堆沤预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气的影响--本科生毕业论文.doc

河南农业大学
本科生毕业论文（设计）

题 目 堆沤预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气的影响

学 院 机电工程学院
专业班级 热能与动力工程12级2班
学生姓名 陈超
指导教师 焦有宙

撰写日期：2015年5月8日

摘 要

随着我国农村循环经济的发展，农作物秸秆作为一种可再生能源，其开发和利用也受到人们的重视。而我国又是传统的农业大国，秸秆类生物质资源极其丰富，因此，研究和探索秸秆类生物质制沼气已成为一个极具发展前景和研究意义的课题。本文介绍了堆沤预处理对于玉米秸秆厌氧发酵产沼气的影响，以及对这项技术的展望。
通过实验数据表明堆沤预处理可以提高秸秆沼气发酵过程中的日产气量，还能缩短沼气发酵的发酵周期。在沼气发酵后期，日产气量处于相对稳定的状态，出现缓慢减少的趋势，这主要是发酵后期料液的物性比较稳定，有利于产甲烷菌的生长代谢，但随着营养物质的消耗日产气量逐渐降低。
关键词：堆沤预处理；玉米秸秆；厌氧发酵；沼气；

Effect of Pretreatment of corn stover retting anaerobic fermentation biogas
Abstract
As China's rural circular economy, straw as a renewable energy, the development and utilization has also been attention. And China is a traditional agricultural country, straw biomass resources is extremely rich. Therefore, the study and exploration of straw biomass biogas has become a very promising and significance of the topic. This article describes the retting pretreatment of corn stalk for biogas production by anaerobic fermentation of influence, and the outlook for the technology.
Experimental data show retting pretreatment can improve the straw gas during fermentation gas production, but also shorten the fermentation cycle biogas fermentation. In the late methane fermentation, gas production in a relatively stable state, gradually declining trend, mainly fermentation late feed solution was relatively stable, conducive to productivity growth and metabolism of methanogenic bacteria, but with the consumption of daily gas production of nutrients gradually reduce.

Keywords: Retting pretreatment ；Corn stalks ；Anaerobic fermentation；Biogas

目录
1 绪 论 4
1.1研究背景 4

1.2秸秆预处理方式及发展现状 4
1.3课题研究的意义和内容 5
1.3.1研究意义 5
1.3.2研究内容 6
2 实 验 7
2.1实验材料 7
玉米秸秆 7
2.2实验装置及仪器 7
2.3实验方法 7
2.3.1秸秆堆沤预处理 7
2.3.2厌氧发酵 7
2.3.3分析方法 8
2.4实验数据的测定 8
2.4.1预处理过程中微生物生长量的变化 8
2.4.2预处理前后玉米秸秆结构的变化 8
2.4.3预处理前后玉米秸秆各组分含量的变化 9
2.4.4甲烷含量的分析 10
2.4.5玉米秸秆沼气发酵过程中日产气量的变化 10
3 结 论 11
4 展 望 12
参考文献 1
致 谢 2

1 绪 论
1.1研究背景
能源危机、环境污染是当今社会面临的两大难题，能源紧张对世界以及中国的影响也日益明显，世界开始将目光聚集到新生能源领域。在太阳能、地热能、核聚变能、风能、海洋能、生物质能等诸多新能源当中，生物质能源是最安全、最稳定且可再生的清洁能源，也是目前国家重点鼓励发展的新能源领域，尤其是农作物秸秆，它是一种重要的富含有机质的生物质能源。在中国，农作物秸秆资源的储量极为丰富，每年大约有七亿吨[1]，其中稻草、玉米秸秆和麦草这三种占到百分之七十左右，但目前来说我国农作物秸秆的利用率比较低，仅仅占百分之三十三左右其中通过处理后再利用的仅占百分之二点六[2]，而其他大多当作生活燃料来使用，从而引发了相当严重的环境问题和资源的浪费，因此提高优化农作物秸秆的资源化利用对于改善环境和节约资源具有相当积极的作用。
中国使用沼气的传统可以追溯到很早以前，1949年以来，我国实施过多次颇具规模的沼气池建设运动。在1960年左右的时候，农作物秸秆就曾作为沼气工程的一种主要的发酵原料，由于丰富的储量资源，我国秸秆沼气的发展潜力相当巨大，但是，目前中国有关于农作物秸秆产沼气的系统科学研究却比较缺乏，因此没有太多相应的理论和技术支撑，用农作物秸秆产沼气的工程中就出现了一系列的问题，比如：农作物秸秆本身速效养料含量较低，而纤维素木质素的含量很高，因此农作物秸秆在做沼气发酵原料时，导致秸秆在厌氧发酵池内降解速率慢，发酵池内的作物秸秆比较容易结壳，从而影响到微生物的作用，导致使产气量低下；进出料的麻烦也限制了秸秆沼气的发展；还有农村劳动力的结构发生了变化，在20世纪70年代左右，农村劳力从事沼气生产获得的价值与做农活获得的价值相当，而在20实际90年代左右，大量劳动力外出打工或经商，而所获收益更是相同劳动强度下沼气工作人员酬劳八倍，沼气工作开展陷入瓶颈；人畜粪污用来产沼气的性能大大优于作物秸秆，并且出料比较容易，管理较为方便，因此发酵原料基本转向畜禽粪便。
随着近年来农村经济的迅速发展和产业结构的调整，农村的劳动力结构也发生了很大的变化。据调查表明：农村将会出现人畜分离的趋势，现有的以畜粪为主的沼气池将会由于缺少发酵原料而停止运行。而农作物秸秆也会因为其蕴含的巨大生物质能量的优势而重新进入人们的视线，现如今废弃物和农作物秸秆资源的化利用主要用来发电和作为生态厕所反应的基质[3]，还有作物秸秆消化制作肥料和产出高品质的清洁能源等，其中将秸秆转化为高热值的沼气具有巨大的潜力和深远的意义[4]，沼气的综合利用所产生的收益也有助于推动我国秸秆沼气的发展， 秸秆沼气产业规模的扩大，可提供综合利用的物质越多，效益也就更好。过去农村对待农作物秸秆多以丢弃于沟渠河道，或者作为燃料进行做饭或取暖等，这种利用方法秸秆利用率很低，还会带来一定的环境污染，因此，合理利用农作物秸秆的研究意义重大，而充分利用秸秆制取沼气必然会成为中国沼气发展的重要方向方向。
1.2秸秆预处理方式及发展现状
发展生态农业是实现农业可持续发展的必经之路，而对于农业资源的合理开发利用对于发展生态农业有着极其积极的作用［5］。所以将农作物秸秆作为沼气的发酵原料等用途是生态农业发展的一项重要内容，合理的运用，不仅能保护生态环境，还能促进经济的发展。但同时秸秆沼气也存在着一些问题，比如利用玉米秸秆产沼气就存在厌氧消化速率慢、产气率低等问题，因此需要加大研究和技术开发力度。世界各国在秸秆产沼气技术周边产品研究展开了一系列的研究探索。由于玉米秸秆中的纤维素外层有一层木质素，且木质素难以被分解，从而抑制了纤维素的水解率，因此玉米秸秆产沼气项目中对秸秆的预处理阶段非常关键［6］。研究表明秸秆的质地和成分导致了产沼气效率低下，秸秆的主要有机组成是半纤维素、纤维素、木质素、果胶和蜡质等难以被分解的成分，此外秸秆表面具有一层蜡质，不容易被微生物所破坏，因此微生物的发酵利用受到了极大的限制，而通过物理化学等途径对农作物秸秆进行产沼气前的预处理是许多相关工作人员一直努力的方向，至今也均取得了一定成效，但是同时也伴随出现了一系列问题：首先是预处理阶段研究费用的增加；其次通过化学处理有极大可能会带来二次污染；再者利用生物法处理秸秆大都依然停留在起步阶段，距离大规模的项目应用还存在不小的差距，因此寻找适当的预处理方法是未来重点研究的内容。目前来说，化学、生物、物理是秸秆的主要预处理方式[7]。在实际生产中，物理方法耗能比较高，而化学方法又容易造成污染，并且可能残留的化学物质还会对后续的发酵产生不利影响，因此不易产生污染且损耗比较低的生物方法是相对来说比较理想的技术[8]。其中堆沤生物法中比较方便且可行的预处理方式。研究显示[9]，通过堆沤，不但能有效降低农作物秸秆中纤维素和木质素的含量、提高沼气产气率，还能提高厌氧发酵的温度并富集菌种。但是，由于堆沤时间过长，可能会导致能量和有机物质的损耗，因此对堆沤时间需要加以准确控制。我国农村家庭堆沤技术已经有较长的发展历史，只是缺乏适合于工程应用的系统性研究[10]。因此，本文实验中会对预处理前后玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素的含量进行测定，并用扫描电镜观察微观结构变化，对比分析物料特性变化的原因，同时用未经预处理的玉米秸秆作为对比参照，通过对日产气量、累计产气量、系统pH值变化、甲烷含量以及粗纤维含量等的测定，从而得到堆沤预处理对玉米秸秆产沼气的影响。
1.3课题研究的意义和内容
1.3.1研究意义
随着国家经济的飞速发展，环境污染和能源短缺的问题日益严峻，受到了世界各国的重视，可再生洁净能源的开发利用成为了人们瞩目的焦点[11]。在众多的可再生能源中，沼气由于其清洁、可再生的特点受到广泛的重视，而秸秆沼气由于其丰富的资源优势迅速成为了沼气研究关注的对象。
秸秆沼气遵循微生物发酵的原理,建立了新的以农作物秸秆为中心的物质到能量的循环系统。秸秆中的各种物质经过微生物的分解,形成新的不同用处的物质,如碳、氢元素合成为甲烷等可燃性气体[12]。秸秆中蕴藏的通过光合作用产生积累的生物能,通过沼气这种可燃气体被释放出来。秸秆中的氮、磷、钾等元素通过微生物的分解,再合成新的活性物质,使沼渣、沼液成为优质有机肥料,再进入新的物质到能量的循环系统中[13],使其得到最大程度的利用。
发展秸秆沼气也可促进生态系统的良性循环，沼气的推广利用不仅仅可以减轻国家商品能源紧缺的压力还可以改善农业生态循环，降低生物质的消耗[14]，对促进生物质良性循环、建立生态农业以及维护生态平衡都有着积极的作用。将农作物秸秆科学有效的处理，不仅能使资源合理利用，还有利于环境的保护。近年来,由于农作物秸秆导致的环境污染事件时有发生，每到夏收、秋收季节,秸秆常常被抛入河道、池塘或直接就地焚烧,不仅浪费了大量的秸秆资源,还严重污染了大气、水质资源等[15],对农村的生态环境和农民人居环境产生了极大的破坏,导致航空、公路、河道等交通安全隐患,造成人为的生态灾难。因此,在应对农作物秸秆过剩问题上，加大秸秆资源化利用的力度已势在必行。据相关资料表明,每利用1万吨秸秆替代煤炭,可减少二氧化碳排放量约1.4万吨、二氧化硫排放量100吨、烟尘排放量100吨，可见环境效益十分显著[16]。因此秸秆沼气在促进秸秆资源化利用、减轻秸秆过剩而导致的环境污染、交通隐患等方面的应用前景十分广阔，而研究及优化秸秆产沼气效率的工作势在必行。
1.3.2研究内容
通过实验记录预处理过程中微生物生长量的变化、预处理前后玉米秸秆结构变化、预处理前后玉米秸秆各组分含量变化，对甲烷含量进行分析，从而得出堆沤预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气的影响。

2 实 验
2.1实验材料
玉米秸秆：取自河南农业大学试验田，收获后的玉米秸秆在自然条件下风干，用剪刀剪至3~5cm备用。
产甲烷接种物：取自本实验室牛粪厌氧发酵产沼气结束后的厌氧活性污泥。
2.2实验装置及仪器
试验装置为实验室自制的容积为1L的批量式厌氧发酵装置，装置的结构示意图如图
1.恒温培养箱 2.厌氧反应器 3.气体取样口 4.集气瓶 5.排水瓶
图2-1 发酵装置示意图
HP8453型（上海安捷伦科技有限公司生产）分光光度计；
S-3400N II型扫描电镜（日本HITACHI生产）；
安捷伦6820型气象色谱仪（北京京科瑞达科技有限公司生产）；
2.3实验方法
2.3.1秸秆堆沤预处理
取备用玉米秸秆1500 g，置于自制秸秆类生物质兼氧预处理反应器中，按照固液质量比1:5加入蒸馏水，混合均匀在反应器中进行好氧发酵。反应器为圆柱体结构，采用不锈钢材料制作，其高为40cm，内径为30cm，在反应器内部设有温度探测点，表面覆有保温材料。每隔2d取样测定不同预处理过程中物料中的微生物生长量、pH值以及COD值，对预处理前后玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素的含量进行测定，并用扫描电镜观察微观结构变化，对比分析物料特性变化原因。
2.3.2厌氧发酵
根据秸秆的固态物含量配制TS质量分数为4%的料液，接种不同的接种物，在厌氧发酵装置中进行厌氧发酵产气试验。
2.3.3分析方法
微生物生长量的测定：采用HP8453型（上海安捷伦科技有限公司生产）分光光度计在600nm处测定样品的OD600值，作为微生物细胞浓度。
纤维素、半纤维素、木质素含量的测定：参考范式水洗法进行测定。
扫描电镜分析：取少量预处理前后的玉米秸秆样品，用S-3400N II型扫描电镜（日本HITACHI生产）进行观察，放大倍数为1500倍。
产气量测定：采用排水集气法来计量日产气量，试验启动后，每天的同一时间记录排水量及排水量。
气体成分测定：采用安捷伦6820型气象色谱仪（北京京科瑞达科技有限公司生产）对产沼气试验过程中的主要气体成分进行测定。
2.4实验数据的测定
2.4.1预处理过程中微生物生长量的变化

图2-2 预处理过程中物料中微生物生长量的变化图

预处理过程中物料中微生物生长量的变化如图所示，大致呈现了先升高后降低的趋势。在玉米秸秆复合菌预处理的过程中，物料中的OD值在发酵开始的前6d呈现快速增长的趋势，这是由于反应器为微生物提供了适宜的氧气浓度、温度、pH、营养物质等，适宜的生长环境促使微生物快速生长繁殖，OD值在第6d达到最大值0.37；随后出现减小的趋势，这是由于大量微生物的生长活动，产生了大量的生物代谢热，当产热量大于散热量时，就会产生热量积累，促使反应器中物料温度的升高，当达到一定温度时，高温就会抑制真菌的生长，使真菌进入休眠期，只有部分细菌、放线菌继续生长繁殖，OD值在第12d达到最小值0.12；随着菌体数量的降低，生物代谢热减少，导致整个反应器温度降低，降至一定温度时，真菌开始复苏，然后菌体数量再次进入小幅增长期。
2.4.2预处理前后玉米秸秆结构的变化
预处理前后玉米秸秆扫描电镜图像如图所示。预处理前的玉米秸秆表面平整致密有规则，边缘部位有隆起，表面覆有一层光滑的蜡质层，这种结构致使微生物难以进入木质纤维素的内部结构，从而影响降解进程。堆沤预处理后的秸秆结构表面粗糙，并且部分结构表面出现大部分的脱落层，说明堆沤预处理能在一定程度上改变木质纤维素的结构；结构表面的出现许多碎屑残渣，并出现少许缝隙和孔洞，说明堆沤预处理过程中可以破坏秸秆表面致密的蜡质层，但其降解过程较慢。

图2-3 堆沤预处理后玉米秸秆扫描电镜图像
2.4.3预处理前后玉米秸秆各组分含量的变化
预处理前后木质纤维素含量变化如图所示，预处理前秸秆中半纤维素、纤维素、木质素的含量分别为26.74%、35.37%、14.51%，玉米秸秆经堆沤预处理与复合菌预处理后，木质纤维素各组分的含量都有一定程度的减少，堆沤预处理后秸秆中半纤维素、纤维素、木质素的含量分别为20.83%、30.64%、12.81%，堆沤预处理后秸秆中半纤维素、纤维素、木质素的降解率为22.10%、13.37%、11.71%。

图2-4 预处理前后木质纤维素含量变化图
2.4.4甲烷含量的分析
预处理后玉米秸秆沼气发酵过程中甲烷含量的变化如图所示。在沼气发酵过程中，呈现出先快速增加后趋于稳定的趋势。预处理后的玉米秸秆在沼气发酵过程中水平，在前15d甲烷含量一直快速增长。堆沤预处理后的玉米秸秆在沼气发酵过程中的甲烷含量最后维持在50%左右，但要高于未处理的玉米秸秆，说明玉米秸秆在预处理后的沼气发酵过程中的甲烷含量更高，堆沤预处理对提高玉米秸秆沼气发酵过程中的甲烷含量的效果较好。

图2-5 发酵过程中甲烷含量变化图
2.4.5玉米秸秆沼气发酵过程中日产气量的变化
从整体来看，在30d的沼气发酵过程中预处理组的日产气量变化规律基本一致，都经历的明显的产气高峰之后逐渐降低。试验均在第2d达到第1个产气高峰，但此时检测到气体中的主要成分为二氧化碳，甲烷含量处于较低水平。随后日产气量缓慢降低后又快速恢复增长，此过程中预处理组的料液几乎没有出现酸化现象，尽可能的减少了秸秆酸化对沼气发酵的影响，说明预处理过程能有效的缓解沼气发酵前期料液的酸化情况。数据表明预处理可以提高秸秆沼气发酵过程中的日产气量，还能缩短沼气发酵的发酵周期。在沼气发酵后期，日产气量处于相对稳定的状态，出现缓慢减少的趋势，这主要是发酵后期料液的物性比较稳定，有利于产甲烷菌的生长代谢，但随着营养物质的消耗日产气量逐渐降低。
图2-6 发酵过程中日产气量变化图

3 结 论
通过实验分析预处理过程中微生物生长量的变化、OD值的变化规律、预处理前后玉米秸秆各组分含量变化，发酵过程中甲烷含量的变化，以及日产气量的变化规律得到以下结论：
（1）预处理过程中物料中微生物生长量的变化，大致呈现了先升高后降低的趋势。在玉米秸秆复合菌预处理的过程中，物料中的OD值在发酵开始的前6d呈现快速增长的趋势，这是由于反应器为微生物提供了适宜的氧气浓度、温度、pH、营养物质等，适宜的生长环境促使微生物快速生长繁殖，OD值在第6d达到最大值0.37；随后出现减小的趋势，这是由于大量微生物的生长活动，产生了大量的生物代谢热，当产热量大于散热量时，就会产生热量积累，促使反应器中物料温度的升高，当达到一定温度时，高温就会抑制真菌的生长，使真菌进入休眠期，只有部分细菌、放线菌继续生长繁殖，OD值在第12d达到最小值0.12；随着菌体数量的降低，生物代谢热减少，导致整个反应器温度降低，降至一定温度时，真菌开始复苏，然后菌体数量再次进入小幅增长期。
（2）预处理前的玉米秸秆表面平整致密有规则，边缘部位有隆起，表面覆有一层光滑的蜡质层，这种结构致使微生物难以进入木质纤维素的内部结构，从而影响降解进程。堆沤预处理后的秸秆结构表面粗糙，并且部分结构表面出现大部分的脱落层，说明堆沤预处理能在一定程度上改变木质纤维素的结构；结构表面的出现许多碎屑残渣，并出现少许缝隙和孔洞，说明堆沤预处理过程中可以破坏秸秆表面致密的蜡质层，但其降解过程较慢。
（3）在沼气发酵过程中，呈现出先快速增加后趋于稳定的趋势。预处理后的玉米秸秆在沼气发酵过程中水平，在前15d甲烷含量一直快速增长，。堆沤预处理后的玉米秸秆在沼气发酵过程中的甲烷含量最后维持在50%左右，但要高于未处理的玉米秸秆，说明玉米秸秆在预处理后的沼气发酵过程中的甲烷含量更高，堆沤预处理对提高玉米秸秆沼气发酵过程中的甲烷含量的效果较好。
（4）玉米秸秆沼气发酵过程中日产气量的变化从整体来看，在30d的沼气发酵过程中预处理组的日产气量变化规律基本一致，都经历的明显的产气高峰之后逐渐降低。试验均在第2d达到第1个产气高峰，但此时检测到气体中的主要成分为二氧化碳，甲烷含量处于较低水平。随后日产气量缓慢降低后又快速恢复增长，此过程中预处理组的料液几乎没有出现酸化现象，尽可能的减少了秸秆酸化对沼气发酵的影响，说明预处理过程能有效的缓解沼气发酵前期料液的酸化情况。数据表明预处理可以提高秸秆沼气发酵过程中的日产气量，还能缩短沼气发酵的发酵周期。在沼气发酵后期，日产气量处于相对稳定的状态，出现缓慢减少的趋势，这主要是发酵后期料液的物性比较稳定，有利于产甲烷菌的生长代谢，但随着营养物质的消耗日产气量逐渐降低。

4 展 望
秸秆沼气工程可以将农村作物秸秆资源合理利用，不仅改善农村环境，同时可以提供农民高品质的清洁能源，因此得到全国广泛重视[17]。我国的秸秆沼气工程正在快速发展，向着规模化和标准化的方向前进，发展的趋势体现在以下方面:
产沼气的原料将从人畜粪污转向农作物秸秆，而且为了使秸秆沼气项目的原材料来源稳定，一定会加入一些生活垃圾等比较容易获得的可以替代的原料，以用来减弱秸秆原材料受季节性影响较大的弱点[18]；秸秆沼气工程将从农村地区扩展到城镇一些地区。城镇边缘是秸秆沼气工程是利用农村和城镇的有机垃圾，规模化的生产沼气的比较合理的地方。中国农村城镇化的快速进展使对能源产生相当大需求，而面对能源的紧缺，在城乡结合部区域构建以农作物秸秆沼气为核心的废弃物循环再利用的工程，将会改善和发展农村和乡镇循环经济[19]，为实现可再生能源的发展做出一定有力保障；重视高效和合理利用秸秆沼气的产品，由于能源紧缺问题日益严重，沼气的合理开发将会是今后的一个重点发展方向[20]；秸秆沼气工程的运营模方式将会越来越专业，中国是农业大国，农作物秸秆的产量相当庞大。发展秸秆沼气技术可以实现废弃物的妥善处理和能源化的有效利用。中国的秸秆沼气技术正处于开始阶段，且特点是工艺项目繁多、特点各异。因此应加大针对农作物秸秆产沼气的各方面研究和应用，为将来大力发展秸秆沼气提供理论和实践依据。
中国面临着经济迅速的发展，同时也面临着环境保护的巨大压力，因此要求农村兼顾经济和环境的两方面发展尤为重要，充分利用农作物秸秆制取沼气不仅可以获取高品质的清洁能源，而且还对环境保护有着不可忽视的作用，农作物秸秆产沼气必然成为中国沼气发展方向[21]，因此优化秸秆产沼气效率的工作也必将成为未来能源发展中的一个重点项目，对其的研究探索势在必行。

参考文献

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致 谢
时光如水，日月如梭，四年的大学生活即将结束。在四年的大学生活中，我有幸接触到了很多优秀的教师。生活中，他们待学生和蔼可亲;教学中，他们认真负责对待学生。在与他们的接触，我已经掌握了科学的学习，理解思维的基本途径，扩大了自己的视野，提高了自己各方面的能力。在完善自身的过程中得到了极大的帮助。
首先，谨向负责指导我毕业设计的焦有宙教授致以衷心的感谢。他严谨的治学态度、活跃的学术思想以及在生活中的乐观和大度，深深的吸引和感染着我，能够由他负责指导我的毕业设计我深感荣幸。同时，感谢刘圣勇、胡建军、李刚、王毅、贺超、黄黎、荆艳艳、青春耀、陶红歌、李攀攀等老师，感谢他们四年来在学习、生活、学生工作等各方面给予我的大力支持和帮助。四年来，我不仅从他们身上学到了很多宝贵的科学文化知识，更重要的是学到了很多道理和行动，这使我在今后的生活将持续一生。他们兢兢业业的工作精神，追求科学的态度激励着我，他们无私的知识传授给我在这里表示衷心的感谢他们。我要感谢在做这个给他们最诚挚的谢意毕业期间。我还要感谢我的同学们为他们的大学四年的生活，学习，生活，学生工作给了我很大的支持和帮助。最后，非常感谢含辛茹苦抚养我的家人和一直默默支持我的朋友们，感谢他们多年的关心，支持和鼓励。
最后再次向那些在论文中给予我无私帮助的老师和朋友们最诚挚的感谢！

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