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不同预处理条件对于秸秆厌氧发酵产气效果的影响

摘要：通过稀碱、稀酸和生物酶解预处理玉米秸秆，研究不同的预处理条件对秸秆厌氧发酵过程中pH值、日产气量、CH4产气量及H2产气量等因素的影响。根据试验结果得出预处理条件的预处理效果由高到低的顺序依次为50U·g－1纤维素酶＞5%NaOH＞2.5%H2SO4，为沼液发酵工艺优化提供数据参考。

秸秆富含纤维素及木质素，相互混杂及交联形成了复杂的纤维组织结构，其难以被微生物直接降解，如将秸秆直接厌氧发酵处理，实际产气量少且慢，发酵时间过长，整体经济利用率不高。秸秆预处理技术能够明显提升秸秆沼气化利用率及产气率。秸秆预处理方法种类多，包括物理、化学及生物预处理技术等，其中，物理、化学预处理技术研究应用较多，但实际应用过程中，会明显增加成本费用，易出现二次污染问题[1]。而生物预处理技术主要基于细菌、真菌等各种微生物分解作用，整体处理过程高效清洁。

当前，国内外学者过于重视单一预处理方法工艺优化，对不同类型预处理方法处理效果比较分析的报道较少。本研究以玉米秸秆为研究对象，通过稀碱、稀酸和生物酶解预处理秸秆，分析不同预处理条件对秸秆厌氧发酵产气效果的影响。

1试验部分

1.1试验材料

试验材料为自然条件下风干的玉米水稻秸秆，来自于哈尔滨市江北区黑龙江科技大学附近村庄，并使用粉碎机粉碎。试验的接种物取自黑龙江省能源院集成粪便综合利用系统(IMUS)，为牛粪高温厌氧消化产沼气后的固液混合物，其相关理化性质见表1。

1.2试验装置

如图1所示，试验装置主要利用恒温循环水浴锅(HH－4型)，其中，发酵瓶使用广口玻璃瓶，容积为2L，集气装置是1L容积的锥形瓶，发酵瓶设置发酵料液取样口及气体取样口，定期取样检测料液pH值及沼气气体成分[2]。实际厌氧发酵产沼气过程中，利用中温发酵方式，试验温度控制在35℃±1℃。

待处理样品放入25℃恒温培养箱中，7d后倒入发酵罐中进行发酵。秸秆和牛粪质量比为1∶1，干物质各取50g，然后添加一定量接种沼液，定容至2L装罐，最后放入35℃±1℃的恒温循环水浴锅中进行发酵，定时检测发酵料液pH值、气体组分含量及日产气量，并详细记录相关数据。

1.3分析项目及分析方法

试验中分析项目使用的设备及方法如下：总固体质量百分数TS：烘干法(电热鼓风干燥箱)；pH值，pH计(梅特勒FE20－S)；产气量，使用排水集气法收集气体，每日定时使用量筒测量集水瓶排水量。CH4检测：沼气分析仪(GASBOAＲD－3200L)。H2检测：氢气检测仪(TIF－8800A)。灰分检测：GB/T2677.31993。

2结果与分析

前期试验分别采用稀碱、稀酸及纤维素酶预处理秸秆，其中NaOH溶液浓度为1%、3%、5%、7%，H2SO4溶液浓度为1.5%、2%、2.5%、3%，同时利用3%NaOH预处理秸秆，添加一定量的磷酸，将pH值调整至5，再添加20U·g－1、30U·g－1、40U·g－1、50U·g－1TS的纤维素酶，分别将上述预处理后的秸秆和接种沼液混匀进行厌氧发酵[3]。本研究选择5%NaOH、2.5%H2SO4及50U·g－1TS纤维素酶预处理秸秆，评估其对秸秆发酵pH值、日产气量、CH4产气量、H2产气量等因素的影响。

2.1不同预处理对秸秆厌氧发酵pH值的影响

pH值作为沼气发酵反应关键性检测指标之一。一般沼气微生物发酵pH值基本控制在4.0～8.5，以确保秸秆处理质量。所以，研究厌氧发酵过程中，不同预处理方法pH值变化情况十分必要，具体见图2所示。

由图2可知，不同预处理组实际发酵的初期阶段，pH值均出现显著下降，5～6d，pH值基本为最低点，然后逐步上升，第25d后，pH值相对稳定，pH值大体在5～7.8，这主要与微生物活动具有一定关联性。秸秆木质素、半纤维素及纤维素水解反应完成后，产氢产乙酸菌处理预处理产物产生乙酸、H2及CO2，致使pH值显著降低。产甲烷过程中，产甲烷菌能够将H2及CO2转化为CH4，或将甲酸转化为CH4，还可基于乙酸脱羧反应生成CH4，使pH值明显增加。与5%NaOH及纤维素酶相比，2.5%H2SO4预处理组pH值相对较低。

2.2不同预处理对秸秆厌氧发酵CH4产气量的影响

由图3可知，除了空白组外，使用其他预处理方法时，均有显著的厌氧发酵产气高峰期。其中，采用5%NaOH预处理时，最高日产气量为第19d，实际产气量为1130mL。2.5%H2SO4预处理组第20d达到最大产气量，为978mL。50U·g－1TS的纤维素酶第4d达到最低点，日产气量仅为27mL，然后进入高峰期，第9d日产气量为1312mL。

从图4可以看出，与空白组比较，其他预处理组发酵过程中，CH4含量