存儲時間對玉米秸稈理化性狀及產甲烷潛力的影響

袁玲莉，劉研萍，袁 彧，周麗燁,3

存儲時間對玉米秸稈理化性狀及產甲烷潛力的影響

袁玲莉1，劉研萍2，袁 彧2，周麗燁1,3※

（1 杭州能源環境工程有限公司，杭州 310020；2 北京化工大學環境科學與工程系，北京 100029；3 江蘇維爾利環保科技股份有限公司，常州 213125）

收割后的秸稈需要經過時間不等的存儲后進入到厭氧系統生產沼氣，而秸稈的存儲時間不同對產甲烷潛力有一定的影響。該文對收割后的玉米秸稈分別經過0、2、5、10、20、30和45 d自然堆放存儲，分析不同存儲時間秸稈的理化性質變化以及對產甲烷潛力的影響。通過分析不同存儲時間秸稈的感官性狀、總固體（total solid，TS）、揮發性固體（volatile solid，VS）、pH值、木質纖維素、葉綠素、揮發性脂肪酸（volatile fat acid，VFA）等理化性質，發現秸稈存儲20 d后各個性狀趨于穩定。對不同存儲時間處理的秸稈進行產甲烷潛力（biochemical methane potential，BMP）測試，結果顯示，存儲0、2、5、10、20、30、45 d的BMP分別為325.49、315.35、297.85、296.71、295.25、287.83、291.01 mL/g（以VS計）），隨著存儲時間的增加，BMP總體上呈下降趨勢，且存儲0~5 d的下降較快，存儲大于5 d的秸稈BMP結果相近。試驗得出，秸稈存儲時間不同對產甲烷潛力有明顯影響，主要由于受到多種原料性質的影響，尤其是木質纖維素、可溶性化學需氧量、還原糖、揮發性脂肪酸。研究結果可為工程化秸稈沼氣項目和生物天然氣項目的運行提供參考。

沼氣；秸稈；厭氧發酵；產甲烷潛力；存儲時間

0 引 言

中國是農業大國，農作物秸稈作為農業廢棄物的主要資源，2015年理論資源量高達10.4億t，可收集資源量約9億t，可作為生產沼氣原料的資源量約1.8億t，沼氣潛力約500億m3[1]。作為一種產量大、分布廣的生物質能，秸稈具有肥料化、飼料化、基料化、原料化和能源化五大資源利用方式[2]。然而，將秸稈未經處理直接用作還田、飼料和原料等傳統模式并未有效利用秸稈中蘊含的生物質能，對經濟效益和社會發展尚無明顯增益。能源化則可高效利用秸稈生物質能，生產生物天然氣或發電，既優化了能源配置，促進了能源與環境的可持續發展，同時可以獲得良好經濟效益，推動社會及生態文明建設。如何針對秸稈提供行之有效的處理和高效資源化利用方式已經成為中國亟需解決的問題[3-5]。

厭氧發酵（anaerobic digestion，AD）生產沼氣是秸稈在能源化利用方面的一種高效清潔方式[1-3,6-9]。在實際沼氣工程應用中，由于作物種植具有季節性的特點，導致秸稈供應期多為秋季，一般都需要經過時間不等的存儲過程才會進入到厭氧發酵系統中生產沼氣[10]，秸稈自然堆放存儲是中國目前沼氣工程中使用最為普遍的存儲方式。

秸稈收割后植物細胞依然具有活性。離體后，細胞組織呼吸作用加強，自身的營養物質被大量消耗并加快老化；植物細胞次生壁逐漸加厚，出現纖維化和木質化的現象，加快了老化程度；此外，植物細胞生成一些酶，如過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、多酚氧化酶等，加速木質化，加快組織衰老[11-12]。

此外，存儲過程中也有許多微生物的作用。由于新鮮秸稈具有一定的濕度和豐富的營養物質，能夠為微生物提供合適的生存條件，促使大量的真菌如白腐真菌、霉菌的生長，出現霉變的現象，但同時由于真菌對于木質纖維素的降解作用，能夠部分破壞木質纖維素，生成一些易降解的中間產物為自身和其他微生物提供營養[13]。除真菌外，還有酵母、各種產酸菌等的作用。堆實緊密處也會出現厭氧菌或兼性厭氧菌的作用。但隨著植物存儲過程中的不斷干燥和可溶性營養成分的消耗，微生物活性逐漸減弱。

自然堆放的存儲方式會造成較多的有機物損耗，干物質損失率可以達到18%～70%，一般來說會造成產甲烷潛力的下降[14-16]。但也有研究表明，由于存儲時間不同，產甲烷潛力會出現不同的變化趨勢[17-18]。但是對玉米秸稈存儲過程中的性狀變化以及產甲烷潛力（biochemical methane potential，BMP）的影響方面的研究較少。

本文探究了不同存儲時間對玉米秸稈產甲烷潛力的影響，并通過感觀及理化分析對存儲過程中玉米秸稈的理化性質變化進行分析。將玉米秸稈經過不同存儲時間處理后，進行產甲烷潛力測試，并分析存儲時間和性狀對BMP的影響，為秸稈通過自然堆放存儲方式，用以生產沼氣和生物天然氣的工業應用方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮玉米秸稈取自河北省保定市，收割時間為2015年8月底，并去除玉米果實，新鮮玉米秸稈的部分性質如表1所示。將新鮮玉米秸稈切成2～3 cm的小段，用以進行存儲試驗。

本試驗使用的存儲方式為室內自然堆放存儲，存儲地點為北京36.97°N，116.42°E，存儲時間為冬季，氣候干燥少雨。室內溫差較小，流通性較低。白天溫度為14～25℃，夜間溫度為12～20 ℃，相對濕度為7%～24%，

存儲方式和分組如下：將切碎至2~3 cm的新鮮玉米秸稈取小部分置于-20℃冰箱中冷藏，并標記為D0；剩下的新鮮玉米秸稈分別放入箱子內并置于室內，進行自然堆放，分別存放2、5、10、20、30、45 d后混勻取樣，并每天記錄天氣情況，以及存儲環境的室溫、相對濕度。以上存儲原料分別標記為D2、D5、D10、D20、D30和D45。記錄并觀察存儲期間玉米秸稈的感官變化。

對存儲之后的玉米秸稈粉碎處理至20目，用以進行BMP試驗和性質測定。每組BMP試驗和性質測定試驗重復3次。未使用時置于-20 ℃冰箱保存。對于莖葉濕潤的原料，粉碎過程中的水分損失率在1.5%～3%。

接種泥取自北京市順義區南塢沼氣站出料污泥，存放在室內陰涼處保存（10～20 ℃）。試驗接種泥性質見表2所示。

表1 新鮮玉米秸稈性質

表2 接種泥性質

1.2 分析方法

原料的總固體（total solid，TS）和揮發性固體（volatile solid，VS）測定使用重量法[19]。各原料和接種泥的總氮和總碳使用有機元素分析儀（Vario EL/micro cube，德國elementar Inc.）測定。原料中的金屬含量使用原子發射光譜儀（iCAP 6000 Series，美國ThermoFisher公司）測定。新鮮玉米秸稈和存儲后玉米秸稈的木質纖維素組分根據Soest[20]的方法測定。酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）含量使用纖維素分析儀（A2000i，美國）和200 F57濾袋技術測定。使用傅里葉紅外光譜法（FT-IR 8700，美國UNICO公司）分析存儲前后原料的官能團變化情況，從而對比不同存儲時間對原料性狀的作用。葉綠素測定采用分光光度法。

浸提法測定方法為：取10 g原料，加入100 mL蒸餾水，4 ℃條件下浸泡12 h后去渣，取液體部分測定pH值、揮發性脂肪酸（volatile fat acid，VFA）、可溶性化學需氧量（soluble chemical oxygen demand，SCOD）、有機酸、還原糖和氨氮。VFA和乙醇使用氣相色譜法（GC2010，日本島津公司）測定。SCOD使用COD測定儀（HACH DR/2000，美國HACH公司）進行消解，后使用分光光度法進行測定。還原糖采用DNS試劑法和分光光度法測定。氨氮采用凱氏定氮法測定。

1.3 理論甲烷產量及生物降解性

原料通過有機成分分析儀測定后得到C、H、O、N的含量，再將其轉化為分子式CHON表示，可通過式（1）和式（2）得到單位VS的甲烷理論產量，通過式（3）可計算得出生物降解性[6]。

式中V為理論甲烷產量，L/g（以VS計）；V為累積甲烷產量，L/g（以VS計）。

1.4 BMP測試試驗設計

BMP測試裝置中，厭氧反應瓶為500 mL血清瓶，用橡膠塞和封口膜進行密封，在35℃水箱中恒溫反應。手動搖勻，每日固定時間采用排水法，利用量筒測定產氣量，并用氣相色譜儀（SP-2100，北京北分瑞利儀器公司）測定沼氣各組分含量。

厭氧反應瓶總體積為500 mL，厭氧消化反應體積為300 mL。接種泥（I）和底物（S）的比值I:S=2（基于VS比），原料添加1.5 g（以VS計），接種泥加3 g（以VS計），根據原料和接種泥VS性質倒算回原料添加量（見表3），各厭氧反應瓶均補充蒸餾水到300 mL。在中溫35℃下厭氧消化運行40 d。每組試驗重復3次，并設置只添加接種泥的空白對照試驗，以扣除接種泥自身產生的甲烷。接種泥性質見表2，各試驗組別的原料和接種泥添加量見表3。

表3 原料和接種泥的添加量

注： 1. 原料和接種泥添加量基于：設計VS量/原料或接種泥VS%；2. 厭氧消化試驗組按不同存儲時間的原料進行分組。

Note: 1) The additive amount of material and inoculation are depending on the ration of additive VS amount and the VS% of material or inoculation. 2) The AD treatment groups are grouped according to the raw materials in different storage time.

2 結果與分析

2.1 不同存儲時間玉米秸稈的性狀分析

2.1.1 感官性狀及化學性質分析

對經過不同時間存儲后的玉米秸稈樣品，進行感官和性質分析，分析結果分別見表4和表5。

表4 不同存儲時間玉米秸稈感官性狀

表5 不同存儲時間玉米秸稈的性質

注：除TS、VS以外，其他性質的單位均基于干質量。

Note: The characteristics are based on the TS apart from TS and VS.

水分的變化最為直觀，隨存儲天數增加，玉米秸稈含水率從77.76%下降到5.16%。存儲20 d的秸稈（D20）感官上已經呈現干草狀。觀察TS和VS的變化，由于水分的不斷下降，在存儲0～20 d（D0～D20）TS和VS持續上升，在存儲了20～45 d（D20~D45）TS和VS基本穩定，D20～D45含水率均低于8%。玉米秸稈在存儲過程中水分不斷蒸發，含水率下降，含水率會受到環境因素的影響，尤其是空氣濕度。存儲第9天至第19天有較長時間的大風晴好天氣，空氣平均相對濕度較低，在5%～12%之間，造成玉米秸稈較快的水分流失，因此D10～D20的TS明顯上升，且D20的TS略高于D30。

通過對不同存儲時間下玉米秸稈的性狀觀察發現（見表4），莖葉的顏色也有明顯變化，從新鮮玉米秸稈的鮮綠色，到之后葉片呈現暗綠色，莖稈變黃。測定了樣品葉綠素含量（見表5），結果發現，隨著存儲時間的延長，葉綠素含量下降，含水率較高的0～10 d葉綠素含量（2.12～3.94 mg/g）高于干草狀的20～45 d葉綠素（0.92～0.98 mg/g）。可能是在存儲過程中，葉綠素b轉化為葉綠素a，經過多種酶的作用，最終降解為無色單毗咯氧化降解產物[21]。

存儲過程中的木質纖維素含量總體呈現上升趨勢（見表5），從新鮮玉米秸稈的63.14%到30 d的73.87%，45 d的木質纖維素含量略有下降，可能是微生物對纖維素和半纖維素的降解所致[22]。木質纖維素各成分中，具有明顯上升趨勢的是纖維素，纖維素作為細胞壁的主要支架，被半纖維素、木質素和果膠、蛋白質等物質包裹起來，且其結晶結構難以被微生物利用[23]。從表4可知，從2 d開始出現微生物活動的痕跡，2～45 d均有可見菌斑，通過顏色判斷，以褐腐菌和霉菌為主要可見菌種。真菌作用分泌的酶類可以部分降解木質纖維素成分[24]；而活性植物細胞和大部分微生物會優先利用除木質纖維素成分以外的易降解可溶性成分，同時離體后的植物細胞會加速老化，出現木質化[11-12]，這會導致干物質中的木質纖維素含量上升。

各不同存儲時間玉米秸稈的浸提性質（pH值、VFA、SCOD、還原糖、氨氮）變化較大（見表5）。

新鮮玉米秸稈浸提液pH值為弱酸性5.77，但存儲2 d后（D2）pH值下降到最低5.00，之后pH值上升，從10 d開始pH值上升到弱堿性并穩定。通過表4的感官性狀可知，2 d時有青貯感，氣味有輕微酸味，尤其是下層未接觸空氣的部分，形成的厭氧環境促進了乳酸菌和其他產酸菌的作用[25]。隨著存儲時間的增加，有機酸和VFA被活性植物細胞和微生物作用進一步分解，VFA的部分揮發作用[26]，以及植物細胞中生物堿的生成和釋放[27]，這些因素使得浸提液pH值上升。

VFA各組分隨存儲時間的變化情況見表5，0～5 d的VFA波動明顯，2 d達到峰值，2～5 d迅速下降。而5 d之后的VFA含量比較穩定，說明原料降解產生的VFA和消耗量達到平衡。VFA各個組分占比最高為乙醇、乙酸，其他各成分基本隨著存儲時間的增加而下降，而乙醇和乙酸在2 d達到峰值，因微生物作用而產生的有機酸使得2d的pH值下降。主要是由于存儲過程中下層玉米秸稈處在厭氧環境下，因為產酸菌和酵母菌的厭氧作用，出現產乙酸和產乙醇現象[12,21]。

SCOD單位TS含量的變化趨勢在0～5 d迅速下降，降幅57.26%，10 d的出現略微上升，之后趨于穩定，0～45 d整體降幅達到62.51%。10 d的玉米秸稈在所有存儲過程中霉味最重，在莖稈上出現了大量可見霉斑。含水率在12%～60%的范圍微生物活性最大[28]，10 d前后正好處在這一含水率范圍。活躍的霉菌和腐敗菌作用可能導致原料的分解加劇，從而使得SCOD略有上升。

還原糖的變化趨勢可見，新鮮玉米秸稈具有很高的還原糖含量，而0～5 d迅速下降，下降了83.28%，10～45 d還原糖含量維持在較低水平，0～45 d總體下降了93.90%，可溶出還原糖基本消耗殆盡。由于還原糖是活性植物細胞和微生物優先利用的碳源[22]，因此呈現初期迅速下降，之后保持低濃度穩定。較低的還原糖含量會抑制主要依賴其為碳源的微生物的生長[12]。

氨氮產生于生物作用下含氮物質的降解及轉化過程[29]。在2 d時氨氮達到最大值，由于此時旺盛的生物活性。之后由于生物活性減弱和氨氮的揮發，隨著存儲時間增加氨氮含量降低并趨于穩定。

上述各浸提性質在0～5 d均出現了較大的變化，而之后逐漸趨于穩定。其他各性狀及化學性質在20～45 d也比較相近。微生物利用原料進行降解的過程，水分含量起到重要作用，較低的水分含量抑制了微生物的生長[28,30]，對原料的降解作用較低，因而20～45 d的各性質變化幅度小，較為穩定。

2.1.2 不同存儲時間玉米秸稈的FT-IR分析

圖1為不同存儲時間的FT-IR圖譜。在3 421 cm-1和2 924 cm-1附近的峰主要為纖維素上氫鍵的C-H和O-H振動峰[31]，可以表征結晶纖維素的變化。相較新鮮玉米秸稈，經過存儲的玉米秸稈在2 921 cm-1附近的峰有所加強，說明結晶纖維素所占比例增加。1 730 cm-1附近的峰表征半纖維素中的乙酰基，木質素的糖醛酯鍵或半纖維素中的阿魏酸和香豆酸羧基的酯鍵[25]，在D0和D2有明顯的峰值，之后的存儲時間幾乎不出峰，說明存儲過程半纖維素和木質素中的乙酰基和酯鍵被明顯破壞，部分半纖維素和木質素降解。1 516和1 424 cm-1附近的峰表征了木質素中的芳香環，1 247 cm-1附近的峰表征了愈創木基中的C-O振動峰[7]，以上能夠表征木質素的基團結構變化，對比發現，這3個峰均在D0～D5加強，D10和D20出現減弱，之后D30和D45又逐漸加強，此現象和木質素測定結果一致，可能由于D10前后活躍的真菌活動導致木質素的部分降解，使得峰值減弱，隨著存儲時間的延長，對非木質纖維素成分的進一步生化降解作用使得木質素占干物質的比例上升。

2.2 不同存儲時間玉米秸稈的BMP

2.2.1 不同存儲時間玉米秸稈的累積和日產甲烷量

圖2為不同存儲時間秸稈產沼氣中的甲烷含量。圖3a和圖3b分別為經過水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）為40 d厭氧消化的反應，不同存儲時間玉米秸稈基于單位VS計算的累積產甲烷量和日產甲烷量圖。

圖2展現了不同存儲時間秸稈產沼氣中的甲烷含量的變化趨勢，可以發現每組原料厭氧消化產生的沼氣中甲烷含量變化趨勢一致，均為剛開始厭氧消化甲烷含量迅速上升，至厭氧消化第4天，甲烷占比>50%，之后穩定在54%～60%之間。

注：D0~D45表示不同存儲時間下的原料，下同。

圖2 不同存儲時間玉米秸稈產氣的甲烷含量

不同存儲時間玉米秸稈累積產甲烷量見圖3a，各試驗組的累積產甲烷量趨勢相近。厭氧消化進行2～10 d具有很高的產甲烷速率，且各組初期的產甲烷速率，隨著存儲時間的增加而下降；在厭氧消化20 d以后，各組的累積產甲烷量趨于穩定。D0始終具有最高的累積產甲烷量，D2的產甲烷速率和累積產甲烷量均略低于D0。D5和D10的累積產甲烷量居中。D20、D30和D45的累積產甲烷量圖線大致重合，各階段的累計產甲烷量接近（>0.05）。這3組的原料狀態均為干草，且各個感官性狀和化學性質較為相似。可能由于原料中較低的可溶性成分含量，D20～D45在厭氧發酵初期（0～15 d）甲烷產量低于其他各組。Miao等[18]的研究結果表明，自然存儲15 d 的藍藻具有最高的累積產甲烷量，明顯高于新鮮藍藻，這與本試驗結果不同。分析原因為，Miao等在存儲過程中添加蒸餾水以補充存儲過程中的水分損失，濕潤的環境保持了存儲過程中微生物的活性，從而促進微生物對原料的分解，生成具有甲烷潛力的物質，此外，玉米秸稈和藍藻的成分差異也是累計產甲烷趨勢差異的原因。

不同玉米秸稈日產甲烷量的情況見圖3b，各組均表現為出現一個明顯的產甲烷高峰（AD進行1.25～6 d）和一個較低的產甲烷峰值（AD進行6～10 d），之后日產甲烷量趨于平緩。各組均在厭氧消化進行的3 d或是4 d到達甲烷產量高峰，其中D0在4 d達到日產甲烷量最大值為38.40 mL/g，其他各組D2～D45峰值分別為35.66、31.75、25.20、10.57、9.30、9.50 mL/g，日產甲烷量的最大峰值基本隨著存儲時間的增加而降低。D0在AD進行初期的延滯時間很短，D2和D5的延滯時間為18 h左右，其他各組延滯時間在30 h左右。由于D0和D2原料中具有較高的可溶性有機物質，如乙酸、乙醇、還原糖等，AD過程中可以較快被微生物利用[32]，從而提高了初期的日產甲烷量，縮短了延滯時間。可以觀察到，D20~D45雖然初期具有較低的峰值和較長的延滯時間，但厭氧消化進行10 d以后的日產甲烷量較其他組相比略高，并一直保持到厭氧消化進行40 d。

圖3 不同存儲時間玉米秸稈的累積和日產甲烷量

2.2.2 不同存儲時間玉米秸稈的BMP分析

1）不同存儲時間玉米秸稈的BMP、理論產甲烷量及生物降解性

不同存儲時間玉米秸稈的理論產甲烷量、實際產甲烷量和生物降解性的數值見表6所示。實際產甲烷量即為試驗得到的BMP值。D0的BMP最高，達到325.49 mL/g，之后隨著存儲時間的延長，BMP呈現下降趨勢，其中，D5的BMP為297.85 mL/g，較D0降低了8.49%，BMP最低的D30為287.83 mL/g，較D0降低了11.57%。存儲時間大于5 d的玉米秸稈（D5～D45）值較為相近，變化率在3.5%以內。

各組的生物降解性D0最高，且隨著存儲時間的增加，生物降解性下降。D2的生物降解性下降明顯，在存儲時間大于5 d以后，生物降解性較相近。由于存儲初期階段（D0～D5），植物活性細胞和微生物具有較高的生物活性，利用了原料中部分可生物降解成分以完成自身新陳代謝[12]，而隨著存儲時間的延長，含水率大大降低，植物活性細胞和微生物不能維系細胞的新陳代謝作用，致使物活性降低或細胞死亡[28]，這使得隨著存儲的進行，微生物對原料的降解速率大大下降，從而使得甲烷化過程的生物降解性明顯下降；同時，原料的易生物利用組分如還原糖在存儲初期被大量消耗，而原料降解作用產生的還原糖不能及時供給生物利用，對生物活性有一定的抑制作用[25]。因而，存儲后期的原料因性狀差異小，對甲烷化的生化降解性影響不大。

值得注意的一點，在存儲過程中存在明顯地干物質損失。通過存儲記錄和計算發現，本試驗新鮮玉米秸稈經過45 d的堆放存儲，干物質損失率達到了27.95%。如此高的干物質損失率會造成原料大量的能量流失，損失了較多的甲烷潛力[33]。由于植物活性細胞的呼吸作用和多種微生物，如霉菌、腐敗菌、梭菌和酵母等，大量繁殖導致自然存儲過程中干物質損失嚴重[25]。當考慮存儲45 d的干物質損失時，玉米秸稈產甲烷潛力換算為單位VSorig，為206.76 mL/g（基于單位VSorig），和新鮮玉米秸稈的BMP相比，下降了36.48%，甲烷潛力損失嚴重。

2）不同存儲時間玉米秸稈和BMP關系

從表6中可知，隨著存儲時間的延長，BMP值呈現下降趨勢。在D0～D5下降明顯，D5之后趨于穩定。此變化趨勢和不同存儲時間玉米秸稈的浸提性質變化規律一致，BMP值可能受到原料中可溶性成分的影響。對玉米秸稈進行自然堆放存儲，短期的存儲（小于5 d）會明顯降低玉米秸稈的甲烷潛力，但延長存儲時間對BMP的影響可能不大，因其較低的含水量和穩定的化學成分。

表6 不同存儲時間試驗組的理論產甲烷量、實際產甲烷量和生物降解性

2.2.3 性狀與BMP的相關性

表7為各個存儲時間玉米秸稈性質與BMP的相關性和顯著性分析。其中，木質纖維素和BMP呈現負相關關系，相關系數值為-0.886 6，而木質纖維素組分中的纖維素和BMP的相關性達到了-0.9567，說明較高的木質纖維素含量不利于厭氧消化生產甲烷，尤其是較高的纖維素含量。浸提性質中的SCOD、還原糖和總VFA的相關性分別為0.958 1、0.968 2、0.852 5，相關性均較高，說明原料中較高的SCOD、還原糖和總VFA可溶性成分含量可以提高產甲烷潛力。

表7 原料性質與BMP的相關性

3 結 論

1）含水率隨著玉米秸稈存儲時間的增加而下降，存儲20 d以后秸稈呈干草狀。木質纖維素含量隨存儲時間的增加略有上升。存儲2 d的玉米秸稈具有最低的pH值和最高的總揮發性脂肪酸含量。可溶性化學需氧量和還原糖等浸提性質含量均在存儲0～5 d間迅速下降，之后隨著存儲時間的延長趨于穩定。

2）存儲0、2、5、10、20、30、45 d的產甲烷潛力分別為325.49、315.35、297.85、296.71、295.25、287.83、291.01 mL/g（以VS計）。隨著存儲時間的增加，產甲烷潛力下降，且存儲0～5 d的下降速率較快，存儲大于5 d的產甲烷潛力相近。同樣，生物降解率也隨存儲時間延長而下降。考慮45 d存儲過程中的干物質損失，甲烷潛力損失達到36.48%。

3）產甲烷潛力受到多種原料性質的影響。尤其是木質纖維素、可溶性化學需氧量、還原糖、揮發性脂肪酸。

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Effect of storage time on physiochemical properties and methanogenesis potential of maize straw

Yuan Lingli1, Liu Yanping2, Yuan Yu2, Zhou Liye1,3※

(1.310020,2.1000293.213125)

China is a large agricultural country, and crop straw is one of the main components of the agricultural waste. Anaerobic digestion (AD) to produce biogas is an efficient way for straw utilization. Utilizing straws as raw materials in biogas projects are usually need to be stored for a period of time after harvesting. Different storage time has effects on the biochemical methane potential (BMP) of straws. In this paper, we analyzed the change of physical & chemical properties and effects on the BMP of maize () straw under the circumstances of storage time for 0, 2, 5, 10, 20, 30 and 45 days piled naturally with room temperature. Physicochemical properties, such as sensory properties, total solid (TS), volatile solids (VS), pH, lignocellulose, chlorophyll, volatile fat acid (VFA), ammonia nitrogen, etc., were analyzed under different storage time. The results indicate that the properties of straws tended to be stable after 20 days of storage. As the storage time increased, the water content decreased, and the straw looked like hay after 20 days of storage. The soluble characteristics extracts, such as soluble chemical oxygen demand (SCOD), reducing sugar and VFA, decreased rapidly during storage for 0 - 5 days, and then were stable after around the 5th days. The content of lignocellulose in the storage process was generally increasing. The BMP tests on straws with different storage time showed that the BMP value with different storage time for 0, 2, 5, 10, 20, 30 and 45 days were 325.49, 315.35, 297.85, 296.71, 295.25, 287.83 and 291.01 mL/g (in VS), respectively. As the storage time increased, the BMP showed an overall downward trend, and the methane production rate of storage time for 0 - 5 d was decreased significantly, while the rate tend was stable after storage for 10 days. The BMP with storage for more than 5 days (10 d, 20 d, 30 d and 45 d) were roughly similar. During the whole AD period, the cumulative methane production trends of the respective experimental group were similar, while the daily methane production showed a higher peak (AD period at 1.25 - 6 d) and a lower peak (AD period at 6 - 10 d). After the two peaks, the daily methane production tended to be stable. The biodegradability of each group showed that the fresh straw (without storage) had the highest biodegradability, and the biodegradability decreased with the storage time lasting. With the reducing of moisture content and sugar content during the storage, the metabolism of plant cells and microorganisms were weakened or even die. Thereby, extending the storage time had slight effect on each property and BMP of straw. There was a significant TS loss during the storage procedure because of the plant cell respiration and the microbial biochemistry. Considering the TS loss, the methane potential loss reached to 36.48%. We concluded that maize straw storage for different lengths of time had a significant effect on the BMP, mainly due to the influence of various chemical components, especially moisture lignocellulose, SCOD, reducing sugar and volatile fat acid. The results can provide reliable references for the straw biogas projects operation.

biogas; straw; anaerobic digestion (AD); biochemical methane potential (BMP); storage time

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.025

X7

A

1002-6819(2019)-13-0210-08

2018-11-14

2019-06-05

國家科技重大專項課題-污泥與廢棄物處置及資源化利用技術集成與綜合示范（2017ZX07202005）

袁玲莉，工程師，從事沼氣工程及固廢資源化利用研究和工藝設計。Email：zghzyll@qq.com

周麗燁，高級工程師，杭州能源環境工程有限公司董事長，從事固廢資源化利用及水處理資源化利用。Email：zhouliye@heee-biogas.com

袁玲莉, 劉研萍, 袁 彧, 周麗燁.存儲時間對玉米秸稈理化性狀及產甲烷潛力的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(13)：210－217. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.025 http://www.tcsae.org

Yuan Lingli, Liu Yanping, Yuan Yu, Zhou Liye.Effect of storage time on physiochemical properties and methanogenesis potential of maize straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 210－217. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.025 http://www.tcsae.org