NaOH预处理对玉米秸秆干发酵影响的研究

刘云 2015年7月20日浏览：8795

摘要：为了研究碱处理对玉米秸秆干发酵效果的影响，对玉米秸秆采用2%、4%、6%、8%4种不同浓度的NaOH溶液处理。结果表明：不同浓度的NaOH处理对玉米秸秆干发酵效果影响显著。其中，4-6%NaOH预处理的玉米秸秆，发酵前后纤维素变化差异显著，最终产气量和混合气体中甲烷比例最高。因此，4-6%NaOH预处理是玉米秸秆干发酵较优的工艺条件。

关键词：NaOH；玉米秸秆；干发酵

我国是一个农业大国。每年大约生产秸秆7.2亿吨，但其利用率不足30%，大部分的秸秆被丢弃在田间地头或被直接焚烧，不仅造成了资源浪费，也污染了环境[1]。因此，如何科学合理的处理秸秆，已经成为公众最为关注的课题之一。干发酵是一种固体有机废弃物含量≥20％的厌氧发酵方式[2]。目前已成为秸秆能源化利用的重要途径之一。由于玉米秸中木质素含量较高，难以降解，因此，单纯的秸秆发酵存在启动慢，产气率低，经济效益差等弱点[3，4]。大量的研究显示，采用酸碱处理、粉碎、汽爆、微生物降解等预处理手段，不仅能提高秸秆发酵启动速度，缩短发酵时间，而且能增加发酵最终产气量，提高发酵经济效益[5-7]。周口市地处豫东平原，是一个以农作物种植为主的农业大市。农作物秸秆的处理问题已经成为市政府面临的一个技术难题。由于工业化程度较低，很多预处理方法在周口市秸秆利用中都难以得到有效应用，应用最多的便是碱处理和简单的截断粉碎处理。有研究显示，碱溶液浓度能够影响秸秆的发酵效果和最终产气量[8,9]。

本试验通过对玉米秸秆采取不同浓度的NaOH溶液预处理，比较发酵前后纤维素、半纤维素、木质素的降解效果、沼气产量及沼气中甲烷含量，研究碱预处理对玉米秸秆干发酵效果的影响。以期为玉米秸秆资源的开发利用提供合理的资料参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用玉米秸秆取自周口市郊农田，接种物沼渣取自周口市搬口乡沼气生态村，接种量25％，单位固体物（TS）10％。玉米秸秆部分成分含量测定结果见表1。

表1 实验材料成分表

原料纤维素半纤维素木质素碳含量氮含量 C/N TS

玉米秸秆 39.70 26.18 17.50 55.19 0.47 117:4 84.71

1.2 实验装置

发酵罐为置于恒温水浴锅中容量为1000mL的三角瓶，瓶口装有橡胶塞，橡胶塞上的玻璃管和导气管连接。用排水集气法收集沼气（水为饱和食盐水），集气瓶容量1000ml，用橡胶管和发酵装置相连。发酵温度使用恒温水浴锅控制在(35±1)℃。

1.3 方法

每个发酵瓶中添加粒度为1cm的玉米秸秆130g，并分别添加质量分数为0、2％、4％、6％和8％NaOH溶液260g，搅拌直至玉米秸处于湿润状态。试验预处理时间为10d。预处理结束后，向每个发酵瓶中加入蒸馏水1000g，并用浓度为20％的乙酸调节混合物PH值至7.0-7.5，加入接种物400g，添加蒸馏水补充发酵液总量至2000g。试验每个处理设置3个重复，0NaOH添加组为对照组。

沼气总产量采用用排水集气法测定，成份使用沼气分析仪 (ZS-2型)在产气后第12-16天连续测定，求平均值。

2 结果与分析

2.1 不同浓度NaOH处理对玉米秸纤维素、半纤维素、木质素的影响

不同浓度NaOH处理的玉米秸秆发酵前后粗纤维成分含量变化情况见表2。从表2可以看出，不同浓度NaOH处理的玉米秸秆发酵前后粗纤维成分含量的变化随纤维类型不同略有差异。其中，半纤维素和木质素经NaOH处理发酵后，变化较为显著，而纤维素变化较小。这可能与NaOH有较强的脱木素和半纤维素作用有关。4%、6%、8%NaOH处理的玉米秸秆发酵后纤维素、半纤维素和木质素差别不显著，说明4-6%NaOH处理可以作为玉米秸秆干发酵前的碱处理适宜浓度。

表2 不同浓度NaOH处理发酵前后玉米秸秆中粗纤维的含量变化 %

NaOH浓度纤维素半纤维素木质素

发酵前发酵后发酵前发酵后发酵前发酵后

0 39.70 37.10a 26.18 20.83a 17.50 13.57a

2% 39.70 25.60b 26.18 12.14b 17.50 9.51b

4% 39.70 23.80b 26.18 8.86c 17.50 7.10c

6% 39.70 25.90b 26.18 8.92c 17.50 7.76c

8% 39.70 26.30b 26.18 8.71c 17.50 6.91c

注：同列肩标字母相同为差异不显著，不同为差异显著或极显著。下同。

2.2 不同浓度NaOH处理对玉米秸干发酵沼气产量的影响

不同浓度NaOH处理对玉米秸干发酵沼气产量的影响见表3。表3表明，不同浓度NaOH处理后的玉米秸秆干发酵累计沼气产量随NaOH浓度变化而变化，其中4%NaOH处理发酵组的累计产气量明显高于0%、8%处理组，达到3.95L，比2%和6%处理组分别高出15.16％、12.54％，分析表明，4%和6%处理组累计产气量差别不显著。

表3 不同浓度NaOH处理对发酵后沼气成分及含量的影响

NaOH浓度

% 沼气成分 % 沼气产量 L

CH4 O2 H2S CO2

0 50.33b 3.24 0.03 13.11 1.87c

2% 62.88a 5.51 0.08 11.10 3.43a

4% 67.75a 4.34 0.06 9.39 3.95a

6% 67.65a 6.70 0.05 13.22 3.51a

8% 63.50a 4.91 0.06 10.24 3.06b

2.3 不同浓度NaOH处理对玉米秸发酵甲烷含量的影响

不同浓度NaOH预处理对玉米秸秆发酵过程中甲烷含量的影响见表3。由表3可知，试验组混合气体中甲烷的平均含量为50％-68％。其中，0、2％、4％碱处理组的混合气体中甲烷含量随NaOH浓度增加而增大，4％NaOH处理组比0、2%处理组分别高34.61％、7.74%。和6%处理组相比，4%处理组甲烷含量略高，但二者差异不显著。从表3的结果可以明显看出，在NaOH浓度为4%-8%范围内，不论是甲烷的比例，还是发酵总产气量都略有降低，这说明碱预处理秸秆干发酵并不简单的随碱溶液浓度增大而增加，而是有一个适宜的浓度范围。欧阳嘉等[10]认为预处理用NaOH浓度过高，能够影响微生物细胞对营养物质的吸收和微生物的酶活性，进而影响发酵效果。

3 结论

(1) 在适宜的范围内，NaOH溶液的浓度越大，玉米秸秆预处理后产气效率越高。

(2) 本试验中4％NaOH预处理组总产气量和混合气体气体中甲烷比例最高。

综合考虑产气效果和成本投入，笔者认为，采用4-6%NaOH预处理的玉米秸干发酵效果比较理想。

参考文献：

[1] 庞小平，牛明芬，王赛月，等. 北方玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵条件[J].生态学杂志，2011,30(1):126-130.

[2] 朱德文，曹成茂，陈永生，等. 秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨[J].中国农机化，2011,236(4):12-15.

[3] 宋籽霖，郭燕，杨改河，等. 鸡粪与玉米秸秆混合发酵沼气产量影响因子研究[J].农业环境学报，2012,31(8):1624-1629.

[4] 韦小庆，杜阳，朱国胜，等. 玉米秸秆与牛粪袋装堆肥的发酵技术研究[J].贵州农业科学，2012,40(4):132-136.

[5] 姚兰，杨海涛，王磊，等. 稀酸预处理玉米秸秆的糖化和同步发酵[J].湖北造纸，2012,3：65-67.

[6] 马兴元，刘琪，马君，等. 氨化预处理对生物质秸秆厌氧发酵的影响[J].生态环境学报，2011,20(10):1503-1506.

[7] 王许涛，张百良. 蒸汽爆破预处理玉米秸秆厌氧发酵实验研究[J].中国沼气，2013,31(1):10-13.