溫和濕熱預(yù)處理對稻秸理化特性及生物產(chǎn)沼氣的影響

杜 靜,陳廣銀,黃紅英,靳紅梅,奚永蘭,錢玉婷,徐躍定,常志州(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站,江蘇 南京 210014)

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溫和濕熱預(yù)處理對稻秸理化特性及生物產(chǎn)沼氣的影響

杜 靜,陳廣銀,黃紅英,靳紅梅,奚永蘭,錢玉婷,徐躍定,常志州*(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站,江蘇 南京 210014)

摘要：為考察溫和濕熱預(yù)處理提高秸稈產(chǎn)氣速率的可行性,以水稻秸稈為原料,在濕熱預(yù)處理溫度80℃、物料含水率60％條件下,通過分析濕熱處理前后稻秸理化特性及厭氧生物產(chǎn)氣特性的變化,研究不同濕熱預(yù)處理時間對秸稈預(yù)處理及產(chǎn)沼氣效果的影響.結(jié)果表明,溫和濕熱預(yù)處理促進(jìn)了稻秸有機(jī)物的溶出,預(yù)處理后稻秸水浸提液pH值有較大幅度下降,而COD、TVFA和乙酸含量均大幅度增加,與對照組相比,T1、T2和T3處理秸稈水浸提液COD濃度分別增加了47.19％、55.18％和60.62％,TVFA濃度分別增加了22.34％、33.98％和50.12％,乙酸濃度分別增加了19.52％、34.02％和49.37％,并且乙酸占TVFA百分比均超過85％以上,差異顯著性分析表明,處理T1水浸提液各理化特性指標(biāo)與對照組相比呈極顯著差異,而不同溫和濕熱預(yù)處理之間無顯著差異;對稻秸纖維素組分破壞效果明顯,但不同預(yù)處理時間對秸稈木質(zhì)纖維組分破壞效果影響不大;厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的結(jié)果表明,溫和濕熱預(yù)處理可明顯提高稻秸厭氧生物產(chǎn)沼氣,發(fā)酵20d平均容積產(chǎn)氣率可提高12.53％以上,累積TS產(chǎn)氣率可提高36.17％以上.可見,溫和濕熱預(yù)處理提高秸稈厭氧生物產(chǎn)沼氣效果是可行的,考慮到工程應(yīng)用中預(yù)處理能耗成本因素,濕熱預(yù)處理時間以T1處理(即6h)為宜.

關(guān)鍵詞：溫和濕熱；預(yù)處理；木質(zhì)纖維原料；沼氣；厭氧消化

* 責(zé)任作者, 研究員, czhizhou@hotmail.com

隨著化石資源的日益枯竭和秸稈焚燒引起日益嚴(yán)重的環(huán)境問題,以農(nóng)作物秸稈為原料制取二次生物質(zhì)能源沼氣,已經(jīng)成為國內(nèi)外可再生能源與有機(jī)廢棄物資源化研究領(lǐng)域的熱點之一[1-3].以農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維類材料制備生物質(zhì)能技術(shù),又被稱之為二代生物質(zhì)能技術(shù).作為木質(zhì)纖維類材料,主要用于發(fā)酵產(chǎn)沼氣的半纖維素和纖維素在結(jié)構(gòu)上受到疏水性強(qiáng)、難降解木質(zhì)素成分包裹,并通過醚鍵、酯鍵等與前兩者結(jié)合在一起,限制了纖維素酶、聚木糖酶等水解酶對纖維素和半纖維素的作用,從而影響酶解的糖化率和后續(xù)產(chǎn)甲烷效率[4].因此,農(nóng)作物秸稈預(yù)處理對提升秸稈產(chǎn)沼氣效率具有重要意義.

秸稈預(yù)處理目的主要是通過各種物理、化學(xué)或者生物的方法破壞甚至除去部分木質(zhì)素和半纖維素,降低纖維素結(jié)晶度,增加其可接觸度,從而提高秸稈的酶水解[5],預(yù)處理效果好壞是酶解經(jīng)濟(jì)性的重要制約因素之一[6].常用預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法、生物化學(xué)法以及幾種方法的聯(lián)合.由于存在能耗高、易腐蝕、干物質(zhì)損失高以及成本高等諸多問題,導(dǎo)致難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[7].可見,找到一種適合秸稈等木質(zhì)纖維原料能源轉(zhuǎn)化的預(yù)處理方法,將為秸稈能源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展有很好的推動作用.

濕熱預(yù)處理技術(shù)因其過程中基本不添加有機(jī)溶劑或化學(xué)試劑,是純粹的物理變性過程,因此受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注.濕熱處理工藝最早應(yīng)用于淀粉濕熱處理,近年來,有關(guān)濕熱預(yù)處理在餐廚垃圾處理[8-12]及木質(zhì)纖維原料預(yù)處理[13-19]方面的研究報道較多.有研究者認(rèn)為,濕熱處理依靠高壓條件下水蒸汽對細(xì)胞壁的穿透作用,并且伴隨著木質(zhì)纖維原料中某些乙酰基組分水解產(chǎn)生有機(jī)酸(如:乙酸)的發(fā)生,而產(chǎn)生的有機(jī)酸有助于催化半纖維素水解為單糖[13-14].當(dāng)然,也有研究者將其稱為液態(tài)熱水預(yù)處理技術(shù),是指溫度在160～300℃、壓力高于飽和蒸汽壓的壓縮液態(tài)水.影響高溫液態(tài)水預(yù)處理中半纖維素水解的因素主要包括:原料的種類,反應(yīng)系統(tǒng)的類型,反應(yīng)工藝參數(shù),包括反應(yīng)溫度、時間、壓力、預(yù)熱時間和液體流量等,助催化劑等其他試劑的加入[20]. Mosier[21]的研究表明高溫液態(tài)水預(yù)處理中有40％～60％原料溶解,可除去4％～22％的纖維素、35％～60％的木素和幾乎所有的半纖維素.晏群山等[22]對蔗渣進(jìn)行了高溫液態(tài)水的預(yù)處理研究,結(jié)果表明,最佳的工藝條件為:溫度180℃,底物濃度10％,保溫時間20min,此時水解液中木糖轉(zhuǎn)化率最高,達(dá)到75.79％;預(yù)處理后半纖維素1735cm?1處的特征峰完全消失,說明半纖維素完全降解.然而,相關(guān)研究表明隨著濕熱預(yù)處理溫度升高,預(yù)處理時間呈逐漸縮短趨勢,但過高溫度處理過程中會伴隨糠醛、羥甲基糠醛和酚類化合物等發(fā)酵抑制物產(chǎn)生[23-25].目前對于濕熱預(yù)處理研究較多集中在150℃以上,而150℃以下甚至100℃以下的相關(guān)研究鮮見報道.因此,開展溫和型濕熱預(yù)處理對秸稈沼氣促進(jìn)效果的可行性研究非常必要.

所謂溫和濕熱預(yù)處理,是與常規(guī)濕熱預(yù)處理條件相對應(yīng)的,即預(yù)處理溫度低于常規(guī)濕熱處理溫度,一般小于150℃,并且在常壓條件下進(jìn)行.本研究以水稻秸稈為原料,在濕熱預(yù)處理溫度80℃、物料含水率60％條件下,通過分析濕熱處理前后稻秸理化特性及厭氧生物產(chǎn)氣特性的變化,研究不同預(yù)處理時間對秸稈預(yù)處理及產(chǎn)沼氣效果的影響,考查溫和濕熱預(yù)處理提高秸稈產(chǎn)氣速率的可行性,為秸稈預(yù)處理工藝技術(shù)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試秸稈取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田自然條件下風(fēng)干后的水稻秸稈,經(jīng)破碎處理成5mm左右的顆粒粉末,備用.風(fēng)干后水稻秸稈的總固體(Total Solid, TS,下同)為(87.62±0.07)％,揮發(fā)性固體(Volatile Solid,VS,下同)為(87.99±0.13)％,碳氮比(C/N)為73.20.接種物為本實驗室污泥馴化罐排出液(發(fā)酵底物為新鮮豬糞),經(jīng)紗布過濾后于35℃下保存待用.接種物的TS為(4.88±0.01)％, VS為(65.06±0.09)％,pH值為(7.62±0.07).

1.2 試驗設(shè)計

試驗包括2個部分,即濕熱預(yù)處理稻秸實驗和預(yù)處理后稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實驗.

1.2.1 秸稈預(yù)處理 實驗設(shè)置4個處理,濕熱預(yù)處理時間分別為6h(T1)、12h(T2)、24h(T3),另設(shè)置對照組CK(即秸稈不處理).各個處理均設(shè)置3個平行,取平均值用于分析.首先稱取粉碎好的風(fēng)干稻秸干物質(zhì)80g,加入2L廣口型塑料樂扣杯中(除CK外),加入自來水調(diào)節(jié)物料含水率為60％,攪拌物料使其混合均勻,加蓋后在蓋中心用電鉆開具1個2mm通氣孔,為保證同時處理結(jié)束, T1～T3處理于不同時間放入80℃恒溫箱中,處理完畢后取出并自然冷卻,將物料混勻后分別測定各組秸稈含水率.

取5g處理后的秸稈,按固水比1:5添加蒸餾水,于室溫下200r/min振蕩30min,用定性濾紙過濾,濾液用于pH值、COD測定;經(jīng)0.45um濾膜過濾后用于測定VFA.處理后的秸稈經(jīng)55℃烘干,粉碎過60目篩的樣品用于木質(zhì)素、纖維素和半纖維素測定.

1.2.2 厭氧發(fā)酵實驗 發(fā)酵瓶采用塑料大口型樂扣杯,總?cè)莘e760mL,瓶蓋上采用電鉆開具1個8mm的小孔,然后將5mL的塑料移液槍頭的大口端融化后插入孔中,連接并密封;集氣瓶和集水瓶均采用1000mL廣口玻璃瓶.試驗發(fā)酵TS濃度為6％,根據(jù)物料含水率稱取干重36g的預(yù)處理后秸稈樣品,裝入樂扣杯中,加入接種物400g,然后用尿素調(diào)節(jié)C/N為30,用自來水補(bǔ)足至物料總重600g,混合均勻后于(37±1)℃下進(jìn)行厭氧消化實驗.同時,用等量TS的未經(jīng)任何處理的稻秸作為對照(CK)進(jìn)行厭氧發(fā)酵實驗,其余步驟同上.考慮到提高沼氣工程中厭氧反應(yīng)器利用效率,本試驗僅考查濕熱預(yù)處理對稻秸發(fā)酵20d平均容積產(chǎn)氣率和累積TS產(chǎn)氣率的影響.實驗過程中每天測定產(chǎn)氣量,沼氣組分分析分別于發(fā)酵第1,3,5,7, 12,16和20d各采集1次.

1.3 測試指標(biāo)及方法

試驗過程中取樣測定有關(guān)指標(biāo):(1)以排水集氣法收集氣體,每日測定產(chǎn)氣量;(2)采用GC-7890A氣相色譜儀分析沼氣甲烷含量(TCD 檢測器),檢測器類型:熱導(dǎo)檢測器TCD;檢測器溫度:120℃,進(jìn)樣器類型:平面流通閥;分析柱: TDC-01Φ4×1m;柱溫:100℃,載氣類型:H2;載氣流量:50mL/min;定量管:1mL;標(biāo)準(zhǔn)氣體:N2中42.4％CH4+28.4％CO2;分析方法:外標(biāo)法;(3)干物質(zhì)的測定采用105℃烘干24h,差重法測定[23];(4)揮發(fā)性固體的測定采用550℃灼燒4h,差重法測定[26];pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計測定; COD的測定參照GB1194-89[27];采用范氏法(Van Soest)測定稻秸纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(FIWE, Velp Scientifica)[28]

2 結(jié)果與分析

2.1 溫和濕熱預(yù)處理對稻秸理化特性的影響

由表1可以看出,經(jīng)溫和濕熱預(yù)處理后,稻秸纖維素、半纖維素含量均有不同程度的降低,木質(zhì)素含量則略有增加,pH值有較大幅度下降,秸稈水浸提液COD、TVFA和乙酸含量均大幅度增加.從各處理間變化幅度來看,與對照處理相比,溫和濕熱處理T1的纖維素和半纖維素含量分別降低了2.95％和4.30％,木質(zhì)素含量提高了12.75％,但隨著濕熱預(yù)處理時間逐漸延長,其變化幅度呈逐漸降低趨勢;秸稈水浸提液各指標(biāo)除pH值有較大幅度降低外,其余指標(biāo)較未處理秸稈均大幅度增加,并且同樣存在隨著濕熱預(yù)處理時間逐漸延長,其變化幅度呈逐漸降低趨勢,T1、T2和T3處理秸稈水浸提液COD濃度分別增加了47.19％、55.18％和60.62％,TVFA濃度分別增加了22.34％、33.98％和50.12％,乙酸濃度分別增加了19.52％、34.02％和49.37％,并且各處理秸稈水浸提液中乙酸占TVFA百分比均超過85％以上.試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性分析表明,T1處理各理化特性指標(biāo)與CK呈極顯著差異(P<0.01,除半纖維素外),而溫和濕熱預(yù)處理不同時間(T1、T2和T3)之間理化特性指標(biāo)均無顯著差異(P>0.05,除pH值外).以上結(jié)果表明,溫和濕熱預(yù)處理促進(jìn)了稻秸有機(jī)物大量溶出,pH值下降,對稻秸纖維素組分破壞效果更加明顯,但不同預(yù)處理時間對破壞秸稈木質(zhì)纖維組分效果影響不大.

表1　溫和濕熱預(yù)處理前后稻秸理化特性的變化Table 1 Changes of physical-chemical properties of rice straw obtained before and after mild hydrothermal pretreatment

2.2 溫和濕熱預(yù)處理對稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

2.2.1 容積產(chǎn)氣率變化 容積產(chǎn)氣率是沼氣發(fā)酵重要的性能指標(biāo).在反應(yīng)器容積相同情況下,容積產(chǎn)氣率越高,能生產(chǎn)的沼氣就越多,這意味著在工程設(shè)計及運用中,達(dá)到沼氣需求量所設(shè)計的發(fā)酵系統(tǒng)規(guī)模較小,大大節(jié)省場地建設(shè)面積及工程基建投資成本[29].

由圖1可以看出,除對照處理外,T1、T2和T3處理容積產(chǎn)氣率的變化趨勢相似,發(fā)酵20d期間出現(xiàn)2個峰值,表現(xiàn)為先迅速增加,T1～T3均在實驗第2d容積產(chǎn)氣率達(dá)到最大,分別為1.42,1.47, 1.45L/(L·d),維持短暫的高容積產(chǎn)氣率后逐漸降低,并于第6d同時達(dá)到產(chǎn)氣峰谷值,隨后又逐漸升高并于發(fā)酵第10d達(dá)到第2個產(chǎn)氣峰值,分別為1.01,1.07,1.11L/(L·d),之后各處理均緩慢降低.而處理CK則分別于發(fā)酵第1,7,12d達(dá)3個產(chǎn)氣峰值(0.91,0.76,0.77L/(L·d)).從容積產(chǎn)氣率的結(jié)果看,處理CK、T1、T2和T3發(fā)酵20d平均容積產(chǎn)氣率分別為0.59,0.66,0.67,0.68L/(L·d),表明濕熱預(yù)處理有助于提高稻秸厭氧發(fā)酵容積產(chǎn)氣率.與對照相比,T1、T2和T3處理分別提高12.53％、13.87％和15.44％,表明不同的濕熱預(yù)處理時間處理之間差異不大.考慮到工程應(yīng)用中預(yù)處理能耗成本因素,濕熱預(yù)處理時間以T1處理(即6h)為宜.

圖1　沼氣發(fā)酵容積產(chǎn)氣率變化Fig.1 Change of the volume of gas production rate for biogas fermentation

2.2.2 累積TS產(chǎn)氣率變化 原料產(chǎn)氣率是指發(fā)酵物料中單位總固體、揮發(fā)性固體或有機(jī)物在發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量.由于采用的發(fā)酵原料、溫度、滯留時間等條件不同,其產(chǎn)氣率也存在較大差異.發(fā)酵物料整個發(fā)酵周期內(nèi)的累積TS產(chǎn)氣率即為原料產(chǎn)氣率,研究原料產(chǎn)氣率情況,對于掌握發(fā)酵原料一定時期內(nèi)物料的能源轉(zhuǎn)化效率具有重要意義[30].

由圖2可以看出,T1、T2和T3處理在實驗第2d后,與對照之間累積TS產(chǎn)氣率的差距迅速增大.發(fā)酵第20d末,對照、T1～T3累積TS產(chǎn)氣率分別為(204.09±4.47),(277.91±4.46),(281.00± 0.61),(286.36±1.83)mL/gTS,T1、T2和T3累積TS產(chǎn)氣率分別較處理CK提高36.17％,37.68％和40.31％,但T1～T3處理間差異不顯著(P>0.05).可見,濕熱預(yù)處理可大幅度提高稻秸厭氧發(fā)酵20d累積產(chǎn)氣率,加快其能源轉(zhuǎn)化效率,但不同的濕熱預(yù)處理時間處理之間差異不大.考慮到工程應(yīng)用中預(yù)處理能耗成本因素,濕熱預(yù)處理時間以T1處理(即6h)為宜.

圖2　發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量的變化　Fig.2 Changes of cumulative biogas yield during anaerobic digestion

2.2.3 沼氣中甲烷含量變化 從圖3厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量變化規(guī)律來看,各處理變化趨勢基本相同,隨發(fā)酵進(jìn)程先迅速增加,經(jīng)小幅下降后又迅速升高,最后基本穩(wěn)定于50％～60％.除對照處理外, T1、T2和T3處理間甲烷含量變化差異不明顯.各處理出現(xiàn)甲烷含量峰值的時間分別為20,16,16,16d,峰值分別為59.12％、61.42％、63.24％和63.89％,此外,各處理發(fā)酵20d平均甲烷含量分別為44.37％、47.94％、48.67％ 和49.22％,表明濕熱預(yù)處理有利于提高稻秸厭氧發(fā)酵沼氣品質(zhì),但不同的濕熱預(yù)處理時間處理之間差異不大.

圖3　發(fā)酵過程中甲烷含量變化Fig.3 Change of methane content of biogas for batch fermentation

3 討論

對于農(nóng)作物秸稈這類植物性物料而言,其生物降解性取決于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹的程度.纖維素和半纖維素是可以被生物降解的,但木質(zhì)素則難以降解,當(dāng)木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素表面時,酶很難接觸到纖維素和半纖維素,導(dǎo)致降解緩慢.因此在纖維質(zhì)含量較高的生物質(zhì)占多數(shù)的厭氧生物處理中,水解作用是整個過程的限速步驟[31-34].因此,秸稈預(yù)處理目的在于除去其中木質(zhì)素和半纖維素,降低纖維素的結(jié)晶度,增加其可及度,從而提高秸稈的酶水解[4].

對溫和濕熱預(yù)處理前后稻秸理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析顯示(表2),pH值和木質(zhì)素含量均分別與纖維素和半纖維素含量達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)和極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),表明木質(zhì)素含量的增加主要由于纖維素和半纖維素含量的降低形成"濃縮”效應(yīng),而Mosier等[21]的研究表明經(jīng)高溫液態(tài)水預(yù)處理后,40％～60％原料被溶解,可除去4％～22％的纖維素、35％～60％的木素和幾乎所有的半纖維素.兩種預(yù)處理對木質(zhì)纖維素原料組分變化效果存在較大差異,可能由于各自作用機(jī)理不同,采用更高溫度可以明顯加快木質(zhì)纖維素組分的溶解;而pH值降低由于纖維素和半纖維素的降解所致,并且以半纖維素降解的貢獻(xiàn)更大;pH值、COD、TVFA和乙酸各指標(biāo)間兩兩互為極顯著負(fù)相關(guān)或極顯著正相關(guān)(P<0.01),這一規(guī)律符合復(fù)雜有機(jī)物首先被降解為溶解態(tài)有機(jī)物,并進(jìn)一步降解為TVFA的降解特征[31].結(jié)合圖1、圖2產(chǎn)氣規(guī)律和表1分析發(fā)現(xiàn),各處理產(chǎn)氣特征變化規(guī)律與秸稈水浸提液中COD、TVFA和乙酸含量變化趨勢一致,進(jìn)一步解釋了經(jīng)溫和濕熱預(yù)處理發(fā)酵前期啟動快,然而預(yù)處理后20d累積產(chǎn)氣率較處理CK增加36％以上,可能由于經(jīng)溫和濕熱預(yù)處理后,稻秸木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)有一定程度的破壞,增大了木質(zhì)纖維素與發(fā)酵微生物可接觸度,導(dǎo)致纖維素和半纖維素降解程度增加,秸稈中有機(jī)物溶出率提高,從而使得容積產(chǎn)氣率和20d累積產(chǎn)氣率大幅增加,但由于結(jié)構(gòu)破壞程度有限,導(dǎo)致隨著溫和濕熱預(yù)處理時間的延長,T1、T2和T3處理間容積產(chǎn)氣率和20d累積產(chǎn)氣率差異不明顯,表明本實驗中濕熱預(yù)處理時間對提高沼氣產(chǎn)率的影響不大.

表2　溫和濕熱預(yù)處理前后稻秸理化指標(biāo)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of physical-chemical indicators of rice straw obtained before and after mild hydrothermal pretreatment

總體上講,溫和濕熱預(yù)處理提高秸稈厭氧生物產(chǎn)沼氣效果是可行的.通過預(yù)處理前后秸稈水浸提液理化性狀分析發(fā)現(xiàn),明顯促進(jìn)了秸稈有機(jī)物的溶出,后續(xù)需進(jìn)一步開展預(yù)處理前后秸稈物質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面潤濕特性及微觀特征研究,弄清溫和濕熱預(yù)處理提高秸稈厭氧生物產(chǎn)沼氣的作用機(jī)理.

考慮到濕熱預(yù)處理過程中物料含水率高低對能耗成本影響較大,而有關(guān)秸稈濕熱預(yù)處理的研究報道中,大多數(shù)采用秸稈浸泡狀態(tài)(即高含水率),因此筆者認(rèn)為后續(xù)有必要開展秸稈物料含水率對溫和濕熱預(yù)處理提高產(chǎn)沼氣效果的影響研究;同時濕熱預(yù)處理屬于純物理處理過程,對秸稈木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)破壞程度有限,后續(xù)在弄清其作用機(jī)理基礎(chǔ)上,可開展?jié)駸犷A(yù)處理與其他預(yù)處理措施進(jìn)行組合預(yù)處理研究.

4 結(jié)論

4.1 溫和濕熱預(yù)處理促進(jìn)了稻秸有機(jī)物的溶出,預(yù)處理后稻秸水浸提液pH值有較大幅度下降, 而COD、TVFA和乙酸含量均大幅度增加.

4.2 溫和濕熱預(yù)處理對稻秸纖維素組分破壞效果明顯,對三素影響的大小順序為:纖維素>半纖維素>木質(zhì)素,但不同預(yù)處理時間對秸稈木質(zhì)纖維組分破壞效果影響不大.

4.3 溫和濕熱預(yù)處理T1水浸提液各理化特性指標(biāo)與對照相比呈極顯著差異,而不同溫和濕熱預(yù)處理之間無顯著差異.

4.4 溫和濕熱預(yù)處理可明顯提高稻秸厭氧生物產(chǎn)沼氣,發(fā)酵20d平均容積產(chǎn)氣率可提高12.53％以上,累積TS產(chǎn)氣率可提高36.17％以上.

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Effect of mild hydrothermal pretreatment on characteristics of anaerobic digestion and physico-chemical properties of rice straw.

DU Jing, CHEN Guang-yin, HUANG Hong-ying, JIN Hong-mei, XI Yong-lan, QIAN Yu-ting,

XU Yue-ding, CHANG Zhi-zhou*(East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：485～491

Abstract：In order to assess the feasibility of mild hydrothermal pretreatment for the increase biogas productivity, a bench-scale experiment was conducted using rice straw in 80℃ of hydrothermal pretreatment temperature and 60％ of material water content. The changes of physico-chemical properties of rice straws and its biogas production during anaerobic digestion were analyzed to investigate the effect of pretreatment time on biogas productivity. The results indicated that mild hydrothermal pretreatment enhanced dissolution of organic matter in rice straws. After mild hydrothermal pretreatment, the value of pH with the aqueous extracts decreased drastically, while the contents of chemical oxygen demand, total volatile fatty acid and acetic acid were increased significantly (P< 0.05). Compared with the control treatment, the content of COD in straw aqueous extract of T1, T2 and T3 treatments increased by 47.19％, 55.18％ and 60.62％, respectively; whereas 22.34％, 33.98％ and 50.12％ for TVFA content and 19.52％, 34.02％ and 49.37％ for acetic acid concentration, respectively. Meanwhile, acetic acid ratio of TVFA was more than 85％. Statistical analysis showed that physico-chemical characteristics of aqueous extracts in T1 treatment were significantly different from those in control treatment. However, no significant difference was found between different mild hydrothermal pretreatments. The cellulose component of rice straw was decomposed obviously after mild hydrothermal pretreatment, but little difference of wood fiber was found between the mild hydrothermal pretreatments. The anaerobic digestion results showed that mild hydrothermal pretreatment significantly improved the gas productivity of rice straws. The volume of gas production ratebook=486,ebook=169and the cumulative biogas yield increased by 12.53％ and 36.17％, respectively, after 20d anaerobic digestion of rice straws. Therefore the mild hydrothermal pretreatment is feasible in the enhancement of gas productivity. In view of the energy costs for pretreatment in engineering application, the appropriate time of mild hydrothermal pretreatment should be around 6h. In future, the functional mechanism of mild hydrothermal pretreatment, the moisture content of materials and optimization of combine pretreatments should be studied to provide technical support of pretreatment process for straw biogas project.

Key words：mild hydrothermal；pretreatment；lingo-cellulosic materials；biogas；anaerobic digestion

作者簡介：杜 靜(1982-),男,四川眉山人,助理研究員,碩士,主要從事有機(jī)固體廢棄物資源化利用研究.發(fā)表論文10余篇.

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-004);國家科技支撐計劃(2014BAL02B04);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項(201403019,201503135-17)

收稿日期：2015-07-02

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0485-07