偏硅酸鈉用于秸稈處理的試驗(yàn)研究

何 煉,宮亞斌,石東偉

(杭州能源環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310020 )

0 前言

秸稈預(yù)處理是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的關(guān)鍵因素[1]，通過預(yù)處理能夠使秸稈原料的多孔性增加、纖維素結(jié)晶度降低，并且使原料中的木質(zhì)素和半纖維素含量降低，提高其可生化性，同時(shí)減少有機(jī)物損失[2]。常見的預(yù)處理方法包括蒸汽爆破、酸法預(yù)處理、堿法預(yù)處理等、生物預(yù)處理等[3～4]，其中堿法預(yù)處理相對(duì)簡單且應(yīng)用廣泛。眾多研究表明，通過堿液對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理后半纖維素含量明顯下降[5]，產(chǎn)沼氣率和產(chǎn)甲率提升明顯[6～8]，能有效提高秸稈可生化資源的利用率。

偏硅酸鈉是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，水溶液呈堿性(其1%水溶液pH為12.4)，可提供良好的堿性環(huán)境。筆者擬采用偏硅酸作為秸稈堿預(yù)處理原料，以研究偏硅酸鈉在不同添加量對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵的影響。另外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含硅肥料能明顯改善水稻田pH和氧化還原狀況[9]，對(duì)水稻秸稈增產(chǎn)[10]及增強(qiáng)抗逆性[11～12]明顯。因此，以期通過研究將偏硅酸鈉替代傳統(tǒng)的秸稈堿預(yù)處理藥劑，且增加秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼殘余物——沼渣沼液中硅的含量，使沼渣沼液可作為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的硅肥產(chǎn)品，現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用秸稈為干黃玉米秸稈，經(jīng)研磨粉碎后過5 mm篩網(wǎng)；偏硅酸鈉采用市售分析純藥劑(AR)——Na2SiO3·9H2O；厭氧接種污泥采用本公司實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)轉(zhuǎn)的不產(chǎn)氣污泥，物料性質(zhì)見表1。

表1 物料性質(zhì)

設(shè)計(jì)偏硅酸鈉添加量為秸稈干基0.5%，1%和2%共三組處理；將各處理稱量的偏硅酸鈉溶于80 mL蒸餾水中配成溶液均勻噴灑至供試秸稈上，充分混拌均勻后置于30℃恒溫水浴鍋中處理72 h，同時(shí)做空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，每組處理設(shè)計(jì)4組平行樣，其中1組樣品每24 h取樣(稱取20 g)浸提后分析測(cè)試，剩余3個(gè)作為產(chǎn)氣試驗(yàn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2；預(yù)處理72 h后的秸稈投與厭氧接種污泥按Fvs∶Mvs=1∶1進(jìn)行接種投加，混合均勻后于38℃±0.5℃下進(jìn)行產(chǎn)沼試驗(yàn)，發(fā)酵裝置見圖1所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法與裝置

預(yù)處理試驗(yàn)：將秸稈投加至燒杯用噴灑偏硅酸鈉溶液后利用保鮮膜封口，然后將其置于30℃水浴鍋中水浴72 h后待測(cè)；

浸提試驗(yàn)：預(yù)處理后的樣品取樣分析pH和溶解性COD(sCOD)變化，將樣品按1∶10與蒸餾水混合，置于4℃冰箱中浸提4 h，取6 000 r·min-1離心清液進(jìn)行性質(zhì)測(cè)試；

發(fā)酵試驗(yàn)采用圖1所示裝備，將預(yù)處理的樣品與接種污泥混合后投加至發(fā)酵瓶中，利用橡膠管連接發(fā)酵瓶、排水排與集水瓶，并利用石蠟對(duì)發(fā)酵瓶和排水排瓶口進(jìn)行密封，然后將發(fā)酵瓶置于恒溫38℃±0.5℃水浴鍋內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)沼試驗(yàn)，每日記錄集水瓶中飽和食鹽水體積即為每日沼氣產(chǎn)氣量。

圖1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)裝置

試驗(yàn)中總固體(TS)采用105℃±5℃烘干恒重法測(cè)定；揮發(fā)性固體(VS)采用600℃箱式電阻爐灼燒2h差重法測(cè)定；pH采用PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定；sCOD采用哈希DRB200消解器和DR3900分光光度計(jì)測(cè)定；沼氣產(chǎn)量采用排飽和食鹽水收集測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 偏硅酸鈉預(yù)處理對(duì)秸稈浸提液pH的影響

圖2是經(jīng)過不同濃度偏硅酸鈉處理后秸稈浸提液pH變化趨勢(shì)。從中可以看出，對(duì)照組浸提液pH從24 h時(shí)6.21降至48 h時(shí)5.60，而72h與48 h相比略有上升；處理1浸提液pH從24 h時(shí)9.75降至48 h時(shí)6.28，72 h時(shí)繼續(xù)下降至6.13附近；處理2，浸提液pH從24 h時(shí)10.36降至48 h時(shí)6.84和72 h時(shí)6.52；處理3，浸提液pH從24 h時(shí)11.48降至48 h時(shí)7.25和72 h時(shí)6.73；經(jīng)過偏硅酸鈉處理后的各組pH值均呈下降趨勢(shì)，分析原因?yàn)橛衩捉斩拤A處理能秸稈表面更為粗糙，結(jié)構(gòu)已被完全破壞，纖維素、半纖維素等有機(jī)物水解酸化加快[13～14]，產(chǎn)生的大量的有機(jī)酸使料液pH值明顯降低。但對(duì)照組浸提液pH在48 h和72 h之間未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，分析原因?yàn)榘殡S著水解微生物活動(dòng)及有機(jī)氮氨化[15]作用的發(fā)生，pH值會(huì)伴隨堿度的增加而升高。

(a) (b)

(c) (d)

2.2 不同偏硅酸鈉濃度與處理時(shí)間對(duì)浸提液sCOD的影響

圖3是經(jīng)過不同濃度偏硅酸鈉處理后浸提液溶解性COD(sCOD)的變化趨勢(shì)。從中可以看出，處理時(shí)間越長sCOD濃度越高，對(duì)照組sCOD從24 h時(shí)1 720 mg·L-1升高至72 h時(shí)3100 mg·L-1，增加80.2%；處理1sCOD從24h時(shí)10 320 mg·L-1升高至72h時(shí)23 100 mg·L-1，增加123.8%；處理2 sCOD從24 h時(shí)15 400 mg·L-1升高至72 h時(shí)29 700 mg·L-1，增加92.8%；處理3 sCOD從25 400 mg·L-1升高至72h時(shí)39 700 mg·L-1，增加56.3%。另外，在同等處理時(shí)間下，偏硅酸鈉濃度越高，浸提液sCOD越高，處理24 h時(shí)，處理1、處理2和處理3較對(duì)照組sCOD分別提高6.0倍、8.9倍和14.8倍；處理48 h時(shí)，處理1、處理2和處理3較對(duì)照組sCOD分別提高6.5倍、8.7倍和13.0倍；處理72 h時(shí)，處理1、處理2和處理3較對(duì)照組sCOD分別提高7.4倍、9.6倍和12.8倍。即說明通過偏硅酸鈉堿預(yù)處理，能夠達(dá)到破壞秸稈的組織結(jié)構(gòu)，加速了秸稈的水解作用。

(a) (b)

(c) (d)

從圖4可以看出，0.5%-72h處理組sCOD和1%-48 h處理組sCOD基本接近；1%-72 h處理組高于2%-24 h處理組，但小于2%-48 h處理組；因此，可以通過延長處理時(shí)間與降低藥價(jià)添加量來平衡預(yù)處理投加成本。

圖4 玉米秸稈不同偏硅酸鈉預(yù)處理下浸提液sCOD

2.3 偏硅酸鈉處理對(duì)秸稈產(chǎn)氣量的影響

圖5是不同濃度偏硅酸鈉處理后秸稈日產(chǎn)氣量趨勢(shì)圖，從中可以看出，對(duì)照組出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰分別在第8天第18天處理1、處理2和處理3均出現(xiàn)1個(gè)產(chǎn)氣高峰，分別出現(xiàn)在第6 天、第3天和第6天，相比較而言處理3的產(chǎn)氣高峰(550 mL·d-1)遠(yuǎn)大于其他處理組，總體而言經(jīng)過偏硅酸鈉堿處理秸稈，明顯能加速秸稈產(chǎn)氣情況，且隨著處理濃度增加產(chǎn)氣速率越高。圖6是偏硅酸鈉堿處理后累計(jì)產(chǎn)氣量的趨勢(shì)圖，其中處理3累計(jì)產(chǎn)氣達(dá)到5 725 mL較對(duì)照組4 450 mL、處理1組4 945 mL和處理2組5 210 mL，分別增加28.6%、15.8%和9.9%；而處理2較對(duì)照組和處理1，產(chǎn)氣分別增加17.1%和5.4%；處理1則較對(duì)照組產(chǎn)氣增加11.1%。因此，秸稈經(jīng)過0.5%、1%和2%偏硅酸鈉預(yù)處理其厭氧產(chǎn)沼氣量分別可提升11.1%、17.1%和28.6%，預(yù)處理效果明顯。

圖5 偏硅酸鈉預(yù)處理后秸稈日產(chǎn)氣量趨勢(shì)

圖6 偏硅酸鈉預(yù)處理后秸稈累積產(chǎn)氣量趨勢(shì)

3 結(jié)論

研究表明，偏硅酸鈉可作為堿預(yù)處理的添加劑使用，能有效破壞秸稈表面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的水解溶出，有利于厭氧微生物的利用降解。

(1)偏硅酸鈉添加2%預(yù)處理72 h后，浸提液pH隨水解時(shí)間明顯明顯降低，sCOD較對(duì)照組提高12.8倍。

(2)偏硅酸鈉濃度和處理時(shí)間能明顯影響秸稈浸提液sCOD的溶出，時(shí)間越長，處理濃度越高，浸提液sCOD濃度越高。

(3)2%偏硅酸鈉處理72 h產(chǎn)氣量最高，較對(duì)照組增加28.%，而0.5%和1%處理組分別較對(duì)照組增加11.1%和17.1%。

(4)實(shí)際工程運(yùn)用可通過調(diào)整偏硅酸鈉的處理濃度與處理時(shí)間來選擇性價(jià)比較高的預(yù)處理參數(shù)，以獲得較佳的性價(jià)比。