左曉宇，任羽，袁海榮，鄒德勛，劉潔，李娟，王家璽，李秀金

（北京化工大學(xué)，北京100029）

我國是農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計，我國當(dāng)前農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為8.1億t，其中稻草產(chǎn)量為2.24億t，占27.7%[1]。目前稻草處置方法多為遺棄田間或露天焚燒，根據(jù)環(huán)保部環(huán)境衛(wèi)星檢測月報[2]，2016年4月共監(jiān)測到全國秸稈焚燒點1 625個，涉及到29個省165個市，造成極大的資源浪費和大氣污染[3]。厭氧消化技術(shù)不僅可以在一定程度上解決環(huán)境問題，還可以得到清潔的沼氣能源，是解決上述問題的有效手段[4]。

稻草的主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，以及少量可溶性糖及灰分等，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易被微生物利用的木質(zhì)素阻隔了微生物與纖維素和半纖維素的接觸，使纖維素和半纖維素難于被微生物利用，導(dǎo)致厭氧消化效率受到了限制[5]。

為了提高稻草厭氧消化的效率，很多學(xué)者把對原料的預(yù)處理作為研究重點，目前已有很多利用物理法、化學(xué)法、生物法以及聯(lián)合法對稻草進行預(yù)處理，以提高產(chǎn)氣量的報道[6-10]。但是對于組成稻草的幾種主要物質(zhì)的厭氧發(fā)酵規(guī)律及他們在稻草厭氧發(fā)酵過程中的貢獻并不明確。

本實驗希望通過研究組成稻草的主要成分——纖維素的產(chǎn)氣規(guī)律，與稻草厭氧消化產(chǎn)氣規(guī)律相比較，為進一步解釋稻草厭氧消化規(guī)律提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

實驗所用原料為稻草和纖維素，接種物為豬糞消化液，其中稻草取自天津市，經(jīng)自然風(fēng)干后切至3~4 cm，用粉碎機（YSW-180）粉碎至20目；纖維素購買自北京建強偉業(yè)科技有限公司，來源于稻草，純度99%；豬糞消化液取自北京市延慶縣。原料及接種物的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 原料及接種物基本性質(zhì)%

1.2 實驗裝置及參數(shù)

實驗采用批式厭氧消化，將纖維素和稻草分別用2%NH3·H2O預(yù)處理3 d，將預(yù)處理后的纖維素、稻草及未經(jīng)預(yù)處理的纖維素、稻草加入接種物后，置于38℃恒溫水浴箱內(nèi)進行厭氧消化批式實驗，其中原料的進料負(fù)荷設(shè)定為50 gTS/L，接種量為20 gTS/L，每種原料做3個平行實驗。

圖1 批試厭氧消化裝置

1.3 分析方法

日產(chǎn)氣量根據(jù)排水法測定；氣體組分采用氣相色譜（SP2100（A），北京中科慧杰分析科技有限公司）測定；總固體含量（TS）與揮發(fā)性固體含量（VS）采用重量法測定；pH值采用玻璃電極法測定；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素由ANKOM A2000全自動纖維儀測定；稻草、纖維素和接種物的元素分析由紅外色譜儀測定；預(yù)處理前后稻草和纖維素的表面物理結(jié)構(gòu)由掃描電鏡觀察；預(yù)處理前后纖維素結(jié)晶度由XRD測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量

厭氧消化日產(chǎn)氣量情況如圖2所示。預(yù)處理后稻草和未預(yù)處理稻草厭氧消化產(chǎn)氣均有3個高峰，其中預(yù)處理后的稻草厭氧消化的第一個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第3天，第二個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在8天，第三個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第20天；稻草厭氧消化的第一個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第2天，第二個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第8天，第三個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第18天；纖維素厭氧消化只有一個產(chǎn)氣高峰，出現(xiàn)在第26天。

稻草和預(yù)處理后的稻草產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)的時間非常接近，而且明顯提前于纖維素厭氧消化的產(chǎn)氣高峰，這可能是由于稻草中含有易于纖維素厭氧消化的其他物質(zhì)存在，如半纖維素、果糖等。

預(yù)處理后的稻草厭氧消化的第一、二兩個產(chǎn)氣高峰均高于未預(yù)處理的稻草厭氧消化的產(chǎn)氣高峰，而第三個產(chǎn)氣高峰則低于未預(yù)處理組，這說明預(yù)處理后的稻草更易于未經(jīng)預(yù)處理的稻草被微生物利用進行厭氧消化。

圖2 厭氧消化日產(chǎn)氣量

纖維素厭氧消化的產(chǎn)氣高峰分別高出預(yù)處理后的稻草及未預(yù)處理稻草厭氧消化第三個產(chǎn)氣高峰278.4%和95.3%，這說明纖維素的厭氧消化潛力要高于稻草。

2.2 累積產(chǎn)氣量

厭氧消化累積產(chǎn)氣量如圖3所示。纖維素厭氧消化的累積產(chǎn)氣量分別高出預(yù)處理后的稻草和未預(yù)處理稻草厭氧消化累積產(chǎn)氣量53%和99%。預(yù)處理后的稻草厭氧消化累積產(chǎn)氣量比未預(yù)處理稻草高出30.3%，這說明預(yù)處理稻草對其厭氧消化過程是有促進作用的。

圖3 厭氧消化累積產(chǎn)氣量

通過比較稻草在預(yù)處理前后的電鏡分析，可以看出，預(yù)處理后的稻草較未處理稻草結(jié)構(gòu)更加疏松，碎片更多，表面呈多孔狀，比表面積更大，木質(zhì)素與纖維素和半纖維素的包裹結(jié)構(gòu)受到了破壞，這使得微生物能夠更好地接觸到稻草中纖維素和半纖維素，使厭氧消化效率得以提高。預(yù)處理前后稻草的電鏡分析如圖4所示。

圖4 預(yù)處理前后稻草表面物理結(jié)構(gòu)變化

表2 單位TS/VS產(chǎn)氣情況及VS去除率

2.3 產(chǎn)甲烷量及VS去除率

單位TS產(chǎn)氣量和單位VS產(chǎn)氣量是衡量木質(zhì)纖維素原料厭氧消化產(chǎn)氣性能的重要指標(biāo)之一[11]。各組厭氧消化單位TS/VS產(chǎn)氣量、產(chǎn)甲烷量如表2所示。

纖維素單位TS產(chǎn)甲烷量分別比預(yù)處理后稻草和未預(yù)處理稻草高出18.4%和46.0%，預(yù)處理后稻草的單位TS產(chǎn)甲烷量比未預(yù)處理稻草高出23.3%。3種原料的單位TS產(chǎn)氣量、單位VS產(chǎn)氣量及單位VS甲烷產(chǎn)量也呈同樣的趨勢。這說明纖維素的厭氧消化產(chǎn)氣能力要高于稻草。

3組原料厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量達到總產(chǎn)甲烷量80%的時間（T80）和VS去除率如表2所示。

預(yù)處理后稻草組的T80最短，稻草組和纖維素組的T80接近。說明預(yù)處理后稻草厭氧消化的速度最快，而纖維素厭氧消化速度最慢。

纖維素厭氧消化的VS去除率最高，預(yù)處理后稻草組的厭氧消化VS去除率高于未經(jīng)預(yù)處理稻草組。說明纖維素的厭氧消化更加完全，而預(yù)處理后稻草的厭氧消化程度要高于未預(yù)處理稻草。

3 結(jié)論

微生物對纖維素的厭氧消化程度較稻草更充分，使得纖維素的厭氧消化效果優(yōu)于稻草；用2%NH3·H2O預(yù)處理稻草，破壞了稻草中木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的包裹結(jié)構(gòu)，使得微生物更易接觸到纖維素和半纖維素，能夠明顯提高稻草的厭氧消化效率；纖維素對微生物的可接觸程度直接影響了厭氧消化產(chǎn)氣性能。

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