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玉米秸秆厌氧发酵高效制取沼气试验
［摘 要］ 本文采用质量浓度为8%的NH4HCO3溶液预处理玉米秸秆,并进行厌氧发酵制取沼气,然后将结果与未进行预处理的玉米秸秆厌氧发酵情况进行对比,获得2 组的沼气产量和COD去除率.结果表明,采用NH4HCO3溶液预处理后的玉米秸秆的产气量得到了提升,与未处理相比提高了30.6%；预处理后的玉米秸秆厌氧发酵过程中的COD去除率也得到了明显提升.该试验研究能够为探索玉米秸秆厌氧发酵高效制取沼气提供参考.
［关键词］ 玉米秸秆；预处理；厌氧发酵；沼气
［中图分类号］ S216.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2017）30-76-2
我国是农业大国,也是秸秆产量大国,仅玉米秸秆就有2.8 亿ｔ［1］,约有40%未得到有效利用,造成了巨大的环境污染和极大的资源浪费［2-3］.玉米秸秆在厌氧微生物的作用下能够产生清洁能源——沼气.而沼气作为一种高品位清洁能源,具有原料分布广、建设成本低、转化效率高、综合效益好以及适合农村发展等特点,在农村节能减排和农业生态环境保护中发挥着积极作用.发展秸秆发酵工程能够有效缓解秸秆资源浪费问题,也能改善农村能源结构,是一条清洁高效的利用途径.
1 秸秆预处理方法概述
目前,秸秆的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法以及其中两种或多种方法的耦合处理.物理法,主要是通过增大秸秆反应面积,缩小秸秆粒径,从而提升反应速率.常见的物理法有机械破碎法、蒸汽爆破法等.现在采用物理破碎法的沼气工程比较多,将秸秆切成小段后投料到反应器中.但是,此方法对秸秆的木质素结构破坏性不大,对于反应速率的提升并无太大帮助.蒸汽爆破法,能使木质素结构得到破坏,半纤维素的回收率可以达到50%左右,对于沼气发酵工程的反应启动时间和反应周期的缩短均有很大帮助.但是,蒸汽爆破法代价巨大,需要设备成本太高,也容易产生糠醛抑制发酵反应的继续进行［4］.
常见的化学法有稀酸水解、强酸水解、碱水解法.稀酸水解法,用较低浓度稀硫酸对粒径很小的秸秆粉末进行处理,并加热至200 ℃左右,保持一段时间,半纤维素糖的产率能达90%.此方法适合于大多数木质纤维生物质.浓酸水解法,糖化率最高,但反应时间长、成本高、废弃物回收难度大.用稀碱水解能耗较大,还会对半纤维素造成浪费.
生物法一般是指用通常是用白腐菌降解木质素,但是处理效率较低且处理时间较长,白腐菌会消耗纤维素.生物法主要依托菌类生长周期内分泌的酶类对秸秆进行一定程度的分解,目前中国农业大学利用复合菌系对秸秆进行消解,取得了一定进展.
目前,秸秆的预处理方法都存在诸如成本较高、处理效果欠佳、后续废弃物治理等问题,需要进一步探索秸秆预处理方法.因此,本文提出采用一定质量浓度的碳酸氢铵氨化预处理玉米秸秆并进行厌氧发酵试验研究.
2 材料与方法
玉米秸秆取自河南省郑州市北区农场.对玉米秸秆的处理过程如下：①玉米秸秆粉碎后过40 目筛,加入质量浓度为8%的NH4HCO3溶液,混合均匀后,室温下微氧处理数日,然后将处理后的玉米秸秆取出并加水搅拌均匀后静置、过滤,烘干待用；②取60～100 g 步骤①所得烘干待用的玉米秸秆,加入150～300 mL 接种液和700～850 mL水,配制成TS浓度为8%～12%的发酵液,并调节pH至7.0；③将步骤②所得发酵液装入反应器中,并将反应器密封之后置于恒温培养箱中,发酵温度设为35 ℃,发酵培养数日.
另外,取相同量的玉米秸秆,在未进行预处理的情况下进行厌氧发酵,发酵方法同经过质量浓度为8%的NH4HCO3溶液预处理的玉米秸秆.
试验所用的装置为自己装配的厌氧发酵瓶.TS 含量采用APHA标准进行测定,所用仪器为恒温干燥箱；微观结构观测采用扫描电镜；pH值测定采用精密pH计；沼气成分测定采用气象色谱仪.
3 结果与分析
对比经过NH4HCO3溶液处理和未经NH4HCO3溶液处理的秸秆进行厌氧发酵制取沼气的结果显示,经质量浓度为8%的NH4HCO3溶液处理后的玉米秸秆的累积产气量为14 690 mL,单位TS 产气量为183.6 mL/g,与未预处理相比提高了30.6%；采用质量浓度为8%的NH4HCO3溶液处理后的玉米秸秆的COD去除率达为36%,是未经预处理玉米秸秆的COD去除率的2 倍.由此可知,经过质量浓度为8%的NH4HCO3处理后的玉米秸秆进行发酵后,产气量和COD去除率都得到了明显提升,其原因可以通过观察预处理前后秸秆的结构变化解释.
秸秆结构进行物理性破坏可直接促进秸秆的厌氧发酵效果,提高产气率.未进行预处理的玉米秸秆,结构较为光滑、平整且有一定的破损,这是因为组成秸秆主要成分的纤维素、半纤维素和木质素为链状结构,其链状聚合状态使秸秆的结构在显微镜下看起来会十分整齐、平滑［5］.另外,对秸秆进行粉碎会对结构有一定程度的破坏,使其出现一定程度的破损.处理后的秸秆结构与处理前相比显得杂乱,许多部位出现了破损和残缺,在经NH4HCO3处理之后,木质素聚合体出现了断裂及破损,包裹其中的纤维素、半纤维素则暴露出来,发酵反应便能更加顺利、快速地进行.
4 结论
本文通过开展经8%NH4HCO3 溶液处理的玉米秸秆进行厌氧发酵制取沼气的试验得出：经质量浓度为8%的NH4HCO3 溶液处理后的玉米秸秆的累积产气量为14 690 mL,单位TS 产气量为183.6 mL/g,与未预处理相比提高了30.6%；采用质量浓度为8%的NH4HCO3溶液处理后的玉米秸秆的COD去除率达为36%,是未经预处理玉米秸秆的COD去除率的2 倍.造成预处理后玉米秸秆产气量和COD去除率都得到明显提升的主要原因是,经NH4HCO3 处理之后,木质素聚合体出现了断裂及破损,包裹其中的纤维素、半纤维素则暴露出来,发酵反应便能更加顺利、快速地进行.
玉米秸秆论文范文结:
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