秸秆厌氧消化预处理技术综述_李淑兰

中国沼气 China Biogas 2011，29（ 5）
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秸秆厌氧消化预处理技术综述
李淑兰，梅自力，张国治，刘 萍
（ 农业部沼气科学研究所，成都 610041）
摘 要： 农作物秸秆是一种重要的富含有机质 （ 80% ～ 90% ） 的生物质能源，因其复杂的晶体结构，不能直接被厌 氧菌群利用来生产沼气。因此以秸秆作为原料发酵时，需要进行预处理，使复杂的晶体结构得到破坏，从而易于被 厌氧菌群利用。文章综述了国内外用物理法、化学法、生物法、物化法预处理秸秆的相关研究进展，考查了不同预 处理方法对厌氧消化效果的影响。 关键词： 秸秆； 发酵； 沼气； 预处理 中图分类号： S216． 4 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 1166（ 2011） 05 － 0029 － 05
和碱化处理相似，酸化处理是用稀硫酸等溶液 浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面，溶解纤维素、半纤维素 和一部分木质素及硅酸盐，从而提高消化率的过程。 酸化处理方 法 国 内 报 道 不 多。 卞 永 存［32］ 采 用 稀 硫 酸对玉米秸秆进行预处理，经试验，半纤维素的去除 率最高达到了 74% 。
农作物秸秆是一种重要的富含有机质 （ 80% ～ 90% ） 的生物质能源［3］，木质纤维素含量相对较高， 而厌氧微生物对木质纤维素的降解消化能力相对较 弱，因而导致秸秆水解缓慢，水解程度低，进而影响 后续的酸化和气化过程，最终表现为厌氧消化时间 长、消化率低、产气量少、投入产出效益差等制约性 问题［4］； 另外，发酵后的沼渣里含有很高含量的木 质素，未能得到合理利用，造成资源浪费。因此，对 秸秆进行合理预处理显得尤为重要。在查阅大量国 内外文献的基础上，本文综述了目前国内外秸秆预
麦秸秆进行湿式氧化预处理试验，发现 195℃ ，12 个 大气压下，加入 2 g·L － 1 Na2 CO3 处理 15 分钟，效果 最好。Detroy 等［19］的研究结果表明，用百分含量为 2% ，浓度为 0． 5 mol·L － 1 的 NaOH 对秸秆预处理 4 小时，可以转化 76% 的纤维素物料。Dar 等人［20］发 现，在室温条件下，用质量百分含量为 1% 的 NaOH 溶液对麦秸处理 7 天，厌氧消化过程中微生物的消 化率和生物转化率均得到不同程度的提高。Mahendra Singh 等人［21］研究表明： 用 0% ，3． 3% ，6． 7% ， 10% 的氢氧化钠（ 相对干物质添加量） 溶液喷洒到 麦秸 上，其 有 机 物 质 消 化 率 为 53% ，63% ，63% ， 62% 。B G Ololade［22］ 的 研 究 结 果 表 明： 室 温 条 件 下，玉米秸秆经 NaOH 处理 24 小时后，其有机物质 消化率随氢氧化钠添加量的提高而提高，氢氧化钠 相对干物质添加量为 8% 时，玉米秸秆的干物质消 化率为 21． 5% 。但是当 NaOH 添加量超过 8% 时， 该变化趋势不明显。这与 D CraigAnderson 等人［23］ 的研究结果相 同。Suresh Chandra［24］ 与 Andrew 等 人［25］的研究结果显示，添加 10% 氢氧化钠时，纤维 素的降解达到最大。
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大降 低，且 产 气 率 提 高。 当 温 度 从 60℃ 上 升 到 110℃ 时，其产气率提高了 2． 5% ～ 7． 5% ，然而产气 量并不是随着温度的上升而直线上升。但并非破碎 粒度越小越好，罗志华等［8］发现粒径为 2 ～ 3 cm 的 玉米秸秆日产气量和累计产气量产气效果均优于 10 ～ 20 cm，20 ～ 30 目。Sharma［9］则发现粒径为 30 mm 的种植业有机废弃物产气量明显高于 1 mm，而 当粉碎粒度为 0． 1 mm 与 1 mm 时，产气量却没有明 显区别。LAN，et al［10］指出，粉碎粒度小，酸化速度 过快，不利于酸化反应与甲烷化反应之间的平衡； 粉 碎粒度大，孔隙率高，产气更易溢出，在一定程度上 促进了厌氧发酵反应的进行。浸泡、堆沤可以使纤 维素变松散，扩大纤维素分解菌与纤维素的接触面， 增加原料水分含量，提前产气峰值，增加产气速度， 抑制原料上浮。蒸汽爆破和热处理能分离种植业有 机废弃物中的木质素和纤维素，改变内部结构，从而 进一步提高 木 质 纤 维 素 的 降 解 几 率。 宋 永 民 等［11］ 发现经汽爆预处理的麦草 TS 和 VS 含量下降率是 未经预处理的 2 倍，汽爆后的秸秆发酵甲烷产量是 未处理秸秆的 3． 5 倍； 纤维素和半纤维素的降解率 也有显著提高。Wang［12］对玉米秸秆进行了汽爆预 处理，发现经汽爆预处理的玉米秸秆产气量比未经 预处理的秸秆产气量高出 16． 8% ，Zhang 对 ［13］ 稻草 分别进行 60℃ ，90℃ ，110℃ 的热处理，结果表明甲 烷生成量随预处理温度升高而增多。
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中的有机酸结合，消除秸秆中潜在的酸性，提高微生 物的活性，从而提高秸秆的消化率。试验表明氨水 具有较好的氨化性能。
Zhong 等人［29］选用氨水溶液预处理玉米秸秆发 酵时，沼气产量将增加 16． 85% 。张瑞红等人［30］的 研究表明： 当用 2% 的氨水处理秸秆，其厌氧发酵产 气量可以提高 17． 5% 。D Craig Anderson 等人［23］的 研究表明添加量为 6% 干物质的氨水具有较好的预 处理效果。李 敏 等 人［31］ 研 究 了 添 加 尿 素 对 玉 米 秸 秆厌氧发酵的影响，结果表明，在反应前期、中期、末 期添加尿素可使产气量较未加尿素的对照分别提高 23． 3% ，18． 3% ，12． 4% 。 2. 3 酸化技术
2 化学方法
化学预处理是利用化学方法来破坏半纤维素与 木质素间 的 共 价 键，从 而 提 高 原 料 降 解 率 的 方 法。 化学方法主要有碱化、氨化、酸化等。目前化学预处 理较常采用碱化法。 2. 1 碱化技术
碱化处理就是用 NaOH，Ca（ OH） 2 或 KOH 等 溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面，以打开纤维素、半 纤维素和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素 和一部分木质素及硅酸盐，使纤维素膨胀，从而提高 消化率［14］。
氨化处 理 就 是 用 氨 水、无 水 氨 或 尿 素 处 理 秸 秆［28］。氨化具有三种作用： 第一种是碱化作用，氨 为碱性，故可起到与碱化处理方法同样的作用； 第二 种是氨化作用，氨与秸秆中的有机物发生变化，生成 铵盐，成为厌氧微生物的氮素来源，被微生物利用， 并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸，进一步合成 菌体蛋白。第三种是中和作用，氨呈碱性，可与秸秆
农作 物 秸 秆 经 NaOH，氨 水，尿 素 进 行 预 处 理 后，发现与未处理相比，单位 TS 产气量明显提高， 厌氧发酵时间显著缩短，纤维素比例也提高 1 /3 左 右［15 ～ 16］。Yang 等［17］比较了 NaOH，氨水及 Pleurotus florida 对玉米秸秆预处理的效果，发现经 NaOH 处理玉米秸秆的产气效果最好。Schmidt 等［18］对小
研究发现用 APS-D（ anaerobic － phased solids digester system） 反应器对稻草进行厌氧发酵［7］，粉碎 的稻草比未经处理的稻草产气率提高 17% ，而高温 处理过的稻草与未处理的稻草相比，其固体含量大
收稿日期： 2011-07-07 项目来源： 秸秆沼气发酵浮渣形成机理及去除技术研究（ 0032011010） 作者简介： 李淑兰（ 1975 － ） ，女，博士，主要从事废水处理研究，E － mail： lslgxy@ 163． com
纤维素消化率的提高，有利于微生物的生长，从 而达到提高产气率的目的。康佳丽［15］比较了 4% ～ 10% （ 以麦秸干重计） NaOH 预处理对产气量的影 响，结果显 示 经 6% NaOH 预 处 理 后 的 麦 秸 在 65 g·L － 1 负荷率下的单位 TS 产气 量 最 高，为 380． 9 mL·g － 1 ，与未处理麦秸相比，提高了 49． 9% ，厌氧 消化时间缩短了 19 d。庞云芝［26］的研atment Technology for Crop Straw Anaerobic Digestion / LI Shu-lan，MEI Zi-li，ZHANG Guozhi，LIU Ping / （ Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China） Abstract： Agricultural crop straws are important biomass energy resources，which are rich in organic content （ 80% ～ 90% ） ． It can hardly be utilized by the anaerobic bacteria to produce biogas due to its complicated crystal structure． Therefore，the crop straw should be pretreated by means of destructing the complicated crystal structure so as to be easily utilized by the community of anaerobic bacteria in stalk and straw fermentation． This paper summarized different pretreatment methods including physical，chemical，biological and physic-chemical method at home and abroad． Their effects on straw anaerobic digestion are also discussed． Key words： crop stalk and straw； pretreatment； biogas； fermentation