沼液预处理玉米秸秆产沼气工艺参数优化

王英琪，杨宏志，孟海波，冯 晶，魏程程



沼液预处理玉米秸秆产沼气工艺参数优化

王英琪1,2，杨宏志1※，孟海波2，冯 晶2，魏程程1

（1. 黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2. 农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125）

沼液作为厌氧发酵的废弃物处理存在困难，但沼液可以对秸秆类原料进行预处理，为沼液的综合利用提供可能。为优化沼液预处理玉米秸秆的条件，提高玉米秸秆厌氧消化产气量，该文以沼液预处理前后的纤维素、半纤维素、木质素含量以及产气量为指标，根据CCD（central composite design）试验设计原理，选取沼液添加比例、温度和时间为因素，建立三者之间的模型。试验结果表明：随着预处理TS（total solid）的降低，时间的延长，木质纤维素的降解率越高，而温度在30 ℃时木质纤维素的降解率达到最大。从产气量来看木质纤维素降解率并不是越高越好，过分的追求木质纤维素的降解会对产气量产生影响，经过响应面法优化产气量后得出最佳的预处理工艺为：沼液添加比例19.08%、预处理温度（30±1）℃、预处理时间为5 d，总产气量可提高30.76%。

沼气；消化；秸秆；沼液预处理；响应面；木质纤维素降解；产气量

0 引 言

中国农作物秸秆资源丰富且种类多样，根据农业部最新数据显示，2016年全国主要农作物秸秆总产量为9.84亿t，秸秆可收集资源量为8.24亿t，利用量为6.7亿t[1]。在秸秆的利用方面，生物处理制沼气因其环境友好及经济节约的特点得到广泛的应用[2]。但由于其特殊的结构，表面的硅氧蜡质层，纤维素多以结晶态存在，不易被厌氧微生物所降解和利用，成为制约秸秆类原料生产沼气的瓶颈[3-4]。因此需要对秸秆类原料进行预处理。

目前常用的预处理方法主要包括物理、化学和生物3大类[5-8]。然而由于其存在对设备要求高，高能耗以及酸碱废水的产生等缺点，现有的预处理方法尚未在工业上得到应用[9]。生物预处理的方法则是筛选一些细菌、真菌、放线菌等，或采用复合菌剂，例如黑曲霉()、草酸青霉 ()、木霉 ()和白腐真菌组成的HK-4[10]及白腐菌和木霉[11])，利用微生物分泌多种生物酶协同作用下发生的酶催化反应，破坏秸秆的大分子物质[12-13]。生物预处理因其化学及能源的使用量低，环境友好得到更多的关注，但目前集中于在各种特定微生物菌剂对木质纤维素降解和产气量的影响[14]。沼液作为来自厌氧发酵体系中的物质本身带有大量的微生物其中不乏可降解木质纤维素的微生物，张瑞[15]从沼液中分离出可降解木质纤维素的微生物经鉴定为米根霉、白腐菌、黄曲霉和螺孢菌。但当前沼液作为厌氧发酵后的废物其处理也有一定的难度，若可将沼液作为厌氧发酵预处理的原料可减少其排放同时降低预处理的成本。楚莉莉等[16]以小麦秸秆为原料经沼液预处理6 d后VS产气量可达到149.4 mL/g。Hu等[14]用玉米秸秆味原料对沼液预处理对预处理时间和沼液TS含量进行优化，得到结果为经30.5 g/L的沼液预处理3 d，达到80%累积产气量（t）的时间可缩短33.3%。李平等[17]经研究发现，经沼液预处理水稻秸秆其TS 产气率达到 333.9 mL/g，TS 产甲烷率达到 180.7 mL/g，可较空白提高 27.9%和 21.2%，同时产气周期缩短至 19 d。

目前大部分研究仅集中在确定沼液预处理可提高产气量，并未进行其预处理条件的优化。本研究采用的原料为玉米秸秆，对其进行厌氧发酵产沼气的预处理，采取沼液堆沤的方法，选取TS、处理温度和处理时间为因素进行响应面试验，从而优化出玉米秸秆沼液预处理制取沼气的最佳工艺。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次试验预处理所用沼液为实验室以玉米秸秆为主要原料进行厌氧干发酵所产生的沼液，其pH值为7.2，接种物为稳定产气CSTR（continuous stirred tank reactor）装置中经静置后不产气的沼液，pH值为7.1，试验采用玉米秸秆采自北京郊区。玉米秸秆与沼液特性如表1所示。

表1 试验用玉米秸秆和沼液特性

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

将玉米秸秆粉碎至3 mm，单因素试验选取温度为20、25、30、35和40℃；沼液添加比例以添加沼液后整个体系TS计算，下同。10%、15%、20%、25%和30%；时间为2、4、6、8和10 d, 单因素试验时，固定条件（预试验确定）为温度30℃、处理时间6 d、沼液添加比例20%。

首先将干玉米秸秆过3 mm筛，按照不同的处理条件加入沼液，混合均匀，分别放入不同温度的恒温箱中。初时放入存在秸秆漂浮现象待秸秆吸水后自然沉积在底部可与沼液完全接触。按照不同的处理时间进行预处理后取出，取部分秸秆物料检测其预处理后半纤维素、纤维素和木质素含量，而后将剩余物料烘干作为下一步产气潜力测试的原料。

采用批式厌氧消化，试验分为试验组和对照组，其中试验组中发酵原料为不同条件预处理后玉米秸秆45 g与接种物200 g添加水至0.9 L的混合物料; 对照组中发酵原料为未经预处理的玉米秸秆45 g与接种物200 g添加水至900 mL混合物料。物料充分混合均匀后投入1 L蓝盖试剂瓶中，试剂瓶瓶密封后置于（35±1）℃恒温条件下进行产气潜力试验，利用排水法逐日记录产气量。

根据单因素试验结果进行响应面CCD试验设计，其因素水平编码表如表2，试验结果分析采用Design- Expert8.0.6软件。

1.2.2 沼液预处理前后木质纤维素降解率的计算

以沼液预处理前后的木质纤维素降解率为指标，降解率率越高表明预处理效果越好。木质纤维素降解率计算公式（1）[18]。

式中0为秸秆中木质纤维素的含量，%，1为预处理后秸秆中木质纤维素含量，%。

图1 产气与预处理试验装置示意图

表2 因素水平及编码表

1.2.3 测试方法

纤维素、半纤维素及木质素的测定，根据Van Soest纤维素测定原理[19]，将样品粉碎后过40目筛，用Foss纤维素测定仪（FT350）对玉米秸秆中纤维素、半纤维素及木质素的含量进行测定。TS、VS的测定采用差质量 法[20]，将玉米秸秆置于105℃下烘干至恒质量，计算得到TS含量；置于马弗炉中在550℃下烧至恒质量，差质量法计算得VS含量。pH值的测定，采用SX-610笔式pH计（上海三信）对pH值进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同处理条件对木质纤维素降解率及产气量的影响

2.1.1 温度对木质纤维素降解及产气量的影响

不同温度下预处理木质纤维素含量及产气量如图2所示。

从图2中可知，经过不同温度预处理的纤维素降解率在3.82%～9.27%，30和35 ℃用沼液对玉米秸秆进行预处理可得到较好的结果。经沼液预处理在不同温度下半纤维素的降解率在13.05%～18.66%，降解效果明显。木质素降解率在5.10%～7.44%，在30 ℃下木质纤维素的含量从72.41%下降至63.44%，其降解率达到了12.39%。随着温度的升高，木质纤维素的降解率升高，在30 ℃达到最大值。厌氧干发酵沼液中存在大量的腐殖酸和微生物，温度对微生物的活性有很大的影响，微生物在其最适温度下活性最佳，产酶效率最高，因此温度的改变对其降解的效果会产生差异。

从产气量来看，预处理温度为30 ℃时产气量最大，而温度在20 ℃时产气量最低。在预处理时间和沼液添加比例相同的情况下，不同温度下的木质纤维素降解率不同，产气量也不同，在其最适温度条件下其降解率最大。与此同时，在预处理时对原料预先进行了升温，在接种后可快速达到其最适温度，使产甲烷菌的数量得以快速增加，提高厌氧消化的效率。

注：沼液添加比例20%，时间 6 d。

2.1.2 处理时间对木质纤维素降解及产气量的影响

按照不同的处理时间，处理前后木质纤维素含量及产气量如图3所示。

从图3中可知，预处理2～10 d，木质纤维素总量降解率在8.19%～13.44%。经过10 d预处理后，纤维素降解率达到10.22%，半纤维素含量从26.52%降解至21.26%，木质素的降解率达7.86%。从降解率来看，半纤维素的降解率最大，而木质素的降解率很小。随着预处理时间的延长，经过沼液浸润的秸秆木质纤维素组分膨胀，木质纤维素中各成分降解率不断升高，但从6 d后降解率变化幅度减小，即降解趋于平缓。预处理时间越长，木质纤维素降解率越高。结合产气量来看，产气量提高率在16.78%～29.85%之间。虽然经过预处理的组产气量在4 000 mL以上大于未经预处理组的3 318 mL，预处理时间8 d组的产气量低于预处理6 d组的产气量。这可能是由于在预处理过程中可溶性有机物质部分被消耗[20]，可溶性有机物质由水解微生物分解产生同时被沼液体系中厌氧微生物所利用，导致厌氧发酵产沼气的底物减少，致使产气量减少。因此应该控制预处理时间，使其在预处理期间木质纤维素降解率合理并且消耗的有机物质最少，以利于后期厌氧发酵制沼。

注：沼液添加比例20%，温度30 ℃。

2.1.3 沼液添加比例对木质纤维素降解及产气量的影响

按照不同的沼液添加比例（以TS计）进行单因素试验，处理前后木质纤维素含量以及产气量试验结果如图4所示。

由图4可知，随着沼液添加比例的升高木质纤维素各成分的降解率逐渐降低。纤维素降解率在6.72%～9.68%，木质素的降解率在1.91%～7.75%，而半纤维素的降解效果明显，在8.26%～20.55%。按沼液添加比例为10%和15%的量处理得到的纤维素含量与空白对照相比差异显著。从半纤维素的降解效果来看，选取的这5个水平对其降解的影响均显著，而在采用沼液添加比例30%时，木质纤维素各组分含量降解效果不明显，可能由于沼液与秸秆类原料接触不完全，导致其降解效果不佳。从沼液的用量而言，从试验结果看，对于降解效果来看选择沼液添加比例为10%降解率最佳，但用沼液处理最好可以让玉米秸秆完全吸收而没有沼液流出，过量的沼液会增加厌氧系统的有机负荷，对后续的厌氧消化产生负面的影响[14]。产气量的试验佐证了这一结果，沼液添加比例在20%时得到最高的产气量为4 730 mL，沼液添加比例为10%时木质纤维素降解率最高但产气量为4 233 mL，而在沼液添加比例为30%时木质纤维素降解率最低，但是由于存在大量大分子物质微生物不能完全利用产气量也不高。

注：温度30 ℃, 时间 6 d。

经过单因素试验的分析，各处理组木质素的降解率最高在7%～8%左右，与赵玲等[21]的研究结果（用沼液预处理秸秆类原料木质素降解7.73%）基本一致。利用沼液对玉米秸秆进行预处理可提高其厌氧消化性，大幅提高产气量。预处理后的玉米秸秆木质纤维素各组分都下降，这是由于沼液中含有大量的微生物，复杂的微生物群落体系中含有可产生木质纤维素各组分降解酶的微生物种类，酶作用于玉米秸秆各组分，使其得以降解[10]，此复合酶系可将属于非水溶性难降解物质的复杂芳香族高聚体的木质素降解7%左右，同时也可降解由木质素包裹着的具有高结晶度和聚合度的纤维素以及由木糖、甘露糖和半乳糖构成的半纤维素[22-23]，且纤维素降解率最高达到10.22%，半纤维素达到19.83%。根据文献正文报道，可降解木质纤维素类物质的微生物适宜生长温度在28 ℃上下。随着预处理时间的延长，其降解率逐渐升高，但这些可溶性有机物又被体系中的微生物代谢使用，而用于厌氧发酵时导致底物减少，从而影响沼气的产量。此外沼液中还含有大量的NH4+-N，可以作为氮源来调整C/N比，进而使其达到最佳的产气条件[14]。从单因素试验结果可看出，不同的处理条件对木质纤维素降解和产气量的影响很大，根据本次试验结果，选取沼液添加比例20%，温度30 ℃，时间为6 d，在此条件下产气量最高，可提高29.85%。

2.2 响应面法优化沼液预处理产气条件

根据前期单因素试验得出的结果，将各个单因素中的产气量最大点设置为中心点。将预处理条件进行响应面试验设计，得到试验因素水平编码表如表2，进行产气潜力测试，结果如表3。

在单因素试验确定的条件范围基础上，选择沼液添加比例、处理温度和处理时间3个因素为自变量，分别以、、表示，以产气量为响应值，运用Design-Expert 8.0.6其中的CCD设计原则，因素水平编码如表2，依据实际情况进行调整，试验方案及结果见表3。由表可知，在20组试验数据中产气量在3 975～4 853 mL之间，产气量在4 500 mL以上的组合有10组，其中产气量最高的为4 853 mL。而未经处理的对照组产气量为3 318 mL。

表3 响应面试验设计及结果

从方差分析表4的值所反映出的各因素对产气量的影响大小，得出如下结论：各试验因素对产气量影响的主次顺序为：＞＞，即时间＞沼液添加比例＞温度。这与李建等[24-25]的研究结果一致。

得出的编码方程见式（2）。

=4766.02-82.44+24.27+91.68+74.00-16.00+58.00-218.772-67.792-158.852（2）

其中模型决定系数2=0.958 2，校正的2=0.920 6。预测2和信噪比均在合理范围内，模型的方差分析见表4。从表中可以得出模型的=25.48，对应的<0.000 1，达到极显著水平，失拟项的=0.350 3>0.05不显著，说明该模型拟合程度较好，试验误差小，可以用于模型分析。

在交互项中，交互项和达到显著（<0.05），交互项均不显著。即沼液添加比例与温度及温度与时间的交互作用显著，交互项对应响应值的影响如图5、图6所示。由图可知，沼液添加比例和温度的交互作用显著，沼液添加比例越低、处理温度较低均可得到沼气产量的增高；但沼液添加比例减少到一定程度和温度提高到一定值时，沼气的产量会产生降低的现象。温度和时间的交互作用趋势与温度与沼液添加比例一致。

表4 二次模型方差分析表

图5 沼液添加比例和温度对沼气产量影响的等高线及响应面

图6 温度和时间对沼气产量影响的等高线及响应面

根据方差分析表所给出的各显著性数值，利用此模型进行沼液预处理参数的优化分析，得到玉米秸秆厌氧制沼的预处理最佳工艺为沼液添加比例19.08%，温度29.78 ℃，处理时间5.42 d，理论产气量为4 786.3 mL。为了验证优化后的工艺条件的可靠性，采用理论预测的提取条件进行产气量试验，考虑到操作的实际情况，将预处理条件设为沼液添加比例19.08%，温度为(30±1)℃，处理时间为5 d，在此工艺条件下进行3次平行试验，经测定木质纤维素降解率为11.95%±0.58%，得到产气量为(4 792±48) mL，与预测值非常接近。

采用此种方法进行预处理的日产气量最高可达 420 mL，而对照组的产气高峰值仅为255 mL。经过沼液预处理组的最大产气量为4 792 mL，达到80%最大产气量的时间为24±1 d，而未经预处理的对照组产气量仅为 3 318 mL，达到80%最大产气量的时间为(33±1) d。总产气量可提高30.76%。达到80%产气量所用的时间减少了9 d，时间缩短达到27.27%，这一结果与魏域芳等[26]用沼液处理玉米秸秆与牛粪混合发酵的缩短33.3%的结果相差不大。经过沼液预处理的玉米秸秆在第11～15天日产气量均在250 mL以上，而未经预处理的组仅在第1天产气量为255 mL达到最大值，但前期产气CO2为主要成分。而从总产气量来看，对照组较预处理组产气速率增长缓慢且秸秆的利用效率不高[27]。由此可见沼液预处理可明显提高产气量并减少厌氧消化的时间。

图7 验证试验日产气量

从所产气体的甲烷含量来看，如图8所示，经过预处理组的所产沼气中甲烷体积分数在第18天达到最高，其体积分数为60.1%，从第12天开始至第30天甲烷的体积分数均在50%以上。而未经处理组则在第18至第30天甲烷体积分数达到40%以上，第27天达到最大值为48.1%。从图8中也可看出经过沼液预处理组的甲烷体积分数始终较未处理组的甲烷体积分数高。

图8 验证试验甲烷含量动态

3 结 论

沼液预处理可以有效降解木质纤维素，使其厌氧消化能力提高，进而提高产气量。为沼液的综合利用提供了一种可能性。

1）从木质纤维素降解的角度看，沼液添加比例越多，时间越长，木质纤维素降解率越高。但是沼液添加比例过多会给加重厌氧发酵系统的有机负荷，不利于产气。预处理2～10 d，木质纤维素总量降解率在8.19%～13.44%，产气量提高率在16.78%～29.85%，预处理6 d产气量提高最多，时间过长会消耗可溶性有机物质，造成产气量下降。温度对微生物活性影响很大，因此其对木质纤维素率的影响与微生物活性相同呈先上升后下降的趋势，温度在30℃左右时木质纤维素降解率最高，木质纤维素降解率达12.39%。

2）从产气量方面来看，试验选取的3个因素对产气量影响的主次顺序为：时间＞沼液添加比例＞温度。进行响应面分析结合实际值确定玉米秸秆沼液预处理产沼气的最佳工艺条件为沼液添加比例19.08%，处理时间5 d 、处理温度（30±1）℃。产气值可较对照组提高30.76%以上。

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Parameter optimization of corn staw anaerobic digestibility pretreated by biogas slurry

Wang Yingqi1,2, Yang Hongzhi1※, Meng Haibo2, Feng Jing2, Wei Chengcheng1

(1.,,163319,;2.,,,100125,)

Under natural conditions, corn staw take a long time to start anaerobic digestion and decomposition due to its compact structure. Therefore, many studies have focused on the pretreatment of corn straws. At present, biogas slurry is difficult to treat after anaerobic fermentation. Pretreatment of corn straws with biogas slurry can reduce pollution and reduce the cost of pretreatment. The biogas slurry contains a large number of microorganisms, among which there are many degradable lignocellulose components. Pretreatment of corn straws with biogas slurry has become a research hotspot. This study aimed to optimize the parameter of pretreatment of corn straw with biogas slurry and to improve its anaerobic digestion gas production. The cellulose, hemicellulose, lignin content before and after pretreatment of biogas slurry and gas production were selected as indicators. According to the design principle of CCD (central composite design) experiment, the biogas slurry addation ratio (TS%), temperature and time were selected as factors. When the temperature was from 20 to 40 ℃, the biogas slurry addition ratio was 20% (based on total solid content) and the pretreatment time was 6 d, the cellulose degradation rate was 3.82%-9.27%, and the hemicellulose degradation rate was 13.05%-18.66%. At the same time, the lignin degradation rate was between 5.10% and 7.44%. The content of lignocellulose decreased from 72.41% to 63.44% at 30 ℃, and the degradation rate was 12.39%. When the temperature was set to 30 ℃ and the pretreatment time was 6 d, the addition of biogas slurry was set between 10% and 30%(based on TS content). The cellulose degradation rate was from 6.72% to 9.68%, and the lignin degradation rate was between 1.91% and 7.75%. The degradation effect of hemicellulose was most obvious, ranging from 8.26% to 20.55%. The degradation rate of lignocellulose was ranged from 6.67% to 13.41%. Similarly, when the pretreatment time was between 2 and 10 d the temperature was 30 ℃, the biogas slurry addition ratio is 20%, the total degradation rate of lignocellulose is 8.19% to 13.44%.The test results showed that with the decrease of pretreatment TS and the prolongation of pretreatment time, the degradation rate of lignocellulose is higher. But the degradation rate of lignocellulose reached the maximum at 30℃. From the gas production, the higher the degradation rate of lignocellulose does not mean that the gas production is higher, and the excessive pursuit of degradation of lignocellulose will affect the gas production. After optimizing the gas production by the response surface method, the optimal pretreatment process were: Biogas slurry addition (TS) 19.08%, pretreatment temperature (30±1) ℃, pretreatment time was 5 d, and total gas production can be increased by 30.76%. Pretreatment of corn straws with biogas slurry can effectively hydrolyze cellulose and hemicellulose. Meanwhile, it could reduce the lag time of corn straw anaerobic fermentation digestion and increase gas production. This economical and effective pretreatment method can improve the gas production efficiency of corn straw and provide a comprehensive utilization of biogas slurry.

biogas; digestion; straw; pretreatment with biogas slurry; response surface methodology; lignocellulose degradation; gas production

王英琪，杨宏志，孟海波，冯晶，魏程程. 沼液预处理玉米秸秆产沼气工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：239－245. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031 http://www.tcsae.org

Wang Yingqi, Yang Hongzhi, Meng Haibo, Feng Jing, Wei Chengcheng. Parameter optimization of corn staw anaerobic digestibility pretreated by biogas slurry [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 239－245. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2018-10-30

“十三五”国家重点研发项目“农业废弃物厌氧发酵及资源化成套技术与设备研发”子课题“农业废弃物混合原料预处理技术研发”（2017YFD0800802-03）

王英琪，研究方向为农产品加工及贮藏工程。Email：765571010@qq.com

杨宏志，教授，博士，研究方向：农产品加工及贮藏工程，Email：yhz5070679@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031

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1002-6819(2018)-23-0239-07