秸秆发酵制沼气研究现状

张爱民　尹　冰

摘要：利用作物秸秆生产可再生能源是解决环境污染和开辟新的能量资源的重要途径之一。秸秆中含有大量的纤维素、木质素，这是导致用秸秆制备沼气时产气率低的主要因素。本文综述了国内外用物理法、化学法、生物法预处理秸秆的相关研究进展，建议将其中的两种或三种方法结合起来处理秸秆，提高产气率。

关键词：秸秆：发酵；沼气；预处理

我国是一个能源短缺的国家，也是生物质资源大国。据统计，中国每年产生农作物秸秆总量约7亿t，除去用于造纸、饲料或饲料原料以及造肥还田外，还有约3.7亿t秸秆可作为能源物质加以利用。农作物秸秆是一种重要的富含有机质(80％～90％)的生物质能源。

因此，利用现代技术将作物秸秆转化为高效、洁净、方便的高品位能源——沼气，对缓解我国常规能源紧张状况，促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善都具有重要意义。

秸秆中含有大量的纤维素、木质素，这是导致发酵速率低的主要因素。若将秸秆直接入沼气池进行发酵产气慢、产气量少、不经济、无法大面积推广应用。因此，目前的研究主要集中在秸秆的预处理方面，使秸秆的内部结构发生变化，秸秆变柔软、疏松，以利于厌氧微生物分解利用。秸秆的预处理方法包括物理、化学和生物方法。

1物理方法

物理方法(Physical Methods)有机械加工、高压和／或高温蒸煮以及辐射处理等。常用的机械方法有切碎、粉碎、磨碎、高温球磨等。其目的是增加厌氧微生物与基质的接触面积，或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。

研究发现用APS-D(anaerobic-phased solidsdigester system)反应器对稻草进行厌氧发酵，粉碎的稻草比未经处理的稻草产气率提高17％，而高温处理过的稻草与未处理的稻草相比，其固体含量大大降低，且产气率提高。当温度从60℃上升到110℃时，其产气率提高了2.5％～7.5％，然而产气量并不是随着温度的上升而直线上升。

2化学方法

化学方法(Chemical Methods)主要有氯化、碱化、酸化、氧化等。

2.1碱化技术

碱化处理就是用NaOH、Ca(OH)₂或KOH等溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面，以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐，使纤维素膨胀，从而提高消化率。

Detroy等人的研究结果表明，用百分含量为2％，浓度为0.5mol／L的NaOH对秸秆预处理4小时，可以转化76％的纤维素物料。Hamilton等人发现用NaOH处理可以提高纤维素的转化率。Dar等人发现，在室温条件下，用质量百分含量为1％的NaOH溶液对麦秸处理7天，厌氧消化过程中微生物的消化率和生物转化率均得到不同程度的提高。Mahendra Singh等人研究表明：用0，3.3，6.7，10％的氢氧化钠(相对干物质添加量)溶液喷洒到麦秸上，其有机物质消化率为53％，63％，63％，62％。B.G.Ololade的研究结果表明：室温条件下，玉米秸秆经NaOH处理24小时后，其有机物质消化率随氢氧化钠添加量的提高而提高，氢氧化钠相对干物质添加量为8％时，玉米秸秆的干物质消化率为21.5％。但是当NaOH添加量超过8％时，该变化趋势不明显。这与D.CraigAnderson等人的研究结果相同。

Suresh Chandra与Andrewt等人的研究结果显示添加10％氢氧化钠为时，纤维素的降解达到最大。

纤维素消化率的提高，有利于微生物的生长，从而达到提高产气率的目的。康佳丽比较了4％～10％(以麦秸干重计)NaOH预处理过对产气量的影响。结果显示经6％NaOH预处理后的麦秸在65g·L^-1负荷率下的单位TS产气量最高，为380.9mL·g^-1，与未处理麦秸相比，提高了49.9％，厌氧消化时间缩短了19d。庞云芝的研究显示氢氧化钠处理玉米秸中文发酵的产气量比未处理玉米秸提高了77.0％，比常温消化的未处理玉米秸提高了263.6％。高志坚的研究显示与未处理和经生物处理玉米秸相比，经NaOH化学预处理后的玉米秸的产气量分别提高了114％和74％。杨懂艳的研究显示在玉米秸秆的负荷率为65g／L时，氢氧化钠添加量为6％，玉米秸秆单位质量生物气产量最高，比未处理的秸秆提高了61.4％。

2.2氨化技术

氯化处理就是用氨水、无水氨或尿素处理秸秆。氨化具有三种作用：第一种是碱化作用，氨为碱性，故可起到与碱化处理方法同样的作用；第二种是氨化作用，氨与秸秆中的有机物发生变化，生成铵盐，成为厌氧微生物的氮素来源，被微生物利用，并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸，进一步合成菌体蛋白。第三种是中和作用，氨呈碱性，可与秸秆中的有机酸结合，消除秸秆中潜在的酸性，提高微生物的活性，从而提高秸秆的消化率。试验表明氨水具有较好的氯化性能。

张瑞红等人的研究表明：当用2％的氨水处理秸秆，其厌氧发酵产气量可以提高17.5％。D.CraigAnderson等人的研究表明添加量为6％干物质的氨水具有较好的预处理效果。

3生物方法

生物方法(Biological Methods)就是利用具有强木质纤维素降解能力的微生物对秸秆先进行固态发酵，把作物秸秆中的木质纤维素预先降解成易于厌氧菌消化的简单物质，以缩短随后的厌氧发酵时间、提高干物质消化率和产气率。其技术关键就是寻求强木质素降解能力的菌种，并确定其适宜的发酵条件。

白腐真菌是为数很少的能使木质素降解的一类真菌。VMehta等发现，经P.florida转化后的稻草基质用于沼气生产时，其纤维素酶的释放能力比原稻草要高4.3倍。从理论上讲，利用白腐菌生物预先降解木质纤维索含量较高的秸秆，以提高随后的厌氧消化产气率是可行的。

A.Ghost等人用白腐菌Phanerochaetechrysisporium(Pc)和褐腐菌Polyporuostreiformis(Po)做实验，结果表明Pc菌丝体4天后表现出巨大的木质素降解性，Po菌丝体在8天后也表现出良好的降解性。3周后Pc菌丝体处理的秸秆木质素的降解率为47.51％，而Po菌丝体处理后的秸秆木质素的降解率为19.87％。Pc处理后稻秸的生物气和甲烷的产量分别提高了34.73％和46.19％，而Po处理后稻秸的生物气和甲烷的产量分别提高了21.12％和31.94％。杨懂艳研究显示，当负荷率为50g／L时，经白腐真菌P.Florida生物预处理30天和60天后玉米秸秆的产气量分别比未处理的产气量提高42％和52％。

Muller用担子菌类预处理麦秸后进行厌氧消化处理，结果发现P.florida在所有的菌种中表现出最快的去木质素功能，且厌氧消化后其生物气产量是未处理的麦秸的两倍。V.Mehta研究结果发现当秸秆与牛粪的干物质比为3:1时，与未处理的秸秆的产气率相比，经P.florida处理后的稻秸的产气率提高了8倍。Bisaria等用Pleurotus sajor-caju处理秸秆培养蘑菇后的剩余基质，用于厌氧发酵以生产生物气体，结果产气率提高了54％。

堆沤预处理可以破坏木质素、半纤维素和纤维素的部分联接结构，使纤维素更容易被微生物利用产气。高志坚研究显示，在50g／L负荷率时，经60天生物预处理的秸秆的产气量提高了23％。康佳丽的研究显示经堆沤预处理稻草的总产气量与未处理稻草相比提高了4.08～52.26％。方文杰等比较了堆沤对产气率的影响。实验结果表明，堆沤处理后稻草总产气量比未处理提高了3％～49.5％，单位挥发性固体产气量与未处理稻草相比提高51.2％，产气高峰提前10d左右。石卫国用生物复合菌剂－绿秸灵，预处理后的秸秆直接作为产沼气的发酵原料，实验结果显示，菌剂添加量1kg／8m³，启动时间只需2～7d，其产气量比对照提高了42.15％～52.35％。

研究展望

中国是农业大国，有丰富的生物质资源。在当前提倡发展绿色能源的大环境下，怎样把现有的生物质资源利用充分利用起来成为研究的热点。利用生物质制备沼气是一个很好的发展方向。目前研究人员在用单一方式来预处理农业废弃物方面取得了一定的进展，下一步可以考虑将物理、化学、生物三种预处理方法结合起来共同作用来预处理制备沼气的生物质。