秸稈發酵制沼氣研究現狀

張愛民　尹　冰

摘要：利用作物秸稈生產可再生能源是解決環境污染和開辟新的能量資源的重要途徑之一。秸稈中含有大量的纖維素、木質素，這是導致用秸稈制備沼氣時產氣率低的主要因素。本文綜述了國內外用物理法、化學法、生物法預處理秸稈的相關研究進展，建議將其中的兩種或三種方法結合起來處理秸稈，提高產氣率。

關鍵詞：秸稈：發酵；沼氣；預處理

我國是一個能源短缺的國家，也是生物質資源大國。據統計，中國每年產生農作物秸稈總量約7億t，除去用于造紙、飼料或飼料原料以及造肥還田外，還有約3.7億t秸稈可作為能源物質加以利用。農作物秸稈是一種重要的富含有機質(80％～90％)的生物質能源。

因此，利用現代技術將作物秸稈轉化為高效、潔凈、方便的高品位能源——沼氣，對緩解我國常規能源緊張狀況，促進社會經濟的可持續發展和生態環境的改善都具有重要意義。

秸稈中含有大量的纖維素、木質素，這是導致發酵速率低的主要因素。若將秸稈直接入沼氣池進行發酵產氣慢、產氣量少、不經濟、無法大面積推廣應用。因此，目前的研究主要集中在秸稈的預處理方面，使秸稈的內部結構發生變化，秸稈變柔軟、疏松，以利于厭氧微生物分解利用。秸稈的預處理方法包括物理、化學和生物方法。

1物理方法

物理方法(Physical Methods)有機械加工、高壓和／或高溫蒸煮以及輻射處理等。常用的機械方法有切碎、粉碎、磨碎、高溫球磨等。其目的是增加厭氧微生物與基質的接觸面積，或通過破壞細胞壁結構使之易于消化。

研究發現用APS-D(anaerobic-phased solidsdigester system)反應器對稻草進行厭氧發酵，粉碎的稻草比未經處理的稻草產氣率提高17％，而高溫處理過的稻草與未處理的稻草相比，其固體含量大大降低，且產氣率提高。當溫度從60℃上升到110℃時，其產氣率提高了2.5％～7.5％，然而產氣量并不是隨著溫度的上升而直線上升。

2化學方法

化學方法(Chemical Methods)主要有氯化、堿化、酸化、氧化等。

2.1堿化技術

堿化處理就是用NaOH、Ca(OH)₂或KOH等溶液浸泡秸稈或噴灑于秸稈表面，以打開纖維素、半纖維素和木質素之間的酯鍵，溶解纖維素、半纖維素和一部分木質素及硅酸鹽，使纖維素膨脹，從而提高消化率。

Detroy等人的研究結果表明，用百分含量為2％，濃度為0.5mol／L的NaOH對秸稈預處理4小時，可以轉化76％的纖維素物料。Hamilton等人發現用NaOH處理可以提高纖維素的轉化率。Dar等人發現，在室溫條件下，用質量百分含量為1％的NaOH溶液對麥秸處理7天，厭氧消化過程中微生物的消化率和生物轉化率均得到不同程度的提高。Mahendra Singh等人研究表明：用0，3.3，6.7，10％的氫氧化鈉(相對干物質添加量)溶液噴灑到麥秸上，其有機物質消化率為53％，63％，63％，62％。B.G.Ololade的研究結果表明：室溫條件下，玉米秸稈經NaOH處理24小時后，其有機物質消化率隨氫氧化鈉添加量的提高而提高，氫氧化鈉相對干物質添加量為8％時，玉米秸稈的干物質消化率為21.5％。但是當NaOH添加量超過8％時，該變化趨勢不明顯。這與D.CraigAnderson等人的研究結果相同。

Suresh Chandra與Andrewt等人的研究結果顯示添加10％氫氧化鈉為時，纖維素的降解達到最大。

纖維素消化率的提高，有利于微生物的生長，從而達到提高產氣率的目的?？导邀惐容^了4％～10％(以麥秸干重計)NaOH預處理過對產氣量的影響。結果顯示經6％NaOH預處理后的麥秸在65g·L^-1負荷率下的單位TS產氣量最高，為380.9mL·g^-1，與未處理麥秸相比，提高了49.9％，厭氧消化時間縮短了19d。龐云芝的研究顯示氫氧化鈉處理玉米秸中文發酵的產氣量比未處理玉米秸提高了77.0％，比常溫消化的未處理玉米秸提高了263.6％。高志堅的研究顯示與未處理和經生物處理玉米秸相比，經NaOH化學預處理后的玉米秸的產氣量分別提高了114％和74％。楊懂艷的研究顯示在玉米秸稈的負荷率為65g／L時，氫氧化鈉添加量為6％，玉米秸稈單位質量生物氣產量最高，比未處理的秸稈提高了61.4％。

2.2氨化技術

氯化處理就是用氨水、無水氨或尿素處理秸稈。氨化具有三種作用：第一種是堿化作用，氨為堿性，故可起到與堿化處理方法同樣的作用；第二種是氨化作用，氨與秸稈中的有機物發生變化，生成銨鹽，成為厭氧微生物的氮素來源，被微生物利用，并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸，進一步合成菌體蛋白。第三種是中和作用，氨呈堿性，可與秸稈中的有機酸結合，消除秸稈中潛在的酸性，提高微生物的活性，從而提高秸稈的消化率。試驗表明氨水具有較好的氯化性能。

張瑞紅等人的研究表明：當用2％的氨水處理秸稈，其厭氧發酵產氣量可以提高17.5％。D.CraigAnderson等人的研究表明添加量為6％干物質的氨水具有較好的預處理效果。

3生物方法

生物方法(Biological Methods)就是利用具有強木質纖維素降解能力的微生物對秸稈先進行固態發酵，把作物秸稈中的木質纖維素預先降解成易于厭氧菌消化的簡單物質，以縮短隨后的厭氧發酵時間、提高干物質消化率和產氣率。其技術關鍵就是尋求強木質素降解能力的菌種，并確定其適宜的發酵條件。

白腐真菌是為數很少的能使木質素降解的一類真菌。VMehta等發現，經P.florida轉化后的稻草基質用于沼氣生產時，其纖維素酶的釋放能力比原稻草要高4.3倍。從理論上講，利用白腐菌生物預先降解木質纖維索含量較高的秸稈，以提高隨后的厭氧消化產氣率是可行的。

A.Ghost等人用白腐菌Phanerochaetechrysisporium(Pc)和褐腐菌Polyporuostreiformis(Po)做實驗，結果表明Pc菌絲體4天后表現出巨大的木質素降解性，Po菌絲體在8天后也表現出良好的降解性。3周后Pc菌絲體處理的秸稈木質素的降解率為47.51％，而Po菌絲體處理后的秸稈木質素的降解率為19.87％。Pc處理后稻秸的生物氣和甲烷的產量分別提高了34.73％和46.19％，而Po處理后稻秸的生物氣和甲烷的產量分別提高了21.12％和31.94％。楊懂艷研究顯示，當負荷率為50g／L時，經白腐真菌P.Florida生物預處理30天和60天后玉米秸稈的產氣量分別比未處理的產氣量提高42％和52％。

Muller用擔子菌類預處理麥秸后進行厭氧消化處理，結果發現P.florida在所有的菌種中表現出最快的去木質素功能，且厭氧消化后其生物氣產量是未處理的麥秸的兩倍。V.Mehta研究結果發現當秸稈與牛糞的干物質比為3:1時，與未處理的秸稈的產氣率相比，經P.florida處理后的稻秸的產氣率提高了8倍。Bisaria等用Pleurotus sajor-caju處理秸稈培養蘑菇后的剩余基質，用于厭氧發酵以生產生物氣體，結果產氣率提高了54％。

堆漚預處理可以破壞木質素、半纖維素和纖維素的部分聯接結構，使纖維素更容易被微生物利用產氣。高志堅研究顯示，在50g／L負荷率時，經60天生物預處理的秸稈的產氣量提高了23％?？导邀惖难芯匡@示經堆漚預處理稻草的總產氣量與未處理稻草相比提高了4.08～52.26％。方文杰等比較了堆漚對產氣率的影響。實驗結果表明，堆漚處理后稻草總產氣量比未處理提高了3％～49.5％，單位揮發性固體產氣量與未處理稻草相比提高51.2％，產氣高峰提前10d左右。石衛國用生物復合菌劑－綠秸靈，預處理后的秸稈直接作為產沼氣的發酵原料，實驗結果顯示，菌劑添加量1kg／8m³，啟動時間只需2～7d，其產氣量比對照提高了42.15％～52.35％。

研究展望

中國是農業大國，有豐富的生物質資源。在當前提倡發展綠色能源的大環境下，怎樣把現有的生物質資源利用充分利用起來成為研究的熱點。利用生物質制備沼氣是一個很好的發展方向。目前研究人員在用單一方式來預處理農業廢棄物方面取得了一定的進展，下一步可以考慮將物理、化學、生物三種預處理方法結合起來共同作用來預處理制備沼氣的生物質。