沼液預處理玉米秸稈產沼氣工藝參數優化

王英琪，楊宏志，孟海波，馮 晶，魏程程

?

沼液預處理玉米秸稈產沼氣工藝參數優化

王英琪1,2，楊宏志1※，孟海波2，馮 晶2，魏程程1

（1. 黑龍江八一農墾大學食品學院，大慶 163319；2. 農業農村部規劃設計研究院，農業農村部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

沼液作為厭氧發酵的廢棄物處理存在困難，但沼液可以對秸稈類原料進行預處理，為沼液的綜合利用提供可能。為優化沼液預處理玉米秸稈的條件，提高玉米秸稈厭氧消化產氣量，該文以沼液預處理前后的纖維素、半纖維素、木質素含量以及產氣量為指標，根據CCD（central composite design）試驗設計原理，選取沼液添加比例、溫度和時間為因素，建立三者之間的模型。試驗結果表明：隨著預處理TS（total solid）的降低，時間的延長，木質纖維素的降解率越高，而溫度在30 ℃時木質纖維素的降解率達到最大。從產氣量來看木質纖維素降解率并不是越高越好，過分的追求木質纖維素的降解會對產氣量產生影響，經過響應面法優化產氣量后得出最佳的預處理工藝為：沼液添加比例19.08%、預處理溫度（30±1）℃、預處理時間為5 d，總產氣量可提高30.76%。

沼氣；消化；秸稈；沼液預處理；響應面；木質纖維素降解；產氣量

0 引 言

中國農作物秸稈資源豐富且種類多樣，根據農業部最新數據顯示，2016年全國主要農作物秸稈總產量為9.84億t，秸稈可收集資源量為8.24億t，利用量為6.7億t[1]。在秸稈的利用方面，生物處理制沼氣因其環境友好及經濟節約的特點得到廣泛的應用[2]。但由于其特殊的結構，表面的硅氧蠟質層，纖維素多以結晶態存在，不易被厭氧微生物所降解和利用，成為制約秸稈類原料生產沼氣的瓶頸[3-4]。因此需要對秸稈類原料進行預處理。

目前常用的預處理方法主要包括物理、化學和生物3大類[5-8]。然而由于其存在對設備要求高，高能耗以及酸堿廢水的產生等缺點，現有的預處理方法尚未在工業上得到應用[9]。生物預處理的方法則是篩選一些細菌、真菌、放線菌等，或采用復合菌劑，例如黑曲霉()、草酸青霉 ()、木霉 ()和白腐真菌組成的HK-4[10]及白腐菌和木霉[11])，利用微生物分泌多種生物酶協同作用下發生的酶催化反應，破壞秸稈的大分子物質[12-13]。生物預處理因其化學及能源的使用量低，環境友好得到更多的關注，但目前集中于在各種特定微生物菌劑對木質纖維素降解和產氣量的影響[14]。沼液作為來自厭氧發酵體系中的物質本身帶有大量的微生物其中不乏可降解木質纖維素的微生物，張瑞[15]從沼液中分離出可降解木質纖維素的微生物經鑒定為米根霉、白腐菌、黃曲霉和螺孢菌。但當前沼液作為厭氧發酵后的廢物其處理也有一定的難度，若可將沼液作為厭氧發酵預處理的原料可減少其排放同時降低預處理的成本。楚莉莉等[16]以小麥秸稈為原料經沼液預處理6 d后VS產氣量可達到149.4 mL/g。Hu等[14]用玉米秸稈味原料對沼液預處理對預處理時間和沼液TS含量進行優化，得到結果為經30.5 g/L的沼液預處理3 d，達到80%累積產氣量（t）的時間可縮短33.3%。李平等[17]經研究發現，經沼液預處理水稻秸稈其TS 產氣率達到 333.9 mL/g，TS 產甲烷率達到 180.7 mL/g，可較空白提高 27.9%和 21.2%，同時產氣周期縮短至 19 d。

目前大部分研究僅集中在確定沼液預處理可提高產氣量，并未進行其預處理條件的優化。本研究采用的原料為玉米秸稈，對其進行厭氧發酵產沼氣的預處理，采取沼液堆漚的方法，選取TS、處理溫度和處理時間為因素進行響應面試驗，從而優化出玉米秸稈沼液預處理制取沼氣的最佳工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗預處理所用沼液為實驗室以玉米秸稈為主要原料進行厭氧干發酵所產生的沼液，其pH值為7.2，接種物為穩定產氣CSTR（continuous stirred tank reactor）裝置中經靜置后不產氣的沼液，pH值為7.1，試驗采用玉米秸稈采自北京郊區。玉米秸稈與沼液特性如表1所示。

表1 試驗用玉米秸稈和沼液特性

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

將玉米秸稈粉碎至3 mm，單因素試驗選取溫度為20、25、30、35和40℃；沼液添加比例以添加沼液后整個體系TS計算，下同。10%、15%、20%、25%和30%；時間為2、4、6、8和10 d, 單因素試驗時，固定條件（預試驗確定）為溫度30℃、處理時間6 d、沼液添加比例20%。

首先將干玉米秸稈過3 mm篩，按照不同的處理條件加入沼液，混合均勻，分別放入不同溫度的恒溫箱中。初時放入存在秸稈漂浮現象待秸稈吸水后自然沉積在底部可與沼液完全接觸。按照不同的處理時間進行預處理后取出，取部分秸稈物料檢測其預處理后半纖維素、纖維素和木質素含量，而后將剩余物料烘干作為下一步產氣潛力測試的原料。

采用批式厭氧消化，試驗分為試驗組和對照組，其中試驗組中發酵原料為不同條件預處理后玉米秸稈45 g與接種物200 g添加水至0.9 L的混合物料; 對照組中發酵原料為未經預處理的玉米秸稈45 g與接種物200 g添加水至900 mL混合物料。物料充分混合均勻后投入1 L藍蓋試劑瓶中，試劑瓶瓶密封后置于（35±1）℃恒溫條件下進行產氣潛力試驗，利用排水法逐日記錄產氣量。

根據單因素試驗結果進行響應面CCD試驗設計，其因素水平編碼表如表2，試驗結果分析采用Design- Expert8.0.6軟件。

1.2.2 沼液預處理前后木質纖維素降解率的計算

以沼液預處理前后的木質纖維素降解率為指標，降解率率越高表明預處理效果越好。木質纖維素降解率計算公式（1）[18]。

式中0為秸稈中木質纖維素的含量，%，1為預處理后秸稈中木質纖維素含量，%。

圖1 產氣與預處理試驗裝置示意圖

表2 因素水平及編碼表

1.2.3 測試方法

纖維素、半纖維素及木質素的測定，根據Van Soest纖維素測定原理[19]，將樣品粉碎后過40目篩，用Foss纖維素測定儀（FT350）對玉米秸稈中纖維素、半纖維素及木質素的含量進行測定。TS、VS的測定采用差質量 法[20]，將玉米秸稈置于105℃下烘干至恒質量，計算得到TS含量；置于馬弗爐中在550℃下燒至恒質量，差質量法計算得VS含量。pH值的測定，采用SX-610筆式pH計（上海三信）對pH值進行測定。

2 結果與分析

2.1 不同處理條件對木質纖維素降解率及產氣量的影響

2.1.1 溫度對木質纖維素降解及產氣量的影響

不同溫度下預處理木質纖維素含量及產氣量如圖2所示。

從圖2中可知，經過不同溫度預處理的纖維素降解率在3.82%～9.27%，30和35 ℃用沼液對玉米秸稈進行預處理可得到較好的結果。經沼液預處理在不同溫度下半纖維素的降解率在13.05%～18.66%，降解效果明顯。木質素降解率在5.10%～7.44%，在30 ℃下木質纖維素的含量從72.41%下降至63.44%，其降解率達到了12.39%。隨著溫度的升高，木質纖維素的降解率升高，在30 ℃達到最大值。厭氧干發酵沼液中存在大量的腐殖酸和微生物，溫度對微生物的活性有很大的影響，微生物在其最適溫度下活性最佳，產酶效率最高，因此溫度的改變對其降解的效果會產生差異。

從產氣量來看，預處理溫度為30 ℃時產氣量最大，而溫度在20 ℃時產氣量最低。在預處理時間和沼液添加比例相同的情況下，不同溫度下的木質纖維素降解率不同，產氣量也不同，在其最適溫度條件下其降解率最大。與此同時，在預處理時對原料預先進行了升溫，在接種后可快速達到其最適溫度，使產甲烷菌的數量得以快速增加，提高厭氧消化的效率。

注：沼液添加比例20%，時間 6 d。

2.1.2 處理時間對木質纖維素降解及產氣量的影響

按照不同的處理時間，處理前后木質纖維素含量及產氣量如圖3所示。

從圖3中可知，預處理2～10 d，木質纖維素總量降解率在8.19%～13.44%。經過10 d預處理后，纖維素降解率達到10.22%，半纖維素含量從26.52%降解至21.26%，木質素的降解率達7.86%。從降解率來看，半纖維素的降解率最大，而木質素的降解率很小。隨著預處理時間的延長，經過沼液浸潤的秸稈木質纖維素組分膨脹，木質纖維素中各成分降解率不斷升高，但從6 d后降解率變化幅度減小，即降解趨于平緩。預處理時間越長，木質纖維素降解率越高。結合產氣量來看，產氣量提高率在16.78%～29.85%之間。雖然經過預處理的組產氣量在4 000 mL以上大于未經預處理組的3 318 mL，預處理時間8 d組的產氣量低于預處理6 d組的產氣量。這可能是由于在預處理過程中可溶性有機物質部分被消耗[20]，可溶性有機物質由水解微生物分解產生同時被沼液體系中厭氧微生物所利用，導致厭氧發酵產沼氣的底物減少，致使產氣量減少。因此應該控制預處理時間，使其在預處理期間木質纖維素降解率合理并且消耗的有機物質最少，以利于后期厭氧發酵制沼。

注：沼液添加比例20%，溫度30 ℃。

2.1.3 沼液添加比例對木質纖維素降解及產氣量的影響

按照不同的沼液添加比例（以TS計）進行單因素試驗，處理前后木質纖維素含量以及產氣量試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著沼液添加比例的升高木質纖維素各成分的降解率逐漸降低。纖維素降解率在6.72%～9.68%，木質素的降解率在1.91%～7.75%，而半纖維素的降解效果明顯，在8.26%～20.55%。按沼液添加比例為10%和15%的量處理得到的纖維素含量與空白對照相比差異顯著。從半纖維素的降解效果來看，選取的這5個水平對其降解的影響均顯著，而在采用沼液添加比例30%時，木質纖維素各組分含量降解效果不明顯，可能由于沼液與秸稈類原料接觸不完全，導致其降解效果不佳。從沼液的用量而言，從試驗結果看，對于降解效果來看選擇沼液添加比例為10%降解率最佳，但用沼液處理最好可以讓玉米秸稈完全吸收而沒有沼液流出，過量的沼液會增加厭氧系統的有機負荷，對后續的厭氧消化產生負面的影響[14]。產氣量的試驗佐證了這一結果，沼液添加比例在20%時得到最高的產氣量為4 730 mL，沼液添加比例為10%時木質纖維素降解率最高但產氣量為4 233 mL，而在沼液添加比例為30%時木質纖維素降解率最低，但是由于存在大量大分子物質微生物不能完全利用產氣量也不高。

注：溫度30 ℃, 時間 6 d。

經過單因素試驗的分析，各處理組木質素的降解率最高在7%～8%左右，與趙玲等[21]的研究結果（用沼液預處理秸稈類原料木質素降解7.73%）基本一致。利用沼液對玉米秸稈進行預處理可提高其厭氧消化性，大幅提高產氣量。預處理后的玉米秸稈木質纖維素各組分都下降，這是由于沼液中含有大量的微生物，復雜的微生物群落體系中含有可產生木質纖維素各組分降解酶的微生物種類，酶作用于玉米秸稈各組分，使其得以降解[10]，此復合酶系可將屬于非水溶性難降解物質的復雜芳香族高聚體的木質素降解7%左右，同時也可降解由木質素包裹著的具有高結晶度和聚合度的纖維素以及由木糖、甘露糖和半乳糖構成的半纖維素[22-23]，且纖維素降解率最高達到10.22%，半纖維素達到19.83%。根據文獻正文報道，可降解木質纖維素類物質的微生物適宜生長溫度在28 ℃上下。隨著預處理時間的延長，其降解率逐漸升高，但這些可溶性有機物又被體系中的微生物代謝使用，而用于厭氧發酵時導致底物減少，從而影響沼氣的產量。此外沼液中還含有大量的NH4+-N，可以作為氮源來調整C/N比，進而使其達到最佳的產氣條件[14]。從單因素試驗結果可看出，不同的處理條件對木質纖維素降解和產氣量的影響很大，根據本次試驗結果，選取沼液添加比例20%，溫度30 ℃，時間為6 d，在此條件下產氣量最高，可提高29.85%。

2.2 響應面法優化沼液預處理產氣條件

根據前期單因素試驗得出的結果，將各個單因素中的產氣量最大點設置為中心點。將預處理條件進行響應面試驗設計，得到試驗因素水平編碼表如表2，進行產氣潛力測試，結果如表3。

在單因素試驗確定的條件范圍基礎上，選擇沼液添加比例、處理溫度和處理時間3個因素為自變量，分別以、、表示，以產氣量為響應值，運用Design-Expert 8.0.6其中的CCD設計原則，因素水平編碼如表2，依據實際情況進行調整，試驗方案及結果見表3。由表可知，在20組試驗數據中產氣量在3 975～4 853 mL之間，產氣量在4 500 mL以上的組合有10組，其中產氣量最高的為4 853 mL。而未經處理的對照組產氣量為3 318 mL。

表3 響應面試驗設計及結果

從方差分析表4的值所反映出的各因素對產氣量的影響大小，得出如下結論：各試驗因素對產氣量影響的主次順序為：＞＞，即時間＞沼液添加比例＞溫度。這與李建等[24-25]的研究結果一致。

得出的編碼方程見式（2）。

=4766.02-82.44+24.27+91.68+74.00-16.00+58.00-218.772-67.792-158.852（2）

其中模型決定系數2=0.958 2，校正的2=0.920 6。預測2和信噪比均在合理范圍內，模型的方差分析見表4。從表中可以得出模型的=25.48，對應的<0.000 1，達到極顯著水平，失擬項的=0.350 3>0.05不顯著，說明該模型擬合程度較好，試驗誤差小，可以用于模型分析。

在交互項中，交互項和達到顯著（<0.05），交互項均不顯著。即沼液添加比例與溫度及溫度與時間的交互作用顯著，交互項對應響應值的影響如圖5、圖6所示。由圖可知，沼液添加比例和溫度的交互作用顯著，沼液添加比例越低、處理溫度較低均可得到沼氣產量的增高；但沼液添加比例減少到一定程度和溫度提高到一定值時，沼氣的產量會產生降低的現象。溫度和時間的交互作用趨勢與溫度與沼液添加比例一致。

表4 二次模型方差分析表

圖5 沼液添加比例和溫度對沼氣產量影響的等高線及響應面

圖6 溫度和時間對沼氣產量影響的等高線及響應面

根據方差分析表所給出的各顯著性數值，利用此模型進行沼液預處理參數的優化分析，得到玉米秸稈厭氧制沼的預處理最佳工藝為沼液添加比例19.08%，溫度29.78 ℃，處理時間5.42 d，理論產氣量為4 786.3 mL。為了驗證優化后的工藝條件的可靠性，采用理論預測的提取條件進行產氣量試驗，考慮到操作的實際情況，將預處理條件設為沼液添加比例19.08%，溫度為(30±1)℃，處理時間為5 d，在此工藝條件下進行3次平行試驗，經測定木質纖維素降解率為11.95%±0.58%，得到產氣量為(4 792±48) mL，與預測值非常接近。

采用此種方法進行預處理的日產氣量最高可達 420 mL，而對照組的產氣高峰值僅為255 mL。經過沼液預處理組的最大產氣量為4 792 mL，達到80%最大產氣量的時間為24±1 d，而未經預處理的對照組產氣量僅為 3 318 mL，達到80%最大產氣量的時間為(33±1) d。總產氣量可提高30.76%。達到80%產氣量所用的時間減少了9 d，時間縮短達到27.27%，這一結果與魏域芳等[26]用沼液處理玉米秸稈與牛糞混合發酵的縮短33.3%的結果相差不大。經過沼液預處理的玉米秸稈在第11～15天日產氣量均在250 mL以上，而未經預處理的組僅在第1天產氣量為255 mL達到最大值，但前期產氣CO2為主要成分。而從總產氣量來看，對照組較預處理組產氣速率增長緩慢且秸稈的利用效率不高[27]。由此可見沼液預處理可明顯提高產氣量并減少厭氧消化的時間。

圖7 驗證試驗日產氣量

從所產氣體的甲烷含量來看，如圖8所示，經過預處理組的所產沼氣中甲烷體積分數在第18天達到最高，其體積分數為60.1%，從第12天開始至第30天甲烷的體積分數均在50%以上。而未經處理組則在第18至第30天甲烷體積分數達到40%以上，第27天達到最大值為48.1%。從圖8中也可看出經過沼液預處理組的甲烷體積分數始終較未處理組的甲烷體積分數高。

圖8 驗證試驗甲烷含量動態

3 結 論

沼液預處理可以有效降解木質纖維素，使其厭氧消化能力提高，進而提高產氣量。為沼液的綜合利用提供了一種可能性。

1）從木質纖維素降解的角度看，沼液添加比例越多，時間越長，木質纖維素降解率越高。但是沼液添加比例過多會給加重厭氧發酵系統的有機負荷，不利于產氣。預處理2～10 d，木質纖維素總量降解率在8.19%～13.44%，產氣量提高率在16.78%～29.85%，預處理6 d產氣量提高最多，時間過長會消耗可溶性有機物質，造成產氣量下降。溫度對微生物活性影響很大，因此其對木質纖維素率的影響與微生物活性相同呈先上升后下降的趨勢，溫度在30℃左右時木質纖維素降解率最高，木質纖維素降解率達12.39%。

2）從產氣量方面來看，試驗選取的3個因素對產氣量影響的主次順序為：時間＞沼液添加比例＞溫度。進行響應面分析結合實際值確定玉米秸稈沼液預處理產沼氣的最佳工藝條件為沼液添加比例19.08%，處理時間5 d 、處理溫度（30±1）℃。產氣值可較對照組提高30.76%以上。

[1] 段樹軍. 我國“秸稈制油”產業化邁出關鍵一步[N]. 中國經濟時報，2018-06-29（006）.

[2] Hu Z H, Yue Z B, Yu H Q, et al. Mechanisms of microwave irradiation pretreatment for enhancing anaerobic digestion of cattail by rumen microorganisms[J]. Applied Energy, 2012,93(1): 229－236.

[3] Wang J K, Liu J X, Li J Y, et al. Histological and rumen degradation changes of rice straw stern epidermis as influenced by chemical pretreatment[J]. Animal Feed Science and Technology, 2007,136(1): 51－62.

[4] Neshat S A, Mohammadi M, Najafpour G D, et al. Anaerobic co-digestion of animal manures and lignocellulosic residues as a potent approach for sustainable biogas production[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 79: 308－322.

[5] 劉研萍，方剛，黨鋒，等. NaOH和H2O2預處理對玉米秸稈厭氧消化的影響[J]. 農業工程學報，2011，27（12）：260－263. Liu Yanping, Fang Gang, Dang Feng, et al. Effect of NaOH+H2O2pretreatment on corn straw anaerobic digestion [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 260－263. (in Chinese with English abstract)

[6] Li Y, Zhang R, He Y, et al. Thermophilic Solid-State Anaerobic Digestion of Alkaline-Pretreated Corn Stover[J]. Energy & Fuels, 2014, 28(6): 3759－3765.

[7] Paudel S R, Banjara S P, Choi O K, et al. Pretreatment of agricultural biomass for anaerobic digestion: Current state and challenges[J]. Bioresource Technology, 2017, 245(1): 1194－1205.

[8] 黎雪. 聯合預處理對小麥秸稈混合厭氧發酵的影響研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2016. Li Xue. Influence of Combined Pretreatment on Performance of Wheat Stalk Anaerobic Digestion [D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[9] Wang F Q, Xie H, Chen W, et al. Biological pretreatment of corn stover with ligninolytic enzyme for high efficient enzymatic hydrolysis[J]. Bioresour Technol, 2013, 144(3): 572–578.

[10] 黃開明，趙立欣，馮晶，等. 復合微生物預處理玉米秸稈提高其厭氧消化產甲烷性能[J]. 農業工程學報，2018，34（16）：184－189. Huang Kaiming, Zhao Lixin, Feng Jing, et al. Pretreatment of corn stalk by composite microbial strain improving its methane production performance by anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 184－189. (in Chinese with English abstract)

[11] 李硯飛，黃亞麗，代樹智，等. 復合微生物預處理玉米秸稈產沼氣的試驗研究[J]. 可再生能源，2013，31（5）：80－83. Li Yanfei, Huang Yali, Dai Shuzhi, et al. Experimental study of compound microoriganism pre-treatment to enhance straw anaerobic digestion[J]. Renewable Energy Resources, 2013, 31(5): 80－83. (in Chinese with English abstract)

[12] Wang M, Zhou J, Yuan Y X, et al. Methane production characteristics and microbial community dynamics of mono-digestion and co-digestion using corn stalk and pig manure[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(8): 4893－4901.

[13] 趙玲. 生物預處理玉米秸稈厭氧干發酵特性及沼渣機制的研究[D]. 沈陽：沈陽農業大學，2011. Zhao Ling. Study on the Characteristics of Corn stalk Dry Anaerobic Fermentation Based on Bio-pretreatment and the Utilization of Residue Media[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[14] Hu Y, Pang Y Z, Yuan H R, et al. Promoting anaerobic biogasification of corn stover through biological pretreatment by liquid fraction of digestate (LFD)[J]. Bioresour Technol, 2015, 175: 167－173.

[15] 張瑞. 秸稈沼氣發酵預處理微生物菌劑的制備與應用研究[D]. 南京：南京林業大學，2014. Zhang Rui. Preparation and Application of Novel Biogas Fermentation Microbial Agent[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[16] 楚莉莉，李軼冰，馮永忠，等. 沼液預處理對小麥秸稈厭氧發酵產氣特性的影響[J]. 干旱地區農業研究，2011，29（1）：247－251. Chulili, Li Yibing, Feng Yongzhong, et al. Effect of biogas slurry pretreatment on biogas production characteristics of anaerobic fermentation of wheat straw[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(1): 247－251. (in Chinese with English abstract)

[17] 李平，龍翰威，高立洪，等. 不同預處理方式下水稻秸稈厭氧消化性能比較[J]. 農業工程學報，2015，31（12）：200－205. Li Ping, Long Hanwei, Gao Lihong, et al. Comparison of anaerobic digestion capability of rice straw with different pretreatment methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 200－205. (in Chinese with English abstract)

[18] 羅娟，張玉華，陳羚，等. CaO預處理提高玉米秸稈厭氧消化產沼氣性能[J]. 農業工程學報，2013，29(15)：192－199. Luo Juan, Zhang Yuhua, Chen Ling, et al. CaO pretreatment improve biogas production performance of corn straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 192－199. (in Chinese with English abstract)

[19] Van Soest PJ, Robertson JB, Lewis BA. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition.[J]. Journal of Dairy Science, 1991, 74(10):3583-3597.

[20] Yuan X, Cao Y, Li J, et al. Effect of pretreatment by a microbial consortium on methane production of waste paper and cardboard[J]. Bioresource Technology, 2012, 118: 281－288.

[21] 趙玲，李森，王聰，等. 不同預處理對秸稈木質纖維組分特性的影響[J]. 沈陽農業大學學報，2017，48（2）：244－249.Zhao Ling, Li Sen, Wang Cong, et al. Effects of different pretreatments on fiber component characteristics of corn straw[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2017, 48(2): 244－249. (in Chinese with English abstract)

[22] 李海紅，王巧，袁月，等. 一組高溫混合菌對木質素纖維素的降解[J]. 西安工程大學學報，2013，27（1）：83－87. Li Haihong, Wang Qiao, Yuan Yue, et al. A high-temperature composite microbe for degrading of lignin and cellulose[J]. Journal of Xi’an Polytechnic University, 2013, 27(1): 83－87. (in Chinese with English abstract)

[23] Dolly K, Radhika S. Pretreatment of lignocellulosic wastes for biofuel production: A critical review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018(90): 877－891.

[24] 李建，劉慶玉，郎咸明，等. 響應面法優化沼液預處理玉米秸稈條件的研究[J]. 可再生能源，2016，34（2）：292－297.Li Jian, Liu Qingyu, Lang Xianming, et al. Process parameters optimization of maize straw pretreated by biogas slurry using response surface methodology[J]. Renewable Energy Resources, 2016, 34(2): 292－297. (in Chinese with English abstract)

[25] 彭翔，李秀金，袁海榮，等. 沼液原位生化預處理玉米秸與豬糞混合厭氧消化性能分析[J]. 北京化工大學學報自然科學版，2016，43（6）：71－77. Peng Xiang, Li Xiujin, Yuan Hairong, et al. Anaerobic co-digestion of corn stalk and swine manure with situ biogas slurry pretreatment[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology Natural Science, 2016, 43(6):71－77. (in Chinese with English abstract)

[26] 魏域芳，李秀金，袁海榮. 沼液預處理玉米秸稈與牛糞混合厭氧消化產氣性能的研究[J]. 中國沼氣，2018，36（1）：39－46. Wei Yufang, Li Xiujin, Yuan Hairong. Anaerobic co-digestion of cattle manure and corn stalk pretreated by digestate slurry[J]. China Biogas, 2018, 36(1): 39－46. (in Chinese with English abstract)

[27] 魏域芳，李秀金，劉研萍，等. 不同預處理玉米秸稈與牛糞混合厭氧消化產氣性能比較[J]. 中國沼氣，2016，34（2）：36－40. Wei Yufang, Li Xiujin, Liu Yanping, et al. Comparison of biogas production performance of anaerobic digestion of corn straw and cow manure with different pretreatment[J]. China Biogas, 2016, 34(2): 36－40. (in Chinese with English abstract)

Parameter optimization of corn staw anaerobic digestibility pretreated by biogas slurry

Wang Yingqi1,2, Yang Hongzhi1※, Meng Haibo2, Feng Jing2, Wei Chengcheng1

(1.,,163319,;2.,,,100125,)

Under natural conditions, corn staw take a long time to start anaerobic digestion and decomposition due to its compact structure. Therefore, many studies have focused on the pretreatment of corn straws. At present, biogas slurry is difficult to treat after anaerobic fermentation. Pretreatment of corn straws with biogas slurry can reduce pollution and reduce the cost of pretreatment. The biogas slurry contains a large number of microorganisms, among which there are many degradable lignocellulose components. Pretreatment of corn straws with biogas slurry has become a research hotspot. This study aimed to optimize the parameter of pretreatment of corn straw with biogas slurry and to improve its anaerobic digestion gas production. The cellulose, hemicellulose, lignin content before and after pretreatment of biogas slurry and gas production were selected as indicators. According to the design principle of CCD (central composite design) experiment, the biogas slurry addation ratio (TS%), temperature and time were selected as factors. When the temperature was from 20 to 40 ℃, the biogas slurry addition ratio was 20% (based on total solid content) and the pretreatment time was 6 d, the cellulose degradation rate was 3.82%-9.27%, and the hemicellulose degradation rate was 13.05%-18.66%. At the same time, the lignin degradation rate was between 5.10% and 7.44%. The content of lignocellulose decreased from 72.41% to 63.44% at 30 ℃, and the degradation rate was 12.39%. When the temperature was set to 30 ℃ and the pretreatment time was 6 d, the addition of biogas slurry was set between 10% and 30%(based on TS content). The cellulose degradation rate was from 6.72% to 9.68%, and the lignin degradation rate was between 1.91% and 7.75%. The degradation effect of hemicellulose was most obvious, ranging from 8.26% to 20.55%. The degradation rate of lignocellulose was ranged from 6.67% to 13.41%. Similarly, when the pretreatment time was between 2 and 10 d the temperature was 30 ℃, the biogas slurry addition ratio is 20%, the total degradation rate of lignocellulose is 8.19% to 13.44%.The test results showed that with the decrease of pretreatment TS and the prolongation of pretreatment time, the degradation rate of lignocellulose is higher. But the degradation rate of lignocellulose reached the maximum at 30℃. From the gas production, the higher the degradation rate of lignocellulose does not mean that the gas production is higher, and the excessive pursuit of degradation of lignocellulose will affect the gas production. After optimizing the gas production by the response surface method, the optimal pretreatment process were: Biogas slurry addition (TS) 19.08%, pretreatment temperature (30±1) ℃, pretreatment time was 5 d, and total gas production can be increased by 30.76%. Pretreatment of corn straws with biogas slurry can effectively hydrolyze cellulose and hemicellulose. Meanwhile, it could reduce the lag time of corn straw anaerobic fermentation digestion and increase gas production. This economical and effective pretreatment method can improve the gas production efficiency of corn straw and provide a comprehensive utilization of biogas slurry.

biogas; digestion; straw; pretreatment with biogas slurry; response surface methodology; lignocellulose degradation; gas production

王英琪，楊宏志，孟海波，馮晶，魏程程. 沼液預處理玉米秸稈產沼氣工藝參數優化[J]. 農業工程學報，2018，34(23)：239－245. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031 http://www.tcsae.org

Wang Yingqi, Yang Hongzhi, Meng Haibo, Feng Jing, Wei Chengcheng. Parameter optimization of corn staw anaerobic digestibility pretreated by biogas slurry [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 239－245. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2018-10-30

“十三五”國家重點研發項目“農業廢棄物厭氧發酵及資源化成套技術與設備研發”子課題“農業廢棄物混合原料預處理技術研發”（2017YFD0800802-03）

王英琪，研究方向為農產品加工及貯藏工程。Email：765571010@qq.com

楊宏志，教授，博士，研究方向：農產品加工及貯藏工程，Email：yhz5070679@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.031

TK6

A

1002-6819(2018)-23-0239-07