水稻秸稈滲濾床半固態(tài)厭氧發(fā)酵性能研究

劉 科, 賀 靜, 韋秀麗, 蔣 滔, 唐 寧, 張德勇

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 重慶 401329; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041; 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用南方科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 重慶 401329; 4.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)與設(shè)備研發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401329)

秸稈沼氣按發(fā)酵原料總固體(TS)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分成液態(tài)發(fā)酵(TS<10%)，半固態(tài)發(fā)酵(TS=10%～15%)和固態(tài)發(fā)酵(TS>15%)3種類型[4-5]。相比液態(tài)發(fā)酵，半固態(tài)及固態(tài)發(fā)酵具有容積產(chǎn)甲烷率高、系統(tǒng)保溫加熱的能量需求低、沼液產(chǎn)量少、沼渣水分低且易處理等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，是目前國(guó)內(nèi)外厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，歐洲近年新建的沼氣工程超過(guò)60%采用半固態(tài)或固態(tài)發(fā)酵工藝[8]。然而秸稈原料中外層木質(zhì)素的屏蔽效應(yīng)阻礙了纖維素酶對(duì)內(nèi)層纖維素的分解[9-10]，嚴(yán)重制約了秸稈的厭氧發(fā)酵效率，因此預(yù)處理工藝顯得尤為重要。目前水稻秸稈預(yù)處理方式包括稀酸[11]、稀堿[12]、蒸汽爆破[13]、水熱[14]、濕式氧化[15]和生物試劑[16-17]等，其中以稀堿和生物試劑應(yīng)用最為普遍。研究發(fā)現(xiàn)稀堿預(yù)處理后的水稻秸稈的揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)甲烷率可以達(dá)到341～520 mL/g，相比未處理時(shí)提高30%～100%[8]。Zheng等[18]通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)總結(jié)出NaOH對(duì)秸稈甲烷產(chǎn)氣率的促進(jìn)作用在3.2%～230%之間，采用生物預(yù)處理秸稈甲烷產(chǎn)氣率可提升至15%～500%，然而以上結(jié)論都是以液態(tài)發(fā)酵為參照的，預(yù)處理方式對(duì)固態(tài)發(fā)酵及半固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氣提升率還有待進(jìn)一步研究[7]。另一方面，滲濾床發(fā)酵系統(tǒng)作為近年來(lái)新興的一種厭氧發(fā)酵技術(shù)，被廣泛用于畜禽糞便、秸稈、有機(jī)生活垃圾等廢物的固態(tài)發(fā)酵處理中[19]。Degueurce等[20]采用滲濾床工藝對(duì)牛糞的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氣率進(jìn)行了研究，并取得了較好的產(chǎn)氣效果，但目前采用滲濾床厭氧發(fā)酵工藝對(duì)不同溫度下、經(jīng)不同預(yù)處理后水稻秸稈產(chǎn)氣效率的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以水稻秸稈為原料，利用自行設(shè)計(jì)的滲濾床發(fā)酵系統(tǒng)，對(duì)比分析了稀堿水解、生物酶解及沼液預(yù)處理3種方式對(duì)秸稈厭氧物能轉(zhuǎn)化率、發(fā)酵后沼液成分變化等方面的影響，以期為秸稈半固態(tài)發(fā)酵提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而為滲濾床發(fā)酵工藝實(shí)際運(yùn)行提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

水稻秸稈取自重慶市白市驛鎮(zhèn)皇田，收集后用清水洗凈，自然風(fēng)干后，剪短至5～10 cm，置干燥箱中55 ℃烘6 h，并測(cè)定其理化指標(biāo)。通過(guò)分析，水稻秸稈含水率為6.5%，總固體(TS)93.5%，揮發(fā)性固體(VS) 86.5%，C 42.12%，N 0.87%，H 5.73%,O 40.30%。NaOH，市售分析純;秸稈沼液，實(shí)驗(yàn)室自制[21];綠秸靈，中科院成都生物研究所。

1.2 水稻秸稈的預(yù)處理

參考文獻(xiàn)[21]方法，采用稀堿、沼液以及生物試劑3種方式進(jìn)行預(yù)處理，每種方式稱取水稻秸稈160.43 g，分別放置于8 L的自制滲濾床反應(yīng)器中，每種預(yù)處理方式做2次重復(fù)。其中，稀堿樣品用900 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaOH溶液預(yù)處理7 d；沼液樣品用900 mL的秸稈沼液預(yù)處理7 d；生物試劑樣品用綠秸靈預(yù)處理7 d；并以用900 mL清水浸漬處理7 d的樣品為空白對(duì)照。以上所有處理在25 ℃ 恒溫條件下進(jìn)行。

1.集氣袋biogas storage bag; 2.發(fā)酵罐外壁fermenter external; 3.過(guò)濾板filter plates; 4.恒溫水腔thermostatic water chamber;5.發(fā)酵罐內(nèi)腔fermenter chamber; 6.噴頭nozzle; 7.沼液腔leachate chamber; 8.回流泵reflux pump;9.沼液存儲(chǔ)罐leachate storage tank圖1 滲濾床厭氧發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic leach bed reactors

1.3 滲濾床發(fā)酵試驗(yàn)

前期研究表明[21]，預(yù)處理過(guò)程結(jié)束后，可加入沼液接種物直接發(fā)酵，無(wú)需其他處理。利用反應(yīng)器外層恒溫水循環(huán)系統(tǒng)分別在20、 25、 30及35 ℃下恒溫發(fā)酵。發(fā)酵接種物為2 L不產(chǎn)氣沼液，反應(yīng)器底部為多孔濾板，秸稈在濾板上面，當(dāng)沼液噴淋在秸稈原料上方后，多余的沼液會(huì)順多孔板流入沼液存儲(chǔ)罐內(nèi)，存儲(chǔ)罐內(nèi)的沼液又可通過(guò)回流泵加壓噴入發(fā)酵罐內(nèi)，完成循環(huán)噴淋。通過(guò)此工藝反應(yīng)器中的發(fā)酵原料TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣用3 L鋁箔集氣袋收集。滲濾床厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示。

1.4 分析方法

“傳杜太守事者”，即指《杜麗娘慕色還魂記》話本，見(jiàn)于明人何大掄《燕居筆記》卷九，作者為嘉靖二十七年（1548）進(jìn)士晁瑮。話本原寫得平淡無(wú)奇而乏于文采，但湯顯祖卻從中領(lǐng)悟到生活在封建桎梏下的少女們那種不甘于向命運(yùn)屈服，為人生幸福而斗爭(zhēng)的積極含義，毅然將話本改編成傳奇劇本。

參考文獻(xiàn)[21]，pH值利用便攜式pH計(jì)(IQ150)測(cè)定，每次測(cè)量前用7.00和10.00的pH標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)。沼氣中CH4及CO2濃度采用GEM 2000 plus便攜式沼氣分析儀測(cè)定；TS采用烘干法測(cè)定；VS采用灼燒稱重法測(cè)定；COD采用重鉻酸鉀比色法測(cè)定；NH3-N濃度采用納氏試劑光度法測(cè)定；產(chǎn)氣量采用100 mL的針筒抽取測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對(duì)稻稈發(fā)酵產(chǎn)氣的影響

2.1.1空白處理 圖2(a)為空白處理水稻秸稈的日產(chǎn)氣過(guò)程。總體上各溫度下的日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)“兩峰”趨勢(shì)。第一峰值出現(xiàn)時(shí)間在發(fā)酵第6～8 d，第二峰值在隨后的6～7 d出現(xiàn)。溫度越高產(chǎn)氣峰值越大，35 ℃發(fā)酵時(shí)的第一峰值為1 910 mL，而20 ℃僅650 mL；同時(shí)，35 ℃樣本的峰值出現(xiàn)時(shí)間較20 ℃提前約1 d。在25 d的發(fā)酵周期內(nèi)，20、 25、 30和35 ℃條件下總產(chǎn)氣量分別為4 530、 11 500、 15 170和18 460 mL。由圖2(b)可知，發(fā)酵前5 d 產(chǎn)氣中甲烷含量迅速上升，至發(fā)酵第7 d后，各樣品系統(tǒng)基本進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)甲烷期，且隨溫度上升甲烷體積分?jǐn)?shù)有增加的趨勢(shì)，35 ℃時(shí)產(chǎn)氣高峰期的甲烷體積分?jǐn)?shù)在36%～39%之間，較20 ℃的30%～33%提高近6個(gè)百分點(diǎn)。

a.日產(chǎn)氣量daily gas production; b.甲烷體積分?jǐn)?shù)volume fraction of methane

2.1.2堿預(yù)處理 堿預(yù)處理作為秸稈預(yù)處理最為高效的方式之一，是實(shí)現(xiàn)秸稈資源高值轉(zhuǎn)化利用的重要途徑[9,22]。微生物的酶反應(yīng)、膜平衡的維持以及滲透壓的調(diào)節(jié)都需要無(wú)機(jī)鹽，研究表明發(fā)酵液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，適于厭氧微生物生長(zhǎng)，而當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增高反而會(huì)產(chǎn)生抑制作用，呈現(xiàn)“低促高抑”的結(jié)果[23]。本研究稀堿預(yù)處理后發(fā)酵液中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足1%，不足以產(chǎn)生鹽抑制影響。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH稀堿預(yù)處理后的水稻秸稈日產(chǎn)氣量與空白樣品相似，亦呈“雙峰”趨勢(shì)(見(jiàn)圖3(a))，且峰值時(shí)間隨溫度升高逐漸提前，35 ℃較20 ℃提前約2 d，峰值提高2倍多。25 d的發(fā)酵過(guò)程中，經(jīng)NaOH稀堿預(yù)處理的樣品在20、 25、 30和35 ℃條件下累積產(chǎn)氣量分別為5 360、 12 060、 17 470和16 210 mL。由圖3(b)可知，發(fā)酵過(guò)程中甲烷體積分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)隨溫度升高而上升的趨勢(shì)。35和30 ℃ 樣品產(chǎn)氣穩(wěn)定期的甲烷體積分?jǐn)?shù)約35%，而20和25 ℃穩(wěn)定期的甲烷體積分?jǐn)?shù)約31%。

a.日產(chǎn)氣量 daily gas production; b.甲烷體積分?jǐn)?shù) volume fraction of methane

2.1.3生物試劑預(yù)處理 生物試劑預(yù)處理主要是利用真菌或混合菌體對(duì)秸稈中木質(zhì)素、纖維素等的降解能力達(dá)到破壞秸稈纖維結(jié)構(gòu)的目的[24-25]。由圖4可知，經(jīng)生物試劑預(yù)處理后的水稻秸稈在35 ℃發(fā)酵溫度下，產(chǎn)氣峰值明顯上升，達(dá)到2 390 mL，較空白樣本(1 910 mL)提高25.1%。峰值出現(xiàn)時(shí)間與空白、稀堿預(yù)處理樣品相差不大，約為發(fā)酵后的5～7 d。發(fā)酵結(jié)束后，20、 25、 30和35 ℃條件下總產(chǎn)氣量分別為6 320、 17 040、 20 200和21 540 mL。可見(jiàn)30 ℃以后，產(chǎn)氣總量提高并不明顯。甲烷體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與2.1.1和2.1.2節(jié)相似，即35和30 ℃處理樣品在產(chǎn)氣穩(wěn)定期的甲烷體積分?jǐn)?shù)較20和25 ℃ 樣品平均高約5～6個(gè)百分點(diǎn)。

a.日產(chǎn)氣量 daily gas production; b.甲烷體積分?jǐn)?shù) volume fraction of methane

a.日產(chǎn)氣量 daily gas production; b.甲烷體積分?jǐn)?shù) volume fraction of methane

2.2 發(fā)酵前后指標(biāo)對(duì)比分析

水稻秸稈發(fā)酵前后TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、COD和NH3-N質(zhì)量濃度隨預(yù)處理方式和發(fā)酵溫度的變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)酵前后各指標(biāo)變化

由表1可知，發(fā)酵后物料TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降，但基本保持在13%～15%之間，說(shuō)明系統(tǒng)屬于半固態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵后沼液pH值較發(fā)酵前有所降低，并穩(wěn)定在6.40～7.70之間，可見(jiàn)滲濾床反應(yīng)器運(yùn)行良好，沒(méi)有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。各預(yù)處理樣品發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)束后沼液中COD及NH3-N質(zhì)量濃度上升，且隨發(fā)酵溫度升高其變化率有增大的趨勢(shì)。空白樣品20 ℃時(shí)沼液中COD、NH3-N質(zhì)量濃度較發(fā)酵前分別提高38.6%和94.8%，而在35 ℃發(fā)酵條件下，這一數(shù)值提升至65.8%和295.1%。進(jìn)一步分析表明，累積產(chǎn)氣量與溫度、發(fā)酵后COD及NH3-N的變化量均呈極顯著正相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)，n=16)，相關(guān)系數(shù)分別為0.856、0.721和0.871；而與發(fā)酵后pH值、TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。在一定范圍內(nèi)發(fā)酵溫度升高，微生物及酶活性增強(qiáng)，對(duì)原料的降解會(huì)更徹底，因此沼液中殘留COD及NH3-N質(zhì)量濃度更大。

2.3 物能轉(zhuǎn)化率的對(duì)比分析

2.3.1預(yù)處理方式 預(yù)處理不同程度地破壞了秸稈纖維結(jié)構(gòu)，有助于微生物對(duì)可發(fā)酵物質(zhì)的利用和酶解的進(jìn)行，提高秸稈的物能轉(zhuǎn)化速率[8,29]。由表2可知，同一溫度(20～30 ℃)條件下，經(jīng)預(yù)處理后的水稻秸稈樣品的TS產(chǎn)氣率均有所提高，20 ℃恒溫發(fā)酵條件下，NaOH、生物試劑及沼液預(yù)處理樣品的TS產(chǎn)氣率分別為35.7、 42.1、 59.7 mL/g，分別較空白樣品提高18.2%、 39.4%及97.6%。35 ℃恒溫條件下，3種預(yù)處理樣品的TS產(chǎn)氣率分別為108.1、143.6及154.0 mL/g，分別較空白樣品提高-12.2%、16.6%、25.1%。從甲烷產(chǎn)量來(lái)看，由于整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中甲烷體積分?jǐn)?shù)不高，各預(yù)處理下產(chǎn)氣穩(wěn)定期保持在31%～42%的水平，因此TS產(chǎn)甲烷率略低，最佳處理樣品累積產(chǎn)甲烷量?jī)H7 658 mL，占總產(chǎn)氣量的33.2%，VS產(chǎn)甲烷率為55.2 mL/g，較相同溫度下的空白處理提高52.5%。對(duì)于半固態(tài)水稻秸稈發(fā)酵系統(tǒng)，沼液為最佳預(yù)處理方式，優(yōu)于生物試劑及NaOH。沼液預(yù)處理作為秸稈生物處理的一種方式，不僅有效破壞了秸稈纖維結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)氣率，而且改善了發(fā)酵液的C/N比，提升了發(fā)酵產(chǎn)氣速率[21,28]。而NaOH預(yù)處理后的稻稈，在35 ℃條件下的VS產(chǎn)甲烷率較空白樣品降低28.2%，這與陳廣銀等[30]關(guān)于NaOH 處理對(duì)互花米草高溫干式厭氧發(fā)酵所得結(jié)果相似。

表2 不同條件下水稻秸稈產(chǎn)氣數(shù)據(jù)

2.3.2溫度 半固態(tài)發(fā)酵溫度主要是通過(guò)影響厭氧微生物體內(nèi)酶活性，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)速率及對(duì)底物的代謝速率。因此，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，原料產(chǎn)氣率隨溫度上升而提高。由表2可知，各樣品TS產(chǎn)氣率及VS產(chǎn)甲烷率基本呈隨溫度上升而增加的趨勢(shì)。空白、NaOH、生物試劑及沼液預(yù)處理在35 ℃的TS產(chǎn)氣率分別較20 ℃提升307.6%、 202.8%、 241.1%及157.9%；35 ℃的VS產(chǎn)甲烷率分別較20 ℃提升258.4%、140.7%、248.4%及174.6%。主要是因?yàn)闇囟壬哂欣谔岣呃w維素酶、木聚糖酶的活性[31]。楊先榮等[32]研究也發(fā)現(xiàn)，30 ℃恒溫條件下水葫蘆渣干發(fā)酵VS產(chǎn)氣率為87 mL/g，是25 ℃發(fā)酵條件下產(chǎn)氣率的1.4倍。另一方面，從溫度梯度及產(chǎn)氣提升率方面來(lái)看(見(jiàn)表2),將溫度從 20 ℃ 提升至25 ℃，各處理產(chǎn)甲烷率可提高90%以上；而將溫度從25 ℃提升至30 ℃，VS產(chǎn)甲烷率可提高30%以上；將溫度從30 ℃提升至35 ℃，經(jīng)生物試劑和沼液預(yù)處理后的樣品VS產(chǎn)甲烷率提高低于8%。考慮到沼氣工程罐體增溫及產(chǎn)能收支平衡等因素，溫度控制在25 ℃是經(jīng)濟(jì)性最好的策略模式。

2.4 產(chǎn)氣成本初步分析

秸稈沼氣工程是一種低副加值、低收益的環(huán)保產(chǎn)業(yè)，如果預(yù)處理成本過(guò)高，或者預(yù)處理后產(chǎn)氣量的提升不能支付預(yù)處理費(fèi)用，那么對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)將是沉重的負(fù)擔(dān)，可見(jiàn)成本是制約秸稈沼氣工程預(yù)處理方法推廣應(yīng)用的重要因素。因此,有必要在研究得出的最大干物質(zhì)產(chǎn)氣率和處理成本基礎(chǔ)上對(duì)水稻秸稈產(chǎn)沼氣的可變成本進(jìn)行初步分析。本研究中化學(xué)預(yù)處理試劑主要包括生物試劑和NaOH，其市場(chǎng)價(jià)格分別為60 000和2 000元/噸，水稻秸稈原料的價(jià)格約為250元/噸，據(jù)此計(jì)算得到不同方法生產(chǎn)沼氣所需的可變成本見(jiàn)表3。由表3可知，利用自產(chǎn)沼液預(yù)處理水稻秸稈的成本最低，每生產(chǎn)1 m3沼氣的可變成本為 1.62元；采用生物試劑預(yù)處理水稻秸稈，每生產(chǎn)1 m3沼氣的可變成本為1.80元，采用1.5% NaOH溶液預(yù)處理水稻秸稈的可變成本為3.70元，可變成本最高。比較而言，自產(chǎn)沼液具有較佳的預(yù)處理效果和較低的生產(chǎn)成本，更利于工程推廣應(yīng)用。

表3 不同預(yù)處理方式下水稻秸稈產(chǎn)沼氣的可變成本分析

3 結(jié) 論

3.1經(jīng)NaOH、生物試劑和沼液預(yù)處理后的秸稈日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)“兩峰”趨勢(shì)，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣峰值及甲烷體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)隨溫度升高(20～35 ℃)而上升的趨勢(shì)。

3.2相同溫度(20～30 ℃)條件下，經(jīng)預(yù)處理后的水稻秸稈TS產(chǎn)氣率均有所提高，相比NaOH和生物試劑，沼液預(yù)處理效果最為明顯，35 ℃條件下，TS產(chǎn)氣率達(dá)到154.0 mL/g，較空白樣品提高25.1%；VS產(chǎn)甲烷率達(dá)到55.2 mL/g，較空白樣品提高52.5%。各預(yù)處理樣品TS產(chǎn)氣率及VS產(chǎn)甲烷率隨溫度(20～30 ℃)上升而增加，但產(chǎn)氣提升率隨溫度的上升而逐漸下降，溫度從20 ℃提升至25 ℃時(shí)，各處理產(chǎn)甲烷率可提高90%以上。考慮到沼氣工程罐體增溫及產(chǎn)能收支平衡等因素，溫度控制在25 ℃是經(jīng)濟(jì)性最好的策略模式。

3.3發(fā)酵結(jié)束后TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在13%～15%之間，沼液pH值略有降低，但沼液COD及NH3-N質(zhì)量濃度增加，且增幅隨發(fā)酵溫度上升而提高。累積產(chǎn)氣量與溫度、發(fā)酵后COD及NH3-N的變化量均呈極顯著正相關(guān)。

3.4從沼氣生產(chǎn)可變成本看，沼液預(yù)處理秸稈的成本最低，每生產(chǎn)1 m3沼氣的可變成本為1.62元，采用1.5% NaOH溶液預(yù)處理水稻秸稈成本最高。比較而言，自產(chǎn)沼液預(yù)處理水稻秸稈更利于工程推廣應(yīng)用。