CO2氣調貯存秸稈及對厭氧發酵產沼氣性能的影響研究

霍立嬌, 杜 靜, 葉小梅,2, 常志州, 夏騰飛

(1.江蘇省農業科學院循環農業中心, 南京 210014； 2.農業農村部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站， 南京 210014)

環境污染和能源危機是當今時代的兩大問題，如何減少環境破壞和尋找可再生能源成為亟需解決的問題[1]。小麥是中國第三大糧食作物，2015年中國小麥播種面積達24069千公頃，年產小麥12620.8萬噸，年可收集麥秸約1.05億噸[2]。麥秸作為生物質能中重要的一部分，厭氧發酵產沼氣是其資源化的有效途徑，既能實現能源的回收利用，又能緩解目前農村嚴重的面源污染問題，符合可持續發展的要求，受到研究者們的重視[3-5]。由于鮮麥秸不易長期保存，并且秸稈收獲的季節性與沼氣工程周年運行間存在矛盾，因此麥秸的長期貯存是目前需要解決的問題。

研究結果表明，秸稈通過不同的貯存方式，可以有效減少損失。畜牧業最常使用的貯存飼料的方法是青貯，青貯是以新鮮的秸稈(大約含水率在60%～75%)為原料，在酸性的環境下，pH值大約為4左右，利用乳酸菌等厭氧微生物，抑制不良的好氧微生物的生長繁殖，保存秸稈的營養成分、降低秸稈養分損失的方法[6]。付廣青[7]等以新鮮水稻秸稈及青貯后的水稻秸稈為原料，研究在室內中溫條件下厭氧發酵產沼氣特性，結果表明，水稻秸稈經青貯30 d 后，秸稈pH值降低至4，纖維素與總碳含量降低達顯著水平，產氣效果也得到提高。但是在秸稈青貯處理，需要進行粉碎預處理并且處理成本較高。

國內自上個世紀90年代開始研究應用于水果蔬菜和糧食的氣調保鮮技術。所謂氣調，是利用控制氣體比例的方式來達到儲藏保鮮的目的[8]。CO2氣調法貯藏，是采用改變空氣的成份，降低空氣中氧氣分壓，提高二氧化碳的分壓，并使這兩種氣體相對穩定于一定分壓的環境中[9]。蔣德云[10]等發現氣密性能良好的倉房內，溫度為25℃±3℃，CO2氣體濃度為 25%～35%，殺蟲的持續時間為10 d以上時能100%殺滅米象和谷蠹成蟲，保證糧食的安全穩定貯存。

本研究選取麥秸為試驗材料，采用在密封條件下，利用沼氣工程沼氣提純所獲得的副產物CO2氣體對麥秸孔隙和貯存環境進行氧氣置換，以降低麥秸孔隙和貯存空間環境的空氣中氧分壓，造成厭氧環境，降低有氧呼吸腐生菌數量，避免因有氧呼吸產生的高溫，創造利于乳酸菌生長的條件，以抑制其它微生物的生長，達到較長時間內無腐貯存麥秸的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麥秸取自江蘇省農業科學院試驗田，經曬干，搓揉，破碎至2～3 cm，總固體含量TS為90.95±0.52%，VS為89.86%，總有機碳為54.62%±1.32%，凱氏氮為0.76%。厭氧消化實驗所用接種物為豬場常年運行沼氣池的發酵沼渣，總固體含量(TS)2.06%，揮發性固體含量(VS)0.84%，pH值7.56。

1.2 試驗設計

1.2.1 麥秸氣調保存

試驗采用1 L廣口玻璃瓶作為麥秸貯藏的模擬裝置，設置4個處理組，包括未貯存對照組(計CK)和3個貯存處理組，用與秸稈貯存容器相同體積的CO2氣體置換0，5，8次，達到氧分壓為21%，17%，13%，分別計為處理組A、B和C，各處理組設置2個重復。風干麥秸為50 g，用自來水調節含水量為75%(模擬新鮮麥秸)，裝好后密封保存，在30℃恒溫箱中靜置貯存30天。

1.止氣夾； 2.取氣口； 3.貯存罐圖1 實驗裝置及示意圖

貯存試驗結束后，采用無菌操作從A，B，C處理組中取出少量秸稈樣品，用于細菌、真菌和放線菌計數；其余樣品采用55℃低溫干燥處理測定TS，然后用萬能粉碎機將秸稈粉碎過20目篩，測定樣品VS，有機碳，有機氮，纖維素，半纖維素和木質素含量；此外，采用多點取樣方式選取3～5根經低溫干燥處理后的秸稈樣品用于電鏡掃描，同時測定未處理對照組秸稈的各項指標。

1．2．2 厭氧發酵試驗

采用750 mL廣口玻璃瓶作為厭氧反應器，發酵TS濃度設置為4%，每個處理組加入接種污泥 300 g，加入尿素調節各處理發酵原料C/N為30/1，用蒸餾水補充至總質量均為450 g?；靹蚝螅ㄈ氲獨? min以驅趕發酵罐內的空氣。密封后，發酵罐內的30℃下進行厭氧發酵試驗，每個處理3個平行，取平均值進行分析。每隔1天測日產氣量、甲烷含量。

1.3 測定指標及方法

TS測定采105℃±2℃烘12 h差重法測定[11]；VS測定采用550℃±20℃灼燒4 h差重法測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[12]；全氮的測定采用 H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法[13]。纖維素、半纖維素和木質素含量測定采用VELPFIWE6 型纖維素測定儀并參照范式洗滌纖維分析法[14]； pH值采用雷磁PHS-2F型pH計測定。甲烷產量的測定采用排水集氣法[15]；甲烷含量測定使用 GC-9890A 氣相色譜儀，氣相色譜儀采用TDX-02B色譜柱(4 mm×0.5 m)，以氫氣為載氣，載氣流量為 30 mL·min-1，TCD 檢測器，柱溫100℃，檢測器溫度 120 ℃，進樣量為 0. 5 mL，外標法測定。熱值采用氧彈量熱儀測定。

傅里葉紅外變換分析(FITR)：Thermo Scientific(美國)生產的NicoletS10型傅里葉變換紅外光譜儀，中紅外范圍4000～400 cm-1。

掃描電鏡分析(SEM,EVO-LS10, Carl Zeiss Jena, Germany)。

X衍射分析(XRD)：利用X衍射分析儀(XRD-D2PHASERX, Bruker AXS, Germany)通過分析XRD衍射圖譜，計算麥秸的結晶度，計算公式如下[16]：

式中:Cr為結晶度；I002為002面衍射峰強度；Iam為無定型纖維素衍射峰強度，位于2θ=18°。

熱重分析儀(EXSTAR series TG/DTA7200,SII NanoTechnologyInc)。

2 結果與分析

2.1 貯存前后麥秸理化性質

麥秸貯存30天主要理化性質如表1所示，與對照組CK的有機碳含量54.62%和有機氮 0.76%對比，實驗組C，B，A的有機碳和有機氮含量逐漸減少，處理C減少的最少，這與TS和VS損失率的變化趨勢一致。兩指標都表明沒有進行氣體置換處理的A組的有機質損失最多，B和C處理組結果說明氣調有效果，并且氣調次數越多，氧分壓越小，有機質損失越少。貯存過程中麥秸的有機質損失主要由于腐生微生物降解了麥秸中的纖維素、半纖維素、粗蛋白、粗脂肪和可溶性糖類等物質。對照組的纖維素、半纖維素和木質素含量分別為36.64%，36.70%和10.78%，實驗組C，B，A的纖維素、半纖維素含量減少，木質素的含量占比有所增加。貯存過程麥秸中纖維素和半纖維素的減少也是由于腐生微生物的降解作用，而木質素作為填充在纖維之間的粘合劑，不能轉化為糖類，還難以被微生物降解利用。熱值指單位質量的燃料完全燃燒時所放出的熱量，分析各處理麥秸的熱值結果，發現與未處理的麥秸相比，經過氣調處理的麥秸熱值增加，作為燃料的能源潛力增加，而沒有經過氣調處理的麥秸的熱值相對較高，這與木質素的含量一致。

表1 貯存前后麥秸理化性質

注：同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)；CK:貯存前麥秸；A:氧分壓21%；B:氧分壓17%；C:氧分壓13%。

2.2 微生物數量

如圖2～圖4所示為貯存30天后麥秸所含微生物(細菌、放線菌和真菌)的數量，細菌、放線菌和真菌3種菌的數量級分別為105，104，103。3種微生物的數量隨著不同置換次數處理的變化趨勢是一致的，與對照組的微生物數量相比，沒有進行氣體置換的A處理組的3種微生物數量最多，而B和C處理組隨著氣體置換次數的增多，環境中氧分壓的降低，3種微生物的數量大幅度降低。在潮濕和含氧量較高的環境條件下，A處理組中的好氧微生物大量地生長和繁殖。B和C處理組在氧分壓較低的環境條件下，有氧呼吸的腐生菌數量較少，避免因有氧呼吸產生的高溫；乳酸菌生長較快，產生的偏酸的環境，抑制了其他微生物的生長，達到較長時間內無腐貯存麥秸的目的。這與楊云貴[17]等人研究結果一致，說明較高的氧分壓環境不利于秸稈的貯存，氣體置換次數較多，氧分壓較低的C處理組的貯存條件最佳。

圖2 麥秸貯存后細菌數量

圖3 麥秸貯存后放線菌數量

圖4 麥秸貯存后真菌數量

2.3 FTIR分析

如圖5為麥秸氣調貯存前后FTIR圖譜。氣調貯存麥秸由于微生物的降解作用，部分纖維的成分和結構發生改變。FTIR表征結果顯示，3331 cm-1處的強峰表示纖維中多聚糖上的O-H伸縮振動[18]，氣調貯存后，B和C處理組有更強的羥基吸收峰，而A處理組吸收峰相比對照組明顯降低。這是由于A處理組中的微生物進行有氧呼吸，造成腐生菌繁殖并降解麥秸的纖維素和半纖維素，使纖維多糖相對含量降低，羥基含量則隨之降低。B和C處理組氧氣含量低較，好氧菌被抑制，乳酸菌在厭氧環境中增殖同時抑制其他細菌和霉菌的增長，使麥秸纖維保存相對完好，僅麥稈中的部分果膠和油脂被分解，保證B和C組麥秸含有相對較高的纖維素和半纖維素含量，羥基吸收峰較強。2918 cm-1處是-CH2的C-H的伸縮振動吸收峰，1371 cm-1是其面內彎曲振動吸收峰，表征纖維素和半纖維素中C-H的非對稱變形[19]，兩峰的變化趨勢與羥基峰一致。1635 cm-1處峰歸代表木質素芳香環C = C 的伸縮振動[20]，A處理組由于部分纖維結構被好氧菌破壞，纖維素和半纖維素減少，結晶水含量下降，持水性降低。B和C組結晶水峰有所增強，麥秸對水的吸附能力提高。從以上分析可知，氣體置換產生的低氧條件更有利于麥秸的貯存，可在一定程度上防止麥秸的破壞，降低麥秸中營養的流失。

圖5 麥秸貯存前后FTIR圖譜

2.4 表面形態特征

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了氣調貯存麥秸前后的表面形態結構的變化，觀察結果見圖6～圖9。未貯存麥秸表面光滑，無孔隙裂痕。而A處理組秸稈表面有許多菌體附著，部分纖維表面層被分解破壞，形成裂痕和深孔。B處理組秸稈表面存在少量菌體，裂痕和孔隙較淺，未造成明顯纖維結構破壞。C處理組麥秸表面較為光滑，纖維結構基本未被菌體分解，僅有很少的輕微缺陷，與未處理秸稈表面狀況基本相同。通過SEM圖像觀察說明，氣體置換次數越多，造成的低氧分壓條件能更好地保存秸稈，防止纖維結構的破壞。

2.5 纖維素晶體結構分析

麥秸中的纖維素主要以無定型纖維和晶體纖維兩種狀態存在，XRD圖譜(見圖10)反映了這兩種形態纖維素的變化，同時說明了麥秸內部結構的改變。如圖6～圖9所示，2θ=16°和22°兩個晶面峰為麥秸纖維的典型特征峰，分別代表110晶面和002晶面[21]。2θ=18°典型特的衍射強度表示無定型纖維的衍射強度。A處理組相比于未貯存秸稈兩峰的強度明顯減弱，其主要原因是貯存過程中A組的麥秸纖維素和半纖維素被部分破壞和分解，纖維素晶體相對含量降低2%，衍射強度降低。B和C處理組衍射峰強度增強，表明纖維素結晶度相對增加，分別增加了8%和9%。這是由于麥秸在貯存過程中，部分易降解和水解的物質被微生物分解，使纖維素結晶度相對含量增加(見表2)。通過X射線衍射圖譜分析，氣體置換產生的低氧條件更有利于麥秸纖維素結構的保持，減少麥秸有機質的損失。

圖6 未貯存麥秸的SEM觀察圖像

圖7 氧分壓21%條件下貯存30天麥秸的SEM觀察圖像

圖8 氧分壓17%條件下貯存30天麥秸的SEM觀察圖像

圖9 氧分壓13%條件下貯存30天麥秸的SEM觀察圖像

此外，纖維晶體結構較為緊密，不易被破壞，纖維結晶度的增加有利于麥秸的長期貯存，但卻難以被厭氧消化，關于這一方面，還有待進一步的研究。

圖10 X射線衍射圖譜

表2 不同處理組麥秸結晶度 (%)

2.6 熱穩定性分析

熱重分析反映了麥秸貯存前后熱性能的變化，不同于上面對麥秸成分和結構的直接表征，通過對熱重曲線(見圖11)的分析間接了解貯存對麥秸的影響。麥秸的熱分解可分為3個階段：第1階段在100℃以內，麥秸失去游離水，質量略微減少；第2階段從210℃到350℃主要是纖維素和半纖維素的熱分解，麥秸質量呈線性下降；第3階段350℃～650℃，第2階段殘留木質素完全熱解。通過對3個階段熱解參數(見表3)的對比發現，對照組有最大的起始分解溫度和最小的分解速率，其主要原因是空白對照組的麥秸未經微生物破壞，表皮和內部纖維結構緊密完整，不易被熱解。而經過貯存的麥秸表皮一定程度上受到微生物破壞，表面產生缺陷，內部結構也較為疏松，導致熱穩定性下降。A處理組秸稈熱穩定性僅次于對照組，最大熱分解速率為248 ug·min-1，明顯低于B,C兩組。B組和C組麥秸熱性質無明顯差異，較大的熱分解速率和低的殘渣剩余率說明貯存后麥秸纖維成分保存較好，秸稈結構疏松更利于消化。通過熱重分析說明，氣體置換次數越多，造成的低氧分壓條件能更好地保存麥稈，麥秸的熱穩定性也相應提高。

圖11 不同處理組麥秸熱重曲線

表3 麥秸熱性質參數

3 麥秸貯存后厭氧發酵產氣特征

由圖12～圖14數據明顯看出，A處理組甲烷含量和體積明顯偏低，C處理組在第9天甲烷體積分數最高，第1個產氣高峰是第8天，B處理組在第11天甲烷體積分數最高，第1個產氣高峰是第9天。通過對比各組數據明顯看出，A處理組麥秸發酵效果最差，由此可知A處理組麥秸發酵潛力較低，說明貯存效果最差。B和C處理組相比于對照CK組累積產氣量分別下降了18.40%和8.64%，這是由于秸稈在潮濕的環境下發生了有機物質損失，并且氣調次數越多，氧分壓含量越低，麥秸的有機損失越低，厭氧發酵產氣量越高。與原始對照麥秸發酵累積TS產氣量210.07 mL·g-1TS相比，C和B處理組麥秸發酵累積TS產氣量分別為191.93 mL·g-1TS和 171.43mL·g-1TS，氧分壓為13%的C處理組比氧分壓為9%的B組累積TS產氣量提高11.9%(見表4)。說明置換氣體次數越多，氧分壓越低，貯存效果越好，厭氧發酵產氣效果越佳。麥秸預處理后厭氧發酵產氣特性見下圖。

圖12 不同處理麥秸厭氧發酵的日產氣量

圖13 不同處理麥秸厭氧發酵的甲烷含量

圖14 不同處理麥秸厭氧發酵的累積產氣量

表4 不同處理麥秸厭氧發酵TS產氣量 (mL·g-1TS)

注：CK:貯存前麥秸；A:氧分壓21% ；B:氧分壓17%；C:氧分壓13%

4 結論

(1)在相同的含水率條件下，通過氣調貯存可以有效減少麥秸干物質損失。隨著氣調次數的增加，貯存環境中氧分壓降低，麥秸有機損失減少。

(2)與未進行氣調貯存的麥秸相比，處理過的麥秸中含有的細菌、真菌和放線菌數量明顯減少，說明麥秸得到了較好的貯藏效果。通過傅里葉紅外變換、電子掃描電鏡、XRD衍射和熱重分析發現，進行氣調貯存的麥秸纖維結構保存較好，并且氣調次數越多，麥秸纖維結構保存越完整。

(3)將不同處理的麥秸進行厭氧發酵試驗，貯存環境氧分壓為13%的麥秸比氧分壓為17%的麥秸累積TS產氣量提高11.9%，說明氣調貯存的麥秸產生了更高的產氣潛力，并且氧分壓越低，產氣效率越高。

5 展望

由于氣體調節試驗條件有限，未能設置更加詳細的氧分壓條件，希望接下來可根據更多比例條件找到最優的CO2氣調比，作為生產上的具體指導結論。