微波輔助對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵過程的影響

王俊　李暉　曹遜　等

摘要：以秸稈為研究對(duì)象，通過研究產(chǎn)氣量、發(fā)酵液pH值、揮發(fā)性有機(jī)酸濃度、秸稈降解率和纖維素、半纖維素的分解率等參數(shù)，比較了37 ℃條件下不同微波處理時(shí)間（每天10、20、30、40 s）對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵效果的影響。結(jié)果表明：微波輔助厭氧發(fā)酵能夠提高秸稈發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量，其中每天處理30 s產(chǎn)氣量從對(duì)照組的5 765 mL提高到7 428 mL；發(fā)酵過程中發(fā)酵液pH值與發(fā)酵液中揮發(fā)性有機(jī)酸的含量呈正比；微波處理后秸稈失重率提高。說明秸稈厭氧發(fā)酵過程中每天微波處理30 s，能夠顯著促進(jìn)纖維素、半纖維素分解，提高產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞： 微波；秸稈；厭氧發(fā)酵；降解率

中圖分類號(hào)： S216.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0251-02

收稿日期：2014-02-27

基金項(xiàng)目： 國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2011BAD15B02）；國家“863”計(jì)劃（編號(hào)：2012AA021405）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：BE2010359）。

作者簡介：王俊（1989—），男，安徽潁上人，碩士研究生，主要從事厭氧發(fā)酵分析相關(guān)工作。E-mail：wangjun.945@163.com。

通信作者：李暉，博士，副教授。E-mail：leehvi@163.com。農(nóng)作物秸稈的處理已經(jīng)成為困擾我國主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)的一個(gè)大問題，簡單的焚燒模式不僅對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[1]，更是對(duì)儲(chǔ)量巨大的生物質(zhì)資源的浪費(fèi)[1-3]。秸稈的厭氧消化是生物質(zhì)資源開發(fā)的研究方向，其中沼氣受到了更多的關(guān)注，通過各種方法如化學(xué)吸附、變壓吸附等除去沼氣中所含的CO2之后CH4純度可以達(dá)到97%[4-6]。秸稈的厭氧消化過程主要是利用厭氧微生物的消化作用將作物秸稈中的纖維素、半纖維素分解，生成甲烷，這個(gè)過程中纖維素、半纖維素的分解是影響產(chǎn)氣量的重要因素。微波是電磁波的一種，其具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)表現(xiàn)為能夠使極性分子在電磁場中發(fā)生高頻率的震動(dòng)，發(fā)生碰撞、摩擦，使反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)溫度升高[7]。有研究結(jié)果表明，微波輻射能夠使纖維素、半纖維素、總糖轉(zhuǎn)化率分別提高了30.6%、43.3%、30.3%[8]；在供氫體如甲酸等存在下，微波處理后木質(zhì)素會(huì)發(fā)生較好的解聚[9]。微波輔助反應(yīng)技術(shù)在生物質(zhì)的預(yù)處理過程和酶促進(jìn)糖化效果等方面都有大量報(bào)道，但在輔助發(fā)酵過程方面的研究未見文獻(xiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)試圖通過微波輔助厭氧發(fā)酵，研究不同微波處理時(shí)間對(duì)秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效果及秸稈降解率的影響，希望找到一種促進(jìn)秸稈厭氧發(fā)酵的輔助技術(shù)。

1材料與方法

1.1發(fā)酵裝置

本試驗(yàn)采用自制發(fā)酵裝置（1 500 mL發(fā)酵罐、5 000 mL集氣瓶、2 000 mL集水瓶），用排水集氣法收集產(chǎn)生的氣體，試驗(yàn)裝置用醫(yī)用硅膠管連接，使用前嚴(yán)格檢查氣密性，確保氣密性良好。

1.2試驗(yàn)原料及接種物性質(zhì)

本試驗(yàn)所用稻草秸稈采集自江蘇省泗陽縣盧集鄉(xiāng)，自然風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎。接種液來自江蘇省南京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新中心沼氣示范工程發(fā)酵罐，沼液用紗布過濾除掉殘?jiān)?，稀?倍。發(fā)酵秸稈原料和接種液的性質(zhì)見表1 。

表1試驗(yàn)原料秸稈及接種物性質(zhì)

材料總固體

（%）揮發(fā)性

固體（%）水分

（%）灰分

（%）纖維素

（%）半纖維素

（%）C/N秸稈95.8280.764.1815.7231.0436.2730接種物1.10.798.90.38——18

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置體積為1 500 mL，加入稀釋1倍后的沼液1 000 mL，加入40 g秸稈，用尿素調(diào)節(jié)C/N為25 ∶1[12]。將發(fā)酵裝置置于37 ℃恒溫水浴槽中發(fā)酵。設(shè)定每24 h微波處理1次，微波功率800 W，試驗(yàn)組分別處理10、20、30、40 s，對(duì)照組不進(jìn)行微波處理。每24 h測(cè)定1次產(chǎn)氣量；每72 h采集發(fā)酵液，測(cè)定pH值和有機(jī)酸含量。發(fā)酵20 d結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定發(fā)酵前秸稈和發(fā)酵后剩余固體物質(zhì)成分。

1.4測(cè)定方法

發(fā)酵罐的產(chǎn)氣量由其排水量測(cè)定；發(fā)酵過程中沼液pH值由pH計(jì)測(cè)定；有機(jī)酸含量使用比色法[13]測(cè)定；總碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；總氮含量由凱氏定氮儀測(cè)定[14]；總固體（TS）含量及揮發(fā)性固體（VS）含量采用沼氣發(fā)酵常規(guī)分析方法[15] 測(cè)定；纖維素、半纖維素的測(cè)定采用美國能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的方法[16] 。

2結(jié)果與分析

2.1微波處理對(duì)發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量的影響

由圖1可以看出，累積產(chǎn)氣率最高的為每天微波30 s處理，且產(chǎn)氣速率也要明顯高于其他處理，總產(chǎn)氣量達(dá)到 7 428 mL，而對(duì)照總產(chǎn)氣量為5 765 mL，30 s處理比對(duì)照提高了28.85%，微波處理10、20、40 s 3個(gè)處理累積產(chǎn)氣量分別為6 059、7 094、6 777 mL，較對(duì)照分別提高了5.10%、23.06%、17.56%。各處理所產(chǎn)氣體中甲烷的比例為46%～53%，每天處理30 s甲烷的產(chǎn)量由對(duì)照的2 859 mL增加到3 647 mL，產(chǎn)率提高27.55%。表明微波處理30 s對(duì)產(chǎn)氣量的促進(jìn)作用高于其他微波處理時(shí)間。

2.2微波處理對(duì)發(fā)酵過程中pH值和有機(jī)酸含量的影響

pH值是影響厭氧發(fā)酵過程中的一個(gè)重要因素，同時(shí)也與發(fā)酵體系中微生物活力、小分子物質(zhì)如有機(jī)酸等含量有密切關(guān)系[17]。從圖2的pH值變化趨勢(shì)可以看出，發(fā)酵體系pH值呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。發(fā)酵開始時(shí)pH值為7.46～748，發(fā)酵體系呈現(xiàn)微堿性，對(duì)秸稈的厭氧發(fā)酵是有利的。隨著秸稈的逐步降解，產(chǎn)酸菌的活性增強(qiáng)，使有機(jī)酸產(chǎn)生積累，3 d 時(shí)pH值降至 7.01～7.13。產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng)之后分解有機(jī)酸速度加快，有機(jī)酸含量逐步降低，使6 d之后體系中pH值上升，至發(fā)酵結(jié)束pH值在7.30附近。

有機(jī)酸是厭氧消化過程甲烷產(chǎn)生的原料之一，對(duì)厭氧消化過程有著重要影響。過高的有機(jī)酸含量會(huì)使pH值過低，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性；過低的有機(jī)酸含量使產(chǎn)甲烷菌得不到足夠的原料，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣量的降低。從圖3可以看出，有機(jī)酸含量在3 d時(shí)達(dá)到最高值（1 440～1 566 mg/L），隨著發(fā)酵進(jìn)程，有機(jī)酸含量呈現(xiàn)先高后低的總體趨勢(shì)，到15 d時(shí)降低到511～523 mg/L，這與產(chǎn)氣量的總體趨勢(shì)相吻合，表明有機(jī)酸含量是影響產(chǎn)氣量的重要因素。微波處理對(duì)試驗(yàn)前期有機(jī)酸含量的影響大于后期。

2.3微波處理對(duì)發(fā)酵過程中秸稈降解的影響

2.3.1對(duì)纖維素、半纖維素等降解率的影響從秸稈中各組分在發(fā)酵后的降解率（表2）可以看出，較短時(shí)間的微波處理促進(jìn)了纖維素、半纖維素的降解。原因是微波處理能夠促進(jìn)纖維素晶體的解聚，進(jìn)而增大纖維素等的微生物可及度。

表2不同微波處理對(duì)纖維素、半纖維素降解率的影響

微波處理時(shí)間

（s）降解率（%）纖維素半纖維素0 59.7759.5510 61.3061.6920 63.5964.1530 64.7165.1340 61.4162.18

2.3.2微波處理對(duì)發(fā)酵過程中秸稈失重率的影響秸稈在發(fā)酵過程中會(huì)消耗較多的纖維素等成分，發(fā)酵后秸稈的失重率是發(fā)酵效率的表征之一。由圖4可以看出，經(jīng)過微波處理處理10、20、30、40 s， 秸稈失重率由對(duì)照的54.45%分別增長到58.02%、58.94%、59.48%、58.92%。說明微波處理對(duì)秸稈的分解有促進(jìn)作用。

3討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，微波處理能夠提高秸稈厭氧發(fā)酵過程沼氣的產(chǎn)量，每天30 s的微波處理能夠?qū)斩拝捬醢l(fā)酵過程有明顯的促進(jìn)作用，微波處理30 s條件下總產(chǎn)氣量由對(duì)照的 5 765 mL 提高到7 428 mL，提高了28.85%。其中的原因可能是：（1）微波的非熱效應(yīng)能夠?qū)斩挼木w結(jié)構(gòu)起到松散作用[18]，使可發(fā)酵的組分更容易被利用，有研究結(jié)果表明微波處理能夠提高可發(fā)酵糖的釋放量[19]；（2）非熱效應(yīng)對(duì)菌體的酶產(chǎn)量有提高作用或?qū)γ傅幕钚杂写龠M(jìn)作用；（3）微波的振動(dòng)作用有利于秸稈表面新產(chǎn)生氣體的釋放，間接增加了可發(fā)酵的面積。

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