秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)研究進(jìn)展

夏江華++付龍?jiān)?+楊光++姚利++王振++王艷芹

摘要：秸稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是其資源化利用的有效途徑，但秸稈因其特殊的結(jié)構(gòu)很難被消化。近年來，秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)引起了人們極大地關(guān)注。本文綜述了秸稈預(yù)處理技術(shù)、秸稈厭氧干發(fā)酵技術(shù)、秸稈混合物料厭氧發(fā)酵技術(shù)等方面的最新研究進(jìn)展，并分析了發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)今后研究方向的選擇提供幫助。

關(guān)鍵詞：秸稈；預(yù)處理；干發(fā)酵；混合發(fā)酵；厭氧發(fā)酵；沼氣

中圖分類號(hào)：S216.4-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）12-0115-05

能源和環(huán)境雙重危機(jī)使綠色可再生能源的開發(fā)研究成為國(guó)家的工作重點(diǎn)。據(jù)有關(guān)專家估計(jì)，生物質(zhì)能將成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分。我國(guó)是世界上可再生能源原料產(chǎn)出量最多的國(guó)家，每年農(nóng)業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量大約40多億噸，其中畜禽糞便30億噸，農(nóng)作物秸稈7億多噸，農(nóng)作物秸稈中稻秸、玉米秸、麥秸占總量的77%以上。目前，我國(guó)秸稈的利用率很低，除了直接還田、用作燃料以及不足20%用作飼料外，剩余約20%的秸稈則直接在田間燃燒或堆積，不僅造成很大的資源浪費(fèi)，還污染了環(huán)境。

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源短缺越來越嚴(yán)重。將農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，可在一定程度上緩解我國(guó)能源緊張的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，防止秸稈焚燒污染和資源浪費(fèi)，有利于保護(hù)環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生的沼渣液也是一種高效有機(jī)肥料，可以提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量，同時(shí)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、盡快實(shí)現(xiàn)向可持續(xù)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型具有積極的作用。秸稈由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，纖維素和半纖維素能夠被微生物降解發(fā)酵，但由于木質(zhì)素和半纖維素堅(jiān)固地鑲嵌在纖維素中，形成結(jié)晶化和木質(zhì)化，對(duì)纖維素起到保護(hù)和覆蓋作用，阻止了厭氧過程中纖維素與微生物和降解酶的接觸，致使秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣很難。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)進(jìn)行了大量深入的研究，如秸稈預(yù)處理技術(shù)、秸稈厭氧干發(fā)酵技術(shù)、秸稈混合物料厭氧發(fā)酵技術(shù)等。本文對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期對(duì)今后研究方向的選擇有所幫助。

1 秸稈預(yù)處理技術(shù)

秸稈的有機(jī)成分以纖維素、半纖維素為主，其次是木質(zhì)素。秸稈厭氧消化過程中，厭氧微生物直接降解木質(zhì)纖維素的能力很弱，加之秸稈比重小，導(dǎo)致秸稈厭氧消化過程中存在時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)氣率低、易結(jié)殼漂浮等問題。通過對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，可以改變秸稈的物理結(jié)構(gòu)，有利于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。秸稈預(yù)處理主要包括物理、化學(xué)和生物方法，選擇一種合適的預(yù)處理方法是近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直努力的方向，也取得了一定的成效。

1.1 物理方法

主要是利用風(fēng)、熱、機(jī)械等物理手段來改變秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，或通過改變環(huán)境增加秸稈與微生物的接觸概率，以利于厭氧微生物的利用。常用的物理預(yù)處理方法有機(jī)械加工、蒸汽爆破、輻射處理、微波處理等。

1.1.1 機(jī)械加工主要包括粉碎、研磨等方式。通過機(jī)械加工可以減小秸稈粒徑，秸稈粒徑不同對(duì)厭氧發(fā)酵有很大的影響。?？×岬妊芯苛瞬煌鬯槌潭葘?duì)麥秸厭氧發(fā)酵效果的影響，發(fā)現(xiàn)麥秸粉碎程度對(duì)前期產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣高峰持續(xù)時(shí)間有一定影響，粉碎成粉末的麥秸產(chǎn)氣高峰提前約5天且產(chǎn)氣量最大，發(fā)酵前后纖維素物質(zhì)含量降低程度也最高。Palmowski等對(duì)楓樹葉、干草等纖維素含量高的廢物預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過切碎減小物料顆粒體積，可以提高沼氣產(chǎn)量，提高厭氧發(fā)酵速率。筆者所在課題組將玉米秸稈粉碎至3mm、1cm和3cm左右，研究了秸稈不同粉碎程度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，發(fā)現(xiàn)粉碎至3mm左右的玉米秸稈累計(jì)產(chǎn)氣量比其他粒徑秸稈提高15%～30%。

雖然減小秸稈粒徑大小可以促進(jìn)厭氧消化，但并不是秸稈粒徑越小發(fā)酵效果越好。鄧小莉等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行粉碎60目、膨化粉碎200目、超細(xì)200目、膨化超細(xì)400目等預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超細(xì)200目預(yù)處理后的玉米秸稈纖維素的水解效果最好。Angelidaki等研究了牛糞中纖維粒徑大小對(duì)產(chǎn)氣量的影響，表明當(dāng)牛糞中纖維的粒徑小于0.35mm時(shí)，產(chǎn)氣量可提高20%，但是當(dāng)粒徑在5～20mm范圍內(nèi)時(shí)，減小粒徑并不能使產(chǎn)氣量顯著提高。

1.1.2 蒸汽爆破蒸汽爆破法是將秸稈置于密閉容器中，用蒸汽加熱至一定溫度（180～235℃），保持壓力（4.0MPa左右）一定時(shí)間，然后突降壓力對(duì)秸稈進(jìn)行爆破，使得秸稈中半纖維素和木質(zhì)素連接層破壞，使更多纖維素活性基團(tuán)外露，與纖維素酶分子充分接觸而降解。蒸汽爆破技術(shù)最早由Mason發(fā)明并用于制漿過程。近幾年人們又對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。王許濤等對(duì)玉米秸稈蒸汽爆破處理后制取沼氣和燃料乙醇進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，玉米秸稈蒸汽爆破處理可顯著提高沼氣產(chǎn)量，汽爆玉米秸稈常溫和中溫厭氧發(fā)酵條件下的最大產(chǎn)氣量分別比對(duì)照提高了1.67倍和1.63倍。王許濤等還研究了2.0MPa壓力下，保留時(shí)間60、90、120 s對(duì)玉米秸稈汽爆預(yù)處理后厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣效果的影響，結(jié)果表明蒸汽爆破預(yù)處理后的秸稈比未經(jīng)預(yù)處理秸稈中溫厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量提高16.8%～ 63.2%。

1.1.3 其他物理方法 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的物理方法還有熱液處理、超聲處理及微波處理等。Rogalinski等在215℃、5MPa下用熱水對(duì)黑麥秸稈進(jìn)行了750s預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)98%的半纖維素和7.9%的纖維素得到了溶解。胡斌等對(duì)超聲波預(yù)處理玉米秸稈條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，超聲波預(yù)處理玉米秸稈的最優(yōu)條件為：料液體積比為1：30，超聲時(shí)間10min，溫度45℃，功率140W。王華等對(duì)超聲波堿預(yù)處理棉花秸稈進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示超聲波輔助堿預(yù)處理可以溶出大量半纖維素和部分木質(zhì)素，并且能有效打破木質(zhì)纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。Ma等研究了稻草秸稈微波處理的最優(yōu)條件，并且得出了稻草秸稈經(jīng)微波處理后纖維素、半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總糖化率分別增加了30.6%、43.3%和30.3%。endprint

1.2 化學(xué)方法

主要是利用化學(xué)藥劑或其他方法改變秸稈的性質(zhì)，具有操作時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。常用的化學(xué)預(yù)處理方法有堿法、酸法處理技術(shù)等。

1.2.1 堿法處理技術(shù) 堿法處理技術(shù)指用NaOH、氨水等堿性溶液浸泡秸稈，使秸稈中纖維素、半纖維素和一部分木質(zhì)素溶解，并將大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，從而提高秸稈厭氧發(fā)酵效率的一種方法。Yang等研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈經(jīng)過NaOH預(yù)處理后，產(chǎn)氣量比未處理時(shí)可以提高78. 3%。Taherdanak等在0、25、50、75、1000C條件下用質(zhì)量濃度為8%的NaOH溶液對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)25、50、75℃時(shí)，用堿預(yù)處理后的秸稈累積產(chǎn)氣量比未預(yù)處理分別提高47.5%、40.8%、54.5%。康佳麗等研究了NaOH固態(tài)化學(xué)預(yù)處理對(duì)麥秸沼氣發(fā)酵效率的影響，發(fā)現(xiàn)6% NaOH預(yù)處理后效果最好。Zhong等研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈經(jīng)NaOH預(yù)處理后產(chǎn)氣量可提高207.07%，用NaOH對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)產(chǎn)氣時(shí)間、產(chǎn)氣效果均有很好的促進(jìn)作用。楊懂艷等研究發(fā)現(xiàn)80%含水率、4%氨化預(yù)處理后的麥秸產(chǎn)氣量比未處理秸稈提高了36%，消化時(shí)間節(jié)省了24%，可見氨化預(yù)處理能夠有效降低麥秸主要組分含量，提高麥秸的厭氧消化產(chǎn)氣性能。

1.2.2 酸法處理技術(shù) 酸法處理技術(shù)是用一定濃度的酸溶液浸泡秸稈，以破壞秸稈中木質(zhì)素包裹作用，破壞纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，有利于厭氧消化的進(jìn)行。覃國(guó)棟等[25]采用不同濃度的酸（2%、4%、6%、8%、10%）對(duì)水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比，酸處理能明顯提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率，酸濃度為6%時(shí)效果最好，其甲烷含量最高達(dá)到44.3%，單位總固體產(chǎn)氣率為150mL/g，比對(duì)照組高出99.8%。章冬霞等進(jìn)行稀硫酸預(yù)處理玉米秸稈的試驗(yàn)研究，在反應(yīng)溫度為155℃，反應(yīng)時(shí)間為6min，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硫酸處理后，木糖收率最高達(dá)到84.90%，達(dá)到了去除半纖維素并得到高的木糖收率的目的。Huang等采用稀硫酸噴霧技術(shù)處理玉米秸稈，用2%稀硫酸在95℃下，噴霧與秸稈反應(yīng)90min，戊糖回收率為90%～93%，酶解纖維素、葡萄糖回收率為900-/0～95%，木質(zhì)素移除率為70%～75%。

1.3 生物方法

在秸稈預(yù)處理方法中，生物方法成為近幾年研究的熱點(diǎn)。自然界參與降解木質(zhì)素的微生物種類有真菌、放線菌和細(xì)菌等，但迄今為止最有效、最主要、可徹底降解木質(zhì)素為CO，和H20的木質(zhì)素降解微生物是白腐真菌。Ghost等研究了經(jīng)白腐真菌和褐腐真菌預(yù)處理稻草的產(chǎn)甲烷性能，發(fā)現(xiàn)白腐真菌處理的總產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量比對(duì)照組分別提高了34.73%和46.19%，而褐腐菌處理則分別提高了21.12%和31.94%。王麗等研究發(fā)現(xiàn)，白腐菌對(duì)半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等較難降解的有機(jī)物表現(xiàn)出很好的降解性能，降解率分別達(dá)到52.36%、32.29%和44.16%。除白腐菌外，還有學(xué)者對(duì)其他一些菌劑對(duì)秸稈預(yù)處理進(jìn)行了研究，Zhong等研究了一種復(fù)合微生物菌劑在20℃時(shí)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理15天后，沼氣產(chǎn)量比空白組提高33.07%，發(fā)酵時(shí)間比未預(yù)處理縮短34.6%。李海紅等采用復(fù)合菌劑處理玉米稈、小麥稈和稻草，三者27天的累計(jì)產(chǎn)氣量分別提高12.33%、16.08%和15.78%.每克干物質(zhì)產(chǎn)甲烷量分別提高了22.11%、37.42%和24.28%.

2 秸稈干發(fā)酵技術(shù)

根據(jù)發(fā)酵底物固含率的大小，厭氧發(fā)酵技術(shù)分為干式厭氧發(fā)酵（總固體TS在20%～40%之間）和濕式厭氧發(fā)酵（TS一般小于15%）。相對(duì)濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)，干式厭氧發(fā)酵技術(shù)具有需水量少、單位容積負(fù)荷高，處理成本低及不產(chǎn)生沼液二次污染等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是干發(fā)酵技術(shù)在工程上的推廣應(yīng)用還有一定難度，原因是干發(fā)酵物料濃度高，攪拌困難，易造成VFA局部過度積累，從而導(dǎo)致發(fā)酵過程穩(wěn)定性差。

近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)厭氧干發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。Carneiro等研究了不同接種率對(duì)厭氧干發(fā)酵過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種率為30%時(shí)，厭氧干發(fā)酵的啟動(dòng)特性明顯好于20%的接種率。李東等對(duì)稻草在不同溫度條件下干發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行了研究，表明35℃時(shí)秸稈干發(fā)酵較為穩(wěn)定，發(fā)酵液的循環(huán)能有效避免酸中毒并提高產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率。杜靜等研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的沼氣發(fā)酵相似，適當(dāng)添加微量元素能夠促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和代謝，微量元素鎳、鈷能夠顯著影響稻草干發(fā)酵的日產(chǎn)氣量，適當(dāng)添加鎳、鈷有利于甲烷菌的生長(zhǎng)，但添加量過高反而會(huì)抑制甲烷菌的生長(zhǎng)。

3 秸稈混合物料發(fā)酵技術(shù)

相對(duì)于單一物料的厭氧發(fā)酵來說，混合物料的厭氧發(fā)酵因其具有調(diào)節(jié)底物營(yíng)養(yǎng)、緩沖發(fā)酵物酸化、調(diào)節(jié)優(yōu)化發(fā)酵物碳氮比、原料來源廣等優(yōu)勢(shì)，目前已成為厭氧發(fā)酵技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。兩種或兩種以上有機(jī)廢物混合進(jìn)行厭氧消化，可以更好地調(diào)節(jié)微生物所需的營(yíng)養(yǎng)，顯著提高消化器的容積產(chǎn)氣率。

Zhou等研究了玉米秸稈和牛糞混合物料厭氧發(fā)酵對(duì)提高沼氣產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈和牛糞混合發(fā)酵沼氣產(chǎn)量比單一牛糞或單一玉米秸稈都有很大提高。馮亞君等研究了玉米秸與雞糞混合厭氧消化產(chǎn)氣性能與協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理玉米秸與雞糞混合比例為1：2，上料負(fù)荷為50g/L時(shí)消化產(chǎn)氣性能最好，累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到19488mL，比相同負(fù)荷下單一玉米秸稈厭氧消化的累積甲烷產(chǎn)量高出32.6%，比單一雞糞厭氧消化的累積甲烷產(chǎn)量高出11.4%。

4 秸稈厭氧發(fā)酵發(fā)展趨勢(shì)

秸稈是富碳木質(zhì)纖維原料，具有原料產(chǎn)量大、容易收集等特點(diǎn)，而目前我國(guó)農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)村居民生活用能仍以秸稈、薪柴為主，二者分別占農(nóng)村居民生活用能的51.46%和28.02%，如何合理高效地處理這些秸稈，解決農(nóng)村用能，是一個(gè)亟待解決的問題。

（1）鑒于秸稈的特殊結(jié)構(gòu)，秸稈厭氧發(fā)酵前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程的需要，采用物理、化學(xué)、生物法相結(jié)合，盡量減少預(yù)處理過程對(duì)環(huán)境的污染，縮短預(yù)處理時(shí)間，提高預(yù)處理效率。

（2）目前，沼液二次污染限制了沼氣工程的發(fā)展，秸稈干發(fā)酵可以解決沼液?jiǎn)栴}，具有很好的發(fā)展前景。應(yīng)著眼于秸稈干發(fā)酵裝置及工藝的研究，提高發(fā)酵效率，增強(qiáng)沼氣工程運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）因秸稈單一物料發(fā)酵存在碳氮比不合理、營(yíng)養(yǎng)不均衡等問題，秸稈混合物料厭氧發(fā)酵技術(shù)是今后的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)研究混合物料種類、配比、發(fā)酵濃度等，對(duì)沼氣工程發(fā)酵原料選擇具有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

近幾年，隨著秸稈資源浪費(fèi)、焚燒污染，農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)不合理等問題的出現(xiàn)，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)成為研究的重點(diǎn)，而秸稈預(yù)處理技術(shù)、秸稈干發(fā)酵技術(shù)、秸稈混合物料發(fā)酵技術(shù)則成為研究重點(diǎn)中的熱點(diǎn)。秸稈的各種預(yù)處理方法、干發(fā)酵技術(shù)、與各種糞便的混合發(fā)酵方法，幾乎都被應(yīng)用于秸稈厭氧消化工藝研究中，但這些工藝技術(shù)與實(shí)際工程結(jié)合得不夠緊密，國(guó)內(nèi)正常運(yùn)行的秸稈沼氣工程寥寥無幾。在以后的研究工作中，我們應(yīng)更多地將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與沼氣工程相結(jié)合，重視低成本、高效率秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的研發(fā)，為秸稈沼氣工程的建設(shè)及高效運(yùn)行提供依據(jù)。endprint