高温下NaOH和NaHSO3预处理对水稻秸秆厌氧消化产沼气过程的影响

论文总字数：7348字

摘 要

为改善水稻秸秆在厌氧条件下消化性能，提高沼气的产量和质量，此次研究在以往使用NaOH的基础上，又加入了不同浓度的氧化剂NaHSO₃，对以水稻秸秆为原料进行预处理，观察不同浓度下NaOH和NaHSO₃联合预处理对水稻秸秆厌氧发酵产生沼气过程的影响。由实验结果可知，在经过NaOH和NaHSO₃ 预处理之后，日均和总产气量、甲烷含量均有显著提高。

关键词：厌氧发酵，水稻秸秆，NaOH，NaHSO₃，联合处理

Abstract：In order to improve the digestion performance of rice straw under anaerobic conditions and improve the yield and quality of biogas, on the basis of the previous use of NaOH, this study added different concentrations of oxidizing agent NaHSO₃. The rice straw was pretreated with rice straw as raw material, and the combined pretreatment of NaOH and NaHSO₃ under different concentrations for anaerobic fermentation of rice straw was observed. The experimental results show that after NaOH and NaHSO₃ pretreatment, the daily and total gas production and methane content have been significantly improved.

Keywords：Anaerobic fermentation, rice straw, NaOH, NaHSO₃, combined pretreatment

目 录

1 前言 6

2 材料与方法 6

2.1 试验材料 6

2.2 试验装置与仪器 6

2.2.1 试验装置 6

2.2.2 试验设计 7

2.3 测定项目与方法 7

3 结果与讨论 7

3.1 不同预处理的pH变化情况 7

3.2 不同预处理对小麦秸秆厌氧消化特性的影响 8

3.2.1 不同预处理对日产气量的影响 8

3.2.2 不同预处理对累积产气量的影响 9

3.2.3 不同预处理对CH₄含量的影响 10

结 论 11

参考文献 12

致 谢 14

1 前言

随着现代社会的飞速发展，如何发展可持续清洁能源的问题倍受世界瞩目。家禽与动物养殖产业附加排出的粪便是当前我国制备沼气的主要原料，但是其制备量并不能满足人们对沼气的需求，而农作物副产物秸秆每年的总产量约有7亿t^[1-4]，这庞大的数据决定了其广阔的应用前景。这样，在减轻秸秆焚烧造成的环境污染的同时，也使秸秆得到最高效的综合利用^[5-6]。由于秸秆主要含有纤维素、半纤维素等成分^[7]，而这些高分子成分因其结构复杂，不仅不易降解且相互交联，导致厌氧微生物分解困难。因此需要采取一些预处理措施以期提高秸秆的降解效率。

当前广泛施用的预处理措施有物理方法^[8]、化学药剂^[9]、生物处理^[10]等。相对于物理方法和生物处理，投加化学药剂具有反应见效快、方法简单、可量化、成本低等优势，在常温常压下即可进行，能耗较小，而碱处理相对于酸处理更有防止发酵过程出现酸化的好处^[11]。本次实验一改以往单一药剂预处理的惯用做法，采取NaOH与NaHSO₃ 联合处理的方法，以期获得更好的制备效果。本实验以6% NaOH分别与1%、2%、3%、4% NaHSO₃组合对以水稻秸秆为代表的发酵原料进行预处理，以达到实验目的。

2 基础材料准备

2.1 基础材料

经过参考对比，此次试验最终启用风干的水稻秸秆为原料，取自淮阴师范学院北校区附近村庄，利用粉碎机对其进行处理，并测定基础物理化学指标，见表1。发酵罐的接种物是校区后方村民家用沼气池中的液体，并向其中加入水稻秸秆和牛粪，在生物质能实验室中静置一段时间，对其中的厌氧发酵菌群进行驯化。

2.2 试验装置与仪器

2.2.1 试验装置

实验装置是由导师团队自主研发的恒温发酵装置，全套由恒温水箱、温控仪、传感器、1000 mL集气瓶、地热线、2000 mL的集水瓶等构成。各组件之间用涂加凡士林的橡皮塞、玻璃管和乳胶管连接密封。采样测试口及培养液取样口均布设在发酵瓶上。每三日开罐对其pH进行测定，每日测定产气量和对气体成分进行分析。装置组成如图1所示。

图1 装置组成图

2.2.2 试验设计

前期预处理阶段在玻璃瓶中进行，所以玻璃瓶都配盖以密封。中期产沼气阶段在55±1℃的温度环境下进行。并将所有实验装置用器械固定在水浴池四周。
本次研究试验共设置了5个不同实验对照处理组：分别为 ① 6% NaOH；② 6% NaOH 与 1% NaHSO₃联用；③ 6% NaOH 与 2% NaHSO₃联用；④ 6% NaOH 与 3% NaHSO₃联用；⑤ 6% NaOH 与 4% NaHSO₃联用。将所有处理试样放入恒温培养箱中，20℃培养7 d，然后装入发酵罐，各自取60 g将牛粪和水稻秸秆按1:1装罐定容至2 L，在55±1℃的温度条件下发酵。

2.3 测定方法

TS测定：烘干法。在调至105℃的鼓风干燥箱中烘干4～6 h；

水分测定：根据 GB/T 2677.2-1993；

pH值：用精密pH 计测定；

产气量测定：排水法。出水收集瓶中的水量每日定时用量筒测量，做好数据记录；

气体成分：采用气体分析仪（Geotech GEM5000）测定；

灰分：根据GB/T 2677.3-1993测定。

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