高温下CaO和H2O2预处理对水稻秸秆厌氧消化产气效率的影响

论文总字数：7254字

摘 要

为研究CaO和H₂O₂预处理对水稻秸秆厌氧消化产气效率的影响，本文采用不同浓度CaO和H₂O₂ 组合预处理对厌氧发酵产气效果的影响。实验结果表明，经CaO和H₂O₂联合处理后，产气条件明显有所改善，日均和总产气量、甲烷含量均有显著提高；综合来看，6% CaO和1% H₂O₂的组合应用效果最好，与仅用CaO处理的效果相比，日产气量高达1180 mL，累计产气量高达9498 mL，甲烷含量为57.2 mL，启动速度也比较快。因此，总体看来6% CaO和1% H₂O₂联合是预处理较优的工艺条件。

关键词：水稻秸秆，H₂O₂ ，厌氧发酵，预处理

Abstract：In order to study the effect of CaO and H₂O₂ pretreatment on anaerobic digestion efficiency of rice stalk, the effect of different concentration CaO and H₂O₂ pretreatment on anaerobic fermentation was studied. The results showed that after the combined treatment of CaO and H₂O₂, the gas production conditions improved obviously, and the total gas production and methane content increased significantly. The combined application of 6% CaO and 1% H₂O₂ was the most effective. Compared with the effect of using CaO alone, the daily gas output was as high as 1,180 mL, the cumulative gas production was as high as 9,498 mL, and the methane content was 57.2 mL. Therefore, it appears that 6% CaO and 1% H₂O₂ combined are better pretreatment conditions.

Keywords：Rice straw, H₂O₂, anaerobic fermentation, pretreatment

目 录

1 前言 6

2 材料与方法 6

2.1 实验材料 6

2.2 实验装置 6

2.3 实验设计 7

2.4 测定项目与方法 7

3 结果与讨论 8

3.1 不同预处理的pH变化情况 8

3.2 不同预处理对水稻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 13

1 前言

中国农作物秸秆等生物资源丰富，每年产量大约7亿吨^[1-3]。近年来，随着农业经济的发展人们生活水平的提高，出现了季节性、地区性、结构性的秸秆过剩，造成了严重的环境污染和资源浪费^[4]。由于秸秆中难以降解的木质素与半纤维素、纤维素^[5]相互混杂、交联，使得原可以被微生物利用的纤维素和其他可消化的营养素也难以被降解，特殊复杂的纤维组织结构严重制约了秸秆的厌氧发酵速率，因此需要进一步的预处理。本文选择成本相对低廉、安全性高的CaO和H₂O₂进行预处理产气试验，利用水稻秸秆为原料，在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行厌氧发酵试验，研究CaO和H₂O₂预处理对水稻秸秆厌氧消化产气效率的影响。

当前主要使用的预处理措施有物理方法^[6]、化学药剂^[7]、生物处理^[8]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。以往的研究以单一药剂改变为主，两种方法结合使用的研究较少，因此本实验旨在探索氧化钙和过氧化氢联合预处理秸秆的可行性。有研究显示，水稻秸秆粉酶解效果最佳的是用6%体积分数的CaO预处理^[9]。因此本实验以6% CaO分别与1%、2%、3%、4% H₂O₂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 材料与方法

2.1 实验材料

本文选取的实验材料是在自然条件下风干的稻草秸秆，取自淮安市淮阴区王营镇周围村庄，将其用剪刀剪成小段，约2～3 cm，并用粉碎机粉碎，测定其理化指标,见表1。本实验的接种物是户用沼气池中的沼液取自淮安市淮阴区王营镇丁集村，加入稻草秸秆与牛粪，在实验室中厌氧发酵一段时间。

表1 实验材料的理化性质（%）

2.2 实验装置

实验装置为本校自主设计的实验装置，主要由温控仪、传感器、地热线、恒温水箱、发酵瓶、集气瓶、集水瓶等部分组成（图1）。各部分之间由橡皮塞、玻璃管和乳胶管相连，加凡士林密闭。地热线均匀分布于水箱底部，无交叉重叠，地热线间距1 cm 左右，使水箱内传热均匀。2 L 的玻璃瓶作为发酵瓶，1000 mL 锥形瓶作为集气瓶。发酵瓶处设有发酵料液取样口和气体采样口，定期取样进行沼气气体成分和料液pH值的测定。

图1 厌氧发酵装置组成

2.3 实验设计

实验的整个过程分为预处理阶段、厌氧发酵产沼气阶段，两个阶段在同一个装置内进行。预处理阶段在常温厌氧条件下进行，用盖子将玻璃瓶密封。厌氧发酵产沼气阶段在高温（55±1）℃条件下发酵。发酵装置固定在恒温水池中，池温的恒定温度通过温控仪、传感器和地热线控制。

实验设五个实验组：分别为（1）6% CaO（作为对照组）；（2）6% CaO 1% H₂O₂；（3）6% CaO 2% H₂O₂；（4）6% CaO 3% H₂O₂；（5）6% CaO 4% H₂O₂。这些所有处理样品均放置于恒温培养箱中，温度为20摄氏度，放置7 d后，装入发酵罐中然后发酵，牛粪与稻草秸秆一比一配比，干物质各取60 g，加接种沼液定容到2 L装罐。发酵温度在高温（55±1）℃条件下发酵。

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