CO2气调贮存秸秆及对厌氧发酵产沼气性能的影响研究

2019-05-21霍立娇叶小梅常志州夏腾飞

中国沼气 2019年2期

霍立娇, 杜静, 叶小梅,2, 常志州, 夏腾飞

(1.江苏省农业科学院循环农业中心, 南京 210014； 2.农业农村部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站，南京 210014)

环境污染和能源危机是当今时代的两大问题，如何减少环境破坏和寻找可再生能源成为亟需解决的问题[1]。小麦是中国第三大粮食作物，2015年中国小麦播种面积达24069千公顷，年产小麦12620.8万吨，年可收集麦秸约1.05亿吨[2]。麦秸作为生物质能中重要的一部分，厌氧发酵产沼气是其资源化的有效途径，既能实现能源的回收利用，又能缓解目前农村严重的面源污染问题，符合可持续发展的要求，受到研究者们的重视[3-5]。由于鲜麦秸不易长期保存，并且秸秆收获的季节性与沼气工程周年运行间存在矛盾，因此麦秸的长期贮存是目前需要解决的问题。

研究结果表明，秸秆通过不同的贮存方式，可以有效减少损失。畜牧业最常使用的贮存饲料的方法是青贮，青贮是以新鲜的秸秆(大约含水率在60%～75%)为原料，在酸性的环境下，pH值大约为4左右，利用乳酸菌等厌氧微生物，抑制不良的好氧微生物的生长繁殖，保存秸秆的营养成分、降低秸秆养分损失的方法[6]。付广青[7]等以新鲜水稻秸秆及青贮后的水稻秸秆为原料，研究在室内中温条件下厌氧发酵产沼气特性，结果表明，水稻秸秆经青贮30 d 后，秸秆pH值降低至4，纤维素与总碳含量降低达显著水平，产气效果也得到提高。但是在秸秆青贮处理，需要进行粉碎预处理并且处理成本较高。

国内自上个世纪90年代开始研究应用于水果蔬菜和粮食的气调保鲜技术。所谓气调，是利用控制气体比例的方式来达到储藏保鲜的目的[8]。CO2气调法贮藏，是采用改变空气的成份，降低空气中氧气分压，提高二氧化碳的分压，并使这两种气体相对稳定于一定分压的环境中[9]。蒋德云[10]等发现气密性能良好的仓房内，温度为25℃±3℃，CO2气体浓度为 25%～35%，杀虫的持续时间为10 d以上时能100%杀灭米象和谷蠹成虫，保证粮食的安全稳定贮存。

本研究选取麦秸为试验材料，采用在密封条件下，利用沼气工程沼气提纯所获得的副产物CO2气体对麦秸孔隙和贮存环境进行氧气置换，以降低麦秸孔隙和贮存空间环境的空气中氧分压，造成厌氧环境，降低有氧呼吸腐生菌数量，避免因有氧呼吸产生的高温，创造利于乳酸菌生长的条件，以抑制其它微生物的生长，达到较长时间内无腐贮存麦秸的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

麦秸取自江苏省农业科学院试验田，经晒干，搓揉，破碎至2～3 cm，总固体含量TS为90.95±0.52%，VS为89.86%，总有机碳为54.62%±1.32%，凯氏氮为0.76%。厌氧消化实验所用接种物为猪场常年运行沼气池的发酵沼渣，总固体含量(TS)2.06%，挥发性固体含量(VS)0.84%，pH值7.56。

1.2 试验设计

1.2.1 麦秸气调保存

试验采用1 L广口玻璃瓶作为麦秸贮藏的模拟装置，设置4个处理组，包括未贮存对照组(计CK)和3个贮存处理组，用与秸秆贮存容器相同体积的CO2气体置换0，5，8次，达到氧分压为21%，17%，13%，分别计为处理组A、B和C，各处理组设置2个重复。风干麦秸为50 g，用自来水调节含水量为75%(模拟新鲜麦秸)，装好后密封保存，在30℃恒温箱中静置贮存30天。

1.止气夹； 2.取气口； 3.贮存罐图1 实验装置及示意图

贮存试验结束后，采用无菌操作从A，B，C处理组中取出少量秸秆样品，用于细菌、真菌和放线菌计数；其余样品采用55℃低温干燥处理测定TS，然后用万能粉碎机将秸秆粉碎过20目筛，测定样品VS，有机碳，有机氮，纤维素，半纤维素和木质素含量；此外，采用多点取样方式选取3～5根经低温干燥处理后的秸秆样品用于电镜扫描，同时测定未处理对照组秸秆的各项指标。

1．2．2 厌氧发酵试验

采用750 mL广口玻璃瓶作为厌氧反应器，发酵TS浓度设置为4%，每个处理组加入接种污泥 300 g，加入尿素调节各处理发酵原料C/N为30/1，用蒸馏水补充至总质量均为450 g。混匀后，通入氮气2 min以驱赶发酵罐内的空气。密封后，发酵罐内的30℃下进行厌氧发酵试验，每个处理3个平行，取平均值进行分析。每隔1天测日产气量、甲烷含量。

1.3 测定指标及方法

TS测定采105℃±2℃烘12 h差重法测定[11]；VS测定采用550℃±20℃灼烧4 h差重法测定；有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法[12]；全氮的测定采用 H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法[13]。纤维素、半纤维素和木质素含量测定采用VELPFIWE6 型纤维素测定仪并参照范式洗涤纤维分析法[14]； pH值采用雷磁PHS-2F型pH计测定。甲烷产量的测定采用排水集气法[15]；甲烷含量测定使用 GC-9890A 气相色谱仪，气相色谱仪采用TDX-02B色谱柱(4 mm×0.5 m)，以氢气为载气，载气流量为 30 mL·min-1，TCD 检测器，柱温100℃，检测器温度 120 ℃，进样量为 0. 5 mL，外标法测定。热值采用氧弹量热仪测定。

傅里叶红外变换分析(FITR)：Thermo Scientific(美国)生产的NicoletS10型傅里叶变换红外光谱仪，中红外范围4000～400 cm-1。

扫描电镜分析(SEM,EVO-LS10, Carl Zeiss Jena, Germany)。

X衍射分析(XRD)：利用X衍射分析仪(XRD-D2PHASERX, Bruker AXS, Germany)通过分析XRD衍射图谱，计算麦秸的结晶度，计算公式如下[16]：

式中:Cr为结晶度；I002为002面衍射峰强度；Iam为无定型纤维素衍射峰强度，位于2θ=18°。

热重分析仪(EXSTAR series TG/DTA7200,SII NanoTechnologyInc)。

2 结果与分析

2.1 贮存前后麦秸理化性质

麦秸贮存30天主要理化性质如表1所示，与对照组CK的有机碳含量54.62%和有机氮 0.76%对比，实验组C，B，A的有机碳和有机氮含量逐渐减少，处理C减少的最少，这与TS和VS损失率的变化趋势一致。两指标都表明没有进行气体置换处理的A组的有机质损失最多，B和C处理组结果说明气调有效果，并且气调次数越多，氧分压越小，有机质损失越少。贮存过程中麦秸的有机质损失主要由于腐生微生物降解了麦秸中的纤维素、半纤维素、粗蛋白、粗脂肪和可溶性糖类等物质。对照组的纤维素、半纤维素和木质素含量分别为36.64%，36.70%和10.78%，实验组C，B，A的纤维素、半纤维素含量减少，木质素的含量占比有所增加。贮存过程麦秸中纤维素和半纤维素的减少也是由于腐生微生物的降解作用，而木质素作为填充在纤维之间的粘合剂，不能转化为糖类，还难以被微生物降解利用。热值指单位质量的燃料完全燃烧时所放出的热量，分析各处理麦秸的热值结果，发现与未处理的麦秸相比，经过气调处理的麦秸热值增加，作为燃料的能源潜力增加，而没有经过气调处理的麦秸的热值相对较高，这与木质素的含量一致。

表1 贮存前后麦秸理化性质

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)；CK:贮存前麦秸；A:氧分压21%；B:氧分压17%；C:氧分压13%。

2.2 微生物数量

如图2～图4所示为贮存30天后麦秸所含微生物(细菌、放线菌和真菌)的数量，细菌、放线菌和真菌3种菌的数量级分别为105，104，103。3种微生物的数量随着不同置换次数处理的变化趋势是一致的，与对照组的微生物数量相比，没有进行气体置换的A处理组的3种微生物数量最多，而B和C处理组随着气体置换次数的增多，环境中氧分压的降低，3种微生物的数量大幅度降低。在潮湿和含氧量较高的环境条件下，A处理组中的好氧微生物大量地生长和繁殖。B和C处理组在氧分压较低的环境条件下，有氧呼吸的腐生菌数量较少，避免因有氧呼吸产生的高温；乳酸菌生长较快，产生的偏酸的环境，抑制了其他微生物的生长，达到较长时间内无腐贮存麦秸的目的。这与杨云贵[17]等人研究结果一致，说明较高的氧分压环境不利于秸秆的贮存，气体置换次数较多，氧分压较低的C处理组的贮存条件最佳。

图2 麦秸贮存后细菌数量

图3 麦秸贮存后放线菌数量

图4 麦秸贮存后真菌数量

2.3 FTIR分析

如图5为麦秸气调贮存前后FTIR图谱。气调贮存麦秸由于微生物的降解作用，部分纤维的成分和结构发生改变。FTIR表征结果显示，3331 cm-1处的强峰表示纤维中多聚糖上的O-H伸缩振动[18]，气调贮存后，B和C处理组有更强的羟基吸收峰，而A处理组吸收峰相比对照组明显降低。这是由于A处理组中的微生物进行有氧呼吸，造成腐生菌繁殖并降解麦秸的纤维素和半纤维素，使纤维多糖相对含量降低，羟基含量则随之降低。B和C处理组氧气含量低较，好氧菌被抑制，乳酸菌在厌氧环境中增殖同时抑制其他细菌和霉菌的增长，使麦秸纤维保存相对完好，仅麦秆中的部分果胶和油脂被分解，保证B和C组麦秸含有相对较高的纤维素和半纤维素含量，羟基吸收峰较强。2918 cm-1处是-CH2的C-H的伸缩振动吸收峰，1371 cm-1是其面内弯曲振动吸收峰，表征纤维素和半纤维素中C-H的非对称变形[19]，两峰的变化趋势与羟基峰一致。1635 cm-1处峰归代表木质素芳香环C = C 的伸缩振动[20]，A处理组由于部分纤维结构被好氧菌破坏，纤维素和半纤维素减少，结晶水含量下降，持水性降低。B和C组结晶水峰有所增强，麦秸对水的吸附能力提高。从以上分析可知，气体置换产生的低氧条件更有利于麦秸的贮存，可在一定程度上防止麦秸的破坏，降低麦秸中营养的流失。

图5 麦秸贮存前后FTIR图谱

2.4 表面形态特征

用扫描电子显微镜(SEM)观察了气调贮存麦秸前后的表面形态结构的变化，观察结果见图6～图9。未贮存麦秸表面光滑，无孔隙裂痕。而A处理组秸秆表面有许多菌体附着，部分纤维表面层被分解破坏，形成裂痕和深孔。B处理组秸秆表面存在少量菌体，裂痕和孔隙较浅，未造成明显纤维结构破坏。C处理组麦秸表面较为光滑，纤维结构基本未被菌体分解，仅有很少的轻微缺陷，与未处理秸秆表面状况基本相同。通过SEM图像观察说明，气体置换次数越多，造成的低氧分压条件能更好地保存秸秆，防止纤维结构的破坏。

2.5 纤维素晶体结构分析

麦秸中的纤维素主要以无定型纤维和晶体纤维两种状态存在，XRD图谱(见图10)反映了这两种形态纤维素的变化，同时说明了麦秸内部结构的改变。如图6～图9所示，2θ=16°和22°两个晶面峰为麦秸纤维的典型特征峰，分别代表110晶面和002晶面[21]。2θ=18°典型特的衍射强度表示无定型纤维的衍射强度。A处理组相比于未贮存秸秆两峰的强度明显减弱，其主要原因是贮存过程中A组的麦秸纤维素和半纤维素被部分破坏和分解，纤维素晶体相对含量降低2%，衍射强度降低。B和C处理组衍射峰强度增强，表明纤维素结晶度相对增加，分别增加了8%和9%。这是由于麦秸在贮存过程中，部分易降解和水解的物质被微生物分解，使纤维素结晶度相对含量增加(见表2)。通过X射线衍射图谱分析，气体置换产生的低氧条件更有利于麦秸纤维素结构的保持，减少麦秸有机质的损失。

图6 未贮存麦秸的SEM观察图像

图7 氧分压21%条件下贮存30天麦秸的SEM观察图像

图8 氧分压17%条件下贮存30天麦秸的SEM观察图像

图9 氧分压13%条件下贮存30天麦秸的SEM观察图像

此外，纤维晶体结构较为紧密，不易被破坏，纤维结晶度的增加有利于麦秸的长期贮存，但却难以被厌氧消化，关于这一方面，还有待进一步的研究。

图10 X射线衍射图谱

表2 不同处理组麦秸结晶度 (%)

2.6 热稳定性分析

热重分析反映了麦秸贮存前后热性能的变化，不同于上面对麦秸成分和结构的直接表征，通过对热重曲线(见图11)的分析间接了解贮存对麦秸的影响。麦秸的热分解可分为3个阶段：第1阶段在100℃以内，麦秸失去游离水，质量略微减少；第2阶段从210℃到350℃主要是纤维素和半纤维素的热分解，麦秸质量呈线性下降；第3阶段350℃～650℃，第2阶段残留木质素完全热解。通过对3个阶段热解参数(见表3)的对比发现，对照组有最大的起始分解温度和最小的分解速率，其主要原因是空白对照组的麦秸未经微生物破坏，表皮和内部纤维结构紧密完整，不易被热解。而经过贮存的麦秸表皮一定程度上受到微生物破坏，表面产生缺陷，内部结构也较为疏松，导致热稳定性下降。A处理组秸秆热稳定性仅次于对照组，最大热分解速率为248 ug·min-1，明显低于B,C两组。B组和C组麦秸热性质无明显差异，较大的热分解速率和低的残渣剩余率说明贮存后麦秸纤维成分保存较好，秸秆结构疏松更利于消化。通过热重分析说明，气体置换次数越多，造成的低氧分压条件能更好地保存麦秆，麦秸的热稳定性也相应提高。

图11 不同处理组麦秸热重曲线

表3 麦秸热性质参数

3 麦秸贮存后厌氧发酵产气特征

由图12～图14数据明显看出，A处理组甲烷含量和体积明显偏低，C处理组在第9天甲烷体积分数最高，第1个产气高峰是第8天，B处理组在第11天甲烷体积分数最高，第1个产气高峰是第9天。通过对比各组数据明显看出，A处理组麦秸发酵效果最差，由此可知A处理组麦秸发酵潜力较低，说明贮存效果最差。B和C处理组相比于对照CK组累积产气量分别下降了18.40%和8.64%，这是由于秸秆在潮湿的环境下发生了有机物质损失，并且气调次数越多，氧分压含量越低，麦秸的有机损失越低，厌氧发酵产气量越高。与原始对照麦秸发酵累积TS产气量210.07 mL·g-1TS相比，C和B处理组麦秸发酵累积TS产气量分别为191.93 mL·g-1TS和 171.43mL·g-1TS，氧分压为13%的C处理组比氧分压为9%的B组累积TS产气量提高11.9%(见表4)。说明置换气体次数越多，氧分压越低，贮存效果越好，厌氧发酵产气效果越佳。麦秸预处理后厌氧发酵产气特性见下图。