秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)展

袁志慧 尤朝陽(yáng) 王 磊 張路廣

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 南京 210000)

秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)展

袁志慧 尤朝陽(yáng) 王 磊 張路廣

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 南京 210000)

秸稈是世界上數(shù)量最大的可再生資源，但是秸稈內(nèi)木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和難降解性限制了秸稈的應(yīng)用，因此秸稈預(yù)處理成為秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣的重要一環(huán)。本文介紹了木質(zhì)纖維素預(yù)處理物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、聯(lián)合處理技術(shù)和秸稈厭氧發(fā)酵研究進(jìn)展，并對(duì)秸稈預(yù)處理技術(shù)前景進(jìn)行展望。

秸稈；木質(zhì)纖維素；預(yù)處理；厭氧發(fā)酵；沼氣

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格和世界化石能源資源的日趨枯竭，生物質(zhì)能源作為清潔高效的可再生能源正日益受到人們的重視。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量可達(dá)8億多t，資源豐富，分布廣泛，但是并沒(méi)有得到充分利用。目前，仍有大量秸稈被隨地堆棄或任意焚燒，造成碳源、氮源流失和減少，既產(chǎn)生霧霾污染環(huán)境，又是資源的極大浪費(fèi)，因此，尋找秸稈的有效利用途徑尤為重要。

目前秸稈資源化主要有秸稈飼料化、秸稈肥田、秸稈工業(yè)原料化(基料、造紙、建筑材料等)和秸稈生物能源化技術(shù)(厭氧消化技術(shù)、熱解氣化技術(shù)、制乙醇技術(shù)、固化技術(shù)等)[1]。其中利用以秸稈為代表的木質(zhì)纖維素原料厭氧消化制取清潔、高效、安全的新能源甲烷，已成為研究的熱點(diǎn)并投入實(shí)際生產(chǎn)，具有十分深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。但是在實(shí)際生產(chǎn)中秸稈產(chǎn)氣率不高，主要原因在于秸稈本身木質(zhì)纖維素含量高難以分解，因此秸稈消化有發(fā)酵啟動(dòng)慢、分解慢、發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)氣率低、利用率低等問(wèn)題[2]，由此需要對(duì)秸稈進(jìn)行有效預(yù)處理，并優(yōu)化厭氧發(fā)酵條件，提高秸稈發(fā)酵速率和產(chǎn)氣質(zhì)量。

1 秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)

秸稈木質(zhì)纖維素的一部分結(jié)晶區(qū)排列整齊，微生物和酶難以入內(nèi)；木質(zhì)素內(nèi)部除了有強(qiáng)大的氫鍵連接外，還與半纖維素形成穩(wěn)定的木質(zhì)素—碳水化合物復(fù)合體，將纖維素和半纖維素包裹其中，使酶不易與其接觸。因此需要借助一些物理、化學(xué)或生物的方法，去除木質(zhì)素，使纖維素與木質(zhì)素和半纖維素分離開(kāi)來(lái)，然后破壞纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化成為無(wú)定型態(tài)，降低纖維素聚合度，才能使木質(zhì)纖維素得以有效利用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣預(yù)處理主要包括物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、物理化學(xué)和化學(xué)生物等聯(lián)合處理技術(shù)。

1.1 物理技術(shù)

主要是通過(guò)改變農(nóng)作物秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的方法，包括機(jī)械加工、輻射、微波、超聲波等方法。

(1) 機(jī)械加工。機(jī)械加工包括切碎、粉碎、磨碎等方法，通過(guò)剪切、粉碎和研磨等把纖維原料的粒徑減小，降低纖維素的結(jié)晶度，增加與纖維素酶的接觸面積，常在其他預(yù)處理方法之前使用。在對(duì)生物質(zhì)機(jī)械加工之前先進(jìn)行輕微干燥[3]，可以提高纖維素原料的易磨性從而降低機(jī)械加工的能源消耗。

(2) 微波。微波即頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波，在微波作用下，被加熱介質(zhì)中的水分子的極性取向會(huì)隨著外電場(chǎng)的改變而變化，分子的高速運(yùn)動(dòng)使微波場(chǎng)的場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，從而導(dǎo)致原材料溫度升高，產(chǎn)生熱化、膨化等一系列反應(yīng)，破壞纖維素分子間的氫鍵[4]，提高了纖維素的可及度和反應(yīng)能力。SahaBadal C等[5]研究了微波預(yù)處理小麥秸稈條件參數(shù)，發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理秸稈(0.15 ml/g小麥秸稈)在3種酶制劑(纖維素酶、β葡糖苷酶和半纖維素酶)下糖化后糖產(chǎn)量是544±7 mg/g秸稈，產(chǎn)率約為70%；微波酸預(yù)處理后得到最大糖產(chǎn)量是651±7 mg/g秸稈，收益率為84%。

(3) 超聲波。超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，預(yù)處理能夠改變秸稈內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，其空化作用產(chǎn)生巨大能量使木質(zhì)纖維素受到振動(dòng)而破碎，使其分散于液體中釋放出多糖，有利于后續(xù)秸稈厭氧消化反應(yīng)[4]。馮磊等[6]研究超聲波預(yù)處理玉米秸稈發(fā)酵發(fā)現(xiàn)：未經(jīng)預(yù)處理和超聲波處理后日產(chǎn)氣量分別是4.54 ml/(g·d)和6.86 ml/(g·d)，提高了51.10%；沼氣中平均甲烷濃度由未經(jīng)預(yù)處理的43.83%提高到處理后的47.86%；最佳超聲波預(yù)處理功率為225W，處理時(shí)間為30 min。

1.2 化學(xué)技術(shù)

化學(xué)技術(shù)是利用化學(xué)制劑對(duì)作物的秸稈進(jìn)行作用，以達(dá)到打破秸稈細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素之間的共價(jià)鍵，從而使秸稈消化率得到提高?；瘜W(xué)處理主要有堿處理、酸處理、離子液體及氧化等。

(1) 堿法預(yù)處理。各種預(yù)處理方法中堿處理操作簡(jiǎn)單便捷，木質(zhì)素去除效果顯著，應(yīng)用也較為廣泛。堿處理是利用NaOH、CaO、Ca(OH)2、KOH或氨溶液等堿性溶液浸泡或噴灑于原料表面，以打開(kāi)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，溶解纖維素、半纖維素和一部分木質(zhì)素及硅酸鹽，使纖維素膨脹，從而便于酶水解的進(jìn)行，提高消化率[7-8]。Barman等[9]研究NaOH煮沸小麥秸稈預(yù)處理去除木質(zhì)素作用，利用不同濃度的NaOH(0.5%～2%)在105 ℃處理小麥秸稈10 min，發(fā)現(xiàn)2%的NaOH預(yù)處理樣品后暴露出的纖維素纖維最多；2%NaOH預(yù)處理液處理時(shí)木質(zhì)素和半纖維素最大的去除率分別是70.3%和68.2%。

(2) 酸預(yù)處理。酸水解包括濃酸預(yù)處理和稀酸預(yù)處理，濃酸預(yù)處理對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，處理后必須回收，生產(chǎn)成本增加，因此稀酸應(yīng)用更廣泛。稀酸預(yù)處理可溶解半纖維、造成纖維素內(nèi)部的氫鍵破壞，有利于木質(zhì)纖維素中的半纖維素、纖維素的水解，可降低木質(zhì)纖維素聚合度[8,10]。

(3) 離子液體法。離子液體是一種在室溫或低溫條件下由無(wú)機(jī)陰離子和有機(jī)陽(yáng)離子相互結(jié)合而成的呈液態(tài)的鹽類化合物。離子液體價(jià)格較高，但因其表現(xiàn)出的環(huán)境友好等特點(diǎn)，有一定的發(fā)展空間。F.Saez等[11]研究發(fā)現(xiàn)，用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽處理大麥秸稈可使纖維素、木聚糖轉(zhuǎn)化率分別為未處理的9倍和13倍，用離子液體在110℃下處理大麥秸稈30 min，可有0.535 g糖/g原料的糖產(chǎn)量，其中多余86%的糖來(lái)源于未經(jīng)離子液體處理時(shí)而無(wú)法轉(zhuǎn)化的糖，證明離子液體可促進(jìn)纖維素半纖維素水解。

(4) 氧化法。氧化反應(yīng)可使木質(zhì)素單體之間連接的醚鍵和木質(zhì)素與糖類復(fù)合體之間連接的醚鍵、縮醛鍵氧化斷裂，故氧化可有效地使木質(zhì)素分離，半纖維素溶解，以便木質(zhì)纖維素原料容易酶解和發(fā)酵。濕氧化是在加溫加壓條件下水和氧共同參加的反應(yīng)。Nadja Schultz-Jensen等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在O3預(yù)處理并經(jīng)水洗后的小麥秸稈中纖維素和半纖維素沒(méi)有變化，但是木質(zhì)素被去除了95%；侯霖等[13]采用濕式氧化法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈的纖維素得率為75.6%。

1.3 生物技術(shù)

生物技術(shù)是利用某些微生物(包括真菌、基因工程菌和酶類)來(lái)降解原料中的木質(zhì)素。常用的真菌有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其產(chǎn)生的木質(zhì)素分解酶系作用于物料，可提高纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率。生物預(yù)處理常用接種菌種進(jìn)行預(yù)處理，馴化分解木質(zhì)素或纖維素的菌種再將其接種到秸稈原料中。Rameshwar Tiwari等[14]通過(guò)分離出露濕漆斑菌LG7來(lái)處理秸稈，分析發(fā)現(xiàn)其可以去除木質(zhì)素，改變木質(zhì)素骨架結(jié)構(gòu)和纖維素結(jié)晶度。

1.4 聯(lián)合預(yù)處理

各種預(yù)處理方法都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和其自身的局限，通過(guò)單一方法預(yù)處理很難達(dá)到較好的效果。在秸稈預(yù)處理實(shí)際操作中，往往通過(guò)物理、化學(xué)、生物不同預(yù)處理原理組合或預(yù)處理方法組合來(lái)達(dá)到更好的處理效果。

氨纖維爆破法(AFEX)是一定溫度(60～100 ℃)和高壓(1.7～2.1 MPa)下的液態(tài)無(wú)水氨處理生物質(zhì)再快速泄壓的方法。液氨可使木質(zhì)素發(fā)生解聚反應(yīng)，同時(shí)破壞木質(zhì)素與糖類間的聯(lián)接，使半纖維素水解、纖維素結(jié)晶度降低從而改變植物纖維的結(jié)構(gòu)[15]。劉建軍[16]在AFEX預(yù)處理玉米秸稈條件優(yōu)化的試驗(yàn)研究中表明在含水率為80%，溫度為90 ℃，纖維素酶添加量為15 FPU時(shí)，葡萄糖和木糖的總轉(zhuǎn)化率分別為92.14%和67.06%。結(jié)果表明AFEX處理對(duì)玉米秸稈是一種有效的預(yù)處理方式。

熱水法是利用高溫高壓下水穿透生物質(zhì)的細(xì)胞壁使得生物質(zhì)中的半縮醛鍵斷裂生成酸，從而促進(jìn)醚鍵的斷裂，有利于半纖維素水解降解為木糖和低聚糖，也可除去部分木質(zhì)素。這種預(yù)處理方法設(shè)備成本低，無(wú)需化學(xué)藥品，預(yù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物少，而且可實(shí)現(xiàn)半纖維素和纖維素的分離，便于單獨(dú)利用半纖維素和纖維素的降解產(chǎn)物[17]。Badal C.Saha等[18]在熱水預(yù)處理最佳工藝條件下(10%，w/v；200 ℃，5 min)得到550±5mg/g可發(fā)酵糖/g玉米秸稈，相當(dāng)于72%的理論產(chǎn)糖量。TimRogalinski等[19]實(shí)驗(yàn)表明高溫?zé)崴梢詫?dǎo)致生物質(zhì)高度溶解。

張婷[20]研究最優(yōu)超聲波的預(yù)處理?xiàng)l件為：NaOH濃度6%，超聲時(shí)間60min，超聲功率360kHz，固液比1:12。累積產(chǎn)氣量比稀堿法單獨(dú)預(yù)處理的最優(yōu)方案提高了31.9%。

2 玉米秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)

秸稈厭氧發(fā)酵是有機(jī)廢棄物在厭氧條件下經(jīng)過(guò)酸化最終被分解成甲烷、二氧化碳和水等的過(guò)程。厭氧發(fā)酵包括三個(gè)連續(xù)的部分，水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段。

水解階段：水解產(chǎn)酸細(xì)菌胞外酶如纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等對(duì)有機(jī)物體外酶解，將固體有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性物質(zhì)；纖維素、半纖維素淀粉等多糖通過(guò)反應(yīng)水解成單糖，再通過(guò)反應(yīng)生成丙酮酸；蛋白質(zhì)水解成多肽，進(jìn)而水解成氨基酸，最后變?yōu)橛袡C(jī)酸和氨肥；脂類可以水解為甘油和脂肪酸，進(jìn)一步可以形成丙酸、乙酸、丁酸等一些小分子酸及H2和CO2。

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌利用這些可溶性物質(zhì)作為能量和生長(zhǎng)基質(zhì)，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生乙酸、乳酸等有機(jī)酸，以及醇、氨、CO2、H2、硫化物和能量，并形成細(xì)胞物質(zhì)。

產(chǎn)甲烷階段：乙酸、乙酸鹽和H2被產(chǎn)甲烷細(xì)菌轉(zhuǎn)化為甲烷。此階段涉及兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌。其中一組將H2和CO2通過(guò)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成甲烷，而另一組可以通過(guò)乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷。前者約占產(chǎn)生甲烷總量的1/3，后者約占2/3[21-23]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣研究主要從控制厭氧發(fā)酵條件入手，包括以下幾方面。

2.1 溫度

微生物只有在一定的溫度范圍下才能進(jìn)行正常的代謝和生長(zhǎng)繁殖，溫度主要是通過(guò)對(duì)微生物酶的活性的影響而影響微生物的生長(zhǎng)代謝；溫度還會(huì)影響有機(jī)物在生化反應(yīng)中的流向和某些中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在水中的溶解度從而會(huì)影響到沼氣的產(chǎn)量和成分，所以發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因素。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌在不同溫度下的活性將厭氧發(fā)酵分為三類：15～20 ℃為低溫發(fā)酵，20～45 ℃為中溫發(fā)酵，50～65 ℃稱為高溫發(fā)酵[24]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以根據(jù)需要目標(biāo)和生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。Boukov等[25]研究了中溫向高溫轉(zhuǎn)變對(duì)厭氧發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)溫度逐步從37 ℃升高到55 ℃的過(guò)程中，47 ℃下的沼氣產(chǎn)量和甲烷含量最低；當(dāng)溫度直接從37 ℃升高到55 ℃時(shí)，初期沼氣產(chǎn)量下降，隨后產(chǎn)氣量迅速提高。XiaojiaoWang等[26]研究稻草秸稈和牛糞雞糞共發(fā)酵發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)溫度升高可以提升沼氣產(chǎn)量，但是由中溫(30～40 ℃)發(fā)酵到高溫(50～60 ℃)發(fā)酵由于氨態(tài)氮和游離氨累積產(chǎn)生抑制作用使沼氣產(chǎn)率下降。LiLianhua[27]研究稻草秸稈高溫(55±1)℃、中溫(35±1)℃和常溫(25±1)℃發(fā)酵，結(jié)果表明中溫發(fā)酵沼氣產(chǎn)量最高。

2.2 底物濃度

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的總固體濃度，又稱料液濃度，是發(fā)酵料液中干物質(zhì)含量的百分比。當(dāng)總固體濃度高于15%時(shí)為干發(fā)酵，干發(fā)酵一般總固體濃度為15%～40%；總固體濃度低于15%為濕發(fā)酵[28]。料液濃度過(guò)高會(huì)阻礙傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)也不利于反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷氣的釋放。有機(jī)物負(fù)荷率很高時(shí)，由于供給產(chǎn)酸菌的養(yǎng)分充分，致使作為其代謝產(chǎn)物的有機(jī)物酸產(chǎn)量很大，超過(guò)了產(chǎn)甲烷菌的吸收利用能力，導(dǎo)致有機(jī)酸在消化液中的積累和pH下降；有機(jī)物負(fù)荷率偏小則供給產(chǎn)酸菌的原料不足，產(chǎn)酸量偏小，不能滿足產(chǎn)甲烷菌的需要。SongZilin等[29]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈和小麥秸稈干物質(zhì)產(chǎn)氣率在總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%和16%時(shí)達(dá)到最大值，分別為297.78mL/g和242.15mL/g。

2.3 C/N比

C/N值是指原料有機(jī)物中的總有機(jī)碳含量與總氮含量的比值，C/N值太低，氮過(guò)多pH值可能上升，銨鹽容易積累，抑制消化進(jìn)程；C/N過(guò)高，氮量不足，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)容易積累而導(dǎo)致發(fā)酵液酸化,厭氧發(fā)酵過(guò)程中反應(yīng)物碳氮比在(20～30)：1時(shí)為最佳[30]。因此在實(shí)際應(yīng)用中常將秸稈和富氮有機(jī)物(如污泥、牲畜糞便)進(jìn)行合理配比共發(fā)酵，從而得到適宜的碳氮比，共發(fā)酵同時(shí)可以增加發(fā)酵系統(tǒng)緩沖性。若控制pH值在7.2～7.3之間時(shí)，產(chǎn)酸菌較弱的代謝能力和產(chǎn)甲烷菌較強(qiáng)的代謝能力之間易形成代謝平衡，從而促使厭氧消化過(guò)程穩(wěn)定地進(jìn)行下去[31]。張娟[32]研究35℃下豬糞與玉米秸稈2：1、豬糞與小麥秸稈3：1和豬糞與玉米秸稈3：1發(fā)酵比，發(fā)現(xiàn)3種不同原料的配比有著較高的總產(chǎn)氣量和甲烷總產(chǎn)氣量。不同的原料因其成分不同有不同的最優(yōu)配比。YUAi-he[33]研究了稻草秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣最大產(chǎn)氣量的C/N為27.5。

2.4 pH值

pH不僅直接影響生物體內(nèi)各種酶的催化活性及代謝途徑，還能影響生物細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。各種細(xì)菌都有其適應(yīng)的氫離子濃度，產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH的適應(yīng)范圍在6.8～7.2之間，因此厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的最佳pH為中性范圍。當(dāng)pH值低于6.0時(shí)，可加入石灰水或者氨水調(diào)節(jié)，可保證厭氧發(fā)酵過(guò)程的順利進(jìn)行[34]。王永澤[35]統(tǒng)計(jì)了不同初始pH值稻草秸稈發(fā)酵總產(chǎn)氣量，試驗(yàn)得出初始pH為7時(shí)發(fā)酵累積產(chǎn)氣量明顯高于其他。ZhangTong等[36]研究發(fā)現(xiàn)沼氣日產(chǎn)量與pH值和VFA成反比；MeiXiang等[37]研究表明VFA濃度在pH為8.0時(shí)達(dá)到最高值4 409.51mg/L，此時(shí)稻稈降解量也最多，半纖維素、纖維素和酸性洗滌木質(zhì)素降解率分別為28.60%、47.32%和22.69%，稻稈負(fù)荷與發(fā)酵pH通過(guò)影響稻稈半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解，從而影響稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的進(jìn)程和效果。

2.5 無(wú)機(jī)鹽

無(wú)機(jī)鹽或礦質(zhì)元素主要為產(chǎn)甲烷菌提供碳源氮源以外的各種重要元素，如P、S、K、Mg、Na、Fe等大量元素和Cu、Zn、Mg、Ni、Co、Mo、Sn、Se等微量元素[38]。有些離子是微生物細(xì)胞組成成分，當(dāng)發(fā)酵環(huán)境中存在適量無(wú)機(jī)鹽離子時(shí)可以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。比如100～200mg/LCa和75～150mg/LMg可促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程[39]。有毒物質(zhì)對(duì)于厭氧發(fā)酵過(guò)程來(lái)說(shuō)是相對(duì)的[40]，過(guò)高濃度無(wú)機(jī)鹽離子會(huì)影響微生物生長(zhǎng)繁殖，甚至有毒害致死作用。時(shí)昌波等[41]研究初始FeCl3加入量為3%，秸稈的厭氧產(chǎn)甲烷效率相對(duì)于對(duì)照提高了14%。X射線衍射分析結(jié)果表明FeCl3存在時(shí)，沼渣中纖維素的結(jié)晶度顯著降低。楊立[22]研究表明添加金屬離子組的產(chǎn)氣量平均比對(duì)照組提高了41.7%。多種金屬離子同時(shí)存在時(shí)，對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響程度最大的3種金屬離子為：Co2+、Cu2+和Mg2+。陳佳一[42]在稻草秸稈中添加Mg2+后發(fā)酵試驗(yàn)產(chǎn)氣量比對(duì)照組高出10%。

3 結(jié)語(yǔ)

玉米秸稈經(jīng)物理、化學(xué)、生物或聯(lián)合預(yù)處理后產(chǎn)氣范圍可達(dá)118.84～410ml/gTS[6，24，43-45]，造成產(chǎn)氣差異較大的因素是不同地域玉米品種和生長(zhǎng)土壤氣候環(huán)境等原因會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈成分差異，預(yù)處理技術(shù)在時(shí)間、溫度等方面的差別也導(dǎo)致預(yù)處理結(jié)果的不同。在秸稈預(yù)處理中物理處理技術(shù)存在能耗大的問(wèn)題；化學(xué)處理技術(shù)需要找到不造成二次污染、成本低及對(duì)沼氣發(fā)酵有多種促進(jìn)作用的化學(xué)處理劑；目前研究對(duì)纖維素酶制劑與微生物預(yù)處理過(guò)程中秸稈水解產(chǎn)糖量、效果及微生物之間的相互作用了解不多，對(duì)預(yù)處理中微生物保持優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)環(huán)境的研究也不夠。在秸稈產(chǎn)沼氣實(shí)際應(yīng)用中，要綜合考慮原料預(yù)處理和厭氧發(fā)酵條件的各種因素，選擇適宜、經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理方法和發(fā)酵條件以及工藝。

各種預(yù)處理方法都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和其自身的局限，通過(guò)單一方法預(yù)處理往往很難達(dá)到較好的效果。秸稈預(yù)處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中趨向于多種方法聯(lián)合使用，這也是秸稈預(yù)處理技術(shù)研究的一個(gè)趨向。在秸稈預(yù)處理實(shí)際操作中，往往通過(guò)組合幾種不同的預(yù)處理方法來(lái)達(dá)到更好的效果。通過(guò)聯(lián)合方法的應(yīng)用，可以吸取不同處理方法的優(yōu)點(diǎn)，更好的提高其酶水解效果，達(dá)到高產(chǎn)量、低能耗、低污染的目的。

[1] 王蘋(píng).組合預(yù)處理對(duì)玉米秸厭氧消化產(chǎn)氣性能影響研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[2] 覃國(guó)棟，劉榮厚，孫辰.NaOH預(yù)處理對(duì)水稻秸稈沼氣發(fā)酵的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(S1):59-63.

[3]DavidChiaramonti,MatteoPrussi,SimoneFerreroc.Reviewofpretreatmentprocessesforlignocellulosicethanolproduction,anddevelopmentofaninnovativemethod[J].BiomassandBioenergy，2012,46(SI): 25-35.

[4] 彭姿，譚興和，熊興耀，等.木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理新技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)釀造，2013，32(1):1-4.

[5]SahaBC,BiswasA,CottaMA.EnzymaticSaccharificationandFermentationofWheatStrawtoEthanol[J].JournalofBiobasedMaterialsandBioenergy, 2008,2(3):210-217.

[6] 馮磊，陳巖，李潤(rùn)東.超聲波預(yù)處理對(duì)秸稈發(fā)酵的影響[J].可再生能源，2013，31(1):66-70.

[7] 楊娟，滕虎，劉海軍，等.纖維素乙醇的原料預(yù)處理方法及工藝流程研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，32(1):97-103.

[8] 王永忠，冉堯，陳蓉，等.不同預(yù)處理方法對(duì)稻草秸稈固態(tài)酶解特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(1):225-231.

[9]BarmanDN,HaqueMA,KangTH.AlkaliPretreatmentofWheatStraw(Triticumaestivum)atBoilingTemperatureforProducingaBioethanolPrecursor[J].BioscienceBiotechnologyandBiochemistry, 2012, 76(12):2201-2207.

[10] 田永蘭.酸預(yù)處理玉米秸稈與牛糞混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)研究[D].河北：華北電力大學(xué)，2012.

[11]SaezF,BallesterosM.Enzymatichydrolysisfromcarbohydratesofbarleystrawpretreatedbyionicliquids[J].JournalofChemicalTechnologyandBioechnology,2013,88(5):737-941.

[12]NadjaSchultz-Jensen,ZsófiaKádár,AnnaBelindaThomsen.Plasma-AssistedPretreatmentofWheatStrawforEthanolProduction[J].AppliedBiochemistryandBiotechnology,2011,165(3-4):1010-1023.

[13] 侯霖，薛冬樺，李濤，等.玉米秸稈預(yù)處理及水解生成可發(fā)酵性糖[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(1):26-28.

[14]RameshwarTiwari,SarikaRana,SurenderSingh.BiologicaldelignificationofpaddystrawandPartheniumsp.UsinganovelmicromyceteMyrotheciumroridumLG7forenhancedsaccharification[J].BioresourceTechnology,2013,135:7-11.

[15]MurnenHK,BalanV,ChundawatSPS,etal.Optimizationoftheammoniafiberexplosion(AFEX)treatmentparametersforenzymatichydrolysisofcornstover[J].BiotechnologyProgress, 2007, 23(4):846-850.

[16] 劉建軍.AFEX預(yù)處理玉米秸稈條件優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29(6):40-44.

[17] 晏群山.蔗渣預(yù)處理酶解糖化的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[18]BadalCSaha,TsuyoshiYoshidaa,MichaelACottaa.Hydrothermalpretreatmentandenzymaticsaccharificationofcornstoverforefficientethanolproduction[J].IndustrialCropsandProducts，2013,44:367-372.

[19]TimRogalinski,ThomasIngram,GerdBrunner.Hydrolysisoflignocellulosicbiomassinwaterunderelevatedtemperaturesandpressures[J].TheJournalofSupercriticalFluids,2008，47(1): 54-63.

[20] 張婷.超聲波與稀堿法聯(lián)合預(yù)處理對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2009.

[21] 周立霞，黃沖，潘一，等.秸稈制甲烷預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2013，42(3)，310-315.

[22] 楊立.秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝中關(guān)鍵因子的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2009.

[23] 孫辰.蘆筍秸稈NaOH預(yù)處理工藝條件和沼氣發(fā)酵的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[24] 盛凱.秸稈用于沼氣發(fā)酵原料最優(yōu)工藝參數(shù)研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[25]BouskovaA,DohanyosbM,SchmidtaJE,etal.StrategiesforchangingtemperaturefrommesophilictothermophilicconditioninanaerobicCSTRreactorstreatingsludge[J].WaterResearch, 2005,39(8): 1481-1488.

[26]WangXiaojiao,LuXingang,LiFang.EffectsofTemperatureandCarbon-Nitrogen(C/N)RatioonthePerformanceofAnaerobicCo-DigestionofDairyManure,ChickenManureandRiceStraw:FocusingonAmmoniaInhibition[J].PlosOne,2014,9(5):1-7.

[27]LiLianhua,LiDong,SunYongming,etal.EffectoftemperatureandsolidconcentrationonanaerobicdigestionofricestrawinSouthChina[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2010,35(13):7261-7266.

[28] 林峰.農(nóng)作物秸稈干式厭氧發(fā)酵特性的研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2013.

[29]SongZilin,LiYibing,YangGaihe.Effectoftotalsolidconcentrationoncornandwheatstrawbiogasproductionatmoderatetemperature[J].JournalofNorthwestA&FUniversityNaturalScienceEdition，2010，38(12).81-86.

[30] 季艷敏.不同預(yù)處理對(duì)小麥秸稈和玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[31]RebacS,GerbensS,LensP,etal.Kineticsoffattyaciddegradationbypsychrophilicallygrownanaerobicgranularsludge[J].BioresourceTechnology,1999,19(3):241-248.

[32] 張娟.不同原料配比產(chǎn)氣效果及沼液中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2009.

[33]YuAihe,LiuZhaobing,ZhaoKeqin.PrimaryStudyonParametersofC/NandC/PforRaisingBiogasProducingEfficiencywithRiceStraw[J].HubeiAgriculturalSciences,2010,49(3): 547-550.

[34] 趙玲.生物預(yù)處理玉米秸稈厭氧干發(fā)酵特性及沼渣基質(zhì)利用的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[35] 王永澤，邵明勝，王志，等.pH值對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(31):15093-15094,15098.

[36]ZhangTong,LiWei,LiWenjing.TheRelationshipAmongpH,VFAandBiogasProductioninAnaerobicFermentationofMixedManureandStrawwithDifferentRatios[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2010,29(12): 2425-2430.

[37]MeiXiang,ChenJuan,BiLiangxiu.EffectofricestrawloadingrateandpHonstartupofanaerobicfermentationsystemforproductionofacids[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2013,7(9):3548-3554.

[38] 顧夏聲，胡洪營(yíng)，趙由才，等.水處理生物學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006:82-115.

[39] 袁振宏.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005：67-79.

[40] 李少軍，朱艷.秸稈制備甲烷中厭氧發(fā)酵系統(tǒng)理論的研究[J].寧夏農(nóng)林科技，2012，53(09)：153-155.

[41] 時(shí)昌波，王進(jìn)，彭書(shū)傳，等.三價(jià)鐵離子促進(jìn)玉米秸稈厭氧發(fā)酵[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(13)：218-225.

[42] 陳佳一.農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵的接種物馴化特性研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

[43] 劉偉偉，馬歡，曹成茂，等.太陽(yáng)能蒸汽爆破和微波預(yù)處理對(duì)玉米秸稈產(chǎn)沼氣的影響[J].2012，28(22):227-234.

[44] 郭燕.不同化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件秸稈厭氧發(fā)酵特性研究[D].西安：西北農(nóng)業(yè)科技大學(xué)，2013.

[45] 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)：1-4.

Advances of biogas production from anaerobic fermentation of straw

Yuan Zhihui, You Zhaoyang, Wang Lei, Zhang Luguang

(Nanjing University of Technology, Jiangsu Nanjing 210000)

Straw was one of the renewable resources which had the largest number in the world, however, the complex structure and recalcitrant of lignocellulose in the straw limited its application. Therefore the pretreatment was an important step for straw saccharification and fermentation for ethanol or biogas production. In this paper, some physical, chemical, microbiological, physical-chemical, combined pretreatment methods of straw, and their improvements were introduced, the future of straw pretreatment technology was prospected as well.

straw; lignocellulose; pretreatment; anaerobic fermentation; biogas

2014-10-20；2014-10-28修回

袁志慧，女，1989年生，研究方向：環(huán)境工程。E-mail：285760082@qq.com

尤朝陽(yáng)，副教授；E-mail：youzhaoyang@163.com

X71

A