纤维素与稻草厌氧消化产气性能对比实验研究

左晓宇，任羽，袁海荣，邹德勋，刘洁，李娟，王家玺，李秀金

（北京化工大学，北京100029）

我国是农业大国，据统计，我国当前农作物秸秆产量为8.1亿t，其中稻草产量为2.24亿t，占27.7%[1]。目前稻草处置方法多为遗弃田间或露天焚烧，根据环保部环境卫星检测月报[2]，2016年4月共监测到全国秸秆焚烧点1 625个，涉及到29个省165个市，造成极大的资源浪费和大气污染[3]。厌氧消化技术不仅可以在一定程度上解决环境问题，还可以得到清洁的沼气能源，是解决上述问题的有效手段[4]。

稻草的主要成分为纤维素、半纤维素、木质素，以及少量可溶性糖及灰分等，纤维素、半纤维素和木质素之间结构复杂，不易被微生物利用的木质素阻隔了微生物与纤维素和半纤维素的接触，使纤维素和半纤维素难于被微生物利用，导致厌氧消化效率受到了限制[5]。

为了提高稻草厌氧消化的效率，很多学者把对原料的预处理作为研究重点，目前已有很多利用物理法、化学法、生物法以及联合法对稻草进行预处理，以提高产气量的报道[6-10]。但是对于组成稻草的几种主要物质的厌氧发酵规律及他们在稻草厌氧发酵过程中的贡献并不明确。

本实验希望通过研究组成稻草的主要成分——纤维素的产气规律，与稻草厌氧消化产气规律相比较，为进一步解释稻草厌氧消化规律提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验原料

实验所用原料为稻草和纤维素，接种物为猪粪消化液，其中稻草取自天津市，经自然风干后切至3~4 cm，用粉碎机（YSW-180）粉碎至20目；纤维素购买自北京建强伟业科技有限公司，来源于稻草，纯度99%；猪粪消化液取自北京市延庆县。原料及接种物的基本性质如表1所示。

表1 原料及接种物基本性质%

1.2 实验装置及参数

实验采用批式厌氧消化，将纤维素和稻草分别用2%NH3·H2O预处理3 d，将预处理后的纤维素、稻草及未经预处理的纤维素、稻草加入接种物后，置于38℃恒温水浴箱内进行厌氧消化批式实验，其中原料的进料负荷设定为50 gTS/L，接种量为20 gTS/L，每种原料做3个平行实验。

图1 批试厌氧消化装置

1.3 分析方法

日产气量根据排水法测定；气体组分采用气相色谱（SP2100（A），北京中科慧杰分析科技有限公司）测定；总固体含量（TS）与挥发性固体含量（VS）采用重量法测定；pH值采用玻璃电极法测定；纤维素、半纤维素、木质素由ANKOM A2000全自动纤维仪测定；稻草、纤维素和接种物的元素分析由红外色谱仪测定；预处理前后稻草和纤维素的表面物理结构由扫描电镜观察；预处理前后纤维素结晶度由XRD测定。

2 结果与讨论

2.1 日产气量

厌氧消化日产气量情况如图2所示。预处理后稻草和未预处理稻草厌氧消化产气均有3个高峰，其中预处理后的稻草厌氧消化的第一个产气高峰出现在第3天，第二个产气高峰出现在8天，第三个产气高峰出现在第20天；稻草厌氧消化的第一个产气高峰出现在第2天，第二个产气高峰出现在第8天，第三个产气高峰出现在第18天；纤维素厌氧消化只有一个产气高峰，出现在第26天。

稻草和预处理后的稻草产气高峰的出现的时间非常接近，而且明显提前于纤维素厌氧消化的产气高峰，这可能是由于稻草中含有易于纤维素厌氧消化的其他物质存在，如半纤维素、果糖等。

预处理后的稻草厌氧消化的第一、二两个产气高峰均高于未预处理的稻草厌氧消化的产气高峰，而第三个产气高峰则低于未预处理组，这说明预处理后的稻草更易于未经预处理的稻草被微生物利用进行厌氧消化。

图2 厌氧消化日产气量

纤维素厌氧消化的产气高峰分别高出预处理后的稻草及未预处理稻草厌氧消化第三个产气高峰278.4%和95.3%，这说明纤维素的厌氧消化潜力要高于稻草。

2.2 累积产气量

厌氧消化累积产气量如图3所示。纤维素厌氧消化的累积产气量分别高出预处理后的稻草和未预处理稻草厌氧消化累积产气量53%和99%。预处理后的稻草厌氧消化累积产气量比未预处理稻草高出30.3%，这说明预处理稻草对其厌氧消化过程是有促进作用的。

图3 厌氧消化累积产气量

通过比较稻草在预处理前后的电镜分析，可以看出，预处理后的稻草较未处理稻草结构更加疏松，碎片更多，表面呈多孔状，比表面积更大，木质素与纤维素和半纤维素的包裹结构受到了破坏，这使得微生物能够更好地接触到稻草中纤维素和半纤维素，使厌氧消化效率得以提高。预处理前后稻草的电镜分析如图4所示。

图4 预处理前后稻草表面物理结构变化

表2 单位TS/VS产气情况及VS去除率

2.3 产甲烷量及VS去除率

单位TS产气量和单位VS产气量是衡量木质纤维素原料厌氧消化产气性能的重要指标之一[11]。各组厌氧消化单位TS/VS产气量、产甲烷量如表2所示。

纤维素单位TS产甲烷量分别比预处理后稻草和未预处理稻草高出18.4%和46.0%，预处理后稻草的单位TS产甲烷量比未预处理稻草高出23.3%。3种原料的单位TS产气量、单位VS产气量及单位VS甲烷产量也呈同样的趋势。这说明纤维素的厌氧消化产气能力要高于稻草。

3组原料厌氧消化的累积产甲烷量达到总产甲烷量80%的时间（T80）和VS去除率如表2所示。

预处理后稻草组的T80最短，稻草组和纤维素组的T80接近。说明预处理后稻草厌氧消化的速度最快，而纤维素厌氧消化速度最慢。

纤维素厌氧消化的VS去除率最高，预处理后稻草组的厌氧消化VS去除率高于未经预处理稻草组。说明纤维素的厌氧消化更加完全，而预处理后稻草的厌氧消化程度要高于未预处理稻草。

3 结论

微生物对纤维素的厌氧消化程度较稻草更充分，使得纤维素的厌氧消化效果优于稻草；用2%NH3·H2O预处理稻草，破坏了稻草中木质素对纤维素和半纤维素的包裹结构，使得微生物更易接触到纤维素和半纤维素，能够明显提高稻草的厌氧消化效率；纤维素对微生物的可接触程度直接影响了厌氧消化产气性能。

[1]中华人民共和国统计局.2015中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2016.

[2]中华人民共和国环境保护部.2015年环境卫星秸秆焚烧火点监测 报 告 [EB/OL].http://hjj.mep.gov.cn/jgjs/index.htm.，2016-05-10.

[3]王庆玉.第一次全国污染源普查农业污染源普查培训教材[M].北京：国务院第一次全国污染源普查领导小组办公室，2007.

[4]Chen Jiajia，Yuan Hairong,Wang Kuisheng,et al.Effect of mechanical agitation speed on the anaerobic digestion performance ofrice straws [J].Renewable En ergy Resources,2012,30(2):62-65.

[5]庞云芝，王奎升，李秀金.以秸秆为原料规模化生产沼气关键技术与推广应用[J].化工进展，2008(S)：120-123.

[6]郑明霞，李来庆，郑明月，等.碱处理对玉米秸秆纤维素结构的影响[J].环境科学与技术，2012(6)：27-31.

[7]马淑 ，袁海荣，朱保宁，等.氨化预处理对稻草厌氧消化产气性能影响[J].农业工程学报，2011(6)：294-299.

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[9]陈小华，朱洪光.农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J].农业工程学报，2007，23(3)：279-283.

[10]柳杨青，沈根祥，钱晓雍，等.接种量对猪粪与稻秸混合厌氧发酵的影响[J].环境科学与技术，2015(1)：85-89.

[11]袁海荣，朱超，刘茹飞，等.污泥与麦秸协同厌氧消化性能研究[J].中国沼气，2015，33(3)：38-44.