二氧化碳氣調貯存秸稈及對厭氧發酵產沼氣性能的影響研究

摘 要：秸稈的再次利用方式主要就是通過厭氧發酵產生沼氣，因此如何有效地貯存足夠數量的秸稈對于保障沼氣的發酵生成量有著重要的作用。根據以往的實驗結果分析得出，CO2氣調方式是一種較為高效并且產量較高的一種有效貯存秸稈的方式，同時也是一種預處理秸稈的方法，有效保證通過厭氧發酵產生沼氣的性能以及產量了。

關鍵詞：CO2氣調;秸稈;厭氧發酵;沼氣

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015006

引言

焚燒秸稈仍是造成大氣污染的一個重要原因，而大氣污染又是環境污染的一部分，現階段對于我國乃至全球來說，環境污染是急需解決的一大難題，與此同時能源逐漸稀缺也是目前一大危機，秸稈這種生物廢品的再利用就顯得尤為重要。隨著時代的發展和技術的提高，研究人員得出通過多種手段進行的沼氣工程中沼氣池中產生的CO2能夠為秸稈的貯存提供更適合的環境，為燃料的儲備做出貢獻。

1 實驗背景

根據以往的實驗結果總結來看，秸稈的貯存方式不同，其損失的量也有所不同。對于畜牧業來說，通常使用的秸稈貯存方式是青貯，青貯這種貯存方式是在秸稈新鮮的時候，將其貯存在酸性（pH≈4）環境中，通過乳酸菌這些厭氧微生物的作用來降低不利于貯存的好氧微生物的存活數量及繁殖速度，將秸稈內的有效營養成分更好的保存下來，盡可能地減少秸稈內營養成分的損失。但是青貯這種相對來說較好的貯存方式仍舊存在一定的不足，其預處理時所需要耗費的資金與勞動力相對較高，因此其成本相對來說高于其他貯存方式。

氣調這種保鮮技術在國內最早得到試用是在對蔬果以及糧食的貯存上，主要是通過調整和控制貯存環境中氣體的含量以及各種氣體所占的比例來實現保鮮這一儲存目的的，也就是盡可能地降低存儲環境中氧氣的含量，轉而提高CO2的含量，并且保證這2種氣體始終穩定在合適的比例和壓力環境中。某些研究人員通過實驗發現，在氣密性相對較為良好的存儲倉庫當中，其倉庫的溫度始終維持在22～28℃這個范圍內，并且空氣中CO2所占的比例為24%～36%，將糧食放置在倉庫中10h以上，能夠有效殺蟲100%，蟲的種類主要為米象和谷蠹成蟲等，為糧食的有效貯存提供了保證。

本文主要研究秸稈在這種氣密性相對較為良好的環境中，通過沼氣工程中產生的CO2來置換倉庫中氧氣，最終實現秸稈與秸稈之間的縫隙以及整個倉庫環境中氧氣的含量，達到厭氧微生物喜歡的環境，有效降低好氧微生物的生長繁殖速度與能力，促進乳酸菌等厭氧微生物的生長，為秸稈的長時間貯存創造更好的環境。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗所需材料

本文的實驗所采用的秸稈選自山東省農業科學院試驗田中栽種的麥子留下的秸稈，在歷經晾曬以及揉搓等破壞之后，保證秸稈的長度在2～3cm左右。在進行厭氧消化實驗中所采用的接種物主要是養豬場經過多年的沼氣池發酵之后產生的沼渣。

2.2 對實驗過程的設計

2.2.1 秸稈的氣調保存操作

本文進行的實驗主要使用1L的廣口玻璃瓶對秸稈進行貯存，設置2個未進行貯存操作的對照組和3個經過貯存操作的實驗組，通過使用灌滿1L CO2的容器來置換存儲秸稈容器的氣體0、5、8次，分別達到容器中氧氣的含量為23%、19%、15%，分別標記為實驗組A、B、C，與此同時，分別進行兩次重復實驗。對照組的秸稈在經過曬干操作之后，取100g，每組各50g，通過添加自來水調節秸稈的含水量，保證其含水量為75%左右，將對照組的秸稈進行密封處理，并將其放置在30℃的恒溫箱中保存30d。

完成貯存實驗操作之后，取出A、B、C 3組中少量的秸稈樣品進行下一步操作，也就是進行厭氧與好氧微生物數量和種類的檢測，剩余的實驗組樣品進行55℃左右的低溫處理。

2.2.2 厭氧發酵實驗

本次實驗采用800mL的廣口玻璃瓶進行厭氧發酵實驗，將容器中TS的濃度調整為4.5%，并將每1個實驗組玻璃瓶中灌入300g污泥，以及加入其它成分。將其充分混合之后，充入氮氣，氮氣充入的時間為2min，保證將實驗瓶中空氣完全去除。密封之后，將進行厭氧發酵實驗的容器放入30℃的環境中進行厭氧發酵。隔天進行瓶內的產氣量以及瓶內甲烷的含量檢測。

3 實驗結果以及分析

3.1 秸稈進行貯存前與貯存之后理化性質的變化

秸稈在進行貯存之后其理化性質將發生很大的變化，實驗結果表明沒有經過氣調實驗的秸稈中營養成分的流失量最多，隨著氣調操作進行次數的增多，秸稈中營養成分的損失量隨之降低。秸稈的貯存過程中發生理化性質變化，主要是由于環境中微生物進行生長繁殖，將秸稈中含有的纖維素等成分進行降解破壞。根據對實驗組和對照組中秸稈營養成分的研究發現，經過氣調實驗操作的秸稈含有更高的熱量，更利于其作為燃料提供保障。

3.2 秸稈中含有的微生物的數量

經過30d貯存的秸稈含有的微生物數量主要有3種，即細菌、真菌和放線菌。這3種微生物在秸稈中含量的多少是隨著實驗環境中CO2的濃度變化而變化的，也就是隨著進行氣調次數的變化而進行變化的，微生物數量的多少與進行氣調次數呈現負相關關系。由于實驗組中B組和C組進行的空氣置換相對較多，容器中氧氣的含量較少，因此這3種微生物的數量相對較低，而乳酸菌等數量較多。并且貯存的環境的pH值較小，更加利于乳酸菌的生長和抑制其他微生物的生長繁殖，使得秸稈在短時間不會遭受微生物的侵蝕。

3.3 秸稈表面形態的變化

通過電子顯微鏡對進行氣調貯存的秸稈的表面形態進行觀察，可以發現，貯存之前秸稈的表面較為光滑，基本沒有孔隙和裂縫;沒有進行氣調處理的實驗A組的表面附著有較多的細菌，而且有一部分纖維表面層已經被降解破壞，形成了較深孔隙和較大的裂縫;進行了5次氣調處理的實驗B組的表皮仍舊存在少量的菌體，秸稈的表面出現一些較輕的孔隙和裂縫，其纖維表面層沒有遭受明顯的破壞;經過了8次氣調處理的實驗C組的表皮基本沒有菌體附著，而且秸稈的表面仍舊呈現光滑狀態，基本沒有出現孔隙和裂縫，秸稈的纖維表面層沒有遭受破壞，與貯存前的秸稈表面基本一樣。因此可以得出，隨著氣調次數的增多，秸稈受到的保護增大，其纖維結構遭受破壞的可能性就越小。

3.4 熱穩定性分析

根據實驗對不用貯存環境中的秸稈的熱量進行檢測，結果顯示進行氣調處理次數越多的秸稈，其體內含有的熱量相對較多，其熱穩定性越強。沒有經過貯存處理的對照組存在明顯的分解速率變化，其表皮和內部的纖維結構相對較為緊密和完整，被熱解的難度較大。經過貯存并且沒有進行氣調處理的對照組的秸稈的表面遭受微生物的分解與破壞，纖維組織結構也不同程度的遭受了破壞，其熱穩定性相對較差;實驗A組的秸稈由于只是隔絕了空氣，并沒有進行氣調處理，秸稈的表面與纖維結構同樣遭受了微生物不同程度的破壞，因此本組的熱穩定性相對于對照組來說好一些，但是基本上差不多;實驗B組的秸稈只是表面遭受了微生物的破壞，而且破壞程度較輕，微生物未對纖維表面層結構造成破壞，因此本組的秸稈的結構疏松更加利于消化，其熱穩定性相對較好;實驗C組的秸稈的熱穩定與實驗B組的熱穩定基本一致;除此之外，實驗B組和實驗C組存在差距較大的熱分解速率以及相對較少的燃燒殘渣?？偠灾?，對不同組的秸稈的熱重分析，最終結果顯示，進行氣調處理的次數越多，秸稈貯存環境中氧氣含量越低，秸稈能夠得到的保護越好，其熱穩定性也就越高。

4 結論

綜上所述，通過氣調這種貯存方式能夠有效降低秸稈貯存過程中養分的損失，而且在相同條件下，進行氣調操作的次數越多，其保存質量就越高，當然，前提是貯存的秸稈含水量是相同的。進行氣調操作的秸稈中含有的厭氧微生物種類和數量相較于未進行處理的秸稈更為豐富，經過氣調處理的秸稈的纖維組織結構也更為完整。根據對秸稈厭氧發酵實驗的結果分析發現，進行氣調次數越多的容器內產生的氣體越多，這也就說明進行氣調貯存之后秸稈能夠產生更多的氣體，而且隨著貯存環境中氧氣含量的降低，產氣量有所增加。

參考文獻

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作者簡介：

岳鵬（1984-），男，本科，工程師。研究方向：農業工程技術。