秸稈厭氧發酵產沼氣技術研究進展

夏江華++付龍云++楊光++姚利++王振++王艷芹

摘要：秸稈厭氧發酵生產沼氣是其資源化利用的有效途徑，但秸稈因其特殊的結構很難被消化。近年來，秸稈厭氧發酵技術引起了人們極大地關注。本文綜述了秸稈預處理技術、秸稈厭氧干發酵技術、秸稈混合物料厭氧發酵技術等方面的最新研究進展，并分析了發展趨勢，以期對今后研究方向的選擇提供幫助。

關鍵詞：秸稈；預處理；干發酵；混合發酵；厭氧發酵；沼氣

中圖分類號：S216.4-1

文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）12-0115-05

能源和環境雙重危機使綠色可再生能源的開發研究成為國家的工作重點。據有關專家估計，生物質能將成為未來可持續能源系統的重要組成部分。我國是世界上可再生能源原料產出量最多的國家，每年農業固體廢棄物產量大約40多億噸，其中畜禽糞便30億噸，農作物秸稈7億多噸，農作物秸稈中稻秸、玉米秸、麥秸占總量的77%以上。目前，我國秸稈的利用率很低，除了直接還田、用作燃料以及不足20%用作飼料外，剩余約20%的秸稈則直接在田間燃燒或堆積，不僅造成很大的資源浪費，還污染了環境。

當前，隨著經濟社會的快速發展，我國能源短缺越來越嚴重。將農作物秸稈厭氧發酵產生沼氣，可在一定程度上緩解我國能源緊張的現狀，實現秸稈的資源化利用，防止秸稈焚燒污染和資源浪費，有利于保護環境，同時產生的沼渣液也是一種高效有機肥料，可以提高作物品質和產量，同時可以改善土壤結構，對我國的農業產業結構調整、盡快實現向可持續農業轉型具有積極的作用。秸稈由纖維素、半纖維素和木質素組成，纖維素和半纖維素能夠被微生物降解發酵，但由于木質素和半纖維素堅固地鑲嵌在纖維素中，形成結晶化和木質化，對纖維素起到保護和覆蓋作用，阻止了厭氧過程中纖維素與微生物和降解酶的接觸，致使秸稈厭氧發酵產沼氣很難。

近幾年，國內外學者對秸稈厭氧發酵產沼氣技術進行了大量深入的研究，如秸稈預處理技術、秸稈厭氧干發酵技術、秸稈混合物料厭氧發酵技術等。本文對秸稈厭氧發酵產沼氣技術研究現狀進行分析，以期對今后研究方向的選擇有所幫助。

1 秸稈預處理技術

秸稈的有機成分以纖維素、半纖維素為主，其次是木質素。秸稈厭氧消化過程中，厭氧微生物直接降解木質纖維素的能力很弱，加之秸稈比重小，導致秸稈厭氧消化過程中存在時間長、產氣率低、易結殼漂浮等問題。通過對秸稈進行預處理，可以改變秸稈的物理結構，有利于厭氧發酵的進行。秸稈預處理主要包括物理、化學和生物方法，選擇一種合適的預處理方法是近幾年國內外學者一直努力的方向，也取得了一定的成效。

1.1 物理方法

主要是利用風、熱、機械等物理手段來改變秸稈的外部形態或內部組織結構，或通過改變環境增加秸稈與微生物的接觸概率，以利于厭氧微生物的利用。常用的物理預處理方法有機械加工、蒸汽爆破、輻射處理、微波處理等。

1.1.1 機械加工主要包括粉碎、研磨等方式。通過機械加工可以減小秸稈粒徑，秸稈粒徑不同對厭氧發酵有很大的影響。牛俊玲等研究了不同粉碎程度對麥秸厭氧發酵效果的影響，發現麥秸粉碎程度對前期產氣量及產氣高峰持續時間有一定影響，粉碎成粉末的麥秸產氣高峰提前約5天且產氣量最大，發酵前后纖維素物質含量降低程度也最高。Palmowski等對楓樹葉、干草等纖維素含量高的廢物預處理技術進行了研究，發現通過切碎減小物料顆粒體積，可以提高沼氣產量，提高厭氧發酵速率。筆者所在課題組將玉米秸稈粉碎至3mm、1cm和3cm左右，研究了秸稈不同粉碎程度對厭氧發酵產氣量的影響，發現粉碎至3mm左右的玉米秸稈累計產氣量比其他粒徑秸稈提高15%～30%。

雖然減小秸稈粒徑大小可以促進厭氧消化，但并不是秸稈粒徑越小發酵效果越好。鄧小莉等對玉米秸稈進行粉碎60目、膨化粉碎200目、超細200目、膨化超細400目等預處理，結果發現超細200目預處理后的玉米秸稈纖維素的水解效果最好。Angelidaki等研究了牛糞中纖維粒徑大小對產氣量的影響，表明當牛糞中纖維的粒徑小于0.35mm時，產氣量可提高20%，但是當粒徑在5～20mm范圍內時，減小粒徑并不能使產氣量顯著提高。

1.1.2 蒸汽爆破蒸汽爆破法是將秸稈置于密閉容器中，用蒸汽加熱至一定溫度（180～235℃），保持壓力（4.0MPa左右）一定時間，然后突降壓力對秸稈進行爆破，使得秸稈中半纖維素和木質素連接層破壞，使更多纖維素活性基團外露，與纖維素酶分子充分接觸而降解。蒸汽爆破技術最早由Mason發明并用于制漿過程。近幾年人們又對該技術進行了改進。王許濤等對玉米秸稈蒸汽爆破處理后制取沼氣和燃料乙醇進行了試驗，結果表明，玉米秸稈蒸汽爆破處理可顯著提高沼氣產量，汽爆玉米秸稈常溫和中溫厭氧發酵條件下的最大產氣量分別比對照提高了1.67倍和1.63倍。王許濤等還研究了2.0MPa壓力下，保留時間60、90、120 s對玉米秸稈汽爆預處理后厭氧發酵生產沼氣效果的影響，結果表明蒸汽爆破預處理后的秸稈比未經預處理秸稈中溫厭氧發酵的產氣量提高16.8%～ 63.2%。

1.1.3 其他物理方法 目前，國內外學者研究的物理方法還有熱液處理、超聲處理及微波處理等。Rogalinski等在215℃、5MPa下用熱水對黑麥秸稈進行了750s預處理，發現98%的半纖維素和7.9%的纖維素得到了溶解。胡斌等對超聲波預處理玉米秸稈條件進行了優化，結果表明，超聲波預處理玉米秸稈的最優條件為：料液體積比為1：30，超聲時間10min，溫度45℃，功率140W。王華等對超聲波堿預處理棉花秸稈進行了研究，結果顯示超聲波輔助堿預處理可以溶出大量半纖維素和部分木質素，并且能有效打破木質纖維素的結晶結構。Ma等研究了稻草秸稈微波處理的最優條件，并且得出了稻草秸稈經微波處理后纖維素、半纖維素質量分數、總糖化率分別增加了30.6%、43.3%和30.3%。endprint

1.2 化學方法

主要是利用化學藥劑或其他方法改變秸稈的性質，具有操作時間短等優點。常用的化學預處理方法有堿法、酸法處理技術等。

1.2.1 堿法處理技術 堿法處理技術指用NaOH、氨水等堿性溶液浸泡秸稈，使秸稈中纖維素、半纖維素和一部分木質素溶解，并將大分子物質降解為小分子物質，從而提高秸稈厭氧發酵效率的一種方法。Yang等研究發現，玉米秸稈經過NaOH預處理后，產氣量比未處理時可以提高78. 3%。Taherdanak等在0、25、50、75、1000C條件下用質量濃度為8%的NaOH溶液對小麥秸稈進行預處理，結果發現25、50、75℃時，用堿預處理后的秸稈累積產氣量比未預處理分別提高47.5%、40.8%、54.5%。康佳麗等研究了NaOH固態化學預處理對麥秸沼氣發酵效率的影響，發現6% NaOH預處理后效果最好。Zhong等研究發現玉米秸稈經NaOH預處理后產氣量可提高207.07%，用NaOH對秸稈進行預處理，對產氣時間、產氣效果均有很好的促進作用。楊懂艷等研究發現80%含水率、4%氨化預處理后的麥秸產氣量比未處理秸稈提高了36%，消化時間節省了24%，可見氨化預處理能夠有效降低麥秸主要組分含量，提高麥秸的厭氧消化產氣性能。

1.2.2 酸法處理技術 酸法處理技術是用一定濃度的酸溶液浸泡秸稈，以破壞秸稈中木質素包裹作用，破壞纖維素結晶結構，有利于厭氧消化的進行。覃國棟等[25]采用不同濃度的酸（2%、4%、6%、8%、10%）對水稻秸稈進行預處理，發現與對照相比，酸處理能明顯提高厭氧發酵產氣率，酸濃度為6%時效果最好，其甲烷含量最高達到44.3%，單位總固體產氣率為150mL/g，比對照組高出99.8%。章冬霞等進行稀硫酸預處理玉米秸稈的試驗研究，在反應溫度為155℃，反應時間為6min，用質量分數為1%的硫酸處理后，木糖收率最高達到84.90%，達到了去除半纖維素并得到高的木糖收率的目的。Huang等采用稀硫酸噴霧技術處理玉米秸稈，用2%稀硫酸在95℃下，噴霧與秸稈反應90min，戊糖回收率為90%～93%，酶解纖維素、葡萄糖回收率為900-/0～95%，木質素移除率為70%～75%。

1.3 生物方法

在秸稈預處理方法中，生物方法成為近幾年研究的熱點。自然界參與降解木質素的微生物種類有真菌、放線菌和細菌等，但迄今為止最有效、最主要、可徹底降解木質素為CO，和H20的木質素降解微生物是白腐真菌。Ghost等研究了經白腐真菌和褐腐真菌預處理稻草的產甲烷性能，發現白腐真菌處理的總產氣量和甲烷產量比對照組分別提高了34.73%和46.19%，而褐腐菌處理則分別提高了21.12%和31.94%。王麗等研究發現，白腐菌對半纖維素、纖維素和木質素等較難降解的有機物表現出很好的降解性能，降解率分別達到52.36%、32.29%和44.16%。除白腐菌外，還有學者對其他一些菌劑對秸稈預處理進行了研究，Zhong等研究了一種復合微生物菌劑在20℃時對玉米秸稈進行預處理15天后，沼氣產量比空白組提高33.07%，發酵時間比未預處理縮短34.6%。李海紅等采用復合菌劑處理玉米稈、小麥稈和稻草，三者27天的累計產氣量分別提高12.33%、16.08%和15.78%.每克干物質產甲烷量分別提高了22.11%、37.42%和24.28%.

2 秸稈干發酵技術

根據發酵底物固含率的大小，厭氧發酵技術分為干式厭氧發酵（總固體TS在20%～40%之間）和濕式厭氧發酵（TS一般小于15%）。相對濕式厭氧發酵技術，干式厭氧發酵技術具有需水量少、單位容積負荷高，處理成本低及不產生沼液二次污染等優點，具有廣闊的應用前景。但是干發酵技術在工程上的推廣應用還有一定難度，原因是干發酵物料濃度高，攪拌困難，易造成VFA局部過度積累，從而導致發酵過程穩定性差。

近幾年國內外學者對厭氧干發酵技術進行了深入的研究。Carneiro等研究了不同接種率對厭氧干發酵過程的影響，發現當接種率為30%時，厭氧干發酵的啟動特性明顯好于20%的接種率。李東等對稻草在不同溫度條件下干發酵技術進行了研究，表明35℃時秸稈干發酵較為穩定，發酵液的循環能有效避免酸中毒并提高產氣率和產甲烷率。杜靜等研究發現與常規的沼氣發酵相似，適當添加微量元素能夠促進微生物的生長和代謝，微量元素鎳、鈷能夠顯著影響稻草干發酵的日產氣量，適當添加鎳、鈷有利于甲烷菌的生長，但添加量過高反而會抑制甲烷菌的生長。

3 秸稈混合物料發酵技術

相對于單一物料的厭氧發酵來說，混合物料的厭氧發酵因其具有調節底物營養、緩沖發酵物酸化、調節優化發酵物碳氮比、原料來源廣等優勢，目前已成為厭氧發酵技術的重點研究方向。兩種或兩種以上有機廢物混合進行厭氧消化，可以更好地調節微生物所需的營養，顯著提高消化器的容積產氣率。

Zhou等研究了玉米秸稈和牛糞混合物料厭氧發酵對提高沼氣產量的影響，發現玉米秸稈和牛糞混合發酵沼氣產量比單一牛糞或單一玉米秸稈都有很大提高。馮亞君等研究了玉米秸與雞糞混合厭氧消化產氣性能與協同作用，發現預處理玉米秸與雞糞混合比例為1：2，上料負荷為50g/L時消化產氣性能最好，累積甲烷產量達到19488mL，比相同負荷下單一玉米秸稈厭氧消化的累積甲烷產量高出32.6%，比單一雞糞厭氧消化的累積甲烷產量高出11.4%。

4 秸稈厭氧發酵發展趨勢

秸稈是富碳木質纖維原料，具有原料產量大、容易收集等特點，而目前我國農村能源結構不合理，農村居民生活用能仍以秸稈、薪柴為主，二者分別占農村居民生活用能的51.46%和28.02%，如何合理高效地處理這些秸稈，解決農村用能，是一個亟待解決的問題。

（1）鑒于秸稈的特殊結構，秸稈厭氧發酵前應進行預處理，預處理方法應結合實際工程的需要，采用物理、化學、生物法相結合，盡量減少預處理過程對環境的污染，縮短預處理時間，提高預處理效率。

（2）目前，沼液二次污染限制了沼氣工程的發展，秸稈干發酵可以解決沼液問題，具有很好的發展前景。應著眼于秸稈干發酵裝置及工藝的研究，提高發酵效率，增強沼氣工程運行穩定性。

（3）因秸稈單一物料發酵存在碳氮比不合理、營養不均衡等問題，秸稈混合物料厭氧發酵技術是今后的發展趨勢，重點研究混合物料種類、配比、發酵濃度等，對沼氣工程發酵原料選擇具有指導作用。

5 結論

近幾年，隨著秸稈資源浪費、焚燒污染，農村能源結構不合理等問題的出現，秸稈厭氧發酵產沼氣技術成為研究的重點，而秸稈預處理技術、秸稈干發酵技術、秸稈混合物料發酵技術則成為研究重點中的熱點。秸稈的各種預處理方法、干發酵技術、與各種糞便的混合發酵方法，幾乎都被應用于秸稈厭氧消化工藝研究中，但這些工藝技術與實際工程結合得不夠緊密，國內正常運行的秸稈沼氣工程寥寥無幾。在以后的研究工作中，我們應更多地將實驗室試驗與沼氣工程相結合，重視低成本、高效率秸稈厭氧發酵產沼氣技術的研發，為秸稈沼氣工程的建設及高效運行提供依據。endprint