尚文廣

(綏中縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，遼寧 葫蘆島 125200)

1 引言

我國農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量約為6～7億噸，列世界之首。隨著我國農(nóng)作物單產(chǎn)的提高。秸稈產(chǎn)量也將隨之增加。但目前我國秸稈的利用率較低，大量的農(nóng)作物秸稈被農(nóng)民視作毫無用處的“農(nóng)村垃圾”，或被丟棄在田間地頭，或?qū)⑵涓吨痪?。秸稈資源的露天燃燒，不僅浪費(fèi)了這部分資源，還導(dǎo)致CO2，SO2等氣體的排放，污染了空氣。

2 秸稈生物預(yù)處理實(shí)驗(yàn)研究分析

2.1 纖維素水解微物生的篩選與培養(yǎng)

纖維素水解微生物主要是從市場購買得來，需要得到更優(yōu)化的微生物，就必須對買來的微生物進(jìn)行篩選，獲得高效纖維素水解微生物。主要采用肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、高氏合成一號培養(yǎng)基、豆芽汁培養(yǎng)基、察氏培養(yǎng)基4種培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)。

2.1.1 肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的成分及各種物質(zhì)的含量見表1。

肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的配制關(guān)鍵是牛肉膏的溶解，具體的配制方法如下：

(1)按培養(yǎng)基配方比例依次準(zhǔn)確地稱取牛肉膏、蛋白胨、氯化鈉放入燒杯中。牛肉膏常用玻棒挑取，放在小燒杯或表面皿中稱量，用熱水溶化后例入燒杯。也可放在稱量紙上，稱量后直接放入水中，然后立即取出紙片。在上述燒杯中可先加入少于所需要的水量，用玻棒攪勻，然后在石棉網(wǎng)上加熱使其溶解。

(2)待溶液冷至室溫時(shí)，用1mol/L NaOH溶液調(diào)pH至7.2。

(3)待藥品完全溶解后，補(bǔ)充水分到所需的總體積。

(4)加入所需要量的瓊脂，加熱融化，補(bǔ)充失水(液體培養(yǎng)不用此步驟)。

(5)高壓蒸汽滅菌15min。

2.1.2 高低合成一號培養(yǎng)基

高氏合成一號培養(yǎng)基的成分及各種物質(zhì)的含量見表2。

高氏合成一號培養(yǎng)基具體的配制方法如下：

(1)量取所需水量的2/3左右加入到燒杯中，置于石棉網(wǎng)上加熱至沸騰。稱量可溶性淀粉，至于另一小燒杯中，加入少量冷水，將淀粉調(diào)成糊狀，然后倒入上述裝沸水的燒杯中，繼續(xù)加熱，使淀粉完全融化。分別稱量KNO3，NaCl，K2HPO4和MgSO4，依次逐一加入水中溶解。按每100mL培養(yǎng)基加入1mL，0.1% FeSO4溶液。

(2)用1mL/MaOH溶液調(diào)pH至7.2。

(3)將溶液倒入量筒中，加入至所需體稱。

(4)加入所需重量瓊脂，加熱融化，補(bǔ)充失水。

(5)高壓滅菌20min。

2.1.3 豆芽汁培養(yǎng)基

豆芽汁培養(yǎng)基的成分及各種物質(zhì)的含量見表3。

豆芽汁培養(yǎng)基的配制關(guān)鍵是豆芽汁的制備，具體的配制方法是：

(1)稱取新鮮黃豆芽10g，置于燒杯中，再加入100mL水，煮沸30min，補(bǔ)足失水。用紗布過濾，即成10%豆芽汁。

(2)配置時(shí)按每100mL 10%豆芽汁加入5g葡萄糖，煮沸后加2g瓊脂，繼續(xù)加熱融化，補(bǔ)足失水。

(3)分裝、加塞、包扎。

(4)高壓蒸汽滅菌20min。

2.1.4 察氏培養(yǎng)基

察氏培養(yǎng)基的成分及各種物質(zhì)的含量見表4。

察氏培養(yǎng)基具體的配制方法是：

(1)量取所需水量的2/3左右加入到燒杯中，分別稱量蔗糖NaNO3，K2HPO4，KgSO4。依次逐一加入水中溶解。按每100mL培養(yǎng)基加入0.1%的FeSO4溶液。

(2)待藥品完全溶解后，將溶液倒入量筒中，加水至所需體積。

(3)加入所需量的瓊脂，加熱融化，補(bǔ)足失水。

(4)高壓蒸汽滅菌20min。

用上述的培養(yǎng)基配制方法對所需要的菌進(jìn)行篩選和培養(yǎng)，得到具有高效水解作用的微生物，然后進(jìn)行水解作用。

2.1.5 微生物培養(yǎng)

按照上述過程配制培養(yǎng)基、培養(yǎng)微生物，微生物生長良好，圖1是4種培養(yǎng)基上微生物的生長狀況。

圖1 不同培養(yǎng)基上微生物的生長狀況

2.2 微生物對秸稈纖維素的水解預(yù)處理

2.2.1 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

將得到的微生物分別與玉米秸稈粉末、小麥秸稈粉末進(jìn)行接種，用微生物水解秸稈，測量水解20d后的VFA(揮發(fā)性脂肪酸)，同時(shí)做了空白對照試驗(yàn)，通過對比來得出微生物消解的效果。具體的分組和對照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

(1)將玉米和小麥秸稈粉末分別加入兩個(gè)玻璃瓶中，并接種上4種微生物，同時(shí)加入尿素。

(2)將玉米和小麥秸稈粉末分別加入兩個(gè)玻璃瓶中，只加入4種微生物。

(3)不接種微生物。

2.2.2 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的接種培養(yǎng)與運(yùn)行

(1)水解接種與培養(yǎng)

按照上述實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)步驟，將玉米秸稈和小麥秸稈進(jìn)行干燥、粉碎。稱取一定量粉末于瓶中，并在瓶中接種微生物或加入水，具體的數(shù)據(jù)見表5。

將秸稈與微生物接種完成后，放置于搖床上培養(yǎng)水解。其中，溫度控制在35℃，搖速在100轉(zhuǎn)/min，水解20d，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 秸稈水解培養(yǎng)

(2)數(shù)據(jù)記錄與處理

水解后的溶液中，主要的水解產(chǎn)物是揮發(fā)酸(VFA)，測量其中的VAF含量，測量色譜圖分別見圖3-8。

圖3 小麥1號VFA含量

圖4 小麥2號VFA含量

圖5 小麥3號VFA含量

圖6 玉米1號VFA含量

圖7 玉米2號VFA含量

圖8 玉米3號VFA含量

通過計(jì)算機(jī)擬合，將上述譜圖所得到的VFA列于表6。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本章主要是利用細(xì)菌對秸稈進(jìn)行水解，測量水解后的VFA，從表6的水解后VFA含量中可以得到以下結(jié)論：

(1)水解后總的VFA含量從大到小的順序是M1>M2>M3；Y1>Y2>Y3。同時(shí)加入尿素和細(xì)菌的水解效果最好，只加細(xì)菌的水解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加了尿素的，而沒有加細(xì)菌的秸稈幾乎沒有水解。

(2)M1，M2，Y1，Y2都是為了細(xì)菌進(jìn)行秸稈水解，從M1與M2的對比和Y1與Y2的對比可以看出，加了尿素的水解產(chǎn)物主要是乙酸，而丙酸、異丁酸、丁酸的含量極少，幾乎沒有；沒有加尿素的水解各種酸都有。從厭氧消化的反應(yīng)機(jī)理可以得知，只有乙酸能夠直接通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷氣體。由上看出，水解對氮的需求較大，氮源充足更利于水解和下一步厭氧消化進(jìn)行。

(3)由M1與Y1的總VFA含量對比看出，玉米的水解效果更好。

3 秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣研究

3.1 厭氧發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵的厭氧污泥來自污水處理廠，厭氧發(fā)酵是一個(gè)緩慢產(chǎn)氣的過程，所以設(shè)計(jì)的裝置必須嚴(yán)格密封。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體不易溶于水，排水法是一種很好的收集氣體的方法。實(shí)驗(yàn)中使用帶精確刻度的量筒倒置收集氣體。具體的裝置見圖9。

圖9 秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣與氣體收集裝置

3.2 裝置的連接與運(yùn)行

按照圖9所示的流程將裝置連接，尤其要保證接口的密封。實(shí)驗(yàn)中量筒規(guī)格為250mL，搖床恒溫控制35℃，轉(zhuǎn)速80轉(zhuǎn)/min。厭氧消化產(chǎn)氣及氣體收集見圖10。裝置連接好后，每天記錄產(chǎn)氣量和觀察瓶內(nèi)厭氧污泥狀況。

圖10 秸稈消化產(chǎn)氣與氣體收集裝置

3.3 數(shù)據(jù)記錄與處理

3.3.1 產(chǎn)氣量對比

將每日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量(圖11～15圖)進(jìn)行對比，分析產(chǎn)氣效果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(1)玉米秸稈日產(chǎn)氣量在前7d產(chǎn)量很高，最大日產(chǎn)量達(dá)到140mL，產(chǎn)氣12d以后日產(chǎn)氣量趨于平穩(wěn)，22d以后產(chǎn)氣量很小，平均2mL/d，且添加菌種水解產(chǎn)氣效率比未添加的高(圖11)。總產(chǎn)氣量前7d上升較快，添加菌種的總產(chǎn)氣量高，18d后產(chǎn)氣增長減慢，總產(chǎn)氣量達(dá)到600mL以上(圖12)。

圖11 不同水解條件玉米日產(chǎn)氣量

圖12 不同水解條件玉米總產(chǎn)氣量

(2)小麥秸稈日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量對比

小麥秸稈日產(chǎn)氣量在前10d較高，日產(chǎn)氣量最大為95mL；與玉米秸稈的情況相似，添加菌種水解的產(chǎn)氣效率比不添加的高；19d后日產(chǎn)氣量很小，低于3mL/d(圖13)。添加微生物和尿素的總產(chǎn)量最高，只添加微生物的次之，均未添加的量少；總產(chǎn)氣量最大達(dá)到550mL以上(圖14)。

圖13 不同水解條件小麥日產(chǎn)氣量

圖14 不同水解條件小麥總產(chǎn)氣量

(3)小麥秸稈和玉米秸稈總產(chǎn)氣量的對比

總體來說，玉米的產(chǎn)氣量要比小麥的產(chǎn)氣量高。但是，對既加了微生物又加了尿素的兩種秸稈，小麥秸稈的產(chǎn)氣量要高于玉米秸稈；而只加了微生物沒有加尿素的兩種秸稈，玉米秸稈的產(chǎn)氣量又要高于小麥秸稈(圖15)。

圖15 不同水解條件玉米、小麥總產(chǎn)氣量對比

3.3.2 氣體成分分析

將厭氧發(fā)酵所收集到的氣體使用氣相色譜儀測量其中的氣體各組分含量，圖16、17分別是玉米秸稈厭氧發(fā)酵所產(chǎn)氣體和小麥秸稈厭氧發(fā)酵所產(chǎn)氣體成分的氣相色譜圖。

圖16 玉米秸稈氣體成分

圖17 小麥秸稈氣體成分

通過計(jì)算機(jī)擬合，得到各氣體中CH4和CO2含量列于表7。

3.4 本章小結(jié)

使用水解后的秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)，從前面的產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)和氣體成分可以得到以下結(jié)論：

(1)厭氧發(fā)酵的前7d日產(chǎn)氣量非常大，主要原因是因?yàn)榻?jīng)過20d的預(yù)處理水解，使溶液中含有大量VFA供厭氧消化細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)甲烷。

(2)有微生物水解的秸稈日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有微生物水解的產(chǎn)氣量，所以微生物的水解過程非常重要。

(3)加有尿素的VFA含量高，在厭氧發(fā)酵過程中，加有尿素的日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量都是較好的。

(4)玉米秸稈的產(chǎn)氣量比小麥秸稈的產(chǎn)氣量大，所以玉米秸稈是秸稈發(fā)酵制沼氣較好的原料。

(5)玉米的甲烷含量比小麥高，添加微生物水解的秸稈所產(chǎn)氣體中甲烷含量較高。

以上的實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了本文開頭的結(jié)論，也就是添加尿素和微生物的水解效果最好、厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)氣效率最高、產(chǎn)氣中甲烷含量最高；只加微生物的次之；兩者均未添加的最差。結(jié)果表明，篩選的菌種對秸稈有較好的水解能力，能得到較高的產(chǎn)氣量和較高品質(zhì)的沼氣。

沼氣的好處比比皆是，首先，沼氣是清潔能源，它燃燒后的產(chǎn)物不會(huì)造成二次污染；其次，產(chǎn)生沼氣的原材料豐富，在廣大的鄉(xiāng)村，能夠產(chǎn)生沼氣的原材料來源廣泛、收集便利、用于產(chǎn)生沼氣的基礎(chǔ)建設(shè)所需的土地也比較寬裕，建造沼氣持和沼氣收集存儲(chǔ)設(shè)備成本低廉，人們使用起來簡單便捷；再則，大范圍的利用沼氣，有利于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境建設(shè)，平時(shí)不方便處理的糞便、秸稈、根莖等廢棄物都可以用來發(fā)酵，整潔了環(huán)境，并且發(fā)酵的產(chǎn)物可以作為肥料，平衡土地所流失的物質(zhì)?？梢?，沼氣是一個(gè)好東西，應(yīng)該得到廣泛地利用。