偏硅酸鈉用于秸稈處理的試驗研究

何 煉,宮亞斌,石東偉

(杭州能源環境工程有限公司，浙江 杭州 310020 )

0 前言

秸稈預處理是影響厭氧發酵產氣效率的關鍵因素[1]，通過預處理能夠使秸稈原料的多孔性增加、纖維素結晶度降低，并且使原料中的木質素和半纖維素含量降低，提高其可生化性，同時減少有機物損失[2]。常見的預處理方法包括蒸汽爆破、酸法預處理、堿法預處理等、生物預處理等[3～4]，其中堿法預處理相對簡單且應用廣泛。眾多研究表明，通過堿液對秸稈進行預處理后半纖維素含量明顯下降[5]，產沼氣率和產甲率提升明顯[6～8]，能有效提高秸稈可生化資源的利用率。

偏硅酸鈉是一種強堿弱酸鹽，水溶液呈堿性(其1%水溶液pH為12.4)，可提供良好的堿性環境。筆者擬采用偏硅酸作為秸稈堿預處理原料，以研究偏硅酸鈉在不同添加量對秸稈厭氧發酵的影響。另外農業生產中含硅肥料能明顯改善水稻田pH和氧化還原狀況[9]，對水稻秸稈增產[10]及增強抗逆性[11～12]明顯。因此，以期通過研究將偏硅酸鈉替代傳統的秸稈堿預處理藥劑，且增加秸稈發酵產沼殘余物——沼渣沼液中硅的含量，使沼渣沼液可作為后續農業生產中重要的硅肥產品，現代循環農業的發展具有積極的意義。

1 材料及方法

1.1 試驗設計

試驗所用秸稈為干黃玉米秸稈，經研磨粉碎后過5 mm篩網；偏硅酸鈉采用市售分析純藥劑(AR)——Na2SiO3·9H2O；厭氧接種污泥采用本公司實驗室長期運轉的不產氣污泥，物料性質見表1。

表1 物料性質

設計偏硅酸鈉添加量為秸稈干基0.5%，1%和2%共三組處理；將各處理稱量的偏硅酸鈉溶于80 mL蒸餾水中配成溶液均勻噴灑至供試秸稈上，充分混拌均勻后置于30℃恒溫水浴鍋中處理72 h，同時做空白對照實驗，每組處理設計4組平行樣，其中1組樣品每24 h取樣(稱取20 g)浸提后分析測試，剩余3個作為產氣試驗用試驗設計見表2；預處理72 h后的秸稈投與厭氧接種污泥按Fvs∶Mvs=1∶1進行接種投加，混合均勻后于38℃±0.5℃下進行產沼試驗，發酵裝置見圖1所示。

表2 試驗設計

1.2 試驗方法與裝置

預處理試驗：將秸稈投加至燒杯用噴灑偏硅酸鈉溶液后利用保鮮膜封口，然后將其置于30℃水浴鍋中水浴72 h后待測；

浸提試驗：預處理后的樣品取樣分析pH和溶解性COD(sCOD)變化，將樣品按1∶10與蒸餾水混合，置于4℃冰箱中浸提4 h，取6 000 r·min-1離心清液進行性質測試；

發酵試驗采用圖1所示裝備，將預處理的樣品與接種污泥混合后投加至發酵瓶中，利用橡膠管連接發酵瓶、排水排與集水瓶，并利用石蠟對發酵瓶和排水排瓶口進行密封，然后將發酵瓶置于恒溫38℃±0.5℃水浴鍋內進行產沼試驗，每日記錄集水瓶中飽和食鹽水體積即為每日沼氣產氣量。

圖1 厭氧發酵反應裝置

試驗中總固體(TS)采用105℃±5℃烘干恒重法測定；揮發性固體(VS)采用600℃箱式電阻爐灼燒2h差重法測定；pH采用PHS-3C型pH計測定；sCOD采用哈希DRB200消解器和DR3900分光光度計測定；沼氣產量采用排飽和食鹽水收集測量。

2 結果與分析

2.1 偏硅酸鈉預處理對秸稈浸提液pH的影響

圖2是經過不同濃度偏硅酸鈉處理后秸稈浸提液pH變化趨勢。從中可以看出，對照組浸提液pH從24 h時6.21降至48 h時5.60，而72h與48 h相比略有上升；處理1浸提液pH從24 h時9.75降至48 h時6.28，72 h時繼續下降至6.13附近；處理2，浸提液pH從24 h時10.36降至48 h時6.84和72 h時6.52；處理3，浸提液pH從24 h時11.48降至48 h時7.25和72 h時6.73；經過偏硅酸鈉處理后的各組pH值均呈下降趨勢，分析原因為玉米秸稈堿處理能秸稈表面更為粗糙，結構已被完全破壞，纖維素、半纖維素等有機物水解酸化加快[13～14]，產生的大量的有機酸使料液pH值明顯降低。但對照組浸提液pH在48 h和72 h之間未出現下降趨勢，分析原因為伴隨著水解微生物活動及有機氮氨化[15]作用的發生，pH值會伴隨堿度的增加而升高。

(a) (b)

(c) (d)

2.2 不同偏硅酸鈉濃度與處理時間對浸提液sCOD的影響

圖3是經過不同濃度偏硅酸鈉處理后浸提液溶解性COD(sCOD)的變化趨勢。從中可以看出，處理時間越長sCOD濃度越高，對照組sCOD從24 h時1 720 mg·L-1升高至72 h時3100 mg·L-1，增加80.2%；處理1sCOD從24h時10 320 mg·L-1升高至72h時23 100 mg·L-1，增加123.8%；處理2 sCOD從24 h時15 400 mg·L-1升高至72 h時29 700 mg·L-1，增加92.8%；處理3 sCOD從25 400 mg·L-1升高至72h時39 700 mg·L-1，增加56.3%。另外，在同等處理時間下，偏硅酸鈉濃度越高，浸提液sCOD越高，處理24 h時，處理1、處理2和處理3較對照組sCOD分別提高6.0倍、8.9倍和14.8倍；處理48 h時，處理1、處理2和處理3較對照組sCOD分別提高6.5倍、8.7倍和13.0倍；處理72 h時，處理1、處理2和處理3較對照組sCOD分別提高7.4倍、9.6倍和12.8倍。即說明通過偏硅酸鈉堿預處理，能夠達到破壞秸稈的組織結構，加速了秸稈的水解作用。

(a) (b)

(c) (d)

從圖4可以看出，0.5%-72h處理組sCOD和1%-48 h處理組sCOD基本接近；1%-72 h處理組高于2%-24 h處理組，但小于2%-48 h處理組；因此，可以通過延長處理時間與降低藥價添加量來平衡預處理投加成本。

圖4 玉米秸稈不同偏硅酸鈉預處理下浸提液sCOD

2.3 偏硅酸鈉處理對秸稈產氣量的影響

圖5是不同濃度偏硅酸鈉處理后秸稈日產氣量趨勢圖，從中可以看出，對照組出現2個產氣高峰分別在第8天第18天處理1、處理2和處理3均出現1個產氣高峰，分別出現在第6 天、第3天和第6天，相比較而言處理3的產氣高峰(550 mL·d-1)遠大于其他處理組，總體而言經過偏硅酸鈉堿處理秸稈，明顯能加速秸稈產氣情況，且隨著處理濃度增加產氣速率越高。圖6是偏硅酸鈉堿處理后累計產氣量的趨勢圖，其中處理3累計產氣達到5 725 mL較對照組4 450 mL、處理1組4 945 mL和處理2組5 210 mL，分別增加28.6%、15.8%和9.9%；而處理2較對照組和處理1，產氣分別增加17.1%和5.4%；處理1則較對照組產氣增加11.1%。因此，秸稈經過0.5%、1%和2%偏硅酸鈉預處理其厭氧產沼氣量分別可提升11.1%、17.1%和28.6%，預處理效果明顯。

圖5 偏硅酸鈉預處理后秸稈日產氣量趨勢

圖6 偏硅酸鈉預處理后秸稈累積產氣量趨勢

3 結論

研究表明，偏硅酸鈉可作為堿預處理的添加劑使用，能有效破壞秸稈表面結構，促進秸稈纖維素、半纖維素和木質素的水解溶出，有利于厭氧微生物的利用降解。

(1)偏硅酸鈉添加2%預處理72 h后，浸提液pH隨水解時間明顯明顯降低，sCOD較對照組提高12.8倍。

(2)偏硅酸鈉濃度和處理時間能明顯影響秸稈浸提液sCOD的溶出，時間越長，處理濃度越高，浸提液sCOD濃度越高。

(3)2%偏硅酸鈉處理72 h產氣量最高，較對照組增加28.%，而0.5%和1%處理組分別較對照組增加11.1%和17.1%。

(4)實際工程運用可通過調整偏硅酸鈉的處理濃度與處理時間來選擇性價比較高的預處理參數，以獲得較佳的性價比。