大豆秸稈釋碳影響因素研究

張軼洋 池艷輝 張云鳳 陳立煌 李雯靜 荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

目前，我國許多城鎮(zhèn)污水處理廠因為進(jìn)水的C/N比較低而需要加入外加碳源來提高生物脫氮能力?，F(xiàn)今最為常用的液體外加碳源有甲醇、乙醇、葡萄糖、乙酸鈉等[1]，但是投加量難以準(zhǔn)確控制，管理操作復(fù)雜，容易造成二次污染，并且需要較高的成本[2]。

我國是個農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量高達(dá)9億噸[3]。秸稈中富含豐富的纖維素，往往不被正確使用，隨意丟棄或者焚燒，造成了大量環(huán)境污染。曹文平等[4]研究發(fā)現(xiàn)富含纖維素的植物性材料在理論上都可用于生物反硝化的外加碳源，并且纖維素具有比表面積大的特點，適合細(xì)菌等的附著[5]。若農(nóng)作物秸稈能夠得以合理利用，將能夠得到安全有效的反硝化外加碳源。大豆秸稈作為我國年產(chǎn)量豐富的秸稈，其纖維素含量在29.85%～33.92%，木質(zhì)素含量在27.12%～36.98%[6]，半纖維素含量在12.62%～16.74%[7]。纖維素分子在一定條件下可以降解成為葡萄糖，但是其結(jié)晶度阻礙了自身的降解[2]。研究表明預(yù)處理可以破壞纖維素分子結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)其水解能力，同時pH和溫度等條件也都對秸稈釋碳有著一定影響[8]。本實驗以大豆秸稈為研究對象，研究通過不同酸堿度預(yù)處理、pH值、溫度與振蕩頻率四個因素對于大豆秸稈釋放COD的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料與預(yù)處理

大豆秸稈購自江蘇連云港，切成3～5 cm，洗凈表面雜質(zhì)，85℃烘干備用。稱取6份10 g大豆秸稈，分別裝入裝有100 ml 1%NaOH、2%NaOH、3%NaOH、1%H2SO4、3%H2SO4和5%H2SO4的錐形瓶中浸泡2 h，密封，處理后用純水沖洗，直至pH為7，85℃烘干備用。

1.2 實驗儀器設(shè)備

752N型紫外分光光度計(上海精科)；RM-220型超純水機(jī)(賽飛(中國))；ZD-85恒溫振蕩器(常州國華)；數(shù)字顯示恒溫水浴鍋(常州國華)。

1.3 實驗方法

(1)取以1%、2%、3%氫氧化鈉，1%、3%、5%硫酸預(yù)處理過的秸稈各2.5 g置于250 ml純水中，密封，在10 h、1 d、2 d、3 d、5 d取樣測COD。

(2)選取上述實驗釋總碳量較多的3組為較優(yōu)組進(jìn)行對比實驗，各取2.5 g于250 ml純水中，密封，在2 h、4 h(換水)、6 h、10 h(換水)、24 h、48 h、72 h測COD，然后比較。

(3)取2.5 g秸稈分別加入250 ml純水中，使得pH分別為5、6、7、8、9時，于2 h取樣測COD。

(4)取2.5 g秸稈于250 ml水中，控制pH=7，在20、25、30、35、40 ℃條件下，于2 h取樣測COD。

(5)取2.5 g秸稈于250 ml水中，控制pH=7，水溫35℃，于振蕩器不同頻率下振動，頻率依次為70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min、110 r/min，于2 h取樣測量COD。

以上過程COD的檢測方法皆為重鉻酸鉀法[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸堿度預(yù)處理條件下對秸稈釋碳的影響

圖1 不同酸堿度預(yù)處理對COD釋放的影響

從圖1可以看出，不同酸堿度預(yù)處理對秸稈釋碳的影響較大。何士成等[10]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過堿預(yù)處理后的秸稈，其纖維素結(jié)晶度都有所降低，這是因為OH-有效的削弱了半纖維素與纖維素之間的氫鍵。在稀酸預(yù)處理的情況下，成功脫除了部分半纖維素[11]，從而更有利于纖維素水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖。圖1顯示，大豆秸稈COD的釋放在短時間內(nèi)較為快速，前1天釋放較為快速，后續(xù)速度較為緩慢，趨于平穩(wěn)。經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理2 h的秸稈在前10 h的釋碳量最高，高達(dá)470.256 mg/L。5%硫酸預(yù)處理2 h的秸稈在前10 h釋碳量稍低于3%NaOH預(yù)處理過的秸稈，COD釋放量為419.352 mg/L，但是在后續(xù)釋碳量上較高。而3%硫酸預(yù)處理過的秸稈在前10小時釋碳量上明顯小于前兩者，但在后續(xù)的COD釋放上高于前兩者，在5 d內(nèi)三者COD釋放總量較為接近，于是選取這三種預(yù)處理過后的秸稈再次進(jìn)行實驗對比(圖2)。

圖2 相似總釋碳量預(yù)處理秸稈的釋碳比較

從圖2可以看出經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理的秸稈釋碳性能較好，各時間段的釋碳量皆大于另兩種預(yù)處理的秸稈。由此推斷出經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理的秸稈其纖維素結(jié)構(gòu)被破壞的程度大于另外兩種， COD釋放能力更大。前10個小時COD釋放較為快速，在一天之后逐漸趨于平緩。在最初兩個小時內(nèi)，釋放COD量為172.608 mg/L，占72 h內(nèi)釋碳總量521.754 mg/L的三分之一左右。同時，另兩種預(yù)處理后的秸稈在兩小時的COD釋放量都占了總釋放量的四分之一左右。由此可見，前兩小時COD釋放最為快速。經(jīng)過堿預(yù)處理的秸稈對于可溶性碳源的釋放量影響較小，并且氮素的釋放對于系統(tǒng)的脫氮負(fù)荷也沒有明顯的增加[12]，所以經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理2 h的秸稈釋碳效果較好。

2.2 pH對秸稈釋碳的影響

由圖3可見，不同pH值對秸稈釋碳量影響較大，且在pH=7時，COD釋放量達(dá)到最大值，為168.872 mg/L。曹文平等[13]研究發(fā)現(xiàn)稻草秸稈在酸性條件下COD釋放量更加充足；熊建峰等[14]利用梧桐樹葉實驗，發(fā)現(xiàn)在偏酸性的條件下釋放COD更多，其原因都是因為在堿性條件下不利于有機(jī)酸的釋放。本研究實驗結(jié)果與其有所不同，發(fā)現(xiàn)在中性條件下釋碳量最多，可能是因為在短時間內(nèi)稀酸與弱堿并沒能夠達(dá)到破壞纖維素結(jié)構(gòu)的目的，于是導(dǎo)致了在中性條件下COD的釋放量最多。

圖3 pH對COD釋放的影響

2.3 溫度對秸稈釋碳的影響

溫度對秸稈COD的釋放影響較大，由圖4可知在20～25℃，COD釋放量呈下降趨勢；在25～35℃，COD釋放量呈快速上升趨勢；在35～40℃，COD釋放量又呈下降趨勢，且峰值出現(xiàn)在35℃，為226.240 mg/L。在溫度較低時，分子內(nèi)部活動減緩，因而有機(jī)質(zhì)釋放較低。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，溫度升高時，大豆秸稈內(nèi)分子的熱運動加劇，碰撞更加激烈，使得它與外界水體之間的物質(zhì)傳遞加速，從而有利于秸稈上的有機(jī)物的釋放[15]。同時，溫度的升高也使秸稈的表面變得更加松軟，在一定程度上擴(kuò)大了表面孔隙，利于內(nèi)部與外部物質(zhì)的交換。溫度較高時，雖然內(nèi)部分子運動加劇，但并不代表與外界物質(zhì)交換的速度會無止境的上升，有機(jī)質(zhì)的釋放是由秸稈內(nèi)部纖維素等結(jié)構(gòu)遭到破壞從而水解產(chǎn)生葡萄糖，要想通過高溫破壞纖維素結(jié)構(gòu)，則需要較高溫度條件下進(jìn)行。但是在反硝化過程中，溫度也是一個十分重要的因素，學(xué)者研究表明[16]在25～35℃之間固體外加碳源聯(lián)合反硝化細(xì)菌的脫氮效果較好，因為反硝化細(xì)菌的生長需要在適宜的溫度之間，否則生長繁殖較慢。當(dāng)在35℃時，秸稈釋放COD含量最多，從而提供了較多適合微生物生長的碳源，此種溫度下秸稈作為外加碳源應(yīng)該有較好的效果。

圖4 不同溫度對COD釋放的影響

2.4 振蕩頻率對秸稈釋碳的影響

由圖5可以看出不同的振蕩頻率對于秸稈COD的釋放并未有較為規(guī)律的影響，但在振蕩頻率為80 r/min時，COD的釋放量達(dá)到峰值172.800 mg/L。振蕩易加強(qiáng)秸稈內(nèi)部分子運動，適度的振蕩使其碰撞激烈，有利于碳源釋放，但是振蕩頻率過度增加，并不能提高碳源釋放量。

圖5 不同振蕩頻率對COD釋放的影響

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理兩小時的秸稈釋碳性能最好，預(yù)處理成功的破壞了纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使得纖維素變得利于水解產(chǎn)生葡萄糖。秸稈釋碳具有快速的特點，前兩小時釋放COD最為快速，一天之后釋放量趨于平緩。

(2)溫度對秸稈釋碳有著較大的影響，且在35℃釋碳量達(dá)到最大值，為226.240 mg/L，同時，35℃也是微生物生長的適宜溫度，所以在此條件下適合反硝化的進(jìn)行。

(3)秸稈釋碳時進(jìn)行振蕩有助于有機(jī)質(zhì)的釋放，在振蕩頻率為80 r/min時，釋碳量達(dá)到峰值。