不同生物预处理对玉米秸秆厌氧发酵产气特性的影响

楚莉莉，田孝鑫，杨改河

（1.新乡学院生命科学与技术系，河南新乡 453000，2.新乡学院化学与化工学院，河南新乡 453000；3.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

不同生物预处理对玉米秸秆厌氧发酵产气特性的影响

楚莉莉1，田孝鑫2，杨改河3

（1.新乡学院生命科学与技术系，河南新乡 453000，2.新乡学院化学与化工学院，河南新乡 453000；3.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

秸秆产气率低是其作为沼气生产原料的制约因素，采用生物预处理秸秆可解决这一问题。试验选用沼液为预处理菌剂，与微生物催腐剂、腐秆剂、复合菌剂、糖酵酶4种生物菌剂进行比较，并以清水处理作为对照，对玉米秸秆进行生物预处理，然后进行厌氧发酵，研究不同生物预处理对玉米秸秆生产沼气的影响。结果表明，沼液预处理的玉米秸秆产气效果最佳，单位挥发性固体（VS）产气量为227.67 mL·g-1，比其他处理方法高5.01%～81.2%，糖酵酶预处理产气效果最差，VS产气量最低，仅为125.64 mL·g-1。研究表明，沼液预处理后的玉米秸秆碱度较高，发酵液缓冲能力较强，pH适中，能有效促进VFA分解，使玉米秸秆产气量提高。因此，沼液预处理是提高秸秆产气率的一种有效手段。

生物预处理；玉米秸秆；沼气；厌氧消化

我国的粮食作物秸秆[1]，除少量秸秆直接还田和饲料利用外，多数秸秆被直接焚烧，引起交通和环境问题。厌氧发酵为有机废弃物的资源化利用提供有效途径，其中农作物秸秆生产沼气潜力巨大，但由于其含有较多大分子物质，分解较慢，较少被用作沼气生产原料。

秸秆预处理是提高秸秆沼气化利用率和产气率的有效手段。秸秆预处理方法很多，其中物理、化学和生物预处理应用较广泛，原理都是借助外力改善秸秆的质地和结构。物理和化学预处理已有很多研究[2-8]，但这两种方法会增加费用且易造成二次污染。生物预处理是在人工控制下，利用一些细菌，真菌等微生物的分解作用破坏秸秆的大分子物质，具有高效清洁的优点[9]，研究主要集中于白腐菌和复合菌剂对秸秆预处理的效果[10-15]。沼液富含酶和微生物，对秸秆的大分子物质也具有腐解作用，但目前还没有相关研究。实地调查发现，农村户用沼气池的池温为15～25℃，但国内外的厌氧发酵研究所选温度基本上为35和55℃[16-18]，所得结论不适合中国农村户用沼气。

本研究选取几种常见的秸秆预处理菌剂和沼液对玉米秸秆进行预处理，25℃为发酵温度，从原料的产气特性，发酵过程中的pH、挥发性脂肪酸（VFA）和碱度的变化规律等方面研究，比较沼液与常见生物预处理菌剂差别，旨在为提高秸秆的厌氧发酵产气率提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为风干的玉米秸秆，接种物是驯化过的沼液。

1.2 菌剂种类

菌剂为瑞莱特微生物催腐剂、腐秆剂、秸秆预处理复合菌剂、糖酵酶、沼液。

1.3 试验装置

选用1 000 mL三角瓶作为发酵瓶，放置于自制的恒温水浴中，发酵温度波动范围为（25±1）℃。用排水法收集气体。

1.4 试验方法

将玉米秸秆切成小段，长度为2 cm左右，分别用清水（CK）、0.02 g微生物催腐剂（A组）、4 g腐秆剂（B组）、8 g秸秆预处理复合菌剂（C组）、8 g糖酵酶（D组）、500 g沼液（E组）对1 kg的玉米秸秆进行预处理，预处理过程在常温厌氧条件下进行，预处理时间为7 d，每天搅拌1次。预处理后原料和接种物的理化特性如表1所示。预处理结束后进行厌氧发酵试验，在发酵瓶中装入处理后的秸秆与水的混合物500 g（总固体浓度为8%），接种物200 g，每组设置3个重复。

表1 原料和接种物的基本性状Table 1 Basic characteristics of raw materials and inoculum

1.5 测定项目及方法

①干物质（TS）、挥发性干物质（VS）[19]：TS：烘干法，VS：马弗炉焚烧法。

②总碳[19]：K2Cr2O7—外热源法。

③总氮：凯氏定氮法。

④产气量：排水法测定，换算成标准温度和压力（STP）下的体积。

⑤pH：pH计（pHS-3CT型）。

⑥挥发性脂肪酸（VFA）含量[19]：比色法。

⑦碱度[19]：溴甲酚绿—甲基红指示剂滴定法。

⑧用SAS 13.0软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 厌氧发酵产气特征

6种不同预处理后的玉米秸秆产气情况如图1所示，各原料的日产气速率波动较大。E组在产气后的第12天达到峰值317.8 mL·d-1，比其他5种原料的峰值高；D组在发酵的前期和中期产气速率低于其他原料，在发酵末期产气速率直线上升，在41 d达到最大值247.2 mL·d-1。其余4组原料产气速率变化曲线相似，产气速率最大值在270.0 mL·d-1左右。

由表2可见，E组的总产气量最大为8 204.4 mL，比其余5组增加0.49%～77.09%。根据预处理后秸秆的VS含量（见表1），可算出单位VS产气量的大小顺序为：E组＞A组＞B组＞CK＞C组＞D组，与其余5组相比，E组的VS产气量分别提高9.31%、5.01%、8.32%、11.86%和81.2%。由此可见，玉米秸秆经沼液预处理后的厌氧发酵产气效果最好，而经糖酵酶预处理的产气效果不佳。

图1 6种原料的产气速率变化Fig.1 Biogas production rate of 6 materials

表2 6种原料的产气量Table 2 Biogas production of dry matter of 6 materials

2.2 发酵过程中pH的变化规律

最适合厌氧发酵菌群生存的pH为6.5～7.5，由图2可见，在整个发酵过程中，除D组外，其余各组的pH在6.62～7.34变化。D组在发酵初期，pH 6.70左右，随后直线下降到最低值6.08，是造成E组在发酵中期产气速率低于其他各组的主要原因（见图1）。随着厌氧发酵的进行，发酵系统自我平衡，pH升高至正常范围，产气速率提高。由此可见，玉米秸秆经糖酵酶处理后进行厌氧发酵易产生酸化现象。

方差分析结果显示（见表3），E组和D组的pH与其余5组的差异分别达显著水平。

2.3 发酵过程中VFA的变化规律

VFA是厌氧发酵产沼气过程中的主要产物，是反映厌氧发酵进程的一个重要因素。由图3可以看出，6组的VFA含量在整个发酵过程中均呈现先缓慢升高达到峰值，随后快速下降，最后趋于平稳的变化趋势。原料不同VFA含量达到峰值的时间不同，6组原料分别在第11、39、19、27、27和19天。D组VFA含量峰值为8 455.50 mg·L-1，远高出C组5 777.72 mg·L-1、B组4 887.18 mg·L-1、CK4221.83 mg·L-1、A组4 195.21 mg·L-1和E组3 460.25 mg·L-1。方差分析结果表明（见表3），D组的VFA含量与其余5组的差异达到显著水平。

图2 发酵过程中pH的变化Fig.2 Variations of pH

图3 发酵过程中VFA的变化Fig.3 Variations ofvolatile fatty acid

2.4 发酵过程中碱度变化规律

由图4可知，6组发酵原料碱度值在整个发酵过程中都高于4 000 mg·L-1，在发酵前期各组的碱度值波动较大，随后趋于平稳。E组和D组的碱度值明显高于其他组，其中E组的碱度值最高，平均可达6 901.60 mg·L-1。方差分析结果显示（见表3），E组和D组的碱度值与其余5组的差异分别达到显著水平，A组与B组和CK的差异也达到显著水平。

图4 发酵过程中碱度的变化Fig.4 Variations of total alkalinity

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

3 讨论

3.1 碳氮比对厌氧发酵的影响

据资料显示玉米秸秆的碳氮比为53∶1[20]，本试验对预处理过后玉米秸秆碳氮比进行测定发现，碳氮比在16～42∶1，说明生物预处理可降低玉米秸秆的碳氮比。Hansen等研究表明，发酵原料进行厌氧发酵时的最佳碳氮比在20～30∶1[21]，若碳氮比过低，发酵过程中铵盐容易累积，使发酵过程受阻；如果碳氮比过高，氮含量不足，发酵液的缓冲能力受到限制。经糖酵酶处理后玉米秸秆的碳氮比为22.39∶1，但产气量在6组中最低，发酵效果不理想，与前人研究结果不符。

3.2 pH对厌氧发酵的影响

采用糖酵酶预处理后的玉米秸秆在发酵的第19～35天，pH低于其他各组（见图2），这是由于此阶段发酵原料被水解成为VFA，使得发酵液的pH值降低，而从图3可知，此阶段糖酵酶处理后的玉米秸秆VFA含量明显高于其余5组，尽管该组的碱度值在该阶段一直较高（见图4），但碱度值与VFA的比例远远没有达到最佳水平2∶1[22]，其他几组的碱度值与VFA的比例接近2∶1或者＞2∶1（见表3），因此采用糖酵酶预处理后的玉米秸秆作发酵原料导致发酵液的pH明显偏低，甲烷菌的活性被抑制[23]，导致产气速率低于其余各组（见图1）。

3.3 VFA对厌氧发酵的影响

发酵过程中，原料不同产生VFA达最大值时间及最大值不同，这主要是与菌群的种类、数量以及菌群将VFA转变成甲烷的效率有关[24]。玉米秸秆经沼液处理后VFA含量最大值低于其他各组，可能是甲烷菌与产酸菌比值高，产酸能力强所致。资料显示，原料经厌氧消化后的有机酸含量主要为乙酸和丙酸，丁酸次之，戊酸、异丁酸、异戊酸仅有微量[25-27]。由于试验条件限制，该研究只测定VFA总含量，未分别测定对乙酸、丙酸、丁酸，关于这些脂肪酸在发酵过程中的变化过程，还需进一步研究。

4 结论

a.在微生物催腐剂、腐秆剂、复合菌剂、糖酵酶和沼液5种生物处理菌剂中，沼液预处理效果最好。玉米秸秆经沼液预处理后，VS产气量最大（227.67 mL·g-1），比其他处理方法高5.01%～81.2%。糖酵酶预处理效果最差，VS产气量最低（125.64 mL·g-1）。其余3组的VS产气量和对照组相比，差别不大。

b.采用沼液预处理后的玉米秸秆在发酵过程中，pH值较高，变化范围较小，碱度较高，缓冲能力较强，使VFA的积累量较小，有利于厌氧发酵系统的稳定。

c.采用糖酵酶预处理后的玉米秸秆进行发酵试验产气效果较差，且易在发酵过程中发生酸化，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

新乡学院博士启动项目（1399020172）；河南省2012软科学研究计划项目（122400430134）

楚莉莉（1981-），女，讲师，博士，研究方向为生态农业技术集成。

时间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,杨改河.不同生物预处理对玉米秸秆厌氧发酵产气特性的影响[J].东北农业大学学报,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)