大豆秸稈釋碳影響因素研究

張軼洋 池艷輝 張云鳳 陳立煌 李雯靜 荊肇乾

(南京林業大學土木工程學院，南京 210037)

目前，我國許多城鎮污水處理廠因為進水的C/N比較低而需要加入外加碳源來提高生物脫氮能力。現今最為常用的液體外加碳源有甲醇、乙醇、葡萄糖、乙酸鈉等[1]，但是投加量難以準確控制，管理操作復雜，容易造成二次污染，并且需要較高的成本[2]。

我國是個農業大國，每年農作物秸稈產生量高達9億噸[3]。秸稈中富含豐富的纖維素，往往不被正確使用，隨意丟棄或者焚燒，造成了大量環境污染。曹文平等[4]研究發現富含纖維素的植物性材料在理論上都可用于生物反硝化的外加碳源，并且纖維素具有比表面積大的特點，適合細菌等的附著[5]。若農作物秸稈能夠得以合理利用，將能夠得到安全有效的反硝化外加碳源。大豆秸稈作為我國年產量豐富的秸稈，其纖維素含量在29.85%～33.92%，木質素含量在27.12%～36.98%[6]，半纖維素含量在12.62%～16.74%[7]。纖維素分子在一定條件下可以降解成為葡萄糖，但是其結晶度阻礙了自身的降解[2]。研究表明預處理可以破壞纖維素分子結構，加強其水解能力，同時pH和溫度等條件也都對秸稈釋碳有著一定影響[8]。本實驗以大豆秸稈為研究對象，研究通過不同酸堿度預處理、pH值、溫度與振蕩頻率四個因素對于大豆秸稈釋放COD的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料與預處理

大豆秸稈購自江蘇連云港，切成3～5 cm，洗凈表面雜質，85℃烘干備用。稱取6份10 g大豆秸稈，分別裝入裝有100 ml 1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH、1%H2SO4、3%H2SO4和5%H2SO4的錐形瓶中浸泡2 h，密封，處理后用純水沖洗，直至pH為7，85℃烘干備用。

1.2 實驗儀器設備

752N型紫外分光光度計(上海精科)；RM-220型超純水機(賽飛(中國))；ZD-85恒溫振蕩器(常州國華)；數字顯示恒溫水浴鍋(常州國華)。

1.3 實驗方法

(1)取以1%、2%、3%氫氧化鈉，1%、3%、5%硫酸預處理過的秸稈各2.5 g置于250 ml純水中，密封，在10 h、1 d、2 d、3 d、5 d取樣測COD。

(2)選取上述實驗釋總碳量較多的3組為較優組進行對比實驗，各取2.5 g于250 ml純水中，密封，在2 h、4 h(換水)、6 h、10 h(換水)、24 h、48 h、72 h測COD，然后比較。

(3)取2.5 g秸稈分別加入250 ml純水中，使得pH分別為5、6、7、8、9時，于2 h取樣測COD。

(4)取2.5 g秸稈于250 ml水中，控制pH=7，在20、25、30、35、40 ℃條件下，于2 h取樣測COD。

(5)取2.5 g秸稈于250 ml水中，控制pH=7，水溫35℃，于振蕩器不同頻率下振動，頻率依次為70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min、110 r/min，于2 h取樣測量COD。

以上過程COD的檢測方法皆為重鉻酸鉀法[9]。

2 結果與分析

2.1 不同酸堿度預處理條件下對秸稈釋碳的影響

圖1 不同酸堿度預處理對COD釋放的影響

從圖1可以看出，不同酸堿度預處理對秸稈釋碳的影響較大。何士成等[10]研究發現經過堿預處理后的秸稈，其纖維素結晶度都有所降低，這是因為OH-有效的削弱了半纖維素與纖維素之間的氫鍵。在稀酸預處理的情況下，成功脫除了部分半纖維素[11]，從而更有利于纖維素水解轉化為葡萄糖。圖1顯示，大豆秸稈COD的釋放在短時間內較為快速，前1天釋放較為快速，后續速度較為緩慢，趨于平穩。經過3%NaOH預處理2 h的秸稈在前10 h的釋碳量最高，高達470.256 mg/L。5%硫酸預處理2 h的秸稈在前10 h釋碳量稍低于3%NaOH預處理過的秸稈，COD釋放量為419.352 mg/L，但是在后續釋碳量上較高。而3%硫酸預處理過的秸稈在前10小時釋碳量上明顯小于前兩者，但在后續的COD釋放上高于前兩者，在5 d內三者COD釋放總量較為接近，于是選取這三種預處理過后的秸稈再次進行實驗對比(圖2)。

圖2 相似總釋碳量預處理秸稈的釋碳比較

從圖2可以看出經過3%NaOH預處理的秸稈釋碳性能較好，各時間段的釋碳量皆大于另兩種預處理的秸稈。由此推斷出經過3%NaOH預處理的秸稈其纖維素結構被破壞的程度大于另外兩種， COD釋放能力更大。前10個小時COD釋放較為快速，在一天之后逐漸趨于平緩。在最初兩個小時內，釋放COD量為172.608 mg/L，占72 h內釋碳總量521.754 mg/L的三分之一左右。同時，另兩種預處理后的秸稈在兩小時的COD釋放量都占了總釋放量的四分之一左右。由此可見，前兩小時COD釋放最為快速。經過堿預處理的秸稈對于可溶性碳源的釋放量影響較小，并且氮素的釋放對于系統的脫氮負荷也沒有明顯的增加[12]，所以經過3%NaOH預處理2 h的秸稈釋碳效果較好。

2.2 pH對秸稈釋碳的影響

由圖3可見，不同pH值對秸稈釋碳量影響較大，且在pH=7時，COD釋放量達到最大值，為168.872 mg/L。曹文平等[13]研究發現稻草秸稈在酸性條件下COD釋放量更加充足；熊建峰等[14]利用梧桐樹葉實驗，發現在偏酸性的條件下釋放COD更多，其原因都是因為在堿性條件下不利于有機酸的釋放。本研究實驗結果與其有所不同，發現在中性條件下釋碳量最多，可能是因為在短時間內稀酸與弱堿并沒能夠達到破壞纖維素結構的目的，于是導致了在中性條件下COD的釋放量最多。

圖3 pH對COD釋放的影響

2.3 溫度對秸稈釋碳的影響

溫度對秸稈COD的釋放影響較大，由圖4可知在20～25℃，COD釋放量呈下降趨勢；在25～35℃，COD釋放量呈快速上升趨勢；在35～40℃，COD釋放量又呈下降趨勢，且峰值出現在35℃，為226.240 mg/L。在溫度較低時，分子內部活動減緩，因而有機質釋放較低。在適當的范圍內，溫度升高時，大豆秸稈內分子的熱運動加劇，碰撞更加激烈，使得它與外界水體之間的物質傳遞加速，從而有利于秸稈上的有機物的釋放[15]。同時，溫度的升高也使秸稈的表面變得更加松軟，在一定程度上擴大了表面孔隙，利于內部與外部物質的交換。溫度較高時，雖然內部分子運動加劇，但并不代表與外界物質交換的速度會無止境的上升，有機質的釋放是由秸稈內部纖維素等結構遭到破壞從而水解產生葡萄糖，要想通過高溫破壞纖維素結構，則需要較高溫度條件下進行。但是在反硝化過程中，溫度也是一個十分重要的因素，學者研究表明[16]在25～35℃之間固體外加碳源聯合反硝化細菌的脫氮效果較好，因為反硝化細菌的生長需要在適宜的溫度之間，否則生長繁殖較慢。當在35℃時，秸稈釋放COD含量最多，從而提供了較多適合微生物生長的碳源，此種溫度下秸稈作為外加碳源應該有較好的效果。

圖4 不同溫度對COD釋放的影響

2.4 振蕩頻率對秸稈釋碳的影響

由圖5可以看出不同的振蕩頻率對于秸稈COD的釋放并未有較為規律的影響，但在振蕩頻率為80 r/min時，COD的釋放量達到峰值172.800 mg/L。振蕩易加強秸稈內部分子運動，適度的振蕩使其碰撞激烈，有利于碳源釋放，但是振蕩頻率過度增加，并不能提高碳源釋放量。

圖5 不同振蕩頻率對COD釋放的影響

3 結論

(1)經過3%NaOH預處理兩小時的秸稈釋碳性能最好，預處理成功的破壞了纖維素的晶體結構，使得纖維素變得利于水解產生葡萄糖。秸稈釋碳具有快速的特點，前兩小時釋放COD最為快速，一天之后釋放量趨于平緩。

(2)溫度對秸稈釋碳有著較大的影響，且在35℃釋碳量達到最大值，為226.240 mg/L，同時，35℃也是微生物生長的適宜溫度，所以在此條件下適合反硝化的進行。

(3)秸稈釋碳時進行振蕩有助于有機質的釋放，在振蕩頻率為80 r/min時，釋碳量達到峰值。