秸秆原料沼液预处理技术研究分析及评价.pdf

秸秆原料沼液预处理技术研究分析及评价李秋敏杨 洋（云南农业职业技术学院，云南昆明 650220）摘要秸秆原料的结构组成复杂，阻碍了其有效厌氧消化。沼液预处理技术能有效改变秸秆类原料结构，促进其厌氧消化。本文在介绍秸秆类原料预处理方法的基础上，对秸秆原料沼液预处理技术研究现状进行了分析，总结了目前秸秆原料沼液预处理技术的处理对象、方法、评价指标等，同时针对现状分析评价了目前秸秆类原料沼液预处理技术存在的问题和不足，并进行了展望，以期为该技术的推广应用提供参考。关键词秸秆；厌氧发酵；沼液预处理；技术评价中图分类号X712文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）22-0115-04DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.22.029开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research Analysis and Evaluation of Biogas Slurry Pretreatment Technology ofStraw Raw MaterialLI QiuminYANG Yang(Yunnan Vocational College of Agriculture,Kunming Yunnan 650220)AbstractThe complex structure and composition of straw raw materials hinders their effective anaerobicdigestion.Biogas slurry pretreatment technology can effectively change the structure of straw raw materials and promotetheir anaerobic digestion.Based on the introduction of pretreatment methods of straw raw materials,this paper analyzedthe research status of biogas slurry pretreatment technology of straw raw materials,and summarized the currentprocessing objects,methods,evaluation indicators and other aspects of the technology.At the same time,according tothe current situation,this paper analyzed and evaluated the existing problems and shortcomings of biogas slurrypretreatment technology of straw raw materials,and made prospects,so as to provide references for the promotion andapplication of this technology.Keywordsstraw;anaerobic fermentation;biogas slurry pretreatment;technology evaluation通过厌氧消化产甲烷是秸秆资源化利用的有效手段，既可减少焚烧带来的环境污染，又能产生清洁能源，沼渣、沼液还可用于农业种植。但是，由于秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其复杂的结构组成导致秸秆很难被厌氧消化降解并有效产甲烷，秸秆在厌氧消化过程中容易出现进料困难、漂浮、传质效果差、不宜搅拌、发酵体系易酸化、气体释放困难等问题。为提高秸秆厌氧发酵的效率，一般主要采用物理、化学和生物等预处理方法提高原料的降解效率。沼液预处理属于生物预处理方法，该技术可利用沼液微生物破坏秸秆的大分子物质，促进其厌氧消化，具有沼液来源方便、成本低、不污染环境、处理效果好等优势。本文对秸秆原料沼液预处理技术研究现状进行分析，归纳总结其处理方法、条件、评价指标等，并探讨其存在的问题和不足，旨在为沼液预处理技术的发展和推广应用提供参考。1秸秆原料的预处理方法秸秆原料常用的预处理方法有物理预处理法、化学预处理法、生物预处理法等1-4。物理预处理法有物理粉碎、微波处理、高温热解和高能辐射等5，其操作简单、污染小，可有效减小秸秆粒径，改变其晶体结构，从而增加厌氧微生物或酶与底物的有效接触面积6，便于进一步厌氧消化，但其处理过程中能耗大、成本高。基金项目 云南省教育厅科学研究基金项目（2022J1402）。第一作者李秋敏（1989），女，硕士，讲师，从事农业生物环境与能源方面的研究工作。E-mail：收稿日期 2023-03-16现代农业科技2023 年第 22 期农业工程学115现代农业科技2023 年第 22 期农业工程学化学预处理法包括酸预处理法、碱预处理法、氧化预处理法和有机溶剂预处理法等7，能促使复杂有机质转化成易降解的小分子物质，特别是对于秸秆类物质，该方法能破坏木质素和纤维素、半纤维之间的连接，释放出纤维素，提高降解效率，缩短反应时间，还可防止底物在发酵过程中出现酸中毒6。该方法工艺简单、效率高，但由于其所需浓度较高，对后续处理影响大，必须调节 pH 值，且化学残留物会对环境产生污染，处理后的酸碱必须进行回收处理。由于该方法存在对设备要求高、能耗高以及产生酸碱废水等缺点，现有的预处理方法尚未在工业上得到应用8。生物预处理法主要通过微生物分泌的胞外酶等物质预先水解转化底物，将复杂的有机物降解为微生物容易利用的物质，从而缩短厌氧发酵时间，提高干物质的消化率和产气率。目前，生物预处理的主要接种物有腐熟的堆肥、活性污泥、各种菌剂、沼气池底部污泥和各种酶类等，因其化学制剂及能源使用量低、对环境友好而得到越来越多的关注，但目前的相关研究主要集中于各种特定微生物菌剂对木质纤维素降解和产气量的影响方面8，且菌种（白腐真菌、复合菌系）培养复杂，预处理时间长，很难用于工程生产9。2秸秆原料沼液预处理技术研究分析沼液是厌氧发酵的副产物，沼液中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，还含有种类丰富、数量巨大的微生物群体，其中不乏可降解木质纤维素的微生物。张瑞10从沼液中分离出可降解木质纤维素的微生物，经鉴定为米根霉、白腐菌、黄曲霉和螺孢菌。沼液预处理属于生物预处理法，其在一定条件下利用沼液微生物破坏秸秆的大分子物质，可提升秸秆厌氧发酵产沼气的效率。沼液作为厌氧发酵产物，产量大，在处理方面存在一定的难度，将沼液作为厌氧发酵预处理原料，既可减少其排放，又可降低预处理成本。目前，秸秆原料沼液预处理技术大多还处于实验室研究阶段，主要针对较常见的作物秸秆如小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆，也有少数研究涉及蔬菜秸秆、花卉秸秆等（表 1）。此外，餐厨垃圾、蔬菜废弃物等原料也有涉及。部分沼气工程偶尔还会采用沼液浸泡处理原料，但处理条件较粗放，没有明确的处理标准。表 1沼液预处理技术相关参数序号12345678910原料类型玉米秸秆玉米秸秆玉米秸秆玉米秸秆小麦秸秆小麦秸秆小麦秸秆水稻秸秆花卉秸秆玫瑰秸秆处理方式粉碎至 3 mm风干，粉碎至0.9 mm风干，切成34 cm粉碎烘干，过 40 目筛风干，粉碎至 20 目风干，粉碎至 20 目风干，粉碎至 2 cm风干，剪至35 cm切碎至 1 cm小段风干、粉碎至1 cm最佳预处理条件沼液添加比例或 TS 浓度19.08%10%（沼液过4 mm 筛）15%（沼液过5 目筛）最佳100 g 原料+48 mL 沼液15%30%5 kg 麦秸+2 kg 沼液20 g+120 mL沼液20%20%处理时间/d53313136755温度/30135351273535常温2530常温沼液来源未提及实验室 CSTR 反应器（玉米秸秆猪粪混合）实验室 CSTR 反应器规模化养猪场沼气工程猪粪沼液猪粪沼液未提及玉米秸秆沼液沼气工程猪粪沼液处理环境发酵瓶加盖，水浴发酵瓶加盖发酵瓶加盖氨化瓶，蜡封发酵瓶加盖发酵瓶，胶塞及封口膜密封塑料桶密封发酵瓶，瓶口加膜发酵瓶发酵瓶，胶塞密封评价指标三素含量、产气特性产气特性、三素含量、氨氮、碱度等产气特性、TS、VS、pH值、氨氮、碱度、VFA含量等三素含量、纤维素结晶度、氨态氮、硝态氮、总氮、pH 值产气特性、氨氮、碱度等产气特性、TS、VS、氨氮、碱度等产气特性、TS、VS、总碳、总氮产气特性、失重率、沼液 COD、三素含量产气特性、pH 值产气特性、TS、VS参考文献1112913141516171819秸秆沼液预处理方法主要是在常温或中温（35）条件下，按一定的 TS 浓度（总固体浓度）添加正常发酵的沼液，对风干粉碎至一定程度的秸秆原料进行一定时间的处理，处理过程多加盖，不透气，属于缺氧条件，如图 1 所示。发酵过程中沼液添加比例（沼液用量）、发酵温116度、处理时间是影响秸秆处理效果的 3 个主要因素，也是研究较多的影响因素。原料类型不同，不同影响因素的最佳应用条件也有所差异，如：玉米秸秆最佳沼液添加比例（TS 浓度）为 10%20%，小麦秸秆最佳沼液添加比例（TS 浓度）为 15%30%，花卉秸秆最佳沼液添加比例（TS 浓度）为 20%；发酵温度通常选择常温或中温（35），也有中低温（25）处理的研究；最佳处理时间一般随沼液添加量、发酵温度的变化而有所差异。在研究沼液预处理最佳条件时，主要通过观测秸秆原料预处理前后的秸秆纤维素结晶度18、三素含量（纤维素、半纤维素、木质素）11-13、产气性能（总产气量、甲烷含量、发酵历时等）9，11，14-19以及其他理化指标（pH 值、VFA、碱度、氨氮等）9，12-16变化来评价沼液预处理效果，从而确定最佳预处理条件。通常，处理时间越长，木质纤维素降解效率越高，且中温优于常温；但从产气特性上来看，并不是木质纤维素降解效率越高产气量越高，过分追求木质纤维素降解效率反而会对产气效果产生影响11；随着处理时间的延长，木质纤维素的相对结晶度呈先增加后平稳的趋势；产气量会随处理时间、沼液添加比例的变化而发生变化，不同原料最佳应用条件有所差异，而中温相对于常温来说，发酵时间缩短，产气速率增加，更有利于沼气释放。3秸秆原料沼液预处理技术评价根据目前秸秆沼液预处理研究结果可知，沼液预处理能有效促进秸秆厌氧消化产沼气。与其他处理方法相比，采用沼液预处理解决了沼液处理难的问题，其就地取材、来源方便、成本低、不污染环境，且处理效果较好，经过沼液预处理后原料更易发酵，有利于发酵系统的稳定运行。目前，经过众多学者的研究已初步形成秸秆沼液预处理的技术路线，并获得较佳处理条件，但是距推广应用还有一定距离，主要表现在以下几方面。3.1沼液来源多样，成分含量差异较大，沼液标准难以控制沼液成分和含量受很多因素影响，如原料类型、原料处理水平、发酵浓度、发酵时间、发酵温度等。在研究沼液预处理技术过程中，因为很难保证每次预处理采用的沼液成分和含量都较类似，所以沼液预处理技术研究很难获得较高的重复性，即使在相同预处理条件下，其预处理效果都会有所差异。虽然选择相同发酵原料的沼液会减小沼液成分的差异，但也有实施难度，除非针对原料单一的大中型工程才能保证其原料不会有较大的变化，一般的中小型工程和户用沼气池很难保证原料不发生变化。3.2影响因素多，预处理效果不一致，技术标准统一难度大秸秆沼液预处理条件研究中，一般会先对秸秆进行风干粉碎，再进行沼液预处理，粉碎程度会对沼液预处理效果产生影响。在现有的沼液预处理相关文献中，研究较多的预处理条件是沼液添加量、预处理时间、预处理温度，其他的一些因素如是否密封、是否搅拌、沼液是否一次添加等也有涉及，还有很多影响因素在目前的研究中并未涉及。即使目前研究较多的沼液添加量、预处理时间、预处理温度也会受到工程实际运行情况的影响，很难做到完全统一，要形成统一的沼液预处理技术标准难度较大。3.3沼液预处理技术研究尚浅，形成标准技术体系推广使用还需努力目前，沼液预处理技术研究主要针对难降解的秸秆类原料，研究对象也仅限于玉米、小麦、水稻、花卉，研究中的预处理条件较简单，涉及的影响因素较少，对于预处理效果的评价主要依赖于产气特性，预处理机理不清晰，尚未达到最优的预处理效果。因此，对于秸秆类原料要形成较成熟的沼液预处理技术服务体系，还需要开展大量的研究工作。4结论与展望沼液预处理技术能在一定程度上改变秸秆类原料的结构，降低其结晶程度，加快木质纤维素降解，达到缩短秸秆原料厌氧消化时间、改善产气效果的目的。相对于物理、化学预处理技术而言，沼液预处理技术具有沼液来源方便、成本低、不污染环境、处理效果好等优点，以沼液为预处理添加剂，在减少其排放的同时，还可降低预处理成本。但是由于目前沼液预秸秆风干、粉碎加沼液不同条件下处理一定时间加接种物进行厌氧消化预处理主要控制条件沼液添加量（大多按 TS浓度计算）预处理时间（17d不等）温度（常温、中温 35）图 1秸秆沼液预处理技术路线李秋敏等：秸秆原料沼液预处理技术研究分析及评价117现代农业科技2023 年第 22 期农业工程学处理技术研究还不够成熟，在其应用过程中还存在很多问题，如沼液成分含量变化大、预处理条件粗放、评价指标少等，沼液预处理尚无法获得最优预处理效果，仍需针对更多预处理条件、更多原料进行深入的研究，以期在获得最佳工艺的同时能揭示其预处理机理，为形成沼液预处理技术服务体系奠定基础。参考文献1 刘研萍，方刚，党锋，等.NaOH 和 H2O2预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响J.农业工程学报，2011，27（12）：260.2 LI Y Q，ZHANG R H，HE Y F，et al.Thermophilic solid-state anaerobic digestion of alkaline-pretreated corn stoverJ.Energy and Fuels，2014，28（6）：3759-3765.3 PAUDEL S R，BANJARA S P，CHOI O K，et al.Pretreat-ment of agricultural biomass for anaerobic digestion：currentstate and challengesJ.Bioresource Technology，2017，245：1194-1205.4 黎雪.联合预处理对小麦秸秆混合厌氧发酵的影响研究D.杨凌：西北农林科技大学，2016.5 杨红，马煜，张无敌，等.康乃馨秸秆发酵产沼气潜力的试验研究J.云南师范大学学报（自然科学版），2011，31（增刊 2）：81-84.6 云丽.生物预处理秸秆及对木质纤维素变化规律的影响研究D.郑州：河南农业大学，2014.7 丁梁斌.秸秆预处理方法的研究进展J.安徽化工，2017，43（6）：22-25.8 HU Y，PANG Y Z，YUAN H R，et al.Promoting anaerobicbiogasification of corn stover through biological pretreat-ment by liquid fraction of 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