不同生物預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

楚莉莉，田孝鑫，楊改河

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)系，河南新鄉(xiāng) 453000，2.新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

不同生物預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

楚莉莉1，田孝鑫2，楊改河3

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)系，河南新鄉(xiāng) 453000，2.新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

秸稈產(chǎn)氣率低是其作為沼氣生產(chǎn)原料的制約因素，采用生物預(yù)處理秸稈可解決這一問(wèn)題。試驗(yàn)選用沼液為預(yù)處理菌劑，與微生物催腐劑、腐稈劑、復(fù)合菌劑、糖酵酶4種生物菌劑進(jìn)行比較，并以清水處理作為對(duì)照，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行生物預(yù)處理，然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，研究不同生物預(yù)處理對(duì)玉米秸稈生產(chǎn)沼氣的影響。結(jié)果表明，沼液預(yù)處理的玉米秸稈產(chǎn)氣效果最佳，單位揮發(fā)性固體（VS）產(chǎn)氣量為227.67 mL·g-1，比其他處理方法高5.01%～81.2%，糖酵酶預(yù)處理產(chǎn)氣效果最差，VS產(chǎn)氣量最低，僅為125.64 mL·g-1。研究表明，沼液預(yù)處理后的玉米秸稈堿度較高，發(fā)酵液緩沖能力較強(qiáng)，pH適中，能有效促進(jìn)VFA分解，使玉米秸稈產(chǎn)氣量提高。因此，沼液預(yù)處理是提高秸稈產(chǎn)氣率的一種有效手段。

生物預(yù)處理；玉米秸稈；沼氣；厭氧消化

我國(guó)的糧食作物秸稈[1]，除少量秸稈直接還田和飼料利用外，多數(shù)秸稈被直接焚燒，引起交通和環(huán)境問(wèn)題。厭氧發(fā)酵為有機(jī)廢棄物的資源化利用提供有效途徑，其中農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)沼氣潛力巨大，但由于其含有較多大分子物質(zhì)，分解較慢，較少被用作沼氣生產(chǎn)原料。

秸稈預(yù)處理是提高秸稈沼氣化利用率和產(chǎn)氣率的有效手段。秸稈預(yù)處理方法很多，其中物理、化學(xué)和生物預(yù)處理應(yīng)用較廣泛，原理都是借助外力改善秸稈的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。物理和化學(xué)預(yù)處理已有很多研究[2-8]，但這兩種方法會(huì)增加費(fèi)用且易造成二次污染。生物預(yù)處理是在人工控制下，利用一些細(xì)菌，真菌等微生物的分解作用破壞秸稈的大分子物質(zhì)，具有高效清潔的優(yōu)點(diǎn)[9]，研究主要集中于白腐菌和復(fù)合菌劑對(duì)秸稈預(yù)處理的效果[10-15]。沼液富含酶和微生物，對(duì)秸稈的大分子物質(zhì)也具有腐解作用，但目前還沒(méi)有相關(guān)研究。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村戶用沼氣池的池溫為15～25℃，但國(guó)內(nèi)外的厭氧發(fā)酵研究所選溫度基本上為35和55℃[16-18]，所得結(jié)論不適合中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣。

本研究選取幾種常見(jiàn)的秸稈預(yù)處理菌劑和沼液對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，25℃為發(fā)酵溫度，從原料的產(chǎn)氣特性，發(fā)酵過(guò)程中的pH、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和堿度的變化規(guī)律等方面研究，比較沼液與常見(jiàn)生物預(yù)處理菌劑差別，旨在為提高秸稈的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為風(fēng)干的玉米秸稈，接種物是馴化過(guò)的沼液。

1.2 菌劑種類

菌劑為瑞萊特微生物催腐劑、腐稈劑、秸稈預(yù)處理復(fù)合菌劑、糖酵酶、沼液。

1.3 試驗(yàn)裝置

選用1 000 mL三角瓶作為發(fā)酵瓶，放置于自制的恒溫水浴中，發(fā)酵溫度波動(dòng)范圍為（25±1）℃。用排水法收集氣體。

1.4 試驗(yàn)方法

將玉米秸稈切成小段，長(zhǎng)度為2 cm左右，分別用清水（CK）、0.02 g微生物催腐劑（A組）、4 g腐稈劑（B組）、8 g秸稈預(yù)處理復(fù)合菌劑（C組）、8 g糖酵酶（D組）、500 g沼液（E組）對(duì)1 kg的玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)程在常溫厭氧條件下進(jìn)行，預(yù)處理時(shí)間為7 d，每天攪拌1次。預(yù)處理后原料和接種物的理化特性如表1所示。預(yù)處理結(jié)束后進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，在發(fā)酵瓶中裝入處理后的秸稈與水的混合物500 g（總固體濃度為8%），接種物200 g，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

表1 原料和接種物的基本性狀Table 1 Basic characteristics of raw materials and inoculum

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

①干物質(zhì)（TS）、揮發(fā)性干物質(zhì)（VS）[19]：TS：烘干法，VS：馬弗爐焚燒法。

②總碳[19]：K2Cr2O7—外熱源法。

③總氮：凱氏定氮法。

④產(chǎn)氣量：排水法測(cè)定，換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（STP）下的體積。

⑤pH：pH計(jì)（pHS-3CT型）。

⑥揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量[19]：比色法。

⑦堿度[19]：溴甲酚綠—甲基紅指示劑滴定法。

⑧用SAS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特征

6種不同預(yù)處理后的玉米秸稈產(chǎn)氣情況如圖1所示，各原料的日產(chǎn)氣速率波動(dòng)較大。E組在產(chǎn)氣后的第12天達(dá)到峰值317.8 mL·d-1，比其他5種原料的峰值高；D組在發(fā)酵的前期和中期產(chǎn)氣速率低于其他原料，在發(fā)酵末期產(chǎn)氣速率直線上升，在41 d達(dá)到最大值247.2 mL·d-1。其余4組原料產(chǎn)氣速率變化曲線相似，產(chǎn)氣速率最大值在270.0 mL·d-1左右。

由表2可見(jiàn)，E組的總產(chǎn)氣量最大為8 204.4 mL，比其余5組增加0.49%～77.09%。根據(jù)預(yù)處理后秸稈的VS含量（見(jiàn)表1），可算出單位VS產(chǎn)氣量的大小順序?yàn)椋篍組＞A組＞B組＞CK＞C組＞D組，與其余5組相比，E組的VS產(chǎn)氣量分別提高9.31%、5.01%、8.32%、11.86%和81.2%。由此可見(jiàn)，玉米秸稈經(jīng)沼液預(yù)處理后的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果最好，而經(jīng)糖酵酶預(yù)處理的產(chǎn)氣效果不佳。

圖1 6種原料的產(chǎn)氣速率變化Fig.1 Biogas production rate of 6 materials

表2 6種原料的產(chǎn)氣量Table 2 Biogas production of dry matter of 6 materials

2.2 發(fā)酵過(guò)程中pH的變化規(guī)律

最適合厭氧發(fā)酵菌群生存的pH為6.5～7.5，由圖2可見(jiàn)，在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，除D組外，其余各組的pH在6.62～7.34變化。D組在發(fā)酵初期，pH 6.70左右，隨后直線下降到最低值6.08，是造成E組在發(fā)酵中期產(chǎn)氣速率低于其他各組的主要原因（見(jiàn)圖1）。隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵系統(tǒng)自我平衡，pH升高至正常范圍，產(chǎn)氣速率提高。由此可見(jiàn)，玉米秸稈經(jīng)糖酵酶處理后進(jìn)行厭氧發(fā)酵易產(chǎn)生酸化現(xiàn)象。

方差分析結(jié)果顯示（見(jiàn)表3），E組和D組的pH與其余5組的差異分別達(dá)顯著水平。

2.3 發(fā)酵過(guò)程中VFA的變化規(guī)律

VFA是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過(guò)程中的主要產(chǎn)物，是反映厭氧發(fā)酵進(jìn)程的一個(gè)重要因素。由圖3可以看出，6組的VFA含量在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中均呈現(xiàn)先緩慢升高達(dá)到峰值，隨后快速下降，最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。原料不同VFA含量達(dá)到峰值的時(shí)間不同，6組原料分別在第11、39、19、27、27和19天。D組VFA含量峰值為8 455.50 mg·L-1，遠(yuǎn)高出C組5 777.72 mg·L-1、B組4 887.18 mg·L-1、CK4221.83 mg·L-1、A組4 195.21 mg·L-1和E組3 460.25 mg·L-1。方差分析結(jié)果表明（見(jiàn)表3），D組的VFA含量與其余5組的差異達(dá)到顯著水平。

圖2 發(fā)酵過(guò)程中pH的變化Fig.2 Variations of pH

圖3 發(fā)酵過(guò)程中VFA的變化Fig.3 Variations ofvolatile fatty acid

2.4 發(fā)酵過(guò)程中堿度變化規(guī)律

由圖4可知，6組發(fā)酵原料堿度值在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中都高于4 000 mg·L-1，在發(fā)酵前期各組的堿度值波動(dòng)較大，隨后趨于平穩(wěn)。E組和D組的堿度值明顯高于其他組，其中E組的堿度值最高，平均可達(dá)6 901.60 mg·L-1。方差分析結(jié)果顯示（見(jiàn)表3），E組和D組的堿度值與其余5組的差異分別達(dá)到顯著水平，A組與B組和CK的差異也達(dá)到顯著水平。

圖4 發(fā)酵過(guò)程中堿度的變化Fig.4 Variations of total alkalinity

表3 pH、VFA、堿度的方差分析Table 3 ANOVA of the pH,VFA and total alkalinity

3 討論

3.1 碳氮比對(duì)厭氧發(fā)酵的影響

據(jù)資料顯示玉米秸稈的碳氮比為53∶1[20]，本試驗(yàn)對(duì)預(yù)處理過(guò)后玉米秸稈碳氮比進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，碳氮比在16～42∶1，說(shuō)明生物預(yù)處理可降低玉米秸稈的碳氮比。Hansen等研究表明，發(fā)酵原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)的最佳碳氮比在20～30∶1[21]，若碳氮比過(guò)低，發(fā)酵過(guò)程中銨鹽容易累積，使發(fā)酵過(guò)程受阻；如果碳氮比過(guò)高，氮含量不足，發(fā)酵液的緩沖能力受到限制。經(jīng)糖酵酶處理后玉米秸稈的碳氮比為22.39∶1，但產(chǎn)氣量在6組中最低，發(fā)酵效果不理想，與前人研究結(jié)果不符。

3.2 pH對(duì)厭氧發(fā)酵的影響

采用糖酵酶預(yù)處理后的玉米秸稈在發(fā)酵的第19～35天，pH低于其他各組（見(jiàn)圖2），這是由于此階段發(fā)酵原料被水解成為VFA，使得發(fā)酵液的pH值降低，而從圖3可知，此階段糖酵酶處理后的玉米秸稈VFA含量明顯高于其余5組，盡管該組的堿度值在該階段一直較高（見(jiàn)圖4），但堿度值與VFA的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到最佳水平2∶1[22]，其他幾組的堿度值與VFA的比例接近2∶1或者＞2∶1（見(jiàn)表3），因此采用糖酵酶預(yù)處理后的玉米秸稈作發(fā)酵原料導(dǎo)致發(fā)酵液的pH明顯偏低，甲烷菌的活性被抑制[23]，導(dǎo)致產(chǎn)氣速率低于其余各組（見(jiàn)圖1）。

3.3 VFA對(duì)厭氧發(fā)酵的影響

發(fā)酵過(guò)程中，原料不同產(chǎn)生VFA達(dá)最大值時(shí)間及最大值不同，這主要是與菌群的種類、數(shù)量以及菌群將VFA轉(zhuǎn)變成甲烷的效率有關(guān)[24]。玉米秸稈經(jīng)沼液處理后VFA含量最大值低于其他各組，可能是甲烷菌與產(chǎn)酸菌比值高，產(chǎn)酸能力強(qiáng)所致。資料顯示，原料經(jīng)厭氧消化后的有機(jī)酸含量主要為乙酸和丙酸，丁酸次之，戊酸、異丁酸、異戊酸僅有微量[25-27]。由于試驗(yàn)條件限制，該研究只測(cè)定VFA總含量，未分別測(cè)定對(duì)乙酸、丙酸、丁酸，關(guān)于這些脂肪酸在發(fā)酵過(guò)程中的變化過(guò)程，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

a.在微生物催腐劑、腐稈劑、復(fù)合菌劑、糖酵酶和沼液5種生物處理菌劑中，沼液預(yù)處理效果最好。玉米秸稈經(jīng)沼液預(yù)處理后，VS產(chǎn)氣量最大（227.67 mL·g-1），比其他處理方法高5.01%～81.2%。糖酵酶預(yù)處理效果最差，VS產(chǎn)氣量最低（125.64 mL·g-1）。其余3組的VS產(chǎn)氣量和對(duì)照組相比，差別不大。

b.采用沼液預(yù)處理后的玉米秸稈在發(fā)酵過(guò)程中，pH值較高，變化范圍較小，堿度較高，緩沖能力較強(qiáng)，使VFA的積累量較小，有利于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定。

c.采用糖酵酶預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)產(chǎn)氣效果較差，且易在發(fā)酵過(guò)程中發(fā)生酸化，抑制甲烷菌活性。

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Effect of biopretreatment on biogas production characteristics of anaerobic fermentation of corn stalk

CHU Lili1,TIAN Xiaoxin2,YANG Gaihe3
(1.Department of Life Science and Technology,Xinxiang University,Xinxiang Henan 453000,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Xinxiang University,Xinxiang Henan 453000,China; 3.School ofAgronomy,NorthwestAgriculture and Forest University,Yangling Shaanxi 712100,China)

Slow decomposition and low rate of biogas production are constraints that using straw as anaerobic fermentation materials,biopretreatment can accelerate straw decomposition and increase biogas production rate.Biogas slurry was used to pretreatment corn stalk,compared with Microbe Decomposition Agents,Easy Composting Agent,complex microbial agent,sugar fermentation enzyme,and water treatment was used as control,anaerobic digestibility and biogas yield of corn stalk were evaluated by anaerobic batch digestion experiments.The results showed that,pretreatment of biogas slurry was better,the cumulative biogas production of 227.67 mL·g-1VS was obtained after 43 days of digestion,increased by 5.01%-81.2% as compared to other pretreatment methods.The cumulative biogas production of sugar fermentation enzyme was 125.64 mL·g-1VS,which was the lowest among all pretreatment′s.In addition,the total alkalinity of biogas slurry treatment was the highest,and had strong buffer capacity,VFA decomposition was fast,which led the highest biogas production.Biogas slurry pretreatment had a significant effect on increasing biogas production rate of straw.

biopretreatment;corn stalk;biogas;anaerobic digestion

S216.4；X705

A

1005-9369（2014）04-0118-05

2012-12-27

新鄉(xiāng)學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目（1399020172）；河南省2012軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（122400430134）

楚莉莉（1981-），女，講師，博士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)集成。

時(shí)間2014-4-21 13:21:48[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140421.1321.007.html

楚莉莉,田孝鑫,楊改河.不同生物預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(4)∶118-122.

Chu Lili,Tian Xiaoxin,Yang Gaihe.Effect of biopretreatment on biogas production characteristics of anaerobic fermentation of corn stalk[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(4)∶118-122.(in Chinese with English abstract)