CO2氣調(diào)貯存秸稈及對厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)中心, 南京 210014； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站， 南京 210014)

環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今時(shí)代的兩大問題，如何減少環(huán)境破壞和尋找可再生能源成為亟需解決的問題[1]。小麥?zhǔn)侵袊谌蠹Z食作物，2015年中國小麥播種面積達(dá)24069千公頃，年產(chǎn)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(zhì)能中重要的一部分，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是其資源化的有效途徑，既能實(shí)現(xiàn)能源的回收利用，又能緩解目前農(nóng)村嚴(yán)重的面源污染問題，符合可持續(xù)發(fā)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(jié)性與沼氣工程周年運(yùn)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(jié)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(yè)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(huán)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(yǎng)成分、降低秸稈養(yǎng)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(nèi)中溫條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性，結(jié)果表明，水稻秸稈經(jīng)青貯30 d 后，秸稈pH值降低至4，纖維素與總碳含量降低達(dá)顯著水平，產(chǎn)氣效果也得到提高。但是在秸稈青貯處理，需要進(jìn)行粉碎預(yù)處理并且處理成本較高。

國內(nèi)自上個(gè)世紀(jì)90年代開始研究應(yīng)用于水果蔬菜和糧食的氣調(diào)保鮮技術(shù)。所謂氣調(diào)，是利用控制氣體比例的方式來達(dá)到儲藏保鮮的目的[8]。CO2氣調(diào)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(wěn)定于一定分壓的環(huán)境中[9]。蔣德云[10]等發(fā)現(xiàn)氣密性能良好的倉房內(nèi)，溫度為25℃±3℃，CO2氣體濃度為 25%～35%，殺蟲的持續(xù)時(shí)間為10 d以上時(shí)能100%殺滅米象和谷蠹成蟲，保證糧食的安全穩(wěn)定貯存。

本研究選取麥秸為試驗(yàn)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(chǎn)物CO2氣體對麥秸孔隙和貯存環(huán)境進(jìn)行氧氣置換，以降低麥秸孔隙和貯存空間環(huán)境的空氣中氧分壓，造成厭氧環(huán)境，降低有氧呼吸腐生菌數(shù)量，避免因有氧呼吸產(chǎn)生的高溫，創(chuàng)造利于乳酸菌生長的條件，以抑制其它微生物的生長，達(dá)到較長時(shí)間內(nèi)無腐貯存麥秸的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

麥秸取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田，經(jīng)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(jī)碳為54.62%±1.32%，凱氏氮為0.76%。厭氧消化實(shí)驗(yàn)所用接種物為豬場常年運(yùn)行沼氣池的發(fā)酵沼渣，總固體含量(TS)2.06%，揮發(fā)性固體含量(VS)0.84%，pH值7.56。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 麥秸氣調(diào)保存

試驗(yàn)采用1 L廣口玻璃瓶作為麥秸貯藏的模擬裝置，設(shè)置4個(gè)處理組，包括未貯存對照組(計(jì)CK)和3個(gè)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(dá)到氧分壓為21%，17%，13%，分別計(jì)為處理組A、B和C，各處理組設(shè)置2個(gè)重復(fù)。風(fēng)干麥秸為50 g，用自來水調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)裝置及示意圖

貯存試驗(yàn)結(jié)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(xì)菌、真菌和放線菌計(jì)數(shù)；其余樣品采用55℃低溫干燥處理測定TS，然后用萬能粉碎機(jī)將秸稈粉碎過20目篩，測定樣品VS，有機(jī)碳，有機(jī)氮，纖維素，半纖維素和木質(zhì)素含量；此外，采用多點(diǎn)取樣方式選取3～5根經(jīng)低溫干燥處理后的秸稈樣品用于電鏡掃描，同時(shí)測定未處理對照組秸稈的各項(xiàng)指標(biāo)。

1．2．2 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)

采用750 mL廣口玻璃瓶作為厭氧反應(yīng)器，發(fā)酵TS濃度設(shè)置為4%，每個(gè)處理組加入接種污泥 300 g，加入尿素調(diào)節(jié)各處理發(fā)酵原料C/N為30/1，用蒸餾水補(bǔ)充至總質(zhì)量均為450 g?；靹蚝螅ㄈ氲?dú)? min以驅(qū)趕發(fā)酵罐內(nèi)的空氣。密封后，發(fā)酵罐內(nèi)的30℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，每個(gè)處理3個(gè)平行，取平均值進(jìn)行分析。每隔1天測日產(chǎn)氣量、甲烷含量。

1.3 測定指標(biāo)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(jī)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(zhì)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(jì)測定。甲烷產(chǎn)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(jìn)樣量為 0. 5 mL，外標(biāo)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(chǎn)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(jì)算麥秸的結(jié)晶度，計(jì)算公式如下[16]：

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

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

2 結(jié)果與分析

2.1 貯存前后麥秸理化性質(zhì)

麥秸貯存30天主要理化性質(zhì)如表1所示，與對照組CK的有機(jī)碳含量54.62%和有機(jī)氮 0.76%對比，實(shí)驗(yàn)組C，B，A的有機(jī)碳和有機(jī)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(biāo)都表明沒有進(jìn)行氣體置換處理的A組的有機(jī)質(zhì)損失最多，B和C處理組結(jié)果說明氣調(diào)有效果，并且氣調(diào)次數(shù)越多，氧分壓越小，有機(jī)質(zhì)損失越少。貯存過程中麥秸的有機(jī)質(zhì)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(zhì)。對照組的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為36.64%，36.70%和10.78%，實(shí)驗(yàn)組C，B，A的纖維素、半纖維素含量減少，木質(zhì)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(zhì)素作為填充在纖維之間的粘合劑，不能轉(zhuǎn)化為糖類，還難以被微生物降解利用。熱值指單位質(zhì)量的燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量，分析各處理麥秸的熱值結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與未處理的麥秸相比，經(jīng)過氣調(diào)處理的麥秸熱值增加，作為燃料的能源潛力增加，而沒有經(jīng)過氣調(diào)處理的麥秸的熱值相對較高，這與木質(zhì)素的含量一致。

表1 貯存前后麥秸理化性質(zhì)

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(shù)量

如圖2～圖4所示為貯存30天后麥秸所含微生物(細(xì)菌、放線菌和真菌)的數(shù)量，細(xì)菌、放線菌和真菌3種菌的數(shù)量級分別為105，104，103。3種微生物的數(shù)量隨著不同置換次數(shù)處理的變化趨勢是一致的，與對照組的微生物數(shù)量相比，沒有進(jìn)行氣體置換的A處理組的3種微生物數(shù)量最多，而B和C處理組隨著氣體置換次數(shù)的增多，環(huán)境中氧分壓的降低，3種微生物的數(shù)量大幅度降低。在潮濕和含氧量較高的環(huán)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(huán)境條件下，有氧呼吸的腐生菌數(shù)量較少，避免因有氧呼吸產(chǎn)生的高溫；乳酸菌生長較快，產(chǎn)生的偏酸的環(huán)境，抑制了其他微生物的生長，達(dá)到較長時(shí)間內(nèi)無腐貯存麥秸的目的。這與楊云貴[17]等人研究結(jié)果一致，說明較高的氧分壓環(huán)境不利于秸稈的貯存，氣體置換次數(shù)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(xì)菌數(shù)量

圖3 麥秸貯存后放線菌數(shù)量

圖4 麥秸貯存后真菌數(shù)量

2.3 FTIR分析

如圖5為麥秸氣調(diào)貯存前后FTIR圖譜。氣調(diào)貯存麥秸由于微生物的降解作用，部分纖維的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。FTIR表征結(jié)果顯示，3331 cm-1處的強(qiáng)峰表示纖維中多聚糖上的O-H伸縮振動(dòng)[18]，氣調(diào)貯存后，B和C處理組有更強(qiáng)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(jìn)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(huán)境中增殖同時(shí)抑制其他細(xì)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(qiáng)。2918 cm-1處是-CH2的C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，1371 cm-1是其面內(nèi)彎曲振動(dòng)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(zhì)素芳香環(huán)C = C 的伸縮振動(dòng)[20]，A處理組由于部分纖維結(jié)構(gòu)被好氧菌破壞，纖維素和半纖維素減少，結(jié)晶水含量下降，持水性降低。B和C組結(jié)晶水峰有所增強(qiáng)，麥秸對水的吸附能力提高。從以上分析可知，氣體置換產(chǎn)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(yǎng)的流失。

圖5 麥秸貯存前后FTIR圖譜

2.4 表面形態(tài)特征

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了氣調(diào)貯存麥秸前后的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，觀察結(jié)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(jié)構(gòu)破壞。C處理組麥秸表面較為光滑，纖維結(jié)構(gòu)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(shù)越多，造成的低氧分壓條件能更好地保存秸稈，防止纖維結(jié)構(gòu)的破壞。

2.5 纖維素晶體結(jié)構(gòu)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(tài)存在，XRD圖譜(見圖10)反映了這兩種形態(tài)纖維素的變化，同時(shí)說明了麥秸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。如圖6～圖9所示，2θ=16°和22°兩個(gè)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(qiáng)度表示無定型纖維的衍射強(qiáng)度。A處理組相比于未貯存秸稈兩峰的強(qiáng)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(qiáng)度降低。B和C處理組衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明纖維素結(jié)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(zhì)被微生物分解，使纖維素結(jié)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(chǎn)生的低氧條件更有利于麥秸纖維素結(jié)構(gòu)的保持，減少麥秸有機(jī)質(zhì)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(jié)構(gòu)較為緊密，不易被破壞，纖維結(jié)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(guān)于這一方面，還有待進(jìn)一步的研究。

圖10 X射線衍射圖譜

表2 不同處理組麥秸結(jié)晶度 (%)

2.6 熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(gè)階段：第1階段在100℃以內(nèi)，麥秸失去游離水，質(zhì)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(zhì)量呈線性下降；第3階段350℃～650℃，第2階段殘留木質(zhì)素完全熱解。通過對3個(gè)階段熱解參數(shù)(見表3)的對比發(fā)現(xiàn)，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(jīng)微生物破壞，表皮和內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)緊密完整，不易被熱解。而經(jīng)過貯存的麥秸表皮一定程度上受到微生物破壞，表面產(chǎn)生缺陷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為疏松，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降。A處理組秸稈熱穩(wěn)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(zhì)無明顯差異，較大的熱分解速率和低的殘?jiān)Ｓ嗦收f明貯存后麥秸纖維成分保存較好，秸稈結(jié)構(gòu)疏松更利于消化。通過熱重分析說明，氣體置換次數(shù)越多，造成的低氧分壓條件能更好地保存麥稈，麥秸的熱穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。

圖11 不同處理組麥秸熱重曲線

表3 麥秸熱性質(zhì)參數(shù)

3 麥秸貯存后厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特征

由圖12～圖14數(shù)據(jù)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?jǐn)?shù)最高，第1個(gè)產(chǎn)氣高峰是第8天，B處理組在第11天甲烷體積分?jǐn)?shù)最高，第1個(gè)產(chǎn)氣高峰是第9天。通過對比各組數(shù)據(jù)明顯看出，A處理組麥秸發(fā)酵效果最差，由此可知A處理組麥秸發(fā)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(chǎn)氣量分別下降了18.40%和8.64%，這是由于秸稈在潮濕的環(huán)境下發(fā)生了有機(jī)物質(zhì)損失，并且氣調(diào)次數(shù)越多，氧分壓含量越低，麥秸的有機(jī)損失越低，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量越高。與原始對照麥秸發(fā)酵累積TS產(chǎn)氣量210.07 mL·g-1TS相比，C和B處理組麥秸發(fā)酵累積TS產(chǎn)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(chǎn)氣量提高11.9%(見表4)。說明置換氣體次數(shù)越多，氧分壓越低，貯存效果越好，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果越佳。麥秸預(yù)處理后厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性見下圖。

圖12 不同處理麥秸厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)氣量

圖13 不同處理麥秸厭氧發(fā)酵的甲烷含量

圖14 不同處理麥秸厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量

表4 不同處理麥秸厭氧發(fā)酵TS產(chǎn)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(jié)論

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

(2)與未進(jìn)行氣調(diào)貯存的麥秸相比，處理過的麥秸中含有的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)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(fā)現(xiàn)，進(jìn)行氣調(diào)貯存的麥秸纖維結(jié)構(gòu)保存較好，并且氣調(diào)次數(shù)越多，麥秸纖維結(jié)構(gòu)保存越完整。

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

5 展望

由于氣體調(diào)節(jié)試驗(yàn)條件有限，未能設(shè)置更加詳細(xì)的氧分壓條件，希望接下來可根據(jù)更多比例條件找到最優(yōu)的CO2氣調(diào)比，作為生產(chǎn)上的具體指導(dǎo)結(jié)論。