摘要：试验将水稻秸秆经白腐菌的预处理后，在常温下进行厌氧干式发酵。对其发酵过程中的生物气产量、pH值、乙酸及甲烷含量等多种关键性指标进行了动态跟踪监测。结果表明，水稻秸秆经过C/N调节和白腐菌预处理后，前45d的累积产气量约占总产气量的80.4%；发酵原料TS产气率为0.457m3/kg。与常规湿式厌氧发酵相比，常温干式厌氧发酵不仅提高了池容效率，而且单位原料产气率也提高了26.9%，产气速率的增加大大缩短了发酵周期，发酵液pH值稳定在6.8~7.5。研究表明厌氧干发酵产沼气是一种技术上可行的农业废弃物资源化利用方式，为水稻秸秆这种难以降解的大规模纤维素类资源利用提供了重要的设计依据和利用途径。

关键词：水稻秸秆；常温；干式厌氧发酵；沼气

中图分类号：S216.4

0、引言

我国是传统的农业大国，农作物秸秆资源拥有量居世界首位，年产生水稻秸秆达6.4亿t。长期以来，大量秸秆露天焚烧不仅造成极大的资源浪费，而且带来严重的环境污染。直接燃烧作为农村能源，热效率仅为10%~30%[1]。研究表明，如果1kg秸秆转化为沼气燃烧可使秸秆的有效热值提高到%。因此，将秸秆作为一种生物质资源，研究其适用的利用途径，对实现其资源化，解决我国农村清洁用能问题，提高农民生活水平，改善农村生态环境，实现农业可持续发展，缓解传统化石能源压力等，均具有重要意义[2-4]。厌氧消化是利用厌氧微生物在无氧存在环境下的自身代谢功能，实现有机物分解消化，以达到废弃物降害或无害化处理和能量回收的目的的技术，广泛应用于能源、环保等众多领域[5-7]。

自1980年康奈尔（Cornell）大学首先进行干式发酵研究以来，世界各国开始研究低水分的城市垃圾、农林业残余物及相似的有机沉积物的厌氧发酵[8、9]。干发酵法，即高固体厌氧消化，它是指以固体有机废物为原料，在无流动水的条件下进行沼气发酵的工艺，可以将传统的厌氧消化工艺中固态物含量由低于8%，提高到35%以上，一般情况下干物质含量在20%左右较为适宜[10]。与

1作者简介：刘伟伟（1981-），男（汉族），陕西礼泉人，讲师，工学硕士，主要从事生物质能与环境工程方面研究传统湿发酵相比，干发酵不仅可以提高池容产气率和池容效率，而且消化后的产品不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂使用，简化了操作处理，降低了成本，这些优点使干发酵在处理城市生活垃圾和农林残余物方面引起了国内外研究者的广泛重视。

鉴于沼气技术目前在我国农村的应用大都在环境温度下进行，因此本试验也选择在室温下进行，这样使该技术更具实际推广性。试验中水稻秸秆首先经过C/N调节和白腐菌预处理，采用循环发酵液的干式厌氧发酵技术，对其发酵过程中生物气产量、pH 值、乙酸及气体组分含量的变化，以及TS 利用率等进行了监测。

1、材料与方法

1.1 厌氧消化试验装置

厌氧消化试验装置为一个1m3的不锈钢发酵罐（内径1m，高1.3m），同时包括循环水泵、pH值检测、气体流量监测、温度监测和控制等相关仪器组成，如图1.1。

1.2 试验材料

水稻秸秆取自于合肥市郊，铡成7~8cm 长；接种物为合肥市郊以猪粪为原料正常发酵的沼气池底部活性污泥，TS＝3.5％；预处理菌剂是以麸皮为固定化载体的白腐菌固定化物，由中国科学院等离子体物理研究所提供。

1. 支撑组件

2. 椭圆形封头

3. 网孔板组件

4. 热水入口

5. 内罐体

6. 测温探头

7. 外罐体

8. 热

水出口 9. 压力表 10. 进料口 11. 法兰组件 12.

渗滤液入口 13. 气样采集口 14. 沼气出口 15. 气体累积流量计 16. 出料口 17. 排气口 18. 循环泵19. 液样采集口 20. 渗滤液出口

图1.1 干式厌氧消化装置（1m3）

Fig1.1. Device of dry anaerobic digestion（1m3）1.3 试验方法

1.3.1原料预处理及试验过程

原料预处理：将0.75kg NH4HCO3和500g 含白腐菌的固定化物倒入水中搅拌均匀，均匀地洒到水稻秸秆中进行堆沤，堆沤7d，有白色菌丝长出即可，入罐前测定水稻秸秆的TS，VS和C/N。

试验过程：称取预处理后的水稻秸秆167.45 kg和初始接种物80L分批交替进罐，在进罐过程中分4次洒入浓度为6.25%的

NH4HCO3溶液共21.25kg（发酵原料总固体浓度约20%），最后封罐。在厌氧消化过程中，每天循环发酵液一次，每次循环量约30～40L，每隔一天观察并记录罐内平均温度，采集气样和发酵液进行分析（气体成分，pH值，乙酸含量），并记录48h内的累积产沼气量。在发酵过程中，如果甲烷含量长期稳定较低水平，不能超过50%，可以考虑再接种，再接种量5%左右。当产气量连续稳定每天50L以下时可以停止发酵并卸料，最后测定沼渣的TS和VS以确定水稻秸秆利用率。

1.3.2样品采集和分析测定方法

（1）总固体浓度（TS）和挥发性固体浓度（VS）采用重量法测定[11]；

（2）采用HP50气相色谱仪分析所产气体中甲烷、二氧化碳和氮气等的体积百分含量,TCD检测器，Porpak5色谱柱，载气为Ar；

（3）发酵液中乙酸的含量利用Metrohm761离子色谱测量，分离柱为Metrosep A Supp4，电导检测器，淋洗液为1.7mmolNaHCO3/1.7mmolNa2CO3，样品先

通过反向固相萃取C18柱过滤再进样；

（4）发酵液的pH值用pH值计测定；

（5）采用Vario EL元素分析仪测量水稻秸秆中的碳氮质量百分含量；

（6）产气量通过湿式气体流量计计量。

2、结果与分析

2.1 水稻秸秆的预处理

水稻秸秆经过7d的堆沤预处理后，温度升高到60℃以上，水稻秸秆外形变得不完整，手感疏松，有白色菌丝体附着在上面，并且有深褐色的液体流出。经过添加

NH4HCO3和白腐菌预处理后C/N从37.18降

低到28.01，一般情况下，C/N在10~30之间是厌氧消化的最佳C/N范围。

农作物水稻秸秆自身的木质纤维结构，决定了其产气特点是分解速度慢，产气周期长，因此，在入池之前要进行预处理，加速纤维素分解，破坏水稻秸秆表面的蜡质层以提高水稻秸秆对细菌和酶分解的敏感性，最终提高产气效果[12、13]，正是由于这个因素，本实验进行了白腐菌降解木质纤维结构的

预处理。

2.2 水稻秸秆的厌氧消化

2.2.1产气量以及温度随时间的变化

在本实验中厌氧发酵运行d，48h内的累积产沼气量以及罐内平均温度（三个测量点的平均温度）随时间的变化情况见图2.1,其中温度由环境决定，在实验期间本地的温度浮动较大，且可以看出发酵前期的产气量与温度有大致相同的变化趋势，表明温度是干式厌氧发酵产气效果的重要影响因素之

一。到了厌氧消化后期，由于易消化的有机质消耗殆尽，剩下的是难消化的有机质，这成为产气量的主要因素，因此与温度的关系不明显。

1222223时间／天

温度／０

Ｃ

200

00

000000

000

200400600

产气量／Ｌ•４８ｈ

－１

图2.1. 温度对48h 内累积产气量的影响 Fig2.1. Relationship between temperature and

cumulative biogas production for 48h

2.2.2累积产气量、产气率和产气速率

由于接种物是以猪粪为原料正常产气的沼气池底部活性污泥，且数量不大，因此其产生的生物气的量忽略不计。本实验加预处理后的水稻秸秆167.45 kg ，经过厌氧消化后累积产气22.586m 3（见图2.2）。

经测定试验后发酵原料的相关参数见表2.1，可计算出发酵原料总固体产气率R TS =0.457 m 3/kg ，发酵原料总挥发性固体产气率R VS =0.570 m 3/kg 。

表2.1 厌氧消化过程水稻秸秆的TS 和VS 含量变化 Tab.2.1 The TS and VS variation in anaerobic

digestion of rice straw

参数 发酵前 /％ 发酵后 /％ 去除率/% 产气率m 3﹒kg -1 TS 含量 29.50 17.61 40.30 0.457a VS 含量

80.23

71.04

11.45

0.570b

a 、发酵原料总固体产气率；

b 、发酵原料总挥发性固体产气率

从图2.2可以看出，前期（前45d ）的平均产气量大大高于后期（后44d ）的平均产气量，前18d 的平均每天产气量接近0.5m 3，这主要是由于白腐菌的预处理作用使得水稻秸秆的木质纤维结构遭到破坏，提高了分解和产气速率。前45d 的累积产气量约占总

产气量的80.4%，而前18d 的累积产气量约占总产气量的39.1%。文献报道的以未经预处理的水稻秸秆为原料进行厌氧发酵，前45d 的累积产气量约占总产气量的50%，15d 的累积产气量约占总产气量的9%[14]，与这一结果相比，本实验所用的工艺具有较快的产气速率。

1122累计产气量／ｍ

３

时间／天

图2.2水稻秸秆发酵d 累积产气量 Fig 2.2.Cumulative biogas production in anaerobic

digestion of rice straw for d

2.2.3乙酸浓度和pH 值的变化

乙酸浓度和pH 值的变化见图2.3，进料第1d 发酵液pH 值为8.0，乙酸浓度为1400.588mg/L ，随着厌氧消化的进行，乙酸浓度升高，pH 值下降，进行到第10d 时，乙酸浓度升到最高为7253.537 mg/L ，此时的pH 值为7.1。随着厌氧消化过程的进行，乙酸浓度缓慢下降，pH 值整体趋势为缓慢上升，但均稳定在正常发酵pH 值范围内。在进行到第45天时乙酸浓度非常低（509.74 mg/L ），此后更低，仪器已经难以准确测量乙酸浓度，因此停止对乙酸的监测。沼气微生物最适宜的pH 值范围在6.8~7.5，当pH 值<6或pH 值>8时，沼气发酵就要受到，甚至停止产气。由图2.2 和图2.3可以看出，产气量与乙酸浓度具有一定的联系，从总体变化趋势看，前期乙酸浓度较高，产气量也很高，随着厌氧消化进行，乙酸浓度慢慢下降，产气量也开始下降。

乙酸是厌氧消化过程中极为重要的一个中间代谢产物，也是最重要的产甲烷前体物质。产酸阶段生成的挥发性的有机酸80%是乙酸，并且有大约70%的甲烷来自乙酸的

分解，同时乙酸产甲烷菌相对于其他类型的产甲烷菌而言，其代谢和生长速率缓慢，是沼气发酵的限速步骤，也是引起发酵液因乙酸积累导致酸化的主要原因。因此，在发酵过程中对pH 值和乙酸的监控，对系统正常运行及较高的沼气质量都是非常重要的[15、16]

。

从图2.3 还可以看出，对于我们所采用的常温干式发酵工艺进行水稻秸秆产沼气试验，乙酸浓度和pH 值有相反的变化趋势，乙酸浓度升高时pH 值下降，即pH 值变化可以反映乙酸浓度变化，这一点对于沼气在实际应用非常重要，可以用简单的pH 值检测代替繁琐且成本较高的乙酸浓度检测。

时间／天

乙酸浓度/ｍｇ⋅Ｌ－１

ｐＨ值

图2.3 乙酸浓度与pH 值的变化趋势 Fig.2.3 Relationship between pH and concentration of

acetatic acid

2.2.4沼气中甲烷含量的变化

气体组分含量随时间的变化见图2.4。

气体组分／％

时间／天

图2.4 水稻秸秆厌氧发酵过程气体主要组分含量的

变化规律

Fig.2.4 Concentration variation of primary biogas component in anaerobic digestion of rice straw

进料后前20d ，CH 4含量从2.4%上升到45.0%，CO 2含量从21.2%上升到50.0%，这说明发酵前期主要是产酸作用占优势。在第20~28d ，CO 2 基本稳定在48.8~450.4%之间，而CH 4含量升高非常缓慢，长期稳定在45%～48%之间，最高可达62%，说明该工艺产沼气甲烷含量具有较高水平。

3、结论

综合以上的试验结果：水稻秸秆经C/N 调节和白腐菌预处理后，在TS 浓度20%的条件下进行常温干式厌氧发酵，产气集中在前45d ，累积产气量约占总产气量的80.4%；发酵原料TS 产气率为0.457 m 3/kg ，高于常规未经预处理的湿式水稻秸秆厌氧消化的TS 产气率为0.360 m 3/kg ；本试验所采用的干式厌氧发酵技术提高了单位原料产气率和产气速率，进而缩短了发酵周期；在发酵过程中，发酵液的pH 值6.8~7.5，从pH 值变化可以反映乙酸浓度变化，因此可以采用简单的pH 值检测代替繁琐且成本较高的乙酸浓度检测，有利于该工艺的实际推广和应用。

［参　考　文　献］　

[1] 孙永明，袁振宏，孙振钧，中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J]，可再生能源，2006（2）：78-82

[2] 孙振钧，袁振宏，张夫道等，农业废弃物资源化与农村生物质资源战略研究报告[R]，北京：国家

科学技术部，2004

[3] 吴创之，马龙隆，孙 力等，生物质能现代化利用技术[M]，北京：化学工业出版社，2003 [4] 石 磊，赵由才，柴晓利，我国农作物水稻秸秆的综合利用技术进展[J]，中国沼气，2005，2（2）：11-19

[5] 代以春，徐庆元，刘 丹，厌氧消化技术在生活垃圾堆肥处理中的应用[J]，环境卫生工程，2005，13（1）：50-52

[6]Angelidaki I, Ellegaard L. Codigestion of manure and organic wastes in centralized biogas plants -Status and future trends [J]. Appl Biochem Biotechnol , 2003, 109:95-105

[9] Svensson, L.M., Christensson, K. and Bjornsson, L.Biogas production from crop residues on a

farm-scale level: Is it economically feasible under conditions in Sweden [J].Bioprocess Biosyst Eng, 2005, May

[10] 李想，赵立欣，韩捷等，农业废弃物资源化利用新方向----沼气干发酵技术[J]，中国沼气，2006，24（4）：23-27 [11] 周孟津，沼气生产利用技术[M]，北京：中国农业大学出版社，2005

[12] 蒋应梯，庄晓伟，王衍彬，利用农作物秸秆开发生物能源和有机肥初探[J]，生物质化学工程，2006，40（6）：48-50

[13] 刘定发，水稻秸秆处理的化学和生物学方法[J]，畜禽业，1999，106（2）：22-25

[14] 周岭，有机废弃物厌氧发酵特性的研究[D]，哈尔滨：东北农业大学，2003

[15] 李刚，杨立中，欧阳峰，厌氧消化过程控制因素及pH值和Eh的影响分析[J]，西南交通大学学报，2001，36（5）：518-521

[16] 赵剑强，朱浚黄，厌氧消化中甲烷产量及沼气中甲烷含量的理论探讨 [J]，中国沼气，1993，11（4）：16-19

Study on Dry Anaerobic Digestion of Rice Straw for

Fermentation of Biogas at Room Temperature

Liu Weiwei1, Ma Huan, Wang Jixian1, Zhu Dequan1, Xia Ping1

（Technology School of Anhui Agricultural University , Hefei, 230036；Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering Institute

of Plasma Physics, Hefei 230031）

Abstract：The rice straw were pretreated by White rot fungi firstly, and dry anaerobic digested at room temperature, the key indexes of yield of biogas, pH value, acetic acid content of methane were detected real-timely. The results suggested that after adjustment of C/N and biological pretreatment, the cumulative yield of biogas in early 45 days was 80.4% of the total yield. The conversion rate for TS of the fermentation materials achieved 0.457 m3/kg．Compared to the wet anaerobic digestion, the dry anaerobic digestion shortened the digestion cycle, the conversion rate was increased of 26.9%, and the pH value in digestion fluid was stabled at 6.8~7.5 which can be accepted in anaerobic digestion. These works also indicated that dry anaerobic digestion was a feasible technology for utilization of agricultural castoff, and provided a promising way for exploitation of large-scale cellulose resources.

Key words：rice straw；room temperature；dry anaerobic digestion；biogas下载本文