蘇小紅，范 超，王 欣，劉 偉，周 闖，陸 佳

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027； 2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

?

黃貯時間對東北地區(qū)玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能的影響

蘇小紅1，2，范 超1，2，王 欣1，2，劉 偉1，2，周 闖1，2，陸 佳1，2

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027； 2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

模擬青貯秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)，將東北地區(qū)堆放的玉米秸稈通過黃貯技術(shù)進行貯存與預(yù)處理，并優(yōu)化黃貯時間的技術(shù)參數(shù)，提高秸稈中難降解成分的轉(zhuǎn)化率，結(jié)果表明：將玉米秸稈黃貯80 d后，可以有效防止玉米秸稈腐爛變質(zhì)，水解發(fā)酵更容易進行，日均產(chǎn)氣量達276 mL以上，比未經(jīng)處理的對照試驗組高出610%以上，可見，黃貯時間對玉米秸稈產(chǎn)甲烷性能影響顯著，且黃貯技術(shù)作為一項東北地區(qū)干秸稈的貯存與預(yù)處理方法，技術(shù)上是可行的，可確保高寒地區(qū)沼氣工程的周年連續(xù)運行的原料供應(yīng)。

黃貯時間；玉米秸稈；預(yù)處理；厭氧發(fā)酵

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，作為沼氣工程的原料潛力巨大，近幾年秸稈沼氣工程逐漸成為研究熱點[1-3]。但秸稈中含有大量的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等天然高分子物質(zhì)，緊密聚合在一起，難以被微生物直接降解利用，導致秸稈沼氣工程發(fā)酵啟動緩慢、發(fā)酵周期長、產(chǎn)氣量少。此外，受農(nóng)作物秸稈的收獲季節(jié)限制，尤其是東北地區(qū)秸稈的季節(jié)性和時效性限制了沼氣工程全年的連續(xù)運行，滿足不了沼氣工程的原料持續(xù)供應(yīng)，因此，需要對農(nóng)作物秸稈進行長期有效貯存，目前，常用的秸稈長期貯存方法為青貯。大量研究表明，利用秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的關(guān)鍵技術(shù)之一是預(yù)處理技術(shù)[4-6]。而將秸稈通過青貯預(yù)處理后，不僅可以解決秸稈的貯存問題，還可縮短發(fā)酵時間，提高秸稈的厭氧產(chǎn)氣效率[7-10]。

青貯是將青綠秸稈(要求秸稈含水率在60%～70%)逐層裝入密閉的容器或設(shè)施中，經(jīng)過微生物的發(fā)酵而調(diào)制、貯存飼料的一種技術(shù)。相對青貯而言，黃貯技術(shù)是將干(黃)秸稈粉碎后加入適量的水，再逐層壓實并密封在密閉的容器中，通過微生物的厭氧發(fā)酵作用，將原料中的糖分轉(zhuǎn)化為乳酸等物質(zhì)，當原料中積累了一定濃度的乳酸時，微生物的活動就會受到抑制，從而實現(xiàn)原料中養(yǎng)分的良好保存[11]。最初青貯與黃貯技術(shù)均應(yīng)用于飼料的貯藏領(lǐng)域，近年來，秸稈沼氣工程中多使用青貯技術(shù)對秸稈進行預(yù)處理，但由于青貯技術(shù)要求飼料的含水率不能過低，因此要求秸稈收獲后立即進行青貯，在時間上受到了限制。干黃秸稈經(jīng)過黃貯處理后具有與青貯處理類似的酸香味，刺激了家畜的食欲，提高了采食量，目前黃貯技術(shù)主要應(yīng)用于飼喂牛羊等反芻家畜領(lǐng)域，尚未有應(yīng)用于沼氣化利用的研究。黃貯技術(shù)要求較低，且能達到和青貯相似的預(yù)處理效果，在我國北方寒冷地區(qū)秸稈沼氣工程應(yīng)用上具有廣闊的推廣前景。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈采自黑龍江省能源環(huán)境研究院院內(nèi)，收割后晾曬讓其自然風干，使用萬能粉碎機將其粉碎至1 cm左右，備用。取一部分樣品55 ℃干燥箱烘6 h，測其固含量(TS)，馬弗爐600 ℃燒2 h測其揮發(fā)性固體(VS)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 黃貯預(yù)處理試驗設(shè)計

將500 g不同粒徑的備用玉米秸稈按含水率65%加適量的水，逐層裝入2 000 mL燒杯中，壓實密封，裝一層，壓一層，直至填滿容器，裝滿后再用塑料薄膜覆蓋密封，盡量排除薄膜與儲存間的空氣，并按不同貯存時間進行黃貯。根據(jù)常規(guī)青貯條件設(shè)計黃貯的秸稈含水率為65%，貯存時間分別設(shè)計為：20 d、60 d、100 d、140 d、180 d。

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗設(shè)計

根據(jù)秸稈黃貯時間的不同，將厭氧發(fā)酵試驗分為2個系列分別進行研究，第一個系列為未經(jīng)處理(0 d)的空白對照組(Untreated)，設(shè)3個重復(fù)；第2個系列為不同貯存時間的黃貯秸稈試驗組，共5個時間梯度，分別為20 d、60 d、100 d、140 d、180 d，每個梯度設(shè)3個重復(fù)。批式厭氧發(fā)酵試驗采用1 000 mL發(fā)酵瓶，有效填料容積約為800 mL左右，秸稈添加量約為100 g，發(fā)酵濃度為18%的干發(fā)酵方式，調(diào)節(jié)碳氮比并補水至有效容積刻度，發(fā)酵溫度為55 ℃的高溫發(fā)酵。試驗期間每1 d測沼氣產(chǎn)氣量，每2 d進行沼氣成分分析，并計算日均產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)甲烷量等指標。

1.3 黃貯秸稈結(jié)構(gòu)與成分分析

總固體(total solids，TS)和揮發(fā)性固體(volatile solids，VS)采用烘干法，其中TS經(jīng)105 ℃烘烤 24 h，VS經(jīng)600 ℃灼燒2 h。中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(acid detergent lignin，ADL)等組分測定采用半自動纖維分析儀濾袋法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同黃貯條件對玉米秸稈化學成分的影響

表1所示，與未經(jīng)預(yù)處理的對照組相比，處理后秸稈的纖維素、半纖維素含量均有所降低，且隨著黃貯時間的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，黃貯時間為為140 d的試驗組纖維素達到最低值，說明在一定范圍內(nèi)增加秸稈原料的貯存時間有利于黃貯過程中半纖維素和纖維素的降解；而相對于對照試驗組，黃貯后秸稈的木質(zhì)素含量均有不同程度的增加，這可能與半纖維素與纖維素含量的減少有關(guān)，黃貯對秸稈中木質(zhì)素的降解作用較??；在140 d、180 d實驗組的試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗后期秸稈出現(xiàn)腐爛結(jié)塊現(xiàn)象，且纖維素、半纖維素含量較100 d實驗組下降顯著，可見黃貯時間過長不利于纖維素等可利用成分的保存及后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗的進行。

表1 不同存貯時間條件下的秸稈木質(zhì)纖維含量Tab.1 The lignocellulose content of straw under different storage time conditions

2.2 不同黃貯時間對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響

2.2.1 不同黃貯時間條件下的秸稈日均沼氣產(chǎn)量

圖1所示為玉米秸稈經(jīng)不同黃貯時間條件下各處理組厭氧發(fā)酵30 d的日產(chǎn)氣量。由圖可知，從產(chǎn)氣高峰上看，兩組不同的黃貯條件下的秸稈均出現(xiàn)了兩個產(chǎn)氣高峰，這與牛糞等厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不同，秸稈類原料產(chǎn)沼氣均出現(xiàn)兩個峰值，本試驗結(jié)果與楊茜等人的研究相同[4, 15]，第一個高峰出現(xiàn)在第4 d左右，180 d處理組在第4 d即達到880 mL，其次分別為140 d、100 d、60 d、20 d，可見黃貯時間越長發(fā)酵啟動得越快，長時間儲存有助于秸稈木質(zhì)纖維成分的分解與釋放，有利于微生物快速利用有機物產(chǎn)沼氣。第二個高峰出現(xiàn)的時間不同，但峰值均高于第一個峰值，180 d與140 d處理組第二個產(chǎn)氣高峰早于黃貯時間較短的其他處理組，且在達到產(chǎn)氣高峰后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢，說明后續(xù)微生物可利用的有機物供應(yīng)不足，這是由黃貯時間過長造成纖維素與半纖維素嚴重損失而引起的。

圖1 不同黃貯時間下的黃貯秸稈日產(chǎn)沼氣量Fig.1 The daily methane amount of yellow straw under different storage time conditions

從日均產(chǎn)氣量來看，產(chǎn)氣量最大的是100 d處理組，為279.0 mL，其次為60 d，為255.3 mL，最后為20 d、140 d、180 d；綜上，黃貯時間過長易造成營養(yǎng)成分嚴重損失，不利于后續(xù)厭氧發(fā)酵，黃貯時間以日均產(chǎn)氣量最大的100 d為宜。

2.2.2 不同黃貯時間條件下的秸稈累積甲烷產(chǎn)量

由圖2數(shù)據(jù)可知，隨黃貯時間的延長，最大甲烷累積產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增加后降低的峰型變化趨勢，在黃貯時間為100 d處理組的達到最大值。

圖2 不同黃貯時間的秸稈甲烷累積產(chǎn)氣量Fig.2 The accumulated methane amount of yellow straw under different storage time conditions

3 結(jié)論

本文通過厭氧發(fā)酵試驗研究了不同的黃貯時間對東北地區(qū)玉米秸稈產(chǎn)甲烷性能的影響，得出結(jié)論如下：

第一，經(jīng)過黃貯后的秸稈纖維素、半纖維素含量有所降低，在一定范圍內(nèi)延長黃貯時間均有利于黃貯過程中半纖維素和纖維素的降解，但在140 d、180 d實驗組的試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗后期秸稈出現(xiàn)腐爛結(jié)塊現(xiàn)象，且纖維素、半纖維素含量較100 d實驗組下降顯著，可見黃貯時間過長不利于纖維素等可利用成分的保存及后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗的進行。

第二，與其他黃貯時間試驗組相比，黃貯時間為100 d的秸稈日均產(chǎn)氣量最大，達279.0 mL，而黃貯時間長于100 d的秸稈黃貯效果較差，進而影響產(chǎn)氣效果。

4 討論

本試驗試驗材料選取的是黑龍江省能源環(huán)境研究院自己種植的玉米秸稈，由于獨特的地理位置及氣候條件，試驗原料數(shù)量有限，所以選取的黃貯時間間隔過長，試驗數(shù)據(jù)有一定的誤差性，可在下次試驗準備前多儲備玉米秸稈，在本次試驗的基礎(chǔ)上選取更加適宜的黃貯時間參數(shù)進行進一步的試驗研究。

[1] LI L H，LI D，SUN Y M，et al. Effect of temperature and solid concentration on anaerobic digestion of ricestraw in South China[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(13)：7261-7266.

[2] CUI Z F，SHI J，LI Y B. Solid-sate anaerobic digestion of spent wheat straw from horse stall[J].Bioresource Technology，2011，102(20)：9432-9437.

[3] LIANG C Y，F(xiàn)U Q X，XU M G，et al. Challenges ande strategies for solid-state anaerobic digestion of lignocellulosic biomass[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，(44)：824-834.

[4] 楊茜，鞠美庭，李維尊.秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷的研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(14)：232-242.

[5] 吳楠，孔垂雪，劉景濤，等.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣技術(shù)研究進展[J].中國沼氣，2012，30(4)：14-20.

[6] 艾平，張衍林，盛凱，等.稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣預(yù)處理[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(7)：266-271.

[7] 高白茹，常志州，葉小梅，等.堆肥預(yù)處理對稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(5)：251-254.

[8] 孫辰，劉榮厚，覃國棟. 蘆筍秸稈預(yù)處理與厭氧發(fā)酵制取沼氣試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41(8)：94-99，120.

[9] CANAN T，TOWN J R，TSANG A，et al. Biological pretreatment with a cellobiose dehydrogenase-deficient strain of trametes versicolor enhances the biofuel potential of canola straw[J]. Bioresource Technology，2011，102(21)：10020-10027.

[10] ZHONG W Z，ZHANG Z Z，LUO Y J，et al. Effect of biological preduction[J]. Bioresource Technology，2011，102(24)：11177-11182.

[11] 劉建成，安永福，王曉芳，等.北方地區(qū)玉米秸稈黃貯技術(shù)[J].養(yǎng)殖與飼料，2014，(02)：31-32.

[12] Segal L.，Creely J. J.，Martin Jr A. E.，et al. An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellu-lose Using the X-Ray Diffractometer[J].Textile Research Journal，1959，(29)：786-794.

[13] 馬曉娟，黃六蓮，孔禮輝，等.纖維素結(jié)晶度的測定[J].造紙科學與技術(shù)，2012，31(2)：75-78.

[14] 艾平，張衍林，盛凱，等.稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣預(yù)處理[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(7)： 266-271.

[15] 陳佳一.農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵的接種物馴化特性研究[D].上海：復(fù)旦大學，2009.

The effect of maize straw yellow storage time on the methane producing properties in the northeast region

SU Xiao-hong1,2, FAN Chao1,2, WANG Xin1,2, LIU Wei1,2, ZHOU Chuang1,2, LU Jia1,2

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150027, China; 2. Science and Technology Incubation Center, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

Simulating the methane gas production of the straw silage, the maize straw piled up are stored and pretreated through yellow storage in the northeast. The parameters of yellow storage time were optimized to improve the conversion rate of refractory composition in straw. The results showed that it can prevent the maize straw from decaying when storing the maize straw over 80d. Then the hydrolysis fermentation was much easier with a daily volume of 276ml and more than 610% higher than the untreated control group. In this paper, the effect of yellow storage of maize straw on the methane performance was significant. And yellow storage technology as a dry straw storage and pretreatment method in northeast China is technically feasible, which can insure the continuous operation of straw material supply for alpine area biogas project.

Yellow storage time; Maize straw; Pretreatment; Anaerobic fermentation

2017-03-20

蘇小紅(1987-)，女，工學碩士，研究實習員。

S38

A

1674-8646(2017)08-0027-03