好氧水解过程中玉米秸秆传质特性研究

衣淑娟吴春东沈景德

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319；2.农业农村部资源循环利用技术与模式综合性重点实验室，北京100125；3.黑龙江八一农垦大学 信息与电气学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

利用厌氧发酵将农作物秸秆转化为沼气，是解决能源和环境问题的有效途径[1-2]。利用好氧水解可有效解决秸秆降解缓慢、易出现浮渣和结壳等发酵问题[3-4]。在水解发酵过程中，由于水分子的扩散、渗透的作用，使秸秆吸收水分增大其自重，吸水后若能达到饱和状态，就会在发酵液中产生较好的沉降性，利于底物与反应器底部高密度的接种物接触，充分降解有机物，提高其产气速率，利于秸秆沼气持续稳定运行。而秸秆各部位组织结构及物理特性不同，其吸收水分、水解程度存在较大差异，探讨秸秆各部位的传质特性可为水解参数、浮渣层的成分组成及沉降性提供基础的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆收割后自然风干，将其人工剥离分选为皮、髓和叶三部分，并将其分别切割成长20 mm小段，样品使用前4 ℃环境下保存；接种物沼液取自东北农业大学厌氧发酵中试系统的产甲烷罐(37 ℃条件下玉米秸秆厌氧发酵40天)，经20目筛过滤后备用。

1.2 实验设计

将切割小段的髓、皮、叶分为A、B、C3组，每组24个处理。A组：将皮10 g放入100目锦纶过滤袋中，密封后压入沼液液面下方50 mm处(沼液温度为44 ℃)；每小时搅拌1次，每次15 s，每小时取出1袋，用水冲洗后检测数据，分析其吸水率及物质溶出率；B组叶和C组髓与A组相同处理，不同的是髓称取5 g。每组取3个平行样进行实验，实验结果取平均值。

1.3 测定方法

吸水率按木材的吸水性进行测定(GB/T 1934.1-2009)。物质溶出率通过总固体含量(TS)、挥发固体含量(VS)的国标法测定；各指标测定均重复3次，取平均值。试验数据通过Origin 8.6 软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆各部位吸水率变化情况

从图1可知秸秆各部位随吸水时间呈逐渐上升趋势。其中0～2 h期间，吸水率呈直线上升趋势，在2～16 h期间，吸水率呈缓慢增加趋势，这是由于秸秆进入溶液时，秸秆内的水势(<-0.9 MPa)远低于外部水溶液的水势(0 MPa)[5]，水分子通过扩散的方式进入秸秆内部，秸秆吸水后增大其表面的水势，使其表面内外水势差减小，水分子的扩散速率降低导致吸水速率下降。从图1中可以看出秸秆各部位的吸水率有着明显的差异，从弱到强依次是皮、叶、髓，在吸水初期2 h时，皮、叶、髓的吸水率分别为124%、315%、492%，16 h时，分别上升到160%、347%、679%，其中髓的上升幅度最大，这主要是髓的组织结构蓬松柔软，髓内糖类、氨基酸、蛋白质所含有的亲水基团(—NH2、—CO、—COOH)高于皮和叶，吸水能力较强引起的差异[6]。

图1 秸秆各部位吸水率变化情况

图2 秸秆各部位物质溶出变化规律

图2表示玉米秸秆物质溶出率随时间的延长呈逐渐增大的趋势，通过数据拟合发现物质溶出率与水解时间满足y=a-bc^x指数函数，皮、髓、叶的R2均大于0.95，拟合效果较好。在0～24 h期间，秸秆物质溶出速率较快，叶、髓、皮的物质溶出率分别为7.8%、18.0%、20.7%；24～48 h，皮的物质溶出速率变慢，而叶和髓物质溶出持续增加。原因是前期秸秆溶出的主要物质是可溶性糖类，还有大部分可溶性无机成分；随着水解时间的延长，水解溶液中的微生物对秸秆发生了水解酶反应，易降解的有机物慢慢发生水解，使得秸秆物质溶出的质量也逐渐增多；而在72 h后髓的物质溶出率增加幅度大于皮和叶，这与其组织结构和有机物组成有关，同时髓是圆柱形体，内部可溶出物质向溶液中扩散的距离远大于皮和叶，与皮和叶相比，相同的溶出量所需的时间略长。

可见，秸秆在水解微生物酶解的作用下，在较短时间内可溶性物质会快速析出或溶出，增大了秸秆的比表面积、利于水分子扩散或渗透到秸秆内部，增大其自重，产生较好的沉降性能，避免或减少浮渣层的厚度，为有效解决秸秆浮渣结壳问题提供基础的理论依据。

3 结论

(1)玉米秸秆髓、皮、叶的吸水率及物质溶出率随时间延长都呈逐渐上升趋势，有着明显的差异；在16 h时，髓、叶、皮的吸水率分别达到679%、347%、160%；

(2)物质溶出率与水解时间通过数据拟合满足y=a-bc^x指数函数关系，在24 h时，皮、髓、叶的物质溶出率分别为20.7%、18.0%、7.8%。

(05)