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摘 要

为了寻找合适的质量分数的HCl预处理水稻秸秆，使之提高水稻秸秆厌氧发酵的沼气产量，本试验采用四个不同质量分数的HCl预处理水稻秸秆，在恒温条件下进行厌氧发酵产沼气。结果表明，不同质量分数的HCl预处理对水稻秸秆的组分都产生不同程度的破坏，其中半纤维素含量下降最为明显。水稻秸秆厌氧消化产沼气量有所提高，厌氧消化时间有所缩短。综合日产气量，累积产气量等各项指标可以得出4%预处理组效果最好。

关键词：水稻秸秆，HCl预处理，厌氧消化，沼气

Abstract：In order to find appropriate mass fraction of HCl pretreatment of rice straw, to improve the rice straw biogas production in anaerobic fermentation, this experiment adopts four different mass fraction of HCl pretreatment of rice straw, anaerobic fermentation biogas production under the condition of constant temperature. The results show that the different mass fraction of HCl pretreatment of rice straw components have different degrees of damage, including hemicellulose content decreased the most obvious. Rice straw anaerobic digestion can produce methane content increased, anaerobic digestion time is to be shorter. Comprehensive daily yield of biogas, cumulative gas production and other indicators can reach 4% pretreatment group works best.

Keywords：Rice straw, HCl pretreatment, anaerobic digestion, biogas

目 录

1 引言 6

2 材料与方法 6

2.1 试验装置 6

2.2 试验原材料 6

2.3 接种物 7

2.4 试验设计 7

2.5 测量项目与方法 7

3 结果与分析 7

3.1 预处理后水稻秸秆各成分比例 7

3.2 发酵过程中pH的变化 8

3.3 发酵过程中甲烷日产量变化 8

3.4 发酵过程中氢气日产量变化 9

3.5 发酵过程中产气量的变化 9

结 论 11

参考文献 12

致 谢 14

1 引言

中国作为农业大国，农作物秸秆资源丰富，数据显示，2009年产出的水稻秸秆重量多达1.9×10⁹t^[1]。作为主要大米生产国，每年焚烧大量废弃的稻草秸秆^[2]，秸秆焚烧屡禁不止，不仅造成空气污染，交通安全威胁^[3-4]，降低人们的生活质量，，也造成了资源的极大地浪费。作物秸秆等有机物厌氧发酵生产沼气应用在农民的日常生活中，不但可以解决农村沼气原料不足的问题，从源头上缓解因为焚烧秸秆而引起的众多环境问题；同时，沼气发酵可以杀灭水稻秸秆上携带的病虫卵，这样就避免了水稻秸秆上携带的病菌引起的虫害问题^[5]。除此之外，沼液沼渣中含有丰富的微量元素和氨基酸，是良好的饲料和饲料添加剂，还可作为优质有机肥^[6]。目前秸秆预处理方法主要有物理法^[7-9]、化学法^[10-12]、生物法^[13-15]和其他方法^[16-18]。

本文主要研究了不同质量百分数的HCl预处理对水稻秸秆发酵产沼气的影响，从中试图找到一种合适的预处理方法和对应的HCl质量分数，为秸秆发酵产沼气的发展提供了技术支持。

2 材料与方法

2.1 试验装置

厌氧消化试验装置如图1所示。

图1 厌氧消化试验装置

2.2 试验原材料

本次试验水稻秸秆取自淮安市淮阴区王营镇周围村庄自然条件下风干的水稻秸秆。水稻秸秆洗净晾干后用剪刀切成2～3 cm的小段，然后用粉碎机将其粉碎并测定其理化指标。

2.3 接种物

沼气发酵含有厌氧活性污泥微生物，发酵产沼气量大，使之与发酵原料混合后，在一定的条件下，其中的微生物可以很快的恢复活性并进行沼气发酵。本试验的接种物是取自学校边上村庄的沼液，加入稻草秸秆与牛粪，在试验室中厌氧发酵一段时间的沼气液为接种物。

实验材料的理化性质见表1。

表1 实验材料的理化性质（%）

	TS	VS	灰分	纤维素	半纤维素	木质素
稻草秸秆	92.9	81.4	10.1	38.3	21.3	12.5
牛粪	87.4	56.8	-	-	-	-
接种沼液	7.29	4.12	-	-	-	-

2.4 试验设计

本试验设置了4个不同HCl 质量百分数的处理水平：2%、4%、6%、8%（NaOH 质量占原料质量的百分比）。上述处理组都放置于20℃的恒温恒湿箱中，10 d后取出样品进行组分分析，记录变化，然后发酵。水稻秸秆与牛粪一比一配比，干物质各取60 g，加沼液定容到2 L装罐。发酵温度为中温（35℃±1）条件下发酵。

2.5 测量项目与方法

采用烘干法（在温度为105℃的真空干燥箱中烘4～6 h）测量总固体质量百分数（TS）；VS测定方法为烘干法（在温度为550℃的马弗炉中烘1 h）；水分含量的测定方法为烘干法（在真空干燥箱中干燥3～4 h，温度105℃干燥）；pH值：通过精密pH计（PHS-3C）测定；采用排水集气法（每天按时用量筒测量集水瓶中排出的水量，做好记录）测定产气量；气体成分的测定采用的方法是气相色谱仪测定；采用VAN SOEST 法测定纤维素，半纤维素和木质素。

3 结果与分析

3.1 预处理后水稻秸秆各成分比例

图2为HCl预处理前后水稻秸秆各成分质量百分数变化图。从图2中可以得出，稻草中的纤维素含量最高，其次是半纤维素，木质素是最低的。HCl预处理后，在所有处理组中半纤维素含量有所降低，并且随着HCl质量分数的增加，半纤维素含量降低的幅度也增加。各处理组纤维素含量均有所降低，其中以4% HCl处理组纤维素的损失率最高。而2%、4%、6%处理组的木质素含量均有所增加，8%处理组的木质素含量有所降低。

图2 HCl预处理后各处理组组分质量百分数变化

3.2 发酵过程中pH的变化

图3为发酵过程中pH值的变化情况，由图可以看出，整个发酵过程中5 d之前pH处于下降趋势，5 d之后各处理组的pH都处于相对稳定的值。其中21 d左右4%处理组出现一个pH最高值，大约为9.6；8%处理组在21d出现一个pH最低值，大约为4。

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