二氧化碳?xì)庹{(diào)貯存秸稈及對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能的影響研究

摘 要：秸稈的再次利用方式主要就是通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，因此如何有效地貯存足夠數(shù)量的秸稈對于保障沼氣的發(fā)酵生成量有著重要的作用。根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，CO2氣調(diào)方式是一種較為高效并且產(chǎn)量較高的一種有效貯存秸稈的方式，同時(shí)也是一種預(yù)處理秸稈的方法，有效保證通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的性能以及產(chǎn)量了。

關(guān)鍵詞：CO2氣調(diào);秸稈;厭氧發(fā)酵;沼氣

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015006

引言

焚燒秸稈仍是造成大氣污染的一個(gè)重要原因，而大氣污染又是環(huán)境污染的一部分，現(xiàn)階段對于我國乃至全球來說，環(huán)境污染是急需解決的一大難題，與此同時(shí)能源逐漸稀缺也是目前一大危機(jī)，秸稈這種生物廢品的再利用就顯得尤為重要。隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的提高，研究人員得出通過多種手段進(jìn)行的沼氣工程中沼氣池中產(chǎn)生的CO2能夠?yàn)榻斩挼馁A存提供更適合的環(huán)境，為燃料的儲(chǔ)備做出貢獻(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)背景

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)來看，秸稈的貯存方式不同，其損失的量也有所不同。對于畜牧業(yè)來說，通常使用的秸稈貯存方式是青貯，青貯這種貯存方式是在秸稈新鮮的時(shí)候，將其貯存在酸性（pH≈4）環(huán)境中，通過乳酸菌這些厭氧微生物的作用來降低不利于貯存的好氧微生物的存活數(shù)量及繁殖速度，將秸稈內(nèi)的有效營養(yǎng)成分更好的保存下來，盡可能地減少秸稈內(nèi)營養(yǎng)成分的損失。但是青貯這種相對來說較好的貯存方式仍舊存在一定的不足，其預(yù)處理時(shí)所需要耗費(fèi)的資金與勞動(dòng)力相對較高，因此其成本相對來說高于其他貯存方式。

氣調(diào)這種保鮮技術(shù)在國內(nèi)最早得到試用是在對蔬果以及糧食的貯存上，主要是通過調(diào)整和控制貯存環(huán)境中氣體的含量以及各種氣體所占的比例來實(shí)現(xiàn)保鮮這一儲(chǔ)存目的的，也就是盡可能地降低存儲(chǔ)環(huán)境中氧氣的含量，轉(zhuǎn)而提高CO2的含量，并且保證這2種氣體始終穩(wěn)定在合適的比例和壓力環(huán)境中。某些研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氣密性相對較為良好的存儲(chǔ)倉庫當(dāng)中，其倉庫的溫度始終維持在22～28℃這個(gè)范圍內(nèi)，并且空氣中CO2所占的比例為24%～36%，將糧食放置在倉庫中10h以上，能夠有效殺蟲100%，蟲的種類主要為米象和谷蠹成蟲等，為糧食的有效貯存提供了保證。

本文主要研究秸稈在這種氣密性相對較為良好的環(huán)境中，通過沼氣工程中產(chǎn)生的CO2來置換倉庫中氧氣，最終實(shí)現(xiàn)秸稈與秸稈之間的縫隙以及整個(gè)倉庫環(huán)境中氧氣的含量，達(dá)到厭氧微生物喜歡的環(huán)境，有效降低好氧微生物的生長繁殖速度與能力，促進(jìn)乳酸菌等厭氧微生物的生長，為秸稈的長時(shí)間貯存創(chuàng)造更好的環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)所需材料

本文的實(shí)驗(yàn)所采用的秸稈選自山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田中栽種的麥子留下的秸稈，在歷經(jīng)晾曬以及揉搓等破壞之后，保證秸稈的長度在2～3cm左右。在進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)中所采用的接種物主要是養(yǎng)豬場經(jīng)過多年的沼氣池發(fā)酵之后產(chǎn)生的沼渣。

2.2 對實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)

2.2.1 秸稈的氣調(diào)保存操作

本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要使用1L的廣口玻璃瓶對秸稈進(jìn)行貯存，設(shè)置2個(gè)未進(jìn)行貯存操作的對照組和3個(gè)經(jīng)過貯存操作的實(shí)驗(yàn)組，通過使用灌滿1L CO2的容器來置換存儲(chǔ)秸稈容器的氣體0、5、8次，分別達(dá)到容器中氧氣的含量為23%、19%、15%，分別標(biāo)記為實(shí)驗(yàn)組A、B、C，與此同時(shí)，分別進(jìn)行兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。對照組的秸稈在經(jīng)過曬干操作之后，取100g，每組各50g，通過添加自來水調(diào)節(jié)秸稈的含水量，保證其含水量為75%左右，將對照組的秸稈進(jìn)行密封處理，并將其放置在30℃的恒溫箱中保存30d。

完成貯存實(shí)驗(yàn)操作之后，取出A、B、C 3組中少量的秸稈樣品進(jìn)行下一步操作，也就是進(jìn)行厭氧與好氧微生物數(shù)量和種類的檢測，剩余的實(shí)驗(yàn)組樣品進(jìn)行55℃左右的低溫處理。

2.2.2 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用800mL的廣口玻璃瓶進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，將容器中TS的濃度調(diào)整為4.5%，并將每1個(gè)實(shí)驗(yàn)組玻璃瓶中灌入300g污泥，以及加入其它成分。將其充分混合之后，充入氮?dú)?，氮?dú)獬淙氲臅r(shí)間為2min，保證將實(shí)驗(yàn)瓶中空氣完全去除。密封之后，將進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的容器放入30℃的環(huán)境中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。隔天進(jìn)行瓶內(nèi)的產(chǎn)氣量以及瓶內(nèi)甲烷的含量檢測。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析

3.1 秸稈進(jìn)行貯存前與貯存之后理化性質(zhì)的變化

秸稈在進(jìn)行貯存之后其理化性質(zhì)將發(fā)生很大的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沒有經(jīng)過氣調(diào)實(shí)驗(yàn)的秸稈中營養(yǎng)成分的流失量最多，隨著氣調(diào)操作進(jìn)行次數(shù)的增多，秸稈中營養(yǎng)成分的損失量隨之降低。秸稈的貯存過程中發(fā)生理化性質(zhì)變化，主要是由于環(huán)境中微生物進(jìn)行生長繁殖，將秸稈中含有的纖維素等成分進(jìn)行降解破壞。根據(jù)對實(shí)驗(yàn)組和對照組中秸稈營養(yǎng)成分的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過氣調(diào)實(shí)驗(yàn)操作的秸稈含有更高的熱量，更利于其作為燃料提供保障。

3.2 秸稈中含有的微生物的數(shù)量

經(jīng)過30d貯存的秸稈含有的微生物數(shù)量主要有3種，即細(xì)菌、真菌和放線菌。這3種微生物在秸稈中含量的多少是隨著實(shí)驗(yàn)環(huán)境中CO2的濃度變化而變化的，也就是隨著進(jìn)行氣調(diào)次數(shù)的變化而進(jìn)行變化的，微生物數(shù)量的多少與進(jìn)行氣調(diào)次數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)組中B組和C組進(jìn)行的空氣置換相對較多，容器中氧氣的含量較少，因此這3種微生物的數(shù)量相對較低，而乳酸菌等數(shù)量較多。并且貯存的環(huán)境的pH值較小，更加利于乳酸菌的生長和抑制其他微生物的生長繁殖，使得秸稈在短時(shí)間不會(huì)遭受微生物的侵蝕。

3.3 秸稈表面形態(tài)的變化

通過電子顯微鏡對進(jìn)行氣調(diào)貯存的秸稈的表面形態(tài)進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，貯存之前秸稈的表面較為光滑，基本沒有孔隙和裂縫;沒有進(jìn)行氣調(diào)處理的實(shí)驗(yàn)A組的表面附著有較多的細(xì)菌，而且有一部分纖維表面層已經(jīng)被降解破壞，形成了較深孔隙和較大的裂縫;進(jìn)行了5次氣調(diào)處理的實(shí)驗(yàn)B組的表皮仍舊存在少量的菌體，秸稈的表面出現(xiàn)一些較輕的孔隙和裂縫，其纖維表面層沒有遭受明顯的破壞;經(jīng)過了8次氣調(diào)處理的實(shí)驗(yàn)C組的表皮基本沒有菌體附著，而且秸稈的表面仍舊呈現(xiàn)光滑狀態(tài)，基本沒有出現(xiàn)孔隙和裂縫，秸稈的纖維表面層沒有遭受破壞，與貯存前的秸稈表面基本一樣。因此可以得出，隨著氣調(diào)次數(shù)的增多，秸稈受到的保護(hù)增大，其纖維結(jié)構(gòu)遭受破壞的可能性就越小。

3.4 熱穩(wěn)定性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對不用貯存環(huán)境中的秸稈的熱量進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示進(jìn)行氣調(diào)處理次數(shù)越多的秸稈，其體內(nèi)含有的熱量相對較多，其熱穩(wěn)定性越強(qiáng)。沒有經(jīng)過貯存處理的對照組存在明顯的分解速率變化，其表皮和內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)相對較為緊密和完整，被熱解的難度較大。經(jīng)過貯存并且沒有進(jìn)行氣調(diào)處理的對照組的秸稈的表面遭受微生物的分解與破壞，纖維組織結(jié)構(gòu)也不同程度的遭受了破壞，其熱穩(wěn)定性相對較差;實(shí)驗(yàn)A組的秸稈由于只是隔絕了空氣，并沒有進(jìn)行氣調(diào)處理，秸稈的表面與纖維結(jié)構(gòu)同樣遭受了微生物不同程度的破壞，因此本組的熱穩(wěn)定性相對于對照組來說好一些，但是基本上差不多;實(shí)驗(yàn)B組的秸稈只是表面遭受了微生物的破壞，而且破壞程度較輕，微生物未對纖維表面層結(jié)構(gòu)造成破壞，因此本組的秸稈的結(jié)構(gòu)疏松更加利于消化，其熱穩(wěn)定性相對較好;實(shí)驗(yàn)C組的秸稈的熱穩(wěn)定與實(shí)驗(yàn)B組的熱穩(wěn)定基本一致;除此之外，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組存在差距較大的熱分解速率以及相對較少的燃燒殘?jiān)？偠灾?，對不同組的秸稈的熱重分析，最終結(jié)果顯示，進(jìn)行氣調(diào)處理的次數(shù)越多，秸稈貯存環(huán)境中氧氣含量越低，秸稈能夠得到的保護(hù)越好，其熱穩(wěn)定性也就越高。

4 結(jié)論

綜上所述，通過氣調(diào)這種貯存方式能夠有效降低秸稈貯存過程中養(yǎng)分的損失，而且在相同條件下，進(jìn)行氣調(diào)操作的次數(shù)越多，其保存質(zhì)量就越高，當(dāng)然，前提是貯存的秸稈含水量是相同的。進(jìn)行氣調(diào)操作的秸稈中含有的厭氧微生物種類和數(shù)量相較于未進(jìn)行處理的秸稈更為豐富，經(jīng)過氣調(diào)處理的秸稈的纖維組織結(jié)構(gòu)也更為完整。根據(jù)對秸稈厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行氣調(diào)次數(shù)越多的容器內(nèi)產(chǎn)生的氣體越多，這也就說明進(jìn)行氣調(diào)貯存之后秸稈能夠產(chǎn)生更多的氣體，而且隨著貯存環(huán)境中氧氣含量的降低，產(chǎn)氣量有所增加。

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作者簡介：

岳鵬（1984-），男，本科，工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)工程技術(shù)。