纖維素與稻草厭氧消化產氣性能對比實驗研究

左曉宇，任羽，袁海榮，鄒德勛，劉潔，李娟，王家璽，李秀金

（北京化工大學，北京100029）

我國是農業大國，據統計，我國當前農作物秸稈產量為8.1億t，其中稻草產量為2.24億t，占27.7%[1]。目前稻草處置方法多為遺棄田間或露天焚燒，根據環保部環境衛星檢測月報[2]，2016年4月共監測到全國秸稈焚燒點1 625個，涉及到29個省165個市，造成極大的資源浪費和大氣污染[3]。厭氧消化技術不僅可以在一定程度上解決環境問題，還可以得到清潔的沼氣能源，是解決上述問題的有效手段[4]。

稻草的主要成分為纖維素、半纖維素、木質素，以及少量可溶性糖及灰分等，纖維素、半纖維素和木質素之間結構復雜，不易被微生物利用的木質素阻隔了微生物與纖維素和半纖維素的接觸，使纖維素和半纖維素難于被微生物利用，導致厭氧消化效率受到了限制[5]。

為了提高稻草厭氧消化的效率，很多學者把對原料的預處理作為研究重點，目前已有很多利用物理法、化學法、生物法以及聯合法對稻草進行預處理，以提高產氣量的報道[6-10]。但是對于組成稻草的幾種主要物質的厭氧發酵規律及他們在稻草厭氧發酵過程中的貢獻并不明確。

本實驗希望通過研究組成稻草的主要成分——纖維素的產氣規律，與稻草厭氧消化產氣規律相比較，為進一步解釋稻草厭氧消化規律提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

實驗所用原料為稻草和纖維素，接種物為豬糞消化液，其中稻草取自天津市，經自然風干后切至3~4 cm，用粉碎機（YSW-180）粉碎至20目；纖維素購買自北京建強偉業科技有限公司，來源于稻草，純度99%；豬糞消化液取自北京市延慶縣。原料及接種物的基本性質如表1所示。

表1 原料及接種物基本性質%

1.2 實驗裝置及參數

實驗采用批式厭氧消化，將纖維素和稻草分別用2%NH3·H2O預處理3 d，將預處理后的纖維素、稻草及未經預處理的纖維素、稻草加入接種物后，置于38℃恒溫水浴箱內進行厭氧消化批式實驗，其中原料的進料負荷設定為50 gTS/L，接種量為20 gTS/L，每種原料做3個平行實驗。

圖1 批試厭氧消化裝置

1.3 分析方法

日產氣量根據排水法測定；氣體組分采用氣相色譜（SP2100（A），北京中科慧杰分析科技有限公司）測定；總固體含量（TS）與揮發性固體含量（VS）采用重量法測定；pH值采用玻璃電極法測定；纖維素、半纖維素、木質素由ANKOM A2000全自動纖維儀測定；稻草、纖維素和接種物的元素分析由紅外色譜儀測定；預處理前后稻草和纖維素的表面物理結構由掃描電鏡觀察；預處理前后纖維素結晶度由XRD測定。

2 結果與討論

2.1 日產氣量

厭氧消化日產氣量情況如圖2所示。預處理后稻草和未預處理稻草厭氧消化產氣均有3個高峰，其中預處理后的稻草厭氧消化的第一個產氣高峰出現在第3天，第二個產氣高峰出現在8天，第三個產氣高峰出現在第20天；稻草厭氧消化的第一個產氣高峰出現在第2天，第二個產氣高峰出現在第8天，第三個產氣高峰出現在第18天；纖維素厭氧消化只有一個產氣高峰，出現在第26天。

稻草和預處理后的稻草產氣高峰的出現的時間非常接近，而且明顯提前于纖維素厭氧消化的產氣高峰，這可能是由于稻草中含有易于纖維素厭氧消化的其他物質存在，如半纖維素、果糖等。

預處理后的稻草厭氧消化的第一、二兩個產氣高峰均高于未預處理的稻草厭氧消化的產氣高峰，而第三個產氣高峰則低于未預處理組，這說明預處理后的稻草更易于未經預處理的稻草被微生物利用進行厭氧消化。

圖2 厭氧消化日產氣量

纖維素厭氧消化的產氣高峰分別高出預處理后的稻草及未預處理稻草厭氧消化第三個產氣高峰278.4%和95.3%，這說明纖維素的厭氧消化潛力要高于稻草。

2.2 累積產氣量

厭氧消化累積產氣量如圖3所示。纖維素厭氧消化的累積產氣量分別高出預處理后的稻草和未預處理稻草厭氧消化累積產氣量53%和99%。預處理后的稻草厭氧消化累積產氣量比未預處理稻草高出30.3%，這說明預處理稻草對其厭氧消化過程是有促進作用的。

圖3 厭氧消化累積產氣量

通過比較稻草在預處理前后的電鏡分析，可以看出，預處理后的稻草較未處理稻草結構更加疏松，碎片更多，表面呈多孔狀，比表面積更大，木質素與纖維素和半纖維素的包裹結構受到了破壞，這使得微生物能夠更好地接觸到稻草中纖維素和半纖維素，使厭氧消化效率得以提高。預處理前后稻草的電鏡分析如圖4所示。

圖4 預處理前后稻草表面物理結構變化

表2 單位TS/VS產氣情況及VS去除率

2.3 產甲烷量及VS去除率

單位TS產氣量和單位VS產氣量是衡量木質纖維素原料厭氧消化產氣性能的重要指標之一[11]。各組厭氧消化單位TS/VS產氣量、產甲烷量如表2所示。

纖維素單位TS產甲烷量分別比預處理后稻草和未預處理稻草高出18.4%和46.0%，預處理后稻草的單位TS產甲烷量比未預處理稻草高出23.3%。3種原料的單位TS產氣量、單位VS產氣量及單位VS甲烷產量也呈同樣的趨勢。這說明纖維素的厭氧消化產氣能力要高于稻草。

3組原料厭氧消化的累積產甲烷量達到總產甲烷量80%的時間（T80）和VS去除率如表2所示。

預處理后稻草組的T80最短，稻草組和纖維素組的T80接近。說明預處理后稻草厭氧消化的速度最快，而纖維素厭氧消化速度最慢。

纖維素厭氧消化的VS去除率最高，預處理后稻草組的厭氧消化VS去除率高于未經預處理稻草組。說明纖維素的厭氧消化更加完全，而預處理后稻草的厭氧消化程度要高于未預處理稻草。

3 結論

微生物對纖維素的厭氧消化程度較稻草更充分，使得纖維素的厭氧消化效果優于稻草；用2%NH3·H2O預處理稻草，破壞了稻草中木質素對纖維素和半纖維素的包裹結構，使得微生物更易接觸到纖維素和半纖維素，能夠明顯提高稻草的厭氧消化效率；纖維素對微生物的可接觸程度直接影響了厭氧消化產氣性能。

[1]中華人民共和國統計局.2015中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2016.

[2]中華人民共和國環境保護部.2015年環境衛星秸稈焚燒火點監測 報 告 [EB/OL].http://hjj.mep.gov.cn/jgjs/index.htm.，2016-05-10.

[3]王慶玉.第一次全國污染源普查農業污染源普查培訓教材[M].北京：國務院第一次全國污染源普查領導小組辦公室，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]龐云芝，王奎升，李秀金.以秸稈為原料規?；a沼氣關鍵技術與推廣應用[J].化工進展，2008(S)：120-123.

[6]鄭明霞，李來慶，鄭明月，等.堿處理對玉米秸稈纖維素結構的影響[J].環境科學與技術，2012(6)：27-31.

[7]馬淑 ，袁海榮，朱保寧，等.氨化預處理對稻草厭氧消化產氣性能影響[J].農業工程學報，2011(6)：294-299.

[8]陳甲甲，袁海榮，王奎升，等.機械攪拌轉速對稻草厭氧消化性能的影響[J].可再生能源，2012，30(2)：62-65.

[9]陳小華，朱洪光.農作物秸稈產沼氣研究進展與展望[J].農業工程學報，2007，23(3)：279-283.

[10]柳楊青，沈根祥，錢曉雍，等.接種量對豬糞與稻秸混合厭氧發酵的影響[J].環境科學與技術，2015(1)：85-89.

[11]袁海榮，朱超，劉茹飛，等.污泥與麥秸協同厭氧消化性能研究[J].中國沼氣，2015，33(3)：38-44.