水稻秸秆预处理对厌氧发酵产沼气的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇水稻秸秆预处理对厌氧发酵产沼气的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：为了研究不同的预处理方法对水稻秸秆厌氧发酵的影响，本实验分别采用物理、化学、物理与化学联合三种预处理方式对水稻秸秆处理后厌氧发酵，测定各组的产气量并分析产气变化趋势，比较得出产气效果较好的秸秆预处理方法。结果表明，三种预处理方法均不同程度地提高了水稻秸秆产沼气的能力。比较来看，联合处理略强于化学处理，明显强于物理处理，其中，联合4%的处理效果最理想，总产气量相对于对照组提高了114.4%，发酵启动时间缩短了5d，最大日产气量提高了106.5%。

关键词：水稻秸秆；厌氧发酵；预处理

中图分类号：S216.4 文献标识码：A

随着社会的发展，能源问题越来越受到国际社会的关注。发展可再生能源成为解决能源短缺问题的重要举措。沼气作为一种特殊的清洁能源，是节能减排的重要组成部分和关键环节，在应对气候变化和发展低碳经济、促进新农村建设方面发挥巨大作用[1]。

我国每年产生的水稻秸秆约有1.9×109t [2]，大量的水稻秸秆没有合理有效的利用，一方面浪费了资源，另一方面污染了环境[3]。若将水稻秸秆进行厌氧发酵，利用其产生的沼气和沼渣沼液，不仅获得了清洁能源和肥料，而且实现了固体废物的减量化、无害化和资源化。但是，实际发酵过程中，发酵速率往往较低，这是由于水稻秸秆中含有大量的纤维素、木质素等难降解物质，不利于厌氧微生物的分解利用，因此需要对水稻秸秆进行一定的预处理，使秸秆的内部结构发生变化，为其提供发酵的有利条件。常用的预处理方法有物理处理、化学处理和生物处理[4]。物理处理方法简便，但利用率的提高有限，工作量大，且成本较高。化学预处理使用较为普遍，处理效率高，操作简便，适用于实际生产。生物处理靠细菌、真菌等微生物的代谢作用来处理秸秆，成本低，但其处理周期长，效率低[5]。

为了探索更加有利于水稻秸秆厌氧发酵的预处理方法，本试验将水稻秸秆进行物理、化学及联合预处理后发酵，通过对不同处理组总产气量的测定及发酵情况的分析，评价各种预处理方法对沼气发酵的影响，探索联合预处理在实际中的效果，为提高水稻秸秆产气量提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 发酵原料

试验所用水稻秸秆均采自重庆西南大学试验田。将水稻秸秆洗净晾干后切成2～3cm的小段，65℃烘干至恒重备用[6]，其总固体（TS）=93.2%，挥发性固体（VS）=90.1%。

1.1.2 接种物

接种物为重庆天友北碚牧场采集的活性污泥，除去其中的杂物后在实验室对接种物驯化及菌种的富集。活性污泥的总固体（TS）为6.3%，挥发性固体（VS）为50.3%。

1.2 实验设计

本实验设置分为3个组：第一组为物理预处理，第二组为化学预处理，第三组为联合预处理。第一组：用植物粉碎机将试验原料粉碎成粉末（过18目筛）；第二组：设置3个酸处理水平：分别为4%、6%、8%（H2SO4的质量占原料质量的百分比）；第三组：采用过18目筛的水稻秸秆粉末，并设置3个酸处理水平：分别为4%、6%、8%（H2SO4的质量占原料质量的百分比）。每组设2个水平，同时设置一个对照组（采用试验原料，不进行任何预处理）。经以上处理后均放置7d，最后加入接种物同时发酵[7]。各个发酵瓶中发酵料液总质量为800g，发酵料液的总固体浓度为8%，接种物浓度30%，然后用NaOH调节pH值至7.0附近，用尿素CO（NH2）2调节碳氮比为30：1。将发酵装置放入恒温装置中，发酵温度为中温（36℃）条件下发酵。

1.3 测定指标与方法

含水率、总固体浓度（TS）采用烘干法测定（真空干燥箱中105℃下烘4～6h）；挥发性固体（VS）用烘干法测定（马弗炉中550℃下烘1h）；pH值用精密pH计测定；产气量采用排水法测定。水稻秸秆的全氮用H2SO4―H2O2消化―蒸馏法测定，全碳用重铬酸钾法测定，从进行发酵的第1天开始，每天定时记录各套装置的产气量，以平行样品的平均产气量作为最终产气量。

2 结果与分析

2.1 物理预处理对水稻秸秆发酵的影响

图1为物理与对照组厌氧发酵过程中产气量变化，由于20d以后产气量很低，已经没有工程意义，为此图1只给出了20d的数据。物理预处理组发酵第8天出现了一个明显的产气高峰，相比对照组提前了2d。从图2可知，物理预处理组的总产气量略有提高，相比对照组提高了24.6%。Zhang研究发现对稻草进行厌氧发酵，粉碎的稻草比未经处理的稻草产气率提高17%，Clarcson也同样发现，对秸秆进行粉碎处理可提高

沼气产气量，与未粉碎的秸秆相比，产气量提高了将近20%。可见粉碎对水稻秸秆厌氧发酵产沼气效果有一定的促进作用。这是由于在粉碎过程中，不仅增大了微生物与发酵原料的接触面积，还通过压榨作用更多地破坏了发酵原料的内部结构。

图2 物理组与对照组总产气量变化

2.2 不同浓度的酸处理对水稻发酵的影响

由图3可知，酸处理组均出现了显著的产气高峰，酸浓度为4%、6%和8%的处理组的最大日产气量分别出现在发酵开始后第5天、第6天和第5天，相比对照组整体提前了5d左右，这是由于酸处理后能使水稻秸秆中的纤维素和半纤维素降解，更易于厌氧发酵产沼气[8]。不同酸处理组之间日产气量有一定的差异，H2SO4浓度（g/g干物质）为4%的处理组最大日产气量为396.0mL・d-1，高于酸处理浓度为6%和8%的处理组。这可能是因为酸处理组的浓度水平适宜时，有利于微生物的生长繁殖，提高发酵原料的利用率；而过高的酸处理浓度，一方面造成水稻秸秆降解过度，干物质损失过多，另一方面也可能产生一些抑制厌氧发酵微生物的物质，如糠醛等，进而影响发酵，造成日产气量偏低。

从图4可以看出H2SO4浓度为4%、6%和8%各试验组总产气量与对照组相比均提高显著，分别达到2285mL、1942mL、1747mL，比对照组提高了106.3%、75.3%和57.7%。随着处理浓度的升高，总产气量略有减少。说明适当的酸浓度处理水稻秸秆能改善秸秆降解性质，增加沼气产量；浓度过大则会起到抑制作用进而影响到沼气产气量。酸浓度为4%的处理组有最大产气量，其单位TS产气率为49.05ml・g-1。

图3 不同浓度H2SO4处理组日产气量变化

图4 不同浓度H2SO4处理组总产气量变化

2.3 联合预处理对水稻秸秆发酵的影响

从图5可以看出，与对照组相比，联合预处理组最大日产气量出现的时间均提前了4～5d，说明联合预处理有助于加快发酵速度，更易于水稻秸秆降解发酵。联合预处理各组的总产气量也有所提高，酸浓度为4%、6%和8%的联合处理组的总产气量分别提高了114.4%、92.1%、63.9%。

从图5、图6还可以看出，对于不同酸浓度水平的联合预处理来说，随着H2SO4浓度的升高，总产气量、最大日产气量有所下降，这与化学预处理的结果相同，说明只有适当浓度的酸处理才能有助于降解水稻秸秆，浓度过大则会起抑制作用。

图5 厌氧发酵过程中联合预处理组和对照组的日产气量变化

图6 联合预处理组与对照组总产气量变化

2.4 不同预处理组综合比较

表1为各处理的总产气量、日均产气量、TS产气率、VS产气率的测定和计算结果，其TS产气率即单位原料干物质产气量，主要反映原料的产气潜力；VS产气率即单位原料挥发性有机物产气量，反映原料有机质的转化潜力。

表1 各处理组综合比较

从表1中可以看出，对照组的总产气量为1108mL，日均产气量、TS产气率、VS产气率别为55.40mL/d、23.78mL/g、26.39mL/g，而经物理、化学和联合预处理后的各实验组，其产气率指标均较对照组有所提升。从表1还可以看出，联合预处理组效果最好，其中，联合4%预处理组水稻秸秆的总产气量达2376mL，日均产气量、TS产气率、VS产气率分别为118.80mL/d、50.99mL/g、56.58mL/g，是产气效果最好的一组。化学预处理效果略次于联合预处理，它们都随酸处理浓度的提高，产气率下降。其中，化学4%处理后水稻秸秆的总产气量达2285mL，日均产气量、TS产气率、VS产气率分别为114.25mL/d、49.03mL/g、54.42mL/g。本次试验表明，不管是单一化学预处理还是联合预处理，当酸处理浓度为4%时，取得的试验效果最好。覃[9]等人的研究表明，酸处理能提高水稻秸秆厌氧发酵产气的能力，6%的酸处理浓度为最好。可能是因为选择的接种物不同，发酵原料也有差异，所以导致了试验结果有微小差异。因此，把化学处理和联合预处理作为水稻秸秆预处理方式时，应当根据实际情况和可适性试验结果，选择恰当浓度以获得最好的产气效果。

3 结语

物理、化学及联合预处理均能缩短水稻秸秆发酵启动时间，提高水稻秸秆厌氧发酵产气的能力。化学预处理中以酸浓度为4%的产气效果最好，随着酸浓度升高，总产气量减少。三种处理方法中，联合预处理的产气效果提高最为显著。其中，又以联合处理酸浓度为4%的发酵产气效果最佳。

用不同方法对水稻秸秆进行预处理，都在一定程度上破坏了水稻秸秆的结构，改变水稻秸秆的生物降解性质，使得水稻秸秆更易于厌氧发酵产沼气。另外，用酸进行处理时，只有在合适浓度范围内才能有助于发酵产气，较高的处理浓度会产生一定的抑制作用。对于酸处理对水稻秸秆组分的作用的具体化学机理则还需更进一步研究。

参考文献

[1] 王飞，蔡亚庆，仇焕广.中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J].农业工程学报，2012，28（1）.

[2] 中华人民共和国国家统计局.2009年中国国家统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2009.

[3] 栗薇，吴正舜.木屑纤维素酶水解条件的试验研究[J].可再生能源，2007，25（2）：4l-43.

[4] 李淑兰，梅自力，张国治，等.秸秆厌氧消化预处理技术综述[J].中国沼气，2011，29（5）：29-33.

[5] 刘睿，万楚筠，黄茜.秸秆预处理技术存在的问题与发展前景[J].环境科学与技术 ，2009（05）.

[6] 杨立，张婷，王永泽.不同秸秆厌氧发酵产沼气效果的比较[J].可再生能源，2008（05）.

[7] 刘荣厚，王远远，孙辰，等.蔬菜废弃物氧发酵制取沼气试验[J].农业机械学报，2010，41（8）：94-99.

[8] 孙辰，刘荣厚，覃国栋.芦笋秸秆预处理与厌氧发酵制取沼气试验[J].农业机械学报，2010，41（8）：94-99.

[9] 覃国栋，刘荣厚，孙辰.酸处理对水稻秸秆沼气发酵的影响[J].上海交通大学学报，2011，29（1）：58-61.