好氧水解過程中玉米秸稈傳質特性研究

衣淑娟吳春東沈景德

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.農業農村部資源循環利用技術與模式綜合性重點實驗室，北京100125；3.黑龍江八一農墾大學 信息與電氣學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

利用厭氧發酵將農作物秸稈轉化為沼氣，是解決能源和環境問題的有效途徑[1-2]。利用好氧水解可有效解決秸稈降解緩慢、易出現浮渣和結殼等發酵問題[3-4]。在水解發酵過程中，由于水分子的擴散、滲透的作用，使秸稈吸收水分增大其自重，吸水后若能達到飽和狀態，就會在發酵液中產生較好的沉降性，利于底物與反應器底部高密度的接種物接觸，充分降解有機物，提高其產氣速率，利于秸稈沼氣持續穩定運行。而秸稈各部位組織結構及物理特性不同，其吸收水分、水解程度存在較大差異，探討秸稈各部位的傳質特性可為水解參數、浮渣層的成分組成及沉降性提供基礎的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈收割后自然風干，將其人工剝離分選為皮、髓和葉三部分，并將其分別切割成長20 mm小段，樣品使用前4 ℃環境下保存；接種物沼液取自東北農業大學厭氧發酵中試系統的產甲烷罐(37 ℃條件下玉米秸稈厭氧發酵40天)，經20目篩過濾后備用。

1.2 實驗設計

將切割小段的髓、皮、葉分為A、B、C3組，每組24個處理。A組：將皮10 g放入100目錦綸過濾袋中，密封后壓入沼液液面下方50 mm處(沼液溫度為44 ℃)；每小時攪拌1次，每次15 s，每小時取出1袋，用水沖洗后檢測數據，分析其吸水率及物質溶出率；B組葉和C組髓與A組相同處理，不同的是髓稱取5 g。每組取3個平行樣進行實驗，實驗結果取平均值。

1.3 測定方法

吸水率按木材的吸水性進行測定(GB/T 1934.1-2009)。物質溶出率通過總固體含量(TS)、揮發固體含量(VS)的國標法測定；各指標測定均重復3次，取平均值。試驗數據通過Origin 8.6 軟件進行分析。

2 結果與討論

2.1 玉米秸稈各部位吸水率變化情況

從圖1可知秸稈各部位隨吸水時間呈逐漸上升趨勢。其中0～2 h期間，吸水率呈直線上升趨勢，在2～16 h期間，吸水率呈緩慢增加趨勢，這是由于秸稈進入溶液時，秸稈內的水勢(<-0.9 MPa)遠低于外部水溶液的水勢(0 MPa)[5]，水分子通過擴散的方式進入秸稈內部，秸稈吸水后增大其表面的水勢，使其表面內外水勢差減小，水分子的擴散速率降低導致吸水速率下降。從圖1中可以看出秸稈各部位的吸水率有著明顯的差異，從弱到強依次是皮、葉、髓，在吸水初期2 h時，皮、葉、髓的吸水率分別為124%、315%、492%，16 h時，分別上升到160%、347%、679%，其中髓的上升幅度最大，這主要是髓的組織結構蓬松柔軟，髓內糖類、氨基酸、蛋白質所含有的親水基團(—NH2、—CO、—COOH)高于皮和葉，吸水能力較強引起的差異[6]。

圖1 秸稈各部位吸水率變化情況

圖2 秸稈各部位物質溶出變化規律

圖2表示玉米秸稈物質溶出率隨時間的延長呈逐漸增大的趨勢，通過數據擬合發現物質溶出率與水解時間滿足y=a-bc^x指數函數，皮、髓、葉的R2均大于0.95，擬合效果較好。在0～24 h期間，秸稈物質溶出速率較快，葉、髓、皮的物質溶出率分別為7.8%、18.0%、20.7%；24～48 h，皮的物質溶出速率變慢，而葉和髓物質溶出持續增加。原因是前期秸稈溶出的主要物質是可溶性糖類，還有大部分可溶性無機成分；隨著水解時間的延長，水解溶液中的微生物對秸稈發生了水解酶反應，易降解的有機物慢慢發生水解，使得秸稈物質溶出的質量也逐漸增多；而在72 h后髓的物質溶出率增加幅度大于皮和葉，這與其組織結構和有機物組成有關，同時髓是圓柱形體，內部可溶出物質向溶液中擴散的距離遠大于皮和葉，與皮和葉相比，相同的溶出量所需的時間略長。

可見，秸稈在水解微生物酶解的作用下，在較短時間內可溶性物質會快速析出或溶出，增大了秸稈的比表面積、利于水分子擴散或滲透到秸稈內部，增大其自重，產生較好的沉降性能，避免或減少浮渣層的厚度，為有效解決秸稈浮渣結殼問題提供基礎的理論依據。

3 結論

(1)玉米秸稈髓、皮、葉的吸水率及物質溶出率隨時間延長都呈逐漸上升趨勢，有著明顯的差異；在16 h時，髓、葉、皮的吸水率分別達到679%、347%、160%；

(2)物質溶出率與水解時間通過數據擬合滿足y=a-bc^x指數函數關系，在24 h時，皮、髓、葉的物質溶出率分別為20.7%、18.0%、7.8%。

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