玉米秸稈厭氧發酵高效制取沼氣試驗研究

[摘 要] 本文采用質量濃度為8%的NH4HCO3溶液預處理玉米秸稈，并進行厭氧發酵制取沼氣，然后將結果與未進行預處理的玉米秸稈厭氧發酵情況進行對比，獲得2組的沼氣產量和COD去除率。結果表明，采用NH4HCO3溶液預處理后的玉米秸稈的產氣量得到了提升，與未處理相比提高了30.6%；預處理后的玉米秸稈厭氧發酵過程中的COD去除率也得到了明顯提升。該試驗研究能夠為探索玉米秸稈厭氧發酵高效制取沼氣提供參考。

[關鍵詞] 玉米秸稈；預處理；厭氧發酵；沼氣

[中圖分類號] S216.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）30-76-2

我國是農業大國，也是秸稈產量大國，僅玉米秸稈就有2.8億t[1]，約有40%未得到有效利用，造成了巨大的環境污染和極大的資源浪費[2-3]。玉米秸稈在厭氧微生物的作用下能夠產生清潔能源——沼氣。而沼氣作為一種高品位清潔能源，具有原料分布廣、建設成本低、轉化效率高、綜合效益好以及適合農村發展等特點，在農村節能減排和農業生態環境保護中發揮著積極作用。發展秸稈發酵工程能夠有效緩解秸稈資源浪費問題，也能改善農村能源結構，是一條清潔高效的利用途徑。

1 秸稈預處理方法概述

目前，秸稈的預處理方法主要有物理法、化學法和生物法以及其中兩種或多種方法的耦合處理。物理法，主要是通過增大秸稈反應面積，縮小秸稈粒徑，從而提升反應速率。常見的物理法有機械破碎法、蒸汽爆破法等。現在采用物理破碎法的沼氣工程比較多，將秸稈切成小段后投料到反應器中。但是，此方法對秸稈的木質素結構破壞性不大，對于反應速率的提升并無太大幫助。蒸汽爆破法，能使木質素結構得到破壞，半纖維素的回收率可以達到50%左右，對于沼氣發酵工程的反應啟動時間和反應周期的縮短均有很大幫助。但是，蒸汽爆破法代價巨大，需要設備成本太高，也容易產生糠醛抑制發酵反應的繼續進行[4]。

常見的化學法有稀酸水解、強酸水解、堿水解法。稀酸水解法，用較低濃度稀硫酸對粒徑很小的秸稈粉末進行處理，并加熱至200 ℃左右，保持一段時間，半纖維素糖的產率能達90%。此方法適合于大多數木質纖維生物質。濃酸水解法，糖化率最高，但反應時間長、成本高、廢棄物回收難度大。用稀堿水解能耗較大，還會對半纖維素造成浪費。

生物法一般是指用通常是用白腐菌降解木質素，但是處理效率較低且處理時間較長，白腐菌會消耗纖維素。生物法主要依托菌類生長周期內分泌的酶類對秸稈進行一定程度的分解，目前中國農業大學利用復合菌系對秸稈進行消解，取得了一定進展。

目前，秸稈的預處理方法都存在諸如成本較高、處理效果欠佳、后續廢棄物治理等問題，需要進一步探索秸稈預處理方法。因此，本文提出采用一定質量濃度的碳酸氫銨氨化預處理玉米秸稈并進行厭氧發酵試驗研究。

2 材料與方法

玉米秸稈取自河南省鄭州市北區農場。對玉米秸稈的處理過程如下：①玉米秸稈粉碎后過40目篩，加入質量濃度為8%的NH4HCO3溶液，混合均勻后，室溫下微氧處理數日，然后將處理后的玉米秸稈取出并加水攪拌均勻后靜置、過濾，烘干待用；②取60～100 g步驟①所得烘干待用的玉米秸稈，加入150～300 mL接種液和700～850 mL水，配制成TS濃度為8%～12%的發酵液，并調節pH至7.0；③將步驟②所得發酵液裝入反應器中，并將反應器密封之后置于恒溫培養箱中，發酵溫度設為35 ℃，發酵培養數日。

另外，取相同量的玉米秸稈，在未進行預處理的情況下進行厭氧發酵，發酵方法同經過質量濃度為8%的NH4HCO3溶液預處理的玉米秸稈。

試驗所用的裝置為自己裝配的厭氧發酵瓶。TS含量采用APHA標準進行測定，所用儀器為恒溫干燥箱；微觀結構觀測采用掃描電鏡；pH值測定采用精密pH計；沼氣成分測定采用氣象色譜儀。

3 結果與分析

對比經過NH4HCO3溶液處理和未經NH4HCO3溶液處理的秸稈進行厭氧發酵制取沼氣的結果顯示，經質量濃度為8%的NH4HCO3溶液處理后的玉米秸稈的累積產氣量為14 690 mL，單位TS產氣量為183.6 mL/g，與未預處理相比提高了30.6%；采用質量濃度為8%的NH4HCO3溶液處理后的玉米秸稈的COD去除率達為36%，是未經預處理玉米秸稈的COD去除率的2倍。由此可知，經過質量濃度為8%的NH4HCO3處理后的玉米秸稈進行發酵后，產氣量和COD去除率都得到了明顯提升，其原因可以通過觀察預處理前后秸稈的結構變化解釋。

秸稈結構進行物理性破壞可直接促進秸稈的厭氧發酵效果，提高產氣率。未進行預處理的玉米秸稈，結構較為光滑、平整且有一定的破損，這是因為組成秸稈主要成分的纖維素、半纖維素和木質素為鏈狀結構，其鏈狀聚合狀態使秸稈的結構在顯微鏡下看起來會十分整齊、平滑[5]。另外，對秸稈進行粉碎會對結構有一定程度的破壞，使其出現一定程度的破損。處理后的秸稈結構與處理前相比顯得雜亂，許多部位出現了破損和殘缺，在經NH4HCO3處理之后，木質素聚合體出現了斷裂及破損，包裹其中的纖維素、半纖維素則暴露出來，發酵反應便能更加順利、快速地進行。

4 結論

本文通過開展經8%NH4HCO3溶液處理的玉米秸稈進行厭氧發酵制取沼氣的試驗得出：經質量濃度為8%的NH4HCO3溶液處理后的玉米秸稈的累積產氣量為14 690 mL，單位TS產氣量為183.6 mL/g，與未預處理相比提高了30.6%；采用質量濃度為8%的NH4HCO3溶液處理后的玉米秸稈的COD去除率達為36%，是未經預處理玉米秸稈的COD去除率的2倍。造成預處理后玉米秸稈產氣量和COD去除率都得到明顯提升的主要原因是，經NH4HCO3處理之后，木質素聚合體出現了斷裂及破損，包裹其中的纖維素、半纖維素則暴露出來，發酵反應便能更加順利、快速地進行。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2016.

[2]石祖梁，楊四軍，常志州，等.秸稈產生利用現狀調查與禁燒面臨難點分析——以江蘇省某鄉鎮為例[J].農業資源與環境學報，2014（2）：103-109.

[3]徐秀娟，吳文革.安徽省農作物秸稈資源及其綜合利用[J].中國農業科技導報，2009（2）：43-47.

[4]艾斌凌.纖維素酶的液體發酵與楊木生物轉化乙醇[D].長沙：中南林業科技大學，2009.

[5]AM Orozco，AS Nizami，JD Murphy，et al. Optimizing the thermophilic hydrolysis of grass silage in a two-phaseanaerobic digestion system[J].Bioresource Technology，2013（3）：117-125.