偏硅酸钠用于秸秆处理的试验研究

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)

(c) (d)

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)

(c) (d)

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。

图5 偏硅酸钠预处理后秸秆日产气量趋势

图6 偏硅酸钠预处理后秸秆累积产气量趋势

3 结论

研究表明，偏硅酸钠可作为碱预处理的添加剂使用，能有效破坏秸秆表面结构，促进秸秆纤维素、半纤维素和木质素的水解溶出，有利于厌氧微生物的利用降解。

(1)偏硅酸钠添加2%预处理72 h后，浸提液pH随水解时间明显明显降低，sCOD较对照组提高12.8倍。

(2)偏硅酸钠浓度和处理时间能明显影响秸秆浸提液sCOD的溶出，时间越长，处理浓度越高，浸提液sCOD浓度越高。

(3)2%偏硅酸钠处理72 h产气量最高，较对照组增加28.%，而0.5%和1%处理组分别较对照组增加11.1%和17.1%。

(4)实际工程运用可通过调整偏硅酸钠的处理浓度与处理时间来选择性价比较高的预处理参数，以获得较佳的性价比。