并且抑制物產(chǎn)生量隨著預(yù)處理溫度升高而明顯增多[15-16].減少或避免抑制物的產(chǎn)生方法主要包括通過(guò)降低水熱處理溫度而降低處理強(qiáng)度和加強(qiáng)所形成的單糖向揮發(fā)性脂肪酸甚至甲烷化方向轉(zhuǎn)化,因此,開(kāi)展秸稈溫和(即低于160℃)水熱預(yù)處理技術(shù)的相關(guān)研究很有必要.

為考察秸稈溫和水熱處理技術(shù)提高秸稈產(chǎn)沼氣率的可行性,研究團(tuán)隊(duì)前期在秸稈物料初始含水率60%和熱處理80℃條件下,研究了不同的溫和水熱預(yù)處理時(shí)間對(duì)秸稈快速產(chǎn)沼氣的影響,結(jié)果表明,80℃水熱預(yù)處理有利于提高秸稈產(chǎn)沼氣率,但不同預(yù)處理時(shí)間之間差異不明顯,以 80℃處理 6h效果最佳,其批式發(fā)酵20d平均容積產(chǎn)氣率和累積TS產(chǎn)氣率分別比未處理組提高12.53%和36.17%,說(shuō)明采用溫和水熱處理方式用于提高秸稈產(chǎn)沼氣率是可行的[17].通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)展溫和濕熱處理影響因素的單因子試驗(yàn),獲得了各影響因素適宜的水平范圍,在此基礎(chǔ)上,本文著重研究了秸稈預(yù)浸時(shí)間、初始含水率和熱處理時(shí)間等工藝條件對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響,以期得到較優(yōu)工藝參數(shù)組合,為水稻秸稈等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物發(fā)酵制沼氣提供一定的基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試秸稈取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田自然條件下風(fēng)干后的水稻秸稈,經(jīng)破碎處理成5mm左右的顆粒粉末,備用.風(fēng)干后水稻秸稈的總固體(total solid,TS)為 87.62%±0.07%,揮發(fā)性固體(volatile solid,VS)為87.99%±0.13%,碳氮比(C/N)為 73.20.接種物為本試驗(yàn)室污泥馴化罐排出液(發(fā)酵底物為新鮮豬糞),經(jīng)紗布過(guò)濾后于 35℃下保存待用.接種物的 TS為 4.88%±0.01%,VS為65.06%±0.09%,pH值為(7.62±0.07).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括2個(gè)部分,即水熱預(yù)處理稻秸正交試驗(yàn)[18]和預(yù)處理后稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn).

1.2.1 秸稈預(yù)處理正交試驗(yàn) 為了研究稻秸水熱預(yù)處理的影響因素,本試驗(yàn)選擇了3個(gè)有關(guān)的因素進(jìn)行條件試驗(yàn),分別為預(yù)浸時(shí)間、預(yù)處理物料初始含水率和熱處理時(shí)間,并根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定出各因素水平值范圍:預(yù)浸時(shí)間為0～6h,初始含水率為 55%～75%,熱處理時(shí)間為2～6h.試驗(yàn)設(shè)計(jì)3因素3水平的正交試驗(yàn)(正交試驗(yàn)因素和水平參見(jiàn)表1),另設(shè)置對(duì)照組CK(即秸稈不處理),共計(jì)10個(gè)處理組(正交設(shè)計(jì)表見(jiàn)表2),各處理組試驗(yàn)重復(fù)2次,取平均值用于分析.首先稱(chēng)取粉碎好的風(fēng)干稻秸干物質(zhì)80g,加入2L廣口型塑料樂(lè)扣杯中(除CK外),按照表2中各因素水平進(jìn)行試驗(yàn)操作,物料混合均勻后加蓋,在蓋中心用電鉆開(kāi)具1個(gè)2mm通氣孔,為保證同時(shí)處理結(jié)束,以不同時(shí)間放入 80℃恒溫箱中,處理完畢后取出并自然冷卻,將物料混勻后分別測(cè)定各組秸稈含水率.

表1 正交試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and level of the orthogonal test

取5g處理后的秸稈,按固水比1:5添加蒸餾水,于室溫下200r/min振蕩30min,用定性濾紙過(guò)濾,濾液用于pH值、COD測(cè)定;經(jīng)0.45um濾膜過(guò)濾后用于測(cè)定VFA.處理后的秸稈經(jīng)55℃烘干,粉碎過(guò)60目篩的樣品用于木質(zhì)素、纖維素和半纖維素測(cè)定.

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Designs of orthogonal test

1.2.2 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn) 發(fā)酵瓶采用塑料大口型樂(lè)扣杯,總?cè)莘e760mL,瓶蓋上采用電鉆開(kāi)具1個(gè)8mm的小孔,然后將 5mL的塑料移液槍頭的大口端融化后插入孔中,連接并密封;集氣瓶和集水瓶均采用1000mL廣口玻璃瓶.試驗(yàn)發(fā)酵TS濃度為6%,根據(jù)物料含水率稱(chēng)取干重36g的預(yù)處理后秸稈樣品,裝入樂(lè)扣杯中,加入接種物 400g,然后用尿素調(diào)節(jié)C/N為30,用自來(lái)水補(bǔ)足至物料總重600g,混合均勻后于(37±1)℃下進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn).同時(shí),用等量 TS的未經(jīng)任何處理的稻秸作為對(duì)照(CK)進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn),其余步驟同上.考慮到提高沼氣工程中厭氧反應(yīng)器利用效率,本試驗(yàn)僅對(duì)稻秸發(fā)酵20d內(nèi)進(jìn)行沼氣組分分析,分別于發(fā)酵第1,3,5,7,12, 16,20d各采集1次,后續(xù)僅記錄日產(chǎn)氣量.

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

試驗(yàn)過(guò)程中取樣測(cè)定有關(guān)指標(biāo):(1)以排水集氣法收集氣體,每日測(cè)定產(chǎn)氣量;(2)采用 GC-7890A氣相色譜儀分析沼氣甲烷含量(TCD檢測(cè)器),檢測(cè)器類(lèi)型:熱導(dǎo)檢測(cè)器 TCD;檢測(cè)器溫度:120℃,進(jìn)樣器類(lèi)型:平面流通閥;分析柱: TDC-01Φ4×1m;柱溫:100℃,載氣類(lèi)型:H2;載氣流量:50mL/min;定量管:1mL;標(biāo)準(zhǔn)氣體:N2中42.4% CH4+28.4%CO2;分析方法:外標(biāo)法;(3)干物質(zhì)的測(cè)定采用105℃烘干24h,差重法測(cè)定[19];(4)揮發(fā)性固體的測(cè)定采用550℃灼燒4h,差重法測(cè)定[19]; pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計(jì)測(cè)定;COD的測(cè)定參照GB1194- 89[20];采用范氏法(Van Soest)測(cè)定稻秸纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(FIWE,Velp Scientifica)[21].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水熱預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)稻秸理化特性的影響

表3 溫和水熱預(yù)處理前后稻秸理化特性的變化Table 3 Changes of physical-chemical properties of rice straw obtained before and after mild hydrothermal pretreatment

續(xù)表3

由表3可以看出,與處理CK相比,經(jīng)不同的水熱預(yù)處理后,稻秸纖維素、半纖維素含量均有不同程度的降低,木質(zhì)素含量均增加,pH值有不同程度下降,秸稈水浸提液COD、TVFA和乙酸含量均有所增加.從各處理間變化幅度來(lái)看,與對(duì)照相比,以處理8各項(xiàng)指標(biāo)變幅最大,其中纖維素和半纖維素含量分別降低了 5.13%和 4.64%,木質(zhì)素含量提高了67.90%;秸稈水浸提液各指標(biāo)除pH值有較大幅度降低外,其余指標(biāo)較未處理秸稈均有所增加,同樣表現(xiàn)出處理組8變幅最為明顯,其浸提液pH值有處理CK的7.12下降至6.67,變幅達(dá)0.45,而浸提液COD、TVFA和乙酸含量分別較處理 CK提高了 60.62%、50.12%和49.37%,并且各處理秸稈水浸提液中乙酸占TVFA百分比均超過(guò) 85%以上.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性分析表明,除處理8中各理化特性指標(biāo)與處理 CK均呈現(xiàn)極顯著差異外,其余處理僅有部分指標(biāo)呈現(xiàn)顯著差異.以上結(jié)果表明,經(jīng)不同水熱預(yù)處理有利于促進(jìn)稻秸有機(jī)物大量溶出,pH值下降,對(duì)稻秸纖維素組分破壞效果更加明顯,但不同預(yù)處理工藝下對(duì)破壞秸稈木質(zhì)纖維組分效果影響差異較明顯,以處理8工藝參數(shù)條件下的預(yù)處理效果最為明顯.

2.2 不同水熱預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取對(duì)稻秸預(yù)處理效果影響較大的預(yù)浸時(shí)間、初始含水率和熱處理時(shí)間3個(gè)因素作為研究對(duì)象,設(shè)計(jì) L9(34)的正交試驗(yàn),對(duì)預(yù)處理后稻秸厭氧發(fā)酵20d累積TS產(chǎn)氣率進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表 4,并對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表5.從表4中可以看出:試驗(yàn)組3的20d累積TS產(chǎn)氣率最低,僅為205.61mL·gTS-1,試驗(yàn)組8的累積TS產(chǎn)氣率最高,達(dá)281.97mL·gTS-1,較試驗(yàn)組3提高了37.14%.從k值可以得出最佳的預(yù)處理工藝參數(shù)組合為 B1A2C3,即初始含水率為55%,預(yù)浸時(shí)間為2h,熱處理時(shí)間為6h.

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Orthogonal design and experimental results

從表5的方差分析中,根據(jù)試驗(yàn)中各因素所對(duì)應(yīng)的F值大小可以得出,預(yù)浸時(shí)間、初始含水率和熱處理時(shí)間 3個(gè)因素對(duì)稻秸厭氧發(fā)酵 20d累積 TS產(chǎn)氣率的影響程度各不相同,各因素對(duì)厭氧發(fā)酵累積TS產(chǎn)氣率影響大小順序?yàn)锽＞A＞C,即初始含水率＞預(yù)浸時(shí)間＞熱處理時(shí)間.

表5 方差分析表Table 5 Results of variance analysis

2.2.2 容積產(chǎn)氣率變化 容積產(chǎn)氣率是沼氣發(fā)酵重要的性能指標(biāo).在反應(yīng)器容積相同情況下,容積產(chǎn)氣率越高,能生產(chǎn)的沼氣就越多,這意味著在工程設(shè)計(jì)及運(yùn)用中,達(dá)到沼氣需求量所設(shè)計(jì)的發(fā)酵系統(tǒng)規(guī)模較小,大大節(jié)省場(chǎng)地建設(shè)面積及工程基建投資成本[22].

圖1 沼氣發(fā)酵容積產(chǎn)氣率變化Fig.1 Change of the volume of gas production rate for biogas fermentation

由圖1可以看出,除處理CK外,其余處理組20d容積產(chǎn)氣率變化趨勢(shì)類(lèi)似.處理CK表現(xiàn)出現(xiàn)為先升高后逐漸降低趨勢(shì),而其余處理組則表現(xiàn)為先迅速升高,隨后急劇降低,然后再次升高并在0.6L/(L·d)上下波動(dòng),隨后緩慢降低.除處理CK發(fā)酵第2d達(dá)到第1個(gè)峰值[0.68L/(L·d)]外,其余處理組均在發(fā)酵第1d達(dá)第1個(gè)峰值,并且以處理4為最高,達(dá)1.36L/(L·d),隨后各處理均下降,但處理CK降幅較小;處理CK無(wú)第2峰值出現(xiàn),處理3在發(fā)酵第12d達(dá)第2峰值[0.70L/(L·d)],其余處理組均在發(fā)酵第14d達(dá)第2峰值,并且以處理8為最高[0.83L/(L·d)],然后逐漸減低.從 20d平均容積產(chǎn)氣率的分析結(jié)果來(lái)看,以處理CK為最低,僅為0.47L/(L·d),而處理組8為最高,達(dá)0.61L/(L·d),較處理CK提高29.79%.可見(jiàn),不同水熱預(yù)處理?xiàng)l件有助于提高稻秸厭氧發(fā)酵容積產(chǎn)氣率,以處理組8容積產(chǎn)氣率為最高.

2.2.3 累積20dTS產(chǎn)氣率變化 原料產(chǎn)氣率是指發(fā)酵物料中單位總固體、揮發(fā)性固體或有機(jī)物在發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)氣量.由于采用的發(fā)酵原料、溫度、滯留時(shí)間等條件不同,其產(chǎn)氣率也存在較大差異.發(fā)酵物料整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)的累積 TS產(chǎn)氣率即為原料產(chǎn)氣率,研究原料產(chǎn)氣率情況,對(duì)于掌握發(fā)酵原料一定時(shí)期內(nèi)物料的能源轉(zhuǎn)化效率具有重要意義[23].

由圖2可見(jiàn),處理組3與其余處理組的差距從發(fā)酵第5d開(kāi)始逐漸增加,至發(fā)酵第8d處理組8進(jìn)一步與其余處理組拉開(kāi)差距,導(dǎo)致至發(fā)酵第20d末,各處理組表現(xiàn)為3個(gè)梯隊(duì),其中以處理組8累積TS產(chǎn)氣率為最高,達(dá)281.97mL/gTS,而處理組 3和 CK為最低,分別為 205.61mL/gTS和204.09mL/gTS.與處理組CK相比,處理組8累積TS產(chǎn)氣率提高38.16%.可見(jiàn),不同水熱預(yù)處理?xiàng)l件可大幅度提高稻秸厭氧發(fā)酵 20d累積產(chǎn)氣率,加快其能源轉(zhuǎn)化效率,但不同的水熱預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)稻秸產(chǎn)氣效果的影響程度不同,以處理組8累積TS產(chǎn)氣率為最高.

圖2 發(fā)酵過(guò)程中累積20d TS產(chǎn)氣率的變化Fig.2 Changes of 20days cumulative biogas yield during anaerobic digestion

2.2.4 沼氣中甲烷含量變化 從圖 3厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量變化規(guī)律來(lái)看,除處理 CK和處理組3外,其余處理組甲烷含量變化趨勢(shì)基本相同,隨發(fā)酵進(jìn)程先迅速增加,發(fā)酵第7天達(dá)到峰值,最后基本穩(wěn)定在50%～60%.處理CK先升高,后經(jīng)小幅下降后再逐漸升高并基本穩(wěn)定,而處理組 3于發(fā)酵第 1d后升高幅度較其余處理組小,直至發(fā)酵第11d才與其余處理組基本持平.各處理組甲烷含量超過(guò) 50%的時(shí)間有所不同,其中處理組8為第4d,其余除處理組3外均為第7d,而處理組 3卻延后至第 12d,表明不同的水熱預(yù)處理有利于提高稻秸厭氧發(fā)酵的沼氣品質(zhì),但不同的水熱預(yù)處理?xiàng)l件下對(duì)稻秸產(chǎn)沼氣品質(zhì)的影響程度不同,通過(guò)預(yù)處理?xiàng)l件調(diào)節(jié),可使沼氣品質(zhì)達(dá)到可燃要求的時(shí)間提前2～3d,以處理組8的促進(jìn)效果為最佳.

圖3 發(fā)酵過(guò)程中甲烷含量變化Fig.3 Change of methane content of biogas for batch fermentation

2.2.5 累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度變化 整個(gè)試驗(yàn)各處理組均運(yùn)行至不產(chǎn)氣為止,至發(fā)酵第40d所有處理組均不產(chǎn)氣.各處理組的累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度變化如圖4和圖5所示.從圖4厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量變化規(guī)律來(lái)看,除處理組5低于處理CK外,其余處理組均有不同程度的增加,增幅達(dá)0.29%～14.60%,以處理組 8增加最為明顯,達(dá)328.18mL/gTS,較處理CK提高14.60%,其他處理組間差異不顯著(P＞0.05),表明經(jīng)不同水熱預(yù)處理有利于提高稻秸累積產(chǎn)氣量,但不同的水熱預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)稻秸產(chǎn)氣效果的影響程度不同,以處理組8累積產(chǎn)氣量為最高.

圖4 不同水熱預(yù)處理?xiàng)l件下累積產(chǎn)氣量比較Fig.4 Comparison of cumulative biogas yield of different conditions with hydrothermal pretreatment

圖5 不同水熱預(yù)處理?xiàng)l件下產(chǎn)沼氣速度比較Fig.5 Comparison of biogas production rate of different conditions with hydrothermal pretreatment

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)氣速度即為一定發(fā)酵周期內(nèi)累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例,在本實(shí)驗(yàn)中可以反映預(yù)處理后稻秸被降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生沼氣效率的快慢程度.從圖5厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度變化規(guī)律來(lái)看,各處理稻秸厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣速度變化趨勢(shì)基本類(lèi)似,即先急劇增加后稍放緩,隨后快速增加,之后逐漸漸緩,但總體上看,處理CK和處理組3產(chǎn)氣速度相對(duì)較小,產(chǎn)氣速度達(dá) 60%的時(shí)間分別為16d和18d,達(dá)80%時(shí)間都在23d,而其余處理組達(dá)60%和80%的時(shí)間分別為12,15d,17d,可見(jiàn),采用不同水熱預(yù)處理可以明顯加快稻秸產(chǎn)沼氣速度,產(chǎn)氣周期可提前3d以上,其中以處理組8提前5d最為明顯.

3 討論

對(duì)于農(nóng)作物秸稈這類(lèi)植物性物料而言,其生物降解性取決于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹的程度.纖維素和半纖維素是可以被生物降解的,但木質(zhì)素則難以降解,當(dāng)木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素表面時(shí),酶很難接觸到纖維素和半纖維素,導(dǎo)致降解緩慢.因此在纖維質(zhì)含量較高的生物質(zhì)占多數(shù)的厭氧生物處理中,水解作用是整個(gè)過(guò)程的限速步驟[24-27].因此,秸稈預(yù)處理目的在于除去其中木質(zhì)素和半纖維素,降低纖維素的結(jié)晶度,增加其可及度,從而提高秸稈的酶水解[28].

從不同水熱預(yù)處理后稻秸產(chǎn)沼氣效果分析來(lái)看,經(jīng)不同水熱預(yù)處理后,有助于提高稻秸厭氧發(fā)酵容積產(chǎn)氣率、累積TS產(chǎn)氣率、沼氣品質(zhì)、累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度,其中以處理組8促進(jìn)效果為最佳.結(jié)合表3水熱預(yù)處理前后稻秸理化特性變化規(guī)律進(jìn)行分析,不難發(fā)現(xiàn),預(yù)處理后稻秸對(duì)厭氧發(fā)酵促進(jìn)效果原因在于水熱預(yù)處理有利于促進(jìn)稻秸纖維素和半纖維素的降解溶出,并促使其更多轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA),而厭氧發(fā)酵過(guò)程中間產(chǎn)物的大量產(chǎn)生勢(shì)必會(huì)加快甲烷轉(zhuǎn)化進(jìn)程,這一結(jié)果與團(tuán)隊(duì)前期對(duì)水熱預(yù)處理可行性的研究結(jié)果相一致[17]. Gregg等[29]的研究認(rèn)為,在熱處理過(guò)程中部分半纖維素被水解并形成酸,而這些酸可能催化了半纖維素的進(jìn)一步水解轉(zhuǎn)化.但如何區(qū)分原位酸和新形成的酸以及證實(shí)新形成酸的催化作用,目前尚不清楚,還需進(jìn)一步深入研究.

鑒于溫和水熱預(yù)處理對(duì)秸稈甲烷轉(zhuǎn)化促進(jìn)效果明顯,后續(xù)需進(jìn)一步開(kāi)展預(yù)處理前后秸稈物質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面潤(rùn)濕特性及微觀(guān)特征研究,弄清溫和水熱預(yù)處理提高秸稈厭氧生物產(chǎn)沼氣的作用機(jī)理.

4 結(jié)論

4.1 在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),預(yù)浸時(shí)間、初始含水率和熱處理時(shí)間3個(gè)因素對(duì)稻秸厭氧發(fā)酵20d累積TS產(chǎn)氣率的影響程度各不相同,各因素對(duì)厭氧發(fā)酵累積 TS產(chǎn)氣率影響大小順序?yàn)槌跏己剩绢A(yù)浸時(shí)間＞熱處理時(shí)間.

4.2 溫和水熱預(yù)處理促進(jìn)了纖維素和半纖維素的降解溶出,并促使其更多轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA).得出的最佳預(yù)處理?xiàng)l件為:初始含水率為55%,預(yù)浸時(shí)間為2h,熱處理時(shí)間為6h;與處理CK相比,最佳預(yù)處理?xiàng)l件下稻秸20d容積產(chǎn)氣率提高29.79%,產(chǎn)氣量達(dá)總產(chǎn)氣量60%和80%時(shí)間可提前5d.

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Optimization of conditions for promoting biogas production with hydrothermal pretreatment for straw.

QIAN Yu-ting, DU Jing, CHEN Guang-yin, HUANG Hong-ying, JIN Hong-mei, XI Yong-lan, XU Yue-ding, CHANG Zhi-zhou*(East China Scientific observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3703～3710

Effects of physic-chemical properties and biogas production were studied through orthogonal experiment with different hydrothermal pretreatment conditions, in the basis of the preliminary optimization of single factor test and with rice straw as raw material. The results showed that there has different impact on the 20days cumulative biogas production of anaerobic fermentation with rice straw for three factors, which including pre-leaching time and content of initial moisture with materials and heating time. The order of the effect on the cumulative TS yield of anaerobic fermentation for each factor is that content of initial moisture with materials ＞ pre-leaching time ＞ heating time; the condition that the initial water content of 55%, leaching time of two hours, the heating time of six hours were considered as the best condition. The 20days cumulative biogas production with rice straw under this optimum pretreatment conditions is increased by 29.79%, the time of biogas production reached 60% and 80% of the total gas production can be reduced five days compared with CK. And the result showed that the mild hydrothermal pretreatment promoting the degradation of cellulose and hemi-cellulose and make it more converted to volatile fatty acids (VFA), which is conducive to rapid biogas production of rice straw, combined with analysis of the changes of physical and chemical properties. The mild hydrothermal pretreatment process parameters that provided technical support and theoretical basis for the operation of straw biogas project were obtained from this experiment.

straw；mild；hydro-thermal pretreatment；orthogonal test

X705

A

1000-6923(2016)12-3703-08

錢(qián)玉婷(1984-),女,江蘇如皋人,助理研究員,碩士,主要從事有機(jī)固體廢棄物資源利用研究.發(fā)表論文6篇.

2016-04-26

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201503135-17)

* 責(zé)任作者, 研究員, czhizhou@hotmail.com