全 文 ：温度和化学预处理对玉米秸厌氧消化产气量的影响
庞云芝，李秀金，罗庆明!
（北京化工大学，北京!"""#$）
摘 要：提出通过中温消化和化学预处理相结合的方法提高玉米秸的厌氧消化产气量。研究了中温和常温条件
下，不同负荷率对玉米秸产气量的影响，以及经氢氧化钠、氨水与尿素处理后玉米秸主要成份的变化规律及其对产
气量的影响。结果显示，中温消化产气量比常温提高了!%$&#’!#(!&(’，消化时间减少了(!!)*；除尿素外，氢
氧化钠和氨处理都可不同程度地提高玉米秸的产气量；中温消化时，氢氧化钠处理玉米秸的产气量比未处理玉米
秸提高了++&"’，比常温消化的未处理玉米秸提高了#)%&)’。把中温消化和化学处理结合起来是提高玉米秸厌
氧消化效率和产气量的有效方法。
关键词：玉米秸；厌氧消化；温度；化学预处理；产气量
中图分类号：,%+，,+!# 文献标识码：- 文章编号：!)+#.%)+(（#""/）"!.""%+."/
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玉米是我国种植的主要农作物之一，玉米收获 过程中要产生大量的副产物———玉米秸秆，我国玉
! 收稿日期：#""/6"!6!"
基金项目：农业部可再生能源专项研究课题“作物秸秆中温发酵技术研究”（编号1"!"#"%）
作者简介：庞云芝（!$)/6），女，安徽淮北人，讲师，主要从事环保技术方面的研究工作。
联系人：李秀金，教授、博士生导师，Y()6!"6)ZZ#+%/)，T
#""/年#月
生 物 加 工 过 程
K895CFC[I4E5MNIJB9IPEILCFF\5@95CCE95@
]CQ&#""/
·%+·
万方数据
米秸年产生量约为!亿"。由于没有切实可行的处
理与利用技术，大量玉米秸秆转向露天焚烧，导致严
重的空气污染，并引发火灾和威胁交通运输的安全。
因此，研究适用的方法处理利用玉米秸秆，实现其资
源化利用和解决环境污染是非常急迫的［!］。
玉米秸秆的利用有多种途径，如作动物饲料、还
田作肥料、生产沼气、作建筑材料、燃料等。其中，以
玉米秸作原料，通过厌氧消化生产生物气体（#$%&
’()，俗称“沼气”）是一种有效的利用途径。通过厌
氧消化，可把玉米秸秆转化成甲烷气体，产生的沼渣
可用作有机肥料。这样，来自于作物的废弃物，最终
又返回到了土壤中，从而实现了废弃玉米秸的生态
循环，同时，又实现了能源化利用。
目前使用的厌氧消化原料大多以动物粪便为
主，一般都不会以作物秸秆为“主”原料来生产沼气。
主要原因是秸秆中的木质纤维素含量高，厌氧菌消
化困难，导致产气效率低、经济效益差。通过对玉米
秸进行预处理可提高厌氧消化性能，进而提高厌氧
消化效率和产气量。常见的预处理方法有物理、化
学和生物方法，如粉碎、气爆、酸解、氨化、真菌降解
等。*+,-.从//种担子菌中筛选出了降解木质素
最快的菌种!"#$%&’$()"&%*+,，经其预处理后，可明
显提高麦秸的产气量。0,%,(1-发现使用2(03作
为处理剂能够提高秸秆的饲料消化性能［/、4］。化学
预处理相对生物预处理有诸多优点，如处理时间短、
操作简单、管理容易等［5&6］。除了预处理外，通过提
高消化温度以提高生物降解效率和产气量是另一简
单有效的方法。已有的研究表明，厌氧菌有4个最
佳消化温度段，分别是/78、44!498和9/!99
8。较高的温度对应较高的厌氧消化效率。高温消
化（9/!998）需要外界供给能量维持消化反应，能
量的投入产出效益差，使用受到限制；常温消化不需
要外界供给能量，但受周围环境温度影响很大，消化
过程不稳定、消化效率低；中温消化既可维持较高的
消化温度和消化效率，又无需过多的外界热量的供
给，在实际中使用较多［:、;］。
本研究把温度和化学预处理结合在一起，研究
了常温和中温、不同化学处理对玉米秸厌氧消化性
能和产气量的影响，为玉米秸的能源化转化提供高
效的方法。
! 材料与方法
!厌氧消化实验装置由一个/=的锥形烧瓶、一
个!=的广口瓶和一个!=的烧杯组成。锥形烧瓶
作为厌氧消化反应器，广口瓶计量产生的生物气体
积，烧杯接纳从广口瓶排出的水。反应器中产生的
生物气通过乳胶管导入广口瓶液面上方，广口瓶内
水受产气压力的作用而被排入烧杯中，广口瓶排出
水的体积即是产生的生物气体的体积。玉米秸按
49、97和69’／=（反应器工作体积）的负荷率分别添
加到厌氧消化反应器中，每个反应器的工作体积皆
为!<9=。将进行中温消化的反应器（锥形烧瓶）置
于摇床内，温度设定在498；作常温消化的反应器
置于同样的摇床内，但温度不加控制。然后同时进
行厌氧消化对比实验。两个摇床的转速均保持在
!/7.／>$?。
厌氧消化菌种采用厌氧消化污泥。厌氧消化污
泥取自北京市高碑店污水处理厂的污泥厌氧消化装
置。该装置采用好氧生物处理产生的污泥进行厌氧
消化，产生的生物气用于发电。由于该装置已连续运
行多年，厌氧消化污泥已完全驯化，故本实验直接采
用其作为接种物。每个反应器的污泥接入量相同，皆
为每=9777>’*=@@，*=@@为污泥的悬浮固体浓
度。
!本实验采用氢氧化钠（2(03）、氨（234）和尿素
（A0（23/）/）为处理剂。将一定量的处理剂溶于水
中，然后把准备好的溶液与已粉碎的玉米秸充分混
合。混合料被分别加入到4组!=的烧杯中，每个烧
杯玉米秸的添加量均为977’（干重）。2(03、234和
A0（23/）/的添加量皆为玉米秸干物质质量的5B，不
同处理剂的添加量来自以前的研究结果，但作了一些
调整［5&6］。装好玉米秸的烧杯被覆盖上塑料薄膜，并
用橡皮筋密封好，然后置于室内，471后即可。化学
处理前、后，分别对玉米秸的主要成分进行分析。
!<4 采样和分析方法
记录上述所有厌氧消化实验每日的生物气产量，
计算相应的累积产气量，实验结束后进行干物质损失
等分析。用气相色谱仪分析生物气中甲烷的含量。
北京市农林科学院负责所有玉米秸成分的分析工作。
" 结果与讨论
//·4;· 生物加工过程 第4卷第!期
万方数据
常温条件下，!个负荷率的日产气量如图"所
示。为便于比较，所有日产气量和累积产气量皆以
反应器实际工作体积（"#$%）下的产气量计（全文
同）。消化开始后，!个负荷率!$、$&和’$(／%的
产气量增加缓慢，但在)周后迅速升高，并分别在第
)!、!"和!’*达峰值+’$、,-$和$&$.%。负荷率
越低，越早达到峰值，说明低负荷时玉米秸更容易被
消化，需要的消化时间也越短。但!者的峰值大小
不同，$&(／%负荷率在第!"*达到,-$.%的峰
值，比!$(／%和’$(／%的峰值分别高出了,&.%
和!-&.%。在达峰值后，!个负荷率的产气量都开
始下降，之后，又有所升高，直至产气基本停止。
!个负荷率下的累积产气量如图!所示。负荷
!$、$&和’$(／%的最终累积产气量分别是’-&&、
+-&&和-&&&.%。!$(／%负荷率低，所提供的食
料不足以供厌氧菌消化，所以，产气量较低。’$(／%
负荷率又显过高，高负荷除了难以被完全利用外，酸
化导致/0降低过多，从而导致对甲烷菌的抑制也
可能是另一重要原因。$&(／%负荷率获得了最高
的累积产气量，表明该负荷是最适宜的负荷。除了
产气量外，还对产气中甲烷的含量进行了分析。在
产气开始的最初几天，产气量很大，但主要是12)气
体（高达3&4以上），甲烷含量很低，因而，这几天的
产气并没有反映在图中。达正常产气时，在不同温
度和负荷率下，产气中甲烷的含量一直保持在$,4
!’!4之间，区别并不显著。因此，文中都基于产气
量来进行比较。
图" 常温未处理玉米秸厌氧消化日产气量（"#$%反应体积）
56(#" 7869:;6<(8=/><*?@A6
DBAAD./D>8A?>D
)#"#) 中温厌氧消化
中温条件下，!个负荷率!$、$&和’$(／%的日
产气量如图)所示。可以看出，中温厌氧消化的日
产气规律与常温条件下的类似。各产气量都经历了
先增加到第"峰值，然后逐渐下降，后又有升高，直
至产气基本停止的过程，并且，都经历了)!!个明
显的波峰。此外，!个负荷率达各峰值的时间和峰
值的大小也是不同的，负荷率!$、$&和’$(／%分别
在第"$、"+和)&*依次达到各自的第"个峰值)
&"$、"!,&和")3&.%。
图) 中温未处理玉米秸厌氧消化日产气量（"#$%反应体积）
56(#) 7869:;6<(8=/><*?@A6
.D=8A?>D
与常温消化明显不同的是，分别在相同负荷率
!$、$&和’$(／%下，中温消化的产气峰值明显提
高，而达峰值的时间却有所缩短，累积产气量显著增
加。其中，第"产气峰值分别高出")$&、$!$和+,$
.%，达峰值的时间分别缩短了,、"-和"’*。!个
负荷率在中温时的累积产气量分别是"$!"&、"$
-$$和"$)+&.%，比常温消化的累积产气量分别提
高了"!3#)4、"&,#34和),"#,4（图!）。说明中
温消化可大大提高厌氧消化效率，显著提高产气量。
尤其在高负荷时（’$(／%），提高效果最为明显，表明
中温条件下厌氧菌的消化能力明显增强。相对于其
他)个负荷率，$&(／%的负荷率获得了最高的累计
产气量，说明在中温条件下，该负荷率是比较适宜
的，这与常温条件下获得的结论相同。需要特别注
意的是，除了产气量明显提高外，消化时间的缩短在
实际生产中也具有重要的经济意义。消化时间短意
味着在相同时间内就可消化更多的玉米秸和生产更
多的沼气，而无需多余的投入，从而可明显提高反应
器的工作效率和经济性。
由于中温消化明显好于常温消化，并且$&(／%
的负荷率获得了最高的累计产气量，因此，在随后的
化学预处理试验（)#)节）中，都使用$&(／%的负荷
率进行中温消化。
)#) 化学预处理的影响
)&&$年)月 庞云芝等：温度和化学预处理对玉米秸厌氧消化产气量的影响 ·!3·
万方数据
!"!"# 主要组分的变化
经过$%&化学预处理后，玉米秸的主要组分发
生了明显变化，这是导致玉米秸厌氧消化效率提高
的主要原因。但对不同的化学处理剂，其主要组分
变化的程度有着明显的不同。相对于未经处理的玉
米秸，经氢氧化钠、氨和尿素处理后的玉米秸的木质
素、纤维素、半纤维素含量都有明显降低（表#）。其
中，经氢氧化钠处理过的玉米秸的木质素、纤维素和
半纤维素的百分比含量和损失率都是最大的，其含
量分别由原玉米秸的’"()、*$"’)和!+",)降低
到处理后的*"#)、!("*)和##",)，对应损失率
分别达-$"!)、*’"()和’’"’)。木质素是不为厌
氧菌生物降解的，纤维素和半纤维素也是相对难以
消化的，它们含量的降低有利于玉米秸厌氧消化效
率的提高。通过干物质损失可以推测，在氢氧化钠
处理过程中，木质素、纤维素和半纤维素被转化成了
某些其他物质组分了，至于这些物质组分的化学成
分为何尚不清楚。可以确定的是，如果化学处理后，
玉米秸的厌氧消化率发生了变化，则这种变化应与
这种化学成分的变化有关。这从随后的厌氧消化实
验得到了验证。
图$ 中温与常温消化条件下的产气量比较（#"-.反应体积）
/01"$ 23456708393:;<4<=6>0?@A03168573&<;>0393:<9>7@6>B
@&;3798>6=C6>64A0@9>69&4@835D0=0;>@45@76><7@
表# 化学处理前后玉米秸主要组份的变化（)）
E6A=@# 2D691@83:4609;345380>0396=;39>@9>869&&7F46>B
>@783:;3798>6=C6:>@7;D@40;6=57@>7@6>4@9>（)）
未处理
（含量）
氢氧化钠处理
（含量）（损失率）
氨处理
（含量）（损失率）
尿素处理
（含量）（损失率）
木质素 ’"( *"# -$"! ’"’ #$"( ’"# #,",
纤维素 *$"’ !("* *’"( $-"$ !+"# $’"# !$"(
半纤维素 !+", ##", ’’"’ !%"! $*"’ #,"# *%"!
总干物质
损失率
% !#"$ #%"% ,"#
!"!"! 生物气产量
经氢氧化钠、氨和尿素处理后，在中温（$-G）
条件下，对玉米秸进行厌氧消化试验，以比较不同化
学处理剂对玉米秸厌氧消化效率和气产量的影响。
根据!"#节的结论，试验皆采用-%1／.的负荷率进
行，反应器工作体积皆为#"-.，试验结果如图*所
示。
图* 中温条件下未处理与化学处理玉米秸产气量比较
（#"-.反应体积）
/01"* 23456708393:;<4<=6>0?@A03168573&<;>0393:<9>7@6>B
@&69&;D@40;6=F57@>7@6>@&;3798>6=C6>4@835D0=0;
>@45@76><7@
在上述相同试验条件下，未处理玉米秸和经氢
氧化钠、氨和尿素处理玉米秸的累积产气量分别为
#-!%%、!’(#%、,+(*4.和#+-,,4.。经氢氧化
钠和氨处理后，玉米秸的累积产气量都得到了提高。
其中，氢氧化钠的处理效果最好，其产气量比未处理
的玉米秸提高了++"%)，可见处理效果是非常明显
的。如果与常温条件下的未处理玉米秸相比，中温
条件下氢氧化钠处理玉米秸的产气量提高了
!’$"’)。因此，把中温消化和化学预处理结合在一
起，可显著提高玉米秸的厌氧消化效率和产气量。
同时，也发现，经尿素处理后，玉米秸产气量不仅没
有提高，反而有明显的降低。这说明，并非所有化学
处理都能提高产气量。在进行预处理时，选择合适
的化学处理试剂是非常重要的。
化学处理通过化学试剂对秸秆的碱化、氨化和
中和等作用，可改善秸秆可厌氧消化性质，为厌氧菌
提供“易消化”的“食料”。这些作用包括破坏木质素
与多糖之间的酯键结合，使纤维素、半纤维素与木质
素分离并发生部分分解；将不溶的木质素变成易溶
的羟基木质素；使秸秆的细胞壁呈现膨胀，结构变得
疏松，结晶纤维素变成无定型纤维素等。相关研究
已有不少报道，本研究主要通过测定木质素、纤维素
和半纤维素含量和干物质损失率来推测和验证试验
·*%· 生物加工过程 第$卷第#期
万方数据
结果。如前所述（表!），经氢氧化钠处理后的玉米
秸的木质素、纤维素和半纤维素的百分比含量和干
物质损失率都是最大的。说明，一方面，其较多的木
质素、纤维素和半纤维素含量的降低有利于玉米秸
厌氧消化效率的提高；另一方面，可以推测的是，在
氢氧化钠处理过程中，木质素、纤维素和半纤维素被
转化成了某些更易被厌氧菌利用的成分。尿素处理
玉米秸的产气量不升反降，可能与尿素处理过程中
产生的反应产物有关。也就是说，氢氧化钠处理产
生了易于厌氧菌消化的成分，而尿素处理可能产生
了更难以被厌氧菌消化的成分。
! 结 论
中温消化和化学预处理对玉米秸秆厌氧消化生
物气产量有显著影响。和常温相比，中温消化的产
气量提高了!"#$%&!%’!$’&，厌氧消化时间缩短
了’!!()。除尿素外，氢氧化钠和氨处理都可明显
提高生物气产量，其中氢氧化钠的效果最好。中温
消化时，氢氧化钠处理玉米秸的产气量比未处理玉
米秸提高了**$+&，比常温消化的未处理玉米秸提
高了%("$(&。把中温消化和化学处理结合起来是
提高玉米秸厌氧消化效率和产气量的有效方法。
参考文献：
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