秸秆混合厌氧发酵研究进展

方 卉，赵剑斐，彭道平，黄 涛，吴士博

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756)

1 前 言

农作物秸秆是指作物收获籽实部分后剩余的副产物，是一类十分宝贵的生物质能源，占到我国生物质能源的50%[1]。我国作为农业大国，每年产生的农作物秸秆数量庞大、种类繁多、分布广泛，2017年我国秸秆的理论资源总量达到10.2亿t，但并没有得到充分的利用[2]。每年仍有大量的秸秆被随意堆放或焚烧，不仅会污染环境，同时也是巨大的资源浪费。因此，如何高效地利用秸秆显得尤为迫切。

秸秆中有大量有机物，通过厌氧发酵技术处理秸秆，可将农业废弃物转换为沼气能源，产生的沼渣沼液还可作为有机肥料再利用，对缓解能源紧张、减轻环境压力都有积极意义。秸秆中纤维素、半纤维素、木质素含量高，其中水稻、小麦和玉米等主要农作物秸秆中纤维素含量在30%～45%，半纤维素含量在25%～40%，木质素含量在10%～20%，在厌氧发酵过程中难以降解，从而限制了秸秆厌氧发酵的大规模应用[3～5]。将秸秆与其他原料如污泥、粪便等混合厌氧发酵，有助于调节体系的碳氮比，提高秸秆的产气效率。本文对秸秆混合厌氧发酵研究进展进行分析，以期对今后研究提供一定的参考。

2 秸秆混合厌氧发酵分类

本文主要介绍了几种常见的原料与秸秆混合厌氧发酵情况，见表1。

表1 常见秸秆混合发酵情况分析Tab.1 Analysis of common Anaerobic Co-fermentation with Straw

2.1 秸秆与餐厨垃圾

随着我国餐饮业的快速发展，产生的餐厨垃圾与日俱增，如果不能及时有效地处理会对周围环境造成严重影响。餐厨垃圾中有机质含量、含水率较高，氮、磷、钾等营养元素丰富，适合进行厌氧发酵[11]。将秸秆与餐厨垃圾混合厌氧发酵可将发酵底物的C/N调节至适宜范围，平衡营养物质。周祺等[12]将餐厨垃圾与玉米秸秆按C/N为20混合，在初始有机负荷为45gVS·L-1的条件下，反应器累积产甲烷量最高为311.83 mL·g-1VS。还有研究表明餐厨垃圾可以促进秸秆中纤维素的降解，Yong等[13]发现玉米秸秆单独发酵时纤维素酶活较低，在与餐厨垃圾混合厌氧发酵后纤维素酶活都有不同程度的提高，当餐厨垃圾与秸秆VS比为5∶1时纤维素酶活最高，同时甲烷产量最大为392 mL·g-1VS，产甲烷量比秸秆单独发酵提高了149.7%。Peng等[14]也发现在餐厨垃圾中添加玉米秸秆后，累计产气量从1 235mL增加到11 778mL，甲烷含量达到了51%。秸秆的添加有助于缓解餐厨垃圾厌氧发酵过程中产生的挥发性脂肪酸(VFA)积累，提高系统的缓冲能力[15]。蒋滔等[16]在研究餐厨垃圾与玉米秸秆混合厌氧发酵时，发现随着秸秆的增加发酵料液的pH值由5.1上升至7.7，说明混合发酵提高了系统的缓冲性。

2.2 秸秆与粪便

牲畜粪便类原料有大量蛋白质等含氮物质，碳氮比、有机物含量低，单独厌氧发酵容易产生氨氮抑制[17]。将富碳类原料秸秆与粪便混合厌氧发酵，可以调节发酵物料的碳氮比，通过两种物质的互补，提高系统的缓冲能力和产气量。Ye等[18]发现将稻杆和猪粪按VS比为2∶1混合厌氧发酵后，沼气产量比稻杆单独发酵提高了55.2%。粪便与秸秆混合还能提高纤维素与半纤维素降解菌的活性，促进秸秆中纤维素、半纤维素的降解[19]。田梦等[20]发现香蕉秸秆组合质量分数为83%的猪粪或牛粪后，底物中纤维素、半纤维素的降解率分别提高了1倍和3倍左右。Lv等[21]研究发现玉米秸秆和牛粪混合厌氧发酵后纤维素、半纤维素的降解率达到了46.71%和50.49%，混合后的厌氧发酵周期比牛粪单独发酵降低了7天，说明添加秸秆有利于降低发酵周期。不同畜禽粪便有机质和C/N有差异，导致混合厌氧发酵效果也不同。陈芬[22]选用鸡粪、猪粪和牛粪分别与玉米秸秆进行厌氧发酵试验，结果表明在鸡粪玉米秸秆(干物质质量比)3∶1、猪粪玉米秸秆2∶1和牛粪玉米秸秆1∶1时累积甲烷产生量最多，分别为8 054.1、6 050.7和6 701.8mL。Wang等[23]将牛粪、鸡粪、玉米秸秆三种原料混合发酵后，效果明显比单一原料以及牛粪、鸡粪与麦秆两种原料混合发酵的效果好。

2.3 秸秆与污泥

污泥中含有大量有机质，氮含量较高，有一定的缓冲能力，但碳氮比较低，单独厌氧发酵并不能达到很好的效果[24-25]。Jiang等[26]把污泥作为氮添加剂与秸秆混合厌氧发酵，发现污泥的添加能有效调节系统碳氮比，有利于厌氧反应的进行。将污泥与农作物秸秆混合有助于改善底物的营养物质，提高厌氧发酵效率。杨玉婷等[27]研究了秸秆的加入量对城市污泥厌氧发酵产气特性的影响，发现秸秆的加入明显提高了污泥的产气效率，总产气量最高增加了3 940.5mL。污泥和秸秆混合发酵可以加速秸秆水解，提高甲烷产量[28]。Elsayed等[29]发现有机负荷为7.5VS·L-1时初沉污泥和小麦秸秆混合厌氧发酵后的累积甲烷量最高，是初沉污泥单独发酵的2.3倍。

2.4 秸秆与养殖废水

养殖废水主要包括动物排泄的鲜粪尿和冲洗废水等，有机物以及氮磷含量较高，通过混合厌氧发酵能去除大量可溶性有机物，在提高秸秆产气效果的同时对废水进行有效处理[30]。鲍习峰等[31]将麦秸与奶牛场废水混合厌氧发酵后，通过对比发酵前后麦秸结构变化，发现奶牛场废水有助于厌氧微生物对麦秸纤维素结晶区的破坏，增加产气量。在麦秸与奶牛场废水质量比为1∶4时累积产气量最高，较麦秸单独发酵提高了22%。连子尧[30]在养殖废水与玉米秸秆混合厌氧发酵实验研究中，测得了在废水中加入玉米秸秆后累积产气量升高，同时废水中COD的去除率达到了50%以上，有效降低了料液中有机物的含量。

3 厌氧发酵主要影响因素

3.1 温度

温度会影响微生物细胞内酶的活性以及微生物的新陈代谢，导致产气量发生变化[32]。Shi等[33]人对比了中温、高温条件下微生物组成的差别，发现高温体系中木质纤维素降解菌的数量显著高于中温体系，说明高温条件下木质纤维素的降解能力更好。郭香麟等[7]研究了温度对餐厨垃圾与秸秆混合厌氧发酵的影响，发现高温条件(55℃)下物料降解率显著高于中温条件(35℃)，高温下单位VS累积产甲烷量为402.3mL·g-1高于中温条件的272.0mL·g-1。温度还会影响秸秆的发酵周期，张翠丽等[34]发现在25℃～40℃范围内麦秆、稻杆、玉米秸秆三种物质厌氧发酵的周期是随着温度的升高而缩短的。但高温厌氧发酵(50～55℃)需要外界热量供给，投入成本高。综合考虑厌氧发酵的效果以及能耗问题，一般选择中温厌氧发酵(30～38℃)。

3.2 预处理方式

秸秆中的木质纤维素结构复杂难以降解，因此对秸秆进行预处理有助于改变秸秆结构、提高产气效率。目前秸秆预处理主要有物理、化学和生物方法[35]。通过机械粉碎、蒸汽爆破、超声波等物理预处理，可以破坏秸秆中木质素、纤维素、半纤维素之间的结构，增大秸秆与微生物的接触面积，提高厌氧发酵效率[36]。庞小平等[37]在玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵实验中对秸秆进行了粉碎预处理，发现在粒径<1cm、1～3cm、5～10cm的实验组中粒径为1～3cm时累积产气量最高。说明粉碎粒径并不是越小越好，合理的粉碎粒度不仅可以提高产气效果还有助于降低粉碎过程产生的能耗[38]。通过化学方法处理秸秆，能降低秸秆的结晶度，促进天然纤维素的溶解[39]。Cheng等[40]通过棉花秸秆和猪粪混合厌氧发酵实验，发现棉花秸秆经过碱预处理后有更多纤维组分转化为可溶性物质，同时甲烷产量提高了32%。生物方法则主要是利用微生物降解秸秆中的木质素，提高发酵产气率，缩短发酵时间。自然界中白腐菌类微生物对秸秆中木质素的降解能力比较高[41]。杨玉楠等[42]用白腐菌对秸秆进行生物预处理后，秸秆中木质素含量由原来的13.7%降至10.6%。Shen F等[43]在稻杆和牛粪混合厌氧发酵实验中，发现通过纤维素降解微生物菌团预处理秸秆后产甲烷量比对照组高出37.8%。

但由于秸秆的结构复杂，采用两种或两种以上方法进行混合预处理效果更佳。Wang等[44]采用低浓度碱和超声联合对水稻秸秆进行预处理，发现联合预处理后秸秆中木质素降解率达到41.01%，木质素含量显著降低，同时联合处理后的秸秆日均产气量比单独碱预处理高35.32%～48.42%，比未预处理秸秆高67.79%～76.65%。Nkemka等[45]联合了酸催化蒸汽和酶水解两种预处理方法对麦秆进行预处理后，甲烷产量较未进行预处理组提高了57%。

3.3 碳氮比

微生物的生长对碳氮比有一定的要求，厌氧发酵时碳氮比过高，氮元素缺乏，降低有机碳的转换率；碳氮比过低，容易引起氨氮抑制，影响微生物的代谢[46]。将农作物秸秆与餐厨垃圾、家畜粪便等富氮类原料混合，调节发酵底物的碳氮比至合理范围，有助于平衡营养物质，提高厌氧发酵效率[47]。厌氧发酵适宜的碳氮比一般在20～30，物料不同时其最优混合碳氮比也有所不同[48]。Tong等[49]通过实验得到了山羊粪便与小麦秸秆、玉米秸秆、稻秆混合的最佳碳氮比，分别是35.61、21.19、26.23。Xiyu等[50]发现玉米秸秆和棉秆与猪粪混合发酵的最佳碳氮比均为25，最高沼气产率分别达397 mL·g-1和289 mL·g-1。王菲等[51]在秸秆和牛粪混合厌氧发酵的实验中发现碳氮比对产气量和甲烷含量有影响，碳氮比为25时累积产气量最大为48 120mL。

3.4 pH

pH值是反映厌氧发酵系统稳定性的重要指标之一，它会影响微生物的新陈代谢以及酶的活性，不同微生物有各自最佳的pH范围[43]。在正常发酵过程中pH值一般在6.8～7.5之间，pH过高或过低都会使发酵过程受到抑制，甚至停止产气[52]。王永泽等[53]通过研究pH值对水稻秸秆厌氧发酵的影响，发现控制发酵体系的pH值在7.0～7.5使产甲烷菌处于最佳状态，是提高沼气产率的关键因素。刘雨秋等[54]研究了不同pH值(6.5、6.8、7.0、7.3、7.5)对猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵的影响，发现在初始pH值为7.3时累积产气值达到了最大为10 458mL，此时甲烷含量也最大为58.7%。

3.5 微量元素

微量元素是微生物生命活动所必须的营养元素，是合成厌氧发酵过程中多种酶以及辅酶的必要成分，对甲烷菌的活性有着重大影响，在保持厌氧发酵系统的稳定性方面有着重要作用[55]。刘益均[56]在玉米秸秆和牛粪混合厌氧发酵过程中添加了Fe2+，发现当Fe2+添加量从0.5 mL·g-1增加到1.0 mL·g-1时，产气量增加；当Fe2+添加量为2.0 mL·g-1时厌氧发酵的日产气量与累积产气量均有所下降。说明适量微量元素的添加可以提高厌氧发酵效率，过量则会导致微生物以及酶的活性受到抑制，影响系统的稳定性[57]。不同的微量元素之间有一定的协同作用。Zhang等[58]在餐厨垃圾和稻杆混合厌氧发酵中分别添加了Co、Ni以及Co、Ni的组合，实验结果表明Co、Ni组合的甲烷产率提高了13.65%，明显优于Co(6.45%)、Ni(8.36%)单一添加的效果。

4 结 语

秸秆中的木质纤维素结构复杂难以降解，将秸秆与餐厨垃圾、粪便、污泥等混合厌氧发酵有以下几点作用：一是调节发酵物料的碳氮比，为微生物提供均衡的营养物质；二是不同物料之间的协同作用有助于秸秆中木质纤维素的降解，提高产气量；三是能够稀释有毒有害物质浓度，提高发酵系统的稳定性。通过混合厌氧发酵，在提高发酵效率的同时处理多种有机废弃物，具有良好的环境经济效益。

虽然目前对于秸秆的混合厌氧发酵已经进行了大量研究，但由于秸秆结构特殊、不同底物性质差异较大，使得大部分的研究还处于试验阶段，不能广泛的应用。而且随着发酵物料越来越多样化，如何选择物料并高效合理的配比显得尤为重要。同时应进一步加强对有机物降解机制的研究，综合考虑秸秆厌氧发酵过程中的各影响因素，结合经济可行的预处理方式优化发酵工艺，推进混合厌氧发酵的工业化应用。