張愛民　尹　冰

摘要：利用作物秸稈生產(chǎn)可再生能源是解決環(huán)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(zhì)素，這是導致用秸稈制備沼氣時產(chǎn)氣率低的主要因素。本文綜述了國內(nèi)外用物理法、化學法、生物法預處理秸稈的相關(guān)研究進展，建議將其中的兩種或三種方法結(jié)合起來處理秸稈，提高產(chǎn)氣率。

關(guān)鍵詞：秸稈：發(fā)酵；沼氣；預處理

我國是一個能源短缺的國家，也是生物質(zhì)資源大國。據(jù)統(tǒng)計，中國每年產(chǎn)生農(nóng)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(zhì)加以利用。農(nóng)作物秸稈是一種重要的富含有機質(zhì)(80％～90％)的生物質(zhì)能源。

因此，利用現(xiàn)代技術(shù)將作物秸稈轉(zhuǎn)化為高效、潔凈、方便的高品位能源——沼氣，對緩解我國常規(guī)能源緊張狀況，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善都具有重要意義。

秸稈中含有大量的纖維素、木質(zhì)素，這是導致發(fā)酵速率低的主要因素。若將秸稈直接入沼氣池進行發(fā)酵產(chǎn)氣慢、產(chǎn)氣量少、不經(jīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，秸稈變?nèi)彳?、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(zhì)的接觸面積，或通過破壞細胞壁結(jié)構(gòu)使之易于消化。

研究發(fā)現(xiàn)用APS-D(anaerobic-phased solidsdigester system)反應器對稻草進行厭氧發(fā)酵，粉碎的稻草比未經(jīng)處理的稻草產(chǎn)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(chǎn)氣率提高。當溫度從60℃上升到110℃時，其產(chǎn)氣率提高了2.5％～7.5％，然而產(chǎn)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(shù)

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(zhì)素之間的酯鍵，溶解纖維素、半纖維素和一部分木質(zhì)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(jié)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(zhuǎn)化76％的纖維素物料。Hamilton等人發(fā)現(xiàn)用NaOH處理可以提高纖維素的轉(zhuǎn)化率。Dar等人發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下，用質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)添加量)溶液噴灑到麥秸上，其有機物質(zhì)消化率為53％，63％，63％，62％。B.G.Ololade的研究結(jié)果表明：室溫條件下，玉米秸稈經(jīng)NaOH處理24小時后，其有機物質(zhì)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(zhì)添加量為8％時，玉米秸稈的干物質(zhì)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(jié)果相同。

Suresh Chandra與Andrewt等人的研究結(jié)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(chǎn)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(chǎn)氣量的影響。結(jié)果顯示經(jīng)6％NaOH預處理后的麥秸在65g·L^-1負荷率下的單位TS產(chǎn)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(fā)酵的產(chǎn)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(jīng)生物處理玉米秸相比，經(jīng)NaOH化學預處理后的玉米秸的產(chǎn)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(zhì)量生物氣產(chǎn)量最高，比未處理的秸稈提高了61.4％。

2.2氨化技術(shù)

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(fā)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(jié)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(fā)酵產(chǎn)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(zhì)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(zhì)纖維素降解能力的微生物對秸稈先進行固態(tài)發(fā)酵，把作物秸稈中的木質(zhì)纖維素預先降解成易于厭氧菌消化的簡單物質(zhì)，以縮短隨后的厭氧發(fā)酵時間、提高干物質(zhì)消化率和產(chǎn)氣率。其技術(shù)關(guān)鍵就是尋求強木質(zhì)素降解能力的菌種，并確定其適宜的發(fā)酵條件。

白腐真菌是為數(shù)很少的能使木質(zhì)素降解的一類真菌。VMehta等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)P.florida轉(zhuǎn)化后的稻草基質(zhì)用于沼氣生產(chǎn)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(zhì)纖維索含量較高的秸稈，以提高隨后的厭氧消化產(chǎn)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(jié)果表明Pc菌絲體4天后表現(xiàn)出巨大的木質(zhì)素降解性，Po菌絲體在8天后也表現(xiàn)出良好的降解性。3周后Pc菌絲體處理的秸稈木質(zhì)素的降解率為47.51％，而Po菌絲體處理后的秸稈木質(zhì)素的降解率為19.87％。Pc處理后稻秸的生物氣和甲烷的產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)白腐真菌P.Florida生物預處理30天和60天后玉米秸稈的產(chǎn)氣量分別比未處理的產(chǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)P.florida在所有的菌種中表現(xiàn)出最快的去木質(zhì)素功能，且厭氧消化后其生物氣產(chǎn)量是未處理的麥秸的兩倍。V.Mehta研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當秸稈與牛糞的干物質(zhì)比為3:1時，與未處理的秸稈的產(chǎn)氣率相比，經(jīng)P.florida處理后的稻秸的產(chǎn)氣率提高了8倍。Bisaria等用Pleurotus sajor-caju處理秸稈培養(yǎng)蘑菇后的剩余基質(zhì)，用于厭氧發(fā)酵以生產(chǎn)生物氣體，結(jié)果產(chǎn)氣率提高了54％。

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

研究展望

中國是農(nóng)業(yè)大國，有豐富的生物質(zhì)資源。在當前提倡發(fā)展綠色能源的大環(huán)境下，怎樣把現(xiàn)有的生物質(zhì)資源利用充分利用起來成為研究的熱點。利用生物質(zhì)制備沼氣是一個很好的發(fā)展方向。目前研究人員在用單一方式來預處理農(nóng)業(yè)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(jié)合起來共同作用來預處理制備沼氣的生物質(zhì)。