黄贮时间对东北地区玉米秸秆的产甲烷性能的影响

苏小红，范 超，王 欣，刘 伟，周 闯，陆 佳

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150027； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)



黄贮时间对东北地区玉米秸秆的产甲烷性能的影响

苏小红1，2，范 超1，2，王 欣1，2，刘 伟1，2，周 闯1，2，陆 佳1，2

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150027； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)

模拟青贮秸秆厌氧发酵产沼气技术，将东北地区堆放的玉米秸秆通过黄贮技术进行贮存与预处理，并优化黄贮时间的技术参数，提高秸秆中难降解成分的转化率，结果表明：将玉米秸秆黄贮80 d后，可以有效防止玉米秸秆腐烂变质，水解发酵更容易进行，日均产气量达276 mL以上，比未经处理的对照试验组高出610%以上，可见，黄贮时间对玉米秸秆产甲烷性能影响显著，且黄贮技术作为一项东北地区干秸秆的贮存与预处理方法，技术上是可行的，可确保高寒地区沼气工程的周年连续运行的原料供应。

黄贮时间；玉米秸秆；预处理；厌氧发酵

我国农作物秸秆资源丰富，作为沼气工程的原料潜力巨大，近几年秸秆沼气工程逐渐成为研究热点[1-3]。但秸秆中含有大量的半纤维素、纤维素、木质素等天然高分子物质，紧密聚合在一起，难以被微生物直接降解利用，导致秸秆沼气工程发酵启动缓慢、发酵周期长、产气量少。此外，受农作物秸秆的收获季节限制，尤其是东北地区秸秆的季节性和时效性限制了沼气工程全年的连续运行，满足不了沼气工程的原料持续供应，因此，需要对农作物秸秆进行长期有效贮存，目前，常用的秸秆长期贮存方法为青贮。大量研究表明，利用秸秆发酵产沼气的关键技术之一是预处理技术[4-6]。而将秸秆通过青贮预处理后，不仅可以解决秸秆的贮存问题，还可缩短发酵时间，提高秸秆的厌氧产气效率[7-10]。

青贮是将青绿秸秆(要求秸秆含水率在60%～70%)逐层装入密闭的容器或设施中，经过微生物的发酵而调制、贮存饲料的一种技术。相对青贮而言，黄贮技术是将干(黄)秸秆粉碎后加入适量的水，再逐层压实并密封在密闭的容器中，通过微生物的厌氧发酵作用，将原料中的糖分转化为乳酸等物质，当原料中积累了一定浓度的乳酸时，微生物的活动就会受到抑制，从而实现原料中养分的良好保存[11]。最初青贮与黄贮技术均应用于饲料的贮藏领域，近年来，秸秆沼气工程中多使用青贮技术对秸秆进行预处理，但由于青贮技术要求饲料的含水率不能过低，因此要求秸秆收获后立即进行青贮，在时间上受到了限制。干黄秸秆经过黄贮处理后具有与青贮处理类似的酸香味，刺激了家畜的食欲，提高了采食量，目前黄贮技术主要应用于饲喂牛羊等反刍家畜领域，尚未有应用于沼气化利用的研究。黄贮技术要求较低，且能达到和青贮相似的预处理效果，在我国北方寒冷地区秸秆沼气工程应用上具有广阔的推广前景。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆采自黑龙江省能源环境研究院院内，收割后晾晒让其自然风干，使用万能粉碎机将其粉碎至1 cm左右，备用。取一部分样品55 ℃干燥箱烘6 h，测其固含量(TS)，马弗炉600 ℃烧2 h测其挥发性固体(VS)。

1.2 试验设计

1.2.1 黄贮预处理试验设计

将500 g不同粒径的备用玉米秸秆按含水率65%加适量的水，逐层装入2 000 mL烧杯中，压实密封，装一层，压一层，直至填满容器，装满后再用塑料薄膜覆盖密封，尽量排除薄膜与储存间的空气，并按不同贮存时间进行黄贮。根据常规青贮条件设计黄贮的秸秆含水率为65%，贮存时间分别设计为：20 d、60 d、100 d、140 d、180 d。

1.2.2 厌氧发酵试验设计

根据秸秆黄贮时间的不同，将厌氧发酵试验分为2个系列分别进行研究，第一个系列为未经处理(0 d)的空白对照组(Untreated)，设3个重复；第2个系列为不同贮存时间的黄贮秸秆试验组，共5个时间梯度，分别为20 d、60 d、100 d、140 d、180 d，每个梯度设3个重复。批式厌氧发酵试验采用1 000 mL发酵瓶，有效填料容积约为800 mL左右，秸秆添加量约为100 g，发酵浓度为18%的干发酵方式，调节碳氮比并补水至有效容积刻度，发酵温度为55 ℃的高温发酵。试验期间每1 d测沼气产气量，每2 d进行沼气成分分析，并计算日均产气量、累积产气量、累积产甲烷量等指标。

1.3 黄贮秸秆结构与成分分析

总固体(total solids，TS)和挥发性固体(volatile solids，VS)采用烘干法，其中TS经105 ℃烘烤 24 h，VS经600 ℃灼烧2 h。中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)和酸性洗涤木质素(acid detergent lignin，ADL)等组分测定采用半自动纤维分析仪滤袋法分析。

2 结果与分析

2.1 不同黄贮条件对玉米秸秆化学成分的影响

表1所示，与未经预处理的对照组相比，处理后秸秆的纤维素、半纤维素含量均有所降低，且随着黄贮时间的增加呈现递减趋势，黄贮时间为为140 d的试验组纤维素达到最低值，说明在一定范围内增加秸秆原料的贮存时间有利于黄贮过程中半纤维素和纤维素的降解；而相对于对照试验组，黄贮后秸秆的木质素含量均有不同程度的增加，这可能与半纤维素与纤维素含量的减少有关，黄贮对秸秆中木质素的降解作用较小；在140 d、180 d实验组的试验中发现，试验后期秸秆出现腐烂结块现象，且纤维素、半纤维素含量较100 d实验组下降显著，可见黄贮时间过长不利于纤维素等可利用成分的保存及后续厌氧发酵产沼气试验的进行。

表1 不同存贮时间条件下的秸秆木质纤维含量Tab.1 The lignocellulose content of straw under different storage time conditions

2.2 不同黄贮时间对秸秆厌氧发酵产气效果的影响

2.2.1 不同黄贮时间条件下的秸秆日均沼气产量

图1所示为玉米秸秆经不同黄贮时间条件下各处理组厌氧发酵30 d的日产气量。由图可知，从产气高峰上看，两组不同的黄贮条件下的秸秆均出现了两个产气高峰，这与牛粪等厌氧发酵产沼气不同，秸秆类原料产沼气均出现两个峰值，本试验结果与杨茜等人的研究相同[4, 15]，第一个高峰出现在第4 d左右，180 d处理组在第4 d即达到880 mL，其次分别为140 d、100 d、60 d、20 d，可见黄贮时间越长发酵启动得越快，长时间储存有助于秸秆木质纤维成分的分解与释放，有利于微生物快速利用有机物产沼气。第二个高峰出现的时间不同，但峰值均高于第一个峰值，180 d与140 d处理组第二个产气高峰早于黄贮时间较短的其他处理组，且在达到产气高峰后呈现迅速下降的趋势，说明后续微生物可利用的有机物供应不足，这是由黄贮时间过长造成纤维素与半纤维素严重损失而引起的。

图1 不同黄贮时间下的黄贮秸秆日产沼气量Fig.1 The daily methane amount of yellow straw under different storage time conditions

从日均产气量来看，产气量最大的是100 d处理组，为279.0 mL，其次为60 d，为255.3 mL，最后为20 d、140 d、180 d；综上，黄贮时间过长易造成营养成分严重损失，不利于后续厌氧发酵，黄贮时间以日均产气量最大的100 d为宜。

2.2.2 不同黄贮时间条件下的秸秆累积甲烷产量

由图2数据可知，随黄贮时间的延长，最大甲烷累积产气量呈现先增加后降低的峰型变化趋势，在黄贮时间为100 d处理组的达到最大值。

图2 不同黄贮时间的秸秆甲烷累积产气量Fig.2 The accumulated methane amount of yellow straw under different storage time conditions

3 结论

本文通过厌氧发酵试验研究了不同的黄贮时间对东北地区玉米秸秆产甲烷性能的影响，得出结论如下：

第一，经过黄贮后的秸秆纤维素、半纤维素含量有所降低，在一定范围内延长黄贮时间均有利于黄贮过程中半纤维素和纤维素的降解，但在140 d、180 d实验组的试验中发现，试验后期秸秆出现腐烂结块现象，且纤维素、半纤维素含量较100 d实验组下降显著，可见黄贮时间过长不利于纤维素等可利用成分的保存及后续厌氧发酵产沼气试验的进行。

第二，与其他黄贮时间试验组相比，黄贮时间为100 d的秸秆日均产气量最大，达279.0 mL，而黄贮时间长于100 d的秸秆黄贮效果较差，进而影响产气效果。

4 讨论

本试验试验材料选取的是黑龙江省能源环境研究院自己种植的玉米秸秆，由于独特的地理位置及气候条件，试验原料数量有限，所以选取的黄贮时间间隔过长，试验数据有一定的误差性，可在下次试验准备前多储备玉米秸秆，在本次试验的基础上选取更加适宜的黄贮时间参数进行进一步的试验研究。

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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

苏小红(1987-)，女，工学硕士，研究实习员。

S38

A

1674-8646(2017)08-0027-03