黃貯時(shí)間對(duì)東北地區(qū)玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能的影響

蘇小紅，范 超，王 欣，劉 偉，周 闖，陸 佳

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

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黃貯時(shí)間對(duì)東北地區(qū)玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能的影響

蘇小紅1，2，范 超1，2，王 欣1，2，劉 偉1，2，周 闖1，2，陸 佳1，2

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

模擬青貯秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)，將東北地區(qū)堆放的玉米秸稈通過(guò)黃貯技術(shù)進(jìn)行貯存與預(yù)處理，并優(yōu)化黃貯時(shí)間的技術(shù)參數(shù)，提高秸稈中難降解成分的轉(zhuǎn)化率，結(jié)果表明：將玉米秸稈黃貯80 d后，可以有效防止玉米秸稈腐爛變質(zhì)，水解發(fā)酵更容易進(jìn)行，日均產(chǎn)氣量達(dá)276 mL以上，比未經(jīng)處理的對(duì)照試驗(yàn)組高出610%以上，可見(jiàn)，黃貯時(shí)間對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷性能影響顯著，且黃貯技術(shù)作為一項(xiàng)東北地區(qū)干秸稈的貯存與預(yù)處理方法，技術(shù)上是可行的，可確保高寒地區(qū)沼氣工程的周年連續(xù)運(yùn)行的原料供應(yīng)。

黃貯時(shí)間；玉米秸稈；預(yù)處理；厭氧發(fā)酵

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，作為沼氣工程的原料潛力巨大，近幾年秸稈沼氣工程逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。但秸稈中含有大量的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等天然高分子物質(zhì)，緊密聚合在一起，難以被微生物直接降解利用，導(dǎo)致秸稈沼氣工程發(fā)酵啟動(dòng)緩慢、發(fā)酵周期長(zhǎng)、產(chǎn)氣量少。此外，受農(nóng)作物秸稈的收獲季節(jié)限制，尤其是東北地區(qū)秸稈的季節(jié)性和時(shí)效性限制了沼氣工程全年的連續(xù)運(yùn)行，滿足不了沼氣工程的原料持續(xù)供應(yīng)，因此，需要對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行長(zhǎng)期有效貯存，目前，常用的秸稈長(zhǎng)期貯存方法為青貯。大量研究表明，利用秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的關(guān)鍵技術(shù)之一是預(yù)處理技術(shù)[4-6]。而將秸稈通過(guò)青貯預(yù)處理后，不僅可以解決秸稈的貯存問(wèn)題，還可縮短發(fā)酵時(shí)間，提高秸稈的厭氧產(chǎn)氣效率[7-10]。

青貯是將青綠秸稈(要求秸稈含水率在60%～70%)逐層裝入密閉的容器或設(shè)施中，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵而調(diào)制、貯存飼料的一種技術(shù)。相對(duì)青貯而言，黃貯技術(shù)是將干(黃)秸稈粉碎后加入適量的水，再逐層壓實(shí)并密封在密閉的容器中，通過(guò)微生物的厭氧發(fā)酵作用，將原料中的糖分轉(zhuǎn)化為乳酸等物質(zhì)，當(dāng)原料中積累了一定濃度的乳酸時(shí)，微生物的活動(dòng)就會(huì)受到抑制，從而實(shí)現(xiàn)原料中養(yǎng)分的良好保存[11]。最初青貯與黃貯技術(shù)均應(yīng)用于飼料的貯藏領(lǐng)域，近年來(lái)，秸稈沼氣工程中多使用青貯技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，但由于青貯技術(shù)要求飼料的含水率不能過(guò)低，因此要求秸稈收獲后立即進(jìn)行青貯，在時(shí)間上受到了限制。干黃秸稈經(jīng)過(guò)黃貯處理后具有與青貯處理類似的酸香味，刺激了家畜的食欲，提高了采食量，目前黃貯技術(shù)主要應(yīng)用于飼喂牛羊等反芻家畜領(lǐng)域，尚未有應(yīng)用于沼氣化利用的研究。黃貯技術(shù)要求較低，且能達(dá)到和青貯相似的預(yù)處理效果，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)秸稈沼氣工程應(yīng)用上具有廣闊的推廣前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈采自黑龍江省能源環(huán)境研究院院內(nèi)，收割后晾曬讓其自然風(fēng)干，使用萬(wàn)能粉碎機(jī)將其粉碎至1 cm左右，備用。取一部分樣品55 ℃干燥箱烘6 h，測(cè)其固含量(TS)，馬弗爐600 ℃燒2 h測(cè)其揮發(fā)性固體(VS)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 黃貯預(yù)處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將500 g不同粒徑的備用玉米秸稈按含水率65%加適量的水，逐層裝入2 000 mL燒杯中，壓實(shí)密封，裝一層，壓一層，直至填滿容器，裝滿后再用塑料薄膜覆蓋密封，盡量排除薄膜與儲(chǔ)存間的空氣，并按不同貯存時(shí)間進(jìn)行黃貯。根據(jù)常規(guī)青貯條件設(shè)計(jì)黃貯的秸稈含水率為65%，貯存時(shí)間分別設(shè)計(jì)為：20 d、60 d、100 d、140 d、180 d。

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)秸稈黃貯時(shí)間的不同，將厭氧發(fā)酵試驗(yàn)分為2個(gè)系列分別進(jìn)行研究，第一個(gè)系列為未經(jīng)處理(0 d)的空白對(duì)照組(Untreated)，設(shè)3個(gè)重復(fù)；第2個(gè)系列為不同貯存時(shí)間的黃貯秸稈試驗(yàn)組，共5個(gè)時(shí)間梯度，分別為20 d、60 d、100 d、140 d、180 d，每個(gè)梯度設(shè)3個(gè)重復(fù)。批式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)采用1 000 mL發(fā)酵瓶，有效填料容積約為800 mL左右，秸稈添加量約為100 g，發(fā)酵濃度為18%的干發(fā)酵方式，調(diào)節(jié)碳氮比并補(bǔ)水至有效容積刻度，發(fā)酵溫度為55 ℃的高溫發(fā)酵。試驗(yàn)期間每1 d測(cè)沼氣產(chǎn)氣量，每2 d進(jìn)行沼氣成分分析，并計(jì)算日均產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)甲烷量等指標(biāo)。

1.3 黃貯秸稈結(jié)構(gòu)與成分分析

總固體(total solids，TS)和揮發(fā)性固體(volatile solids，VS)采用烘干法，其中TS經(jīng)105 ℃烘烤 24 h，VS經(jīng)600 ℃灼燒2 h。中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(acid detergent lignin，ADL)等組分測(cè)定采用半自動(dòng)纖維分析儀濾袋法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同黃貯條件對(duì)玉米秸稈化學(xué)成分的影響

表1所示，與未經(jīng)預(yù)處理的對(duì)照組相比，處理后秸稈的纖維素、半纖維素含量均有所降低，且隨著黃貯時(shí)間的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，黃貯時(shí)間為為140 d的試驗(yàn)組纖維素達(dá)到最低值，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加秸稈原料的貯存時(shí)間有利于黃貯過(guò)程中半纖維素和纖維素的降解；而相對(duì)于對(duì)照試驗(yàn)組，黃貯后秸稈的木質(zhì)素含量均有不同程度的增加，這可能與半纖維素與纖維素含量的減少有關(guān)，黃貯對(duì)秸稈中木質(zhì)素的降解作用較??；在140 d、180 d實(shí)驗(yàn)組的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后期秸稈出現(xiàn)腐爛結(jié)塊現(xiàn)象，且纖維素、半纖維素含量較100 d實(shí)驗(yàn)組下降顯著，可見(jiàn)黃貯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不利于纖維素等可利用成分的保存及后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)的進(jìn)行。

表1 不同存貯時(shí)間條件下的秸稈木質(zhì)纖維含量Tab.1 The lignocellulose content of straw under different storage time conditions

2.2 不同黃貯時(shí)間對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響

2.2.1 不同黃貯時(shí)間條件下的秸稈日均沼氣產(chǎn)量

圖1所示為玉米秸稈經(jīng)不同黃貯時(shí)間條件下各處理組厭氧發(fā)酵30 d的日產(chǎn)氣量。由圖可知，從產(chǎn)氣高峰上看，兩組不同的黃貯條件下的秸稈均出現(xiàn)了兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，這與牛糞等厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不同，秸稈類原料產(chǎn)沼氣均出現(xiàn)兩個(gè)峰值，本試驗(yàn)結(jié)果與楊茜等人的研究相同[4, 15]，第一個(gè)高峰出現(xiàn)在第4 d左右，180 d處理組在第4 d即達(dá)到880 mL，其次分別為140 d、100 d、60 d、20 d，可見(jiàn)黃貯時(shí)間越長(zhǎng)發(fā)酵啟動(dòng)得越快，長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存有助于秸稈木質(zhì)纖維成分的分解與釋放，有利于微生物快速利用有機(jī)物產(chǎn)沼氣。第二個(gè)高峰出現(xiàn)的時(shí)間不同，但峰值均高于第一個(gè)峰值，180 d與140 d處理組第二個(gè)產(chǎn)氣高峰早于黃貯時(shí)間較短的其他處理組，且在達(dá)到產(chǎn)氣高峰后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢(shì)，說(shuō)明后續(xù)微生物可利用的有機(jī)物供應(yīng)不足，這是由黃貯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成纖維素與半纖維素嚴(yán)重?fù)p失而引起的。

圖1 不同黃貯時(shí)間下的黃貯秸稈日產(chǎn)沼氣量Fig.1 The daily methane amount of yellow straw under different storage time conditions

從日均產(chǎn)氣量來(lái)看，產(chǎn)氣量最大的是100 d處理組，為279.0 mL，其次為60 d，為255.3 mL，最后為20 d、140 d、180 d；綜上，黃貯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成營(yíng)養(yǎng)成分嚴(yán)重?fù)p失，不利于后續(xù)厭氧發(fā)酵，黃貯時(shí)間以日均產(chǎn)氣量最大的100 d為宜。

2.2.2 不同黃貯時(shí)間條件下的秸稈累積甲烷產(chǎn)量

由圖2數(shù)據(jù)可知，隨黃貯時(shí)間的延長(zhǎng)，最大甲烷累積產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增加后降低的峰型變化趨勢(shì)，在黃貯時(shí)間為100 d處理組的達(dá)到最大值。

圖2 不同黃貯時(shí)間的秸稈甲烷累積產(chǎn)氣量Fig.2 The accumulated methane amount of yellow straw under different storage time conditions

3 結(jié)論

本文通過(guò)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)研究了不同的黃貯時(shí)間對(duì)東北地區(qū)玉米秸稈產(chǎn)甲烷性能的影響，得出結(jié)論如下：

第一，經(jīng)過(guò)黃貯后的秸稈纖維素、半纖維素含量有所降低，在一定范圍內(nèi)延長(zhǎng)黃貯時(shí)間均有利于黃貯過(guò)程中半纖維素和纖維素的降解，但在140 d、180 d實(shí)驗(yàn)組的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后期秸稈出現(xiàn)腐爛結(jié)塊現(xiàn)象，且纖維素、半纖維素含量較100 d實(shí)驗(yàn)組下降顯著，可見(jiàn)黃貯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不利于纖維素等可利用成分的保存及后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)的進(jìn)行。

第二，與其他黃貯時(shí)間試驗(yàn)組相比，黃貯時(shí)間為100 d的秸稈日均產(chǎn)氣量最大，達(dá)279.0 mL，而黃貯時(shí)間長(zhǎng)于100 d的秸稈黃貯效果較差，進(jìn)而影響產(chǎn)氣效果。

4 討論

本試驗(yàn)試驗(yàn)材料選取的是黑龍江省能源環(huán)境研究院自己種植的玉米秸稈，由于獨(dú)特的地理位置及氣候條件，試驗(yàn)原料數(shù)量有限，所以選取的黃貯時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的誤差性，可在下次試驗(yàn)準(zhǔn)備前多儲(chǔ)備玉米秸稈，在本次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取更加適宜的黃貯時(shí)間參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

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The effect of maize straw yellow storage time on the methane producing properties in the northeast region

SU Xiao-hong1,2, FAN Chao1,2, WANG Xin1,2, LIU Wei1,2, ZHOU Chuang1,2, LU Jia1,2

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150027, China; 2. Science and Technology Incubation Center, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

Simulating the methane gas production of the straw silage, the maize straw piled up are stored and pretreated through yellow storage in the northeast. The parameters of yellow storage time were optimized to improve the conversion rate of refractory composition in straw. The results showed that it can prevent the maize straw from decaying when storing the maize straw over 80d. Then the hydrolysis fermentation was much easier with a daily volume of 276ml and more than 610% higher than the untreated control group. In this paper, the effect of yellow storage of maize straw on the methane performance was significant. And yellow storage technology as a dry straw storage and pretreatment method in northeast China is technically feasible, which can insure the continuous operation of straw material supply for alpine area biogas project.

Yellow storage time; Maize straw; Pretreatment; Anaerobic fermentation

2017-03-20

蘇小紅(1987-)，女，工學(xué)碩士，研究實(shí)習(xí)員。

S38

A

1674-8646(2017)08-0027-03