NaOH預(yù)處理對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵影響的研究

劉云

2015年7月20日 13:58

摘要：為了研究堿處理對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵效果的影響，對(duì)玉米秸稈采用2%、4%、6%、8%4種不同濃度的NaOH溶液處理。結(jié)果表明：不同濃度的NaOH處理對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵效果影響顯著。其中，4-6%NaOH預(yù)處理的玉米秸稈，發(fā)酵前后纖維素變化差異顯著，最終產(chǎn)氣量和混合氣體中甲烷比例最高。因此，4-6%NaOH預(yù)處理是玉米秸稈干發(fā)酵較優(yōu)的工藝條件。

關(guān)鍵詞：NaOH；玉米秸稈；干發(fā)酵

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國。每年大約生產(chǎn)秸稈7.2億噸，但其利用率不足30%，大部分的秸稈被丟棄在田間地頭或被直接焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，也污染了環(huán)境[1]。因此，如何科學(xué)合理的處理秸稈，已經(jīng)成為公眾最為關(guān)注的課題之一。干發(fā)酵是一種固體有機(jī)廢棄物含量≥20％的厭氧發(fā)酵方式[2]。目前已成為秸稈能源化利用的重要途徑之一。由于玉米秸中木質(zhì)素含量較高，難以降解，因此，單純的秸稈發(fā)酵存在啟動(dòng)慢，產(chǎn)氣率低，經(jīng)濟(jì)效益差等弱點(diǎn)[3，4]。大量的研究顯示，采用酸堿處理、粉碎、汽爆、微生物降解等預(yù)處理手段，不僅能提高秸稈發(fā)酵啟動(dòng)速度，縮短發(fā)酵時(shí)間，而且能增加發(fā)酵最終產(chǎn)氣量，提高發(fā)酵經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。周口市地處豫東平原，是一個(gè)以農(nóng)作物種植為主的農(nóng)業(yè)大市。農(nóng)作物秸稈的處理問題已經(jīng)成為市政府面臨的一個(gè)技術(shù)難題。由于工業(yè)化程度較低，很多預(yù)處理方法在周口市秸稈利用中都難以得到有效應(yīng)用，應(yīng)用最多的便是堿處理和簡單的截?cái)喾鬯樘幚怼Ｓ醒芯匡@示，堿溶液濃度能夠影響秸稈的發(fā)酵效果和最終產(chǎn)氣量[8,9]。

本試驗(yàn)通過對(duì)玉米秸稈采取不同濃度的NaOH溶液預(yù)處理，比較發(fā)酵前后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解效果、沼氣產(chǎn)量及沼氣中甲烷含量，研究堿預(yù)處理對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵效果的影響。以期為玉米秸稈資源的開發(fā)利用提供合理的資料參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用玉米秸稈取自周口市郊農(nóng)田，接種物沼渣取自周口市搬口鄉(xiāng)沼氣生態(tài)村，接種量25％，單位固體物（TS）10％。玉米秸稈部分成分含量測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料成分表

原料纖維素半纖維素木質(zhì)素碳含量氮含量 C/N TS

玉米秸稈 39.70 26.18 17.50 55.19 0.47 117:4 84.71

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

發(fā)酵罐為置于恒溫水浴鍋中容量為1000mL的三角瓶，瓶口裝有橡膠塞，橡膠塞上的玻璃管和導(dǎo)氣管連接。用排水集氣法收集沼氣（水為飽和食鹽水），集氣瓶容量1000ml，用橡膠管和發(fā)酵裝置相連。發(fā)酵溫度使用恒溫水浴鍋控制在(35±1)℃。

1.3 方法

每個(gè)發(fā)酵瓶中添加粒度為1cm的玉米秸稈130g，并分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2％、4％、6％和8％NaOH溶液260g，攪拌直至玉米秸處于濕潤狀態(tài)。試驗(yàn)預(yù)處理時(shí)間為10d。預(yù)處理結(jié)束后，向每個(gè)發(fā)酵瓶中加入蒸餾水1000g，并用濃度為20％的乙酸調(diào)節(jié)混合物PH值至7.0-7.5，加入接種物400g，添加蒸餾水補(bǔ)充發(fā)酵液總量至2000g。試驗(yàn)每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，0NaOH添加組為對(duì)照組。

沼氣總產(chǎn)量采用用排水集氣法測(cè)定，成份使用沼氣分析儀 (ZS-2型)在產(chǎn)氣后第12-16天連續(xù)測(cè)定，求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度NaOH處理對(duì)玉米秸纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的影響

不同濃度NaOH處理的玉米秸稈發(fā)酵前后粗纖維成分含量變化情況見表2。從表2可以看出，不同濃度NaOH處理的玉米秸稈發(fā)酵前后粗纖維成分含量的變化隨纖維類型不同略有差異。其中，半纖維素和木質(zhì)素經(jīng)NaOH處理發(fā)酵后，變化較為顯著，而纖維素變化較小。這可能與NaOH有較強(qiáng)的脫木素和半纖維素作用有關(guān)。4%、6%、8%NaOH處理的玉米秸稈發(fā)酵后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素差別不顯著，說明4-6%NaOH處理可以作為玉米秸稈干發(fā)酵前的堿處理適宜濃度。

表2 不同濃度NaOH處理發(fā)酵前后玉米秸稈中粗纖維的含量變化 %

NaOH濃度纖維素半纖維素木質(zhì)素

發(fā)酵前發(fā)酵后發(fā)酵前發(fā)酵后發(fā)酵前發(fā)酵后

0 39.70 37.10a 26.18 20.83a 17.50 13.57a

2% 39.70 25.60b 26.18 12.14b 17.50 9.51b

4% 39.70 23.80b 26.18 8.86c 17.50 7.10c

6% 39.70 25.90b 26.18 8.92c 17.50 7.76c

8% 39.70 26.30b 26.18 8.71c 17.50 6.91c

注：同列肩標(biāo)字母相同為差異不顯著，不同為差異顯著或極顯著。下同。

2.2 不同濃度NaOH處理對(duì)玉米秸干發(fā)酵沼氣產(chǎn)量的影響

不同濃度NaOH處理對(duì)玉米秸干發(fā)酵沼氣產(chǎn)量的影響見表3。表3表明，不同濃度NaOH處理后的玉米秸稈干發(fā)酵累計(jì)沼氣產(chǎn)量隨NaOH濃度變化而變化，其中4%NaOH處理發(fā)酵組的累計(jì)產(chǎn)氣量明顯高于0%、8%處理組，達(dá)到3.95L，比2%和6%處理組分別高出15.16％、12.54％，分析表明，4%和6%處理組累計(jì)產(chǎn)氣量差別不顯著。

表3 不同濃度NaOH處理對(duì)發(fā)酵后沼氣成分及含量的影響

NaOH濃度

% 沼氣成分 % 沼氣產(chǎn)量 L

CH4 O2 H2S CO2

0 50.33b 3.24 0.03 13.11 1.87c

2% 62.88a 5.51 0.08 11.10 3.43a

4% 67.75a 4.34 0.06 9.39 3.95a

6% 67.65a 6.70 0.05 13.22 3.51a

8% 63.50a 4.91 0.06 10.24 3.06b

2.3 不同濃度NaOH處理對(duì)玉米秸發(fā)酵甲烷含量的影響

不同濃度NaOH預(yù)處理對(duì)玉米秸稈發(fā)酵過程中甲烷含量的影響見表3。由表3可知，試驗(yàn)組混合氣體中甲烷的平均含量為50％-68％。其中，0、2％、4％堿處理組的混合氣體中甲烷含量隨NaOH濃度增加而增大，4％NaOH處理組比0、2%處理組分別高34.61％、7.74%。和6%處理組相比，4%處理組甲烷含量略高，但二者差異不顯著。從表3的結(jié)果可以明顯看出，在NaOH濃度為4%-8%范圍內(nèi)，不論是甲烷的比例，還是發(fā)酵總產(chǎn)氣量都略有降低，這說明堿預(yù)處理秸稈干發(fā)酵并不簡單的隨堿溶液濃度增大而增加，而是有一個(gè)適宜的濃度范圍。歐陽嘉等[10]認(rèn)為預(yù)處理用NaOH濃度過高，能夠影響微生物細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和微生物的酶活性，進(jìn)而影響發(fā)酵效果。

3 結(jié)論

(1) 在適宜的范圍內(nèi)，NaOH溶液的濃度越大，玉米秸稈預(yù)處理后產(chǎn)氣效率越高。

(2) 本試驗(yàn)中4％NaOH預(yù)處理組總產(chǎn)氣量和混合氣體氣體中甲烷比例最高。

綜合考慮產(chǎn)氣效果和成本投入，筆者認(rèn)為，采用4-6%NaOH預(yù)處理的玉米秸干發(fā)酵效果比較理想。

參考文獻(xiàn)：

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