偏硅酸钠用于秸秆处理的试验研究

2021-12-17宫亚斌石东伟

陕西农业科学 2021年11期

何炼,宫亚斌,石东伟

(杭州能源环境工程有限公司，浙江杭州 310020 )

0 前言

秸秆预处理是影响厌氧发酵产气效率的关键因素[1]，通过预处理能够使秸秆原料的多孔性增加、纤维素结晶度降低，并且使原料中的木质素和半纤维素含量降低，提高其可生化性，同时减少有机物损失[2]。常见的预处理方法包括蒸汽爆破、酸法预处理、碱法预处理等、生物预处理等[3～4]，其中碱法预处理相对简单且应用广泛。众多研究表明，通过碱液对秸秆进行预处理后半纤维素含量明显下降[5]，产沼气率和产甲率提升明显[6～8]，能有效提高秸秆可生化资源的利用率。

偏硅酸钠是一种强碱弱酸盐，水溶液呈碱性(其1%水溶液pH为12.4)，可提供良好的碱性环境。笔者拟采用偏硅酸作为秸秆碱预处理原料，以研究偏硅酸钠在不同添加量对秸秆厌氧发酵的影响。另外农业生产中含硅肥料能明显改善水稻田pH和氧化还原状况[9]，对水稻秸秆增产[10]及增强抗逆性[11～12]明显。因此，以期通过研究将偏硅酸钠替代传统的秸秆碱预处理药剂，且增加秸秆发酵产沼残余物——沼渣沼液中硅的含量，使沼渣沼液可作为后续农业生产中重要的硅肥产品，现代循环农业的发展具有积极的意义。

1 材料及方法

1.1 试验设计

试验所用秸秆为干黄玉米秸秆，经研磨粉碎后过5 mm筛网；偏硅酸钠采用市售分析纯药剂(AR)——Na2SiO3·9H2O；厌氧接种污泥采用本公司实验室长期运转的不产气污泥，物料性质见表1。

表1 物料性质

设计偏硅酸钠添加量为秸秆干基0.5%，1%和2%共三组处理；将各处理称量的偏硅酸钠溶于80 mL蒸馏水中配成溶液均匀喷洒至供试秸秆上，充分混拌均匀后置于30℃恒温水浴锅中处理72 h，同时做空白对照实验，每组处理设计4组平行样，其中1组样品每24 h取样(称取20 g)浸提后分析测试，剩余3个作为产气试验用试验设计见表2；预处理72 h后的秸秆投与厌氧接种污泥按Fvs∶Mvs=1∶1进行接种投加，混合均匀后于38℃±0.5℃下进行产沼试验，发酵装置见图1所示。

表2 试验设计

1.2 试验方法与装置

预处理试验：将秸秆投加至烧杯用喷洒偏硅酸钠溶液后利用保鲜膜封口，然后将其置于30℃水浴锅中水浴72 h后待测；

浸提试验：预处理后的样品取样分析pH和溶解性COD(sCOD)变化，将样品按1∶10与蒸馏水混合，置于4℃冰箱中浸提4 h，取6 000 r·min-1离心清液进行性质测试；

发酵试验采用图1所示装备，将预处理的样品与接种污泥混合后投加至发酵瓶中，利用橡胶管连接发酵瓶、排水排与集水瓶，并利用石蜡对发酵瓶和排水排瓶口进行密封，然后将发酵瓶置于恒温38℃±0.5℃水浴锅内进行产沼试验，每日记录集水瓶中饱和食盐水体积即为每日沼气产气量。

图1 厌氧发酵反应装置

试验中总固体(TS)采用105℃±5℃烘干恒重法测定；挥发性固体(VS)采用600℃箱式电阻炉灼烧2h差重法测定；pH采用PHS-3C型pH计测定；sCOD采用哈希DRB200消解器和DR3900分光光度计测定；沼气产量采用排饱和食盐水收集测量。

2 结果与分析

2.1 偏硅酸钠预处理对秸秆浸提液pH的影响

图2是经过不同浓度偏硅酸钠处理后秸秆浸提液pH变化趋势。从中可以看出，对照组浸提液pH从24 h时6.21降至48 h时5.60，而72h与48 h相比略有上升；处理1浸提液pH从24 h时9.75降至48 h时6.28，72 h时继续下降至6.13附近；处理2，浸提液pH从24 h时10.36降至48 h时6.84和72 h时6.52；处理3，浸提液pH从24 h时11.48降至48 h时7.25和72 h时6.73；经过偏硅酸钠处理后的各组pH值均呈下降趋势，分析原因为玉米秸秆碱处理能秸秆表面更为粗糙，结构已被完全破坏，纤维素、半纤维素等有机物水解酸化加快[13～14]，产生的大量的有机酸使料液pH值明显降低。但对照组浸提液pH在48 h和72 h之间未出现下降趋势，分析原因为伴随着水解微生物活动及有机氮氨化[15]作用的发生，pH值会伴随碱度的增加而升高。

(a) (b)

2.2 不同偏硅酸钠浓度与处理时间对浸提液sCOD的影响

图3是经过不同浓度偏硅酸钠处理后浸提液溶解性COD(sCOD)的变化趋势。从中可以看出，处理时间越长sCOD浓度越高，对照组sCOD从24 h时1 720 mg·L-1升高至72 h时3100 mg·L-1，增加80.2%；处理1sCOD从24h时10 320 mg·L-1升高至72h时23 100 mg·L-1，增加123.8%；处理2 sCOD从24 h时15 400 mg·L-1升高至72 h时29 700 mg·L-1，增加92.8%；处理3 sCOD从25 400 mg·L-1升高至72h时39 700 mg·L-1，增加56.3%。另外，在同等处理时间下，偏硅酸钠浓度越高，浸提液sCOD越高，处理24 h时，处理1、处理2和处理3较对照组sCOD分别提高6.0倍、8.9倍和14.8倍；处理48 h时，处理1、处理2和处理3较对照组sCOD分别提高6.5倍、8.7倍和13.0倍；处理72 h时，处理1、处理2和处理3较对照组sCOD分别提高7.4倍、9.6倍和12.8倍。即说明通过偏硅酸钠碱预处理，能够达到破坏秸秆的组织结构，加速了秸秆的水解作用。

(a) (b)

从图4可以看出，0.5%-72h处理组sCOD和1%-48 h处理组sCOD基本接近；1%-72 h处理组高于2%-24 h处理组，但小于2%-48 h处理组；因此，可以通过延长处理时间与降低药价添加量来平衡预处理投加成本。

图4 玉米秸秆不同偏硅酸钠预处理下浸提液sCOD

2.3 偏硅酸钠处理对秸秆产气量的影响

图5是不同浓度偏硅酸钠处理后秸秆日产气量趋势图，从中可以看出，对照组出现2个产气高峰分别在第8天第18天处理1、处理2和处理3均出现1个产气高峰，分别出现在第6 天、第3天和第6天，相比较而言处理3的产气高峰(550 mL·d-1)远大于其他处理组，总体而言经过偏硅酸钠碱处理秸秆，明显能加速秸秆产气情况，且随着处理浓度增加产气速率越高。图6是偏硅酸钠碱处理后累计产气量的趋势图，其中处理3累计产气达到5 725 mL较对照组4 450 mL、处理1组4 945 mL和处理2组5 210 mL，分别增加28.6%、15.8%和9.9%；而处理2较对照组和处理1，产气分别增加17.1%和5.4%；处理1则较对照组产气增加11.1%。因此，秸秆经过0.5%、1%和2%偏硅酸钠预处理其厌氧产沼气量分别可提升11.1%、17.1%和28.6%，预处理效果明显。