李文哲，曹瀾，羅立娜，魏東輝，宋欣悅，公維佳

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

玉米秸稈好氧水解特性研究

李文哲1，曹瀾1，羅立娜1，魏東輝2，宋欣悅1，公維佳1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

秸稈木質(zhì)纖維素水解過程，影響秸稈沼氣制備速度。提高水解效率關(guān)鍵是破壞木質(zhì)素對纖維素和半纖維素屏蔽作用，而木質(zhì)素降解需有分子氧存在。因此，在秸稈厭氧發(fā)酵前好氧水解發(fā)酵秸稈有利于提高秸稈生物可降解性。為揭示玉米秸稈濕法好氧水解特性，在總固體濃度（TS）為10%，好氧水解溫度為35、38、41、44、47℃，好氧水解時間為8、16、24、32、40 h條件下濕法水解發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，濕法好氧水解能有效破壞玉米秸稈木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，獲得較高木質(zhì)素降解率，溫度44℃，時間經(jīng)歷8 h時木質(zhì)素即降解15.79%，是好氧水解40 h時總降解率49.5%。在此條件下，總有機(jī)物損失率僅為4%，經(jīng)過濕法好氧水解玉米秸稈TS產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量與未經(jīng)處理玉米秸稈相比分別提高28.4%和29%。

玉米秸稈；好氧水解；木質(zhì)素

李文哲,曹瀾,羅立娜,等.玉米秸稈好氧水解特性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(10):41-50.

Li Wenzhe,Cao Lan,Luo Lina,et al.Study on aerobic hydorlysis characteristic of corn straw[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):41-50.(in Chinese with English abstract)

以秸稈為原料厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是復(fù)雜生理生化過程，分為水解產(chǎn)酸發(fā)酵階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。其中水解是將非溶解性大分子有機(jī)物在胞外酶作用下分解為小分子有機(jī)物，為后續(xù)發(fā)酵細(xì)菌提供基質(zhì)[1]。玉米秸稈主要由木質(zhì)纖維素、總糖和蛋白質(zhì)等組成，其中木質(zhì)纖維素較難降解。木質(zhì)素在厭氧條件下完全不降解，阻礙胞外酶與纖維素、半纖維素接觸，水解產(chǎn)酸發(fā)酵階段緩慢[2]。因此如何在水解發(fā)酵階段最大限度破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，使胞外酶與纖維素及半纖維素充分接觸，是解決玉米秸稈高效厭氧發(fā)酵關(guān)鍵問題。

研究表明，木質(zhì)素在氧分子存在條件下，可被微生物降解利用[3]。為此，制備秸稈沼氣前常對秸稈作好氧處理。目前主要集中在干法好氧堆漚研究[4-6]。陳廣銀等對麥稈堆漚處理，發(fā)現(xiàn)堆肥預(yù)處理無法有效提高后期厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量，但好氧菌能更快降解大分子有機(jī)物，有效加快厭氧發(fā)酵啟動速率[7]。高白茹等發(fā)現(xiàn)，對秸稈堆漚處理，雖然有效破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，但也對纖維素，半纖維等有機(jī)物造成過度降解，降低秸稈總固體產(chǎn)氣量[8]。陳廣銀等研究溫度對秸稈堆漚處理影響發(fā)現(xiàn)，提高溫度可加快秸稈降解，但堆漚耗時過長，易造成局部溫度過高導(dǎo)致過度降解等問題[9]。

為解決秸稈堆漚處理過程中溫度不均，發(fā)酵時間過長，有機(jī)物過度降解等問題，本文提出濕法好氧水解。通過提高好氧水解發(fā)酵體系含水量，使發(fā)酵物料具有流動性，輔以攪拌促進(jìn)傳熱傳質(zhì)，使胞外水解酶與發(fā)酵底物充分接觸，提高水解速率，確保水解均勻并防止局部過度降解。為提高微生物活性，加快水解反應(yīng)進(jìn)程，適當(dāng)提高水解溫度，探討水解溫度、時間對玉米秸稈水解特性影響，優(yōu)化水解溫度和時間，為玉米秸稈快速降解及高效利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米（東農(nóng)253）秸稈來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地。接種物來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與動力實(shí)驗(yàn)室中試基地，即牛糞厭氧發(fā)酵經(jīng)產(chǎn)氣高峰后，將發(fā)酵料液作為接種物。原料及接種物性質(zhì)見表1。

1.2 方法

玉米秸稈濕法好氧水解試驗(yàn)流程如圖1所示。

表1 原料及接種物主要性質(zhì)Table 1Characteristics of inoculum and substrates

將自然風(fēng)干玉米秸稈粉碎，粉碎后玉米秸稈粒徑在20 mm以下，取90 g經(jīng)初步處理后玉米秸稈與960 g接種液混合，反應(yīng)容器內(nèi)干物質(zhì)濃度（TS）為10%，裝入作為水解反應(yīng)器2.5 L廣口瓶，并將其放入恒溫培養(yǎng)箱中試驗(yàn)。在前期研究中，稻桿在中溫35℃時降解效果較好[12-13]，但對玉米秸稈降解不夠理想，在預(yù)備試驗(yàn)中適當(dāng)提高溫度可加快玉米秸稈水解反應(yīng)進(jìn)程。為探討適合玉米秸稈水解溫度，本試驗(yàn)將水解溫度設(shè)定為35、38、41、44、47℃。試驗(yàn)分為A、B兩組：A組為好氧水解攪拌組，B組為好氧水解不攪拌組。好氧微生物臨界氧濃度為0.096～1.6 mg·L-1，發(fā)酵液中氧飽和濃度為8 mg·L-1[14]，本試驗(yàn)中供氧僅為好氧微生物臨界氧濃度而未達(dá)發(fā)酵液中飽和氧濃度。設(shè)定攪拌供氣時間間隔為1 h，時長為1 min，上下攪拌，攪拌速率為60 r·min-1，以便比較攪拌和不攪拌水解效果。在攪拌結(jié)束時，A組溶解氧濃度為2.50～3.06 mg·L-1，B組溶解氧濃度為0.51～1.02 mg·L-1，隨水解溫度提高，溶氧量呈下降趨勢。分別在水解8、16、24、32、40 h時取樣，分析水解后玉米秸稈組成成分和降解特性，篩選最優(yōu)水解溫度。在此溫度下，對玉米秸稈與接種液混合物料進(jìn)行8、16、24、32、40 h濕法好氧水解并輔以攪拌供氣，攪拌供氣時間間隔為1 h，時長為1 min。將水解后物料中溫厭氧發(fā)酵，并與z組對照試驗(yàn)，其中z組為直接厭氧發(fā)酵組。分析玉米秸稈厭氧發(fā)酵時產(chǎn)氣特性，探討最優(yōu)水解溫度下不同水解時間玉米秸稈產(chǎn)氣情況并確定最佳水解時

間。

圖1 好氧水解試驗(yàn)流程Fig.1Aerobic hydrolysis flow

1.3 測定指標(biāo)及方法

TS：采用烘箱烘干法，烘箱溫度為（105±5）℃；

VS：采用馬弗爐焚燒法，馬弗爐溫度為（550± 20）℃；

總碳：樣品經(jīng)烘干，粉碎后過100目篩用Vario?TOC測量；

總氮：樣品經(jīng)烘干，粉碎后于380℃消解爐中消解，消解后樣品用Kjeltec2300凱式定氮儀測定；

氨氮：將水解液離心后取上清液，Kjeltec 2300凱式定氮儀測定；

pH：Thermo Scientific pH計測定；

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素：樣品經(jīng)烘干，粉碎后過100目篩，用ANKOM 200i半自動纖維分析儀測定[15]；

木質(zhì)素、纖維素、半纖維素降解率按公式（1）（3）

式中，L%—木質(zhì)素降解率（%）；C%—纖維素降解率（%）；H%—半纖維素降解率（%）；Ash—好氧水解后固體殘渣中灰分含量（%）；TS—玉米秸稈中總固體含量（%）；m—玉米秸稈質(zhì)量（g）；mA—玉米秸稈中灰分質(zhì)量（g）；L1—玉米秸稈中木質(zhì)素含量（%）；L2—濕法好氧水解后固體殘渣中木質(zhì)素含量（%）；C1—玉米秸稈中纖維素含量（%）；C2—濕法好氧水解后固體殘渣中纖維素含量（%）；H1—玉米秸稈中半纖維素含量（%）；H2—濕法好氧水解后固體殘渣中半纖維素含量（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下玉米秸稈好氧水解pH變化

由于接種物相同，試驗(yàn)開始前反應(yīng)器內(nèi)初始pH均為7.66。各處理組在好氧水解過程中pH變化趨勢見圖2。由圖2可知，在好氧水解0～8 h時，A 35組和B 35組pH呈上升趨勢，A 47和B 47組pH呈下降趨勢，上述差異主要源自水解溫度和是否對反應(yīng)體系攪拌供氣。隨水解溫度升高，反應(yīng)體系內(nèi)水解產(chǎn)酸菌代謝加快，有機(jī)酸快速累積，反應(yīng)體系pH降低，而反應(yīng)溫度較低組分則有機(jī)酸累積較慢，且在產(chǎn)酸過程中同樣有NH4+-N生成，使

A 35組和B 35組pH不降反升。其中在好氧水解初期，好氧菌和兼性厭氧菌利用小分子有機(jī)物產(chǎn)酸，而攪拌供氣在一定程度上加劇好氧菌活性，使得A組反應(yīng)體系內(nèi)有機(jī)酸含量較B組有機(jī)酸含量高，導(dǎo)致在好氧水解8 h時，A組pH低于B組。

由圖2可知，各反應(yīng)體系pH 7.0～8.3。原因是玉米秸稈中粗蛋白在好氧水解過程中被蛋白酶分解為可直接被微生物利用短肽、氨基酸，氨基酸在氧參與下和氨基酸氧化酶作用下轉(zhuǎn)化為NH4+-N并釋放少量氨氣[16]，導(dǎo)致反應(yīng)體系中pH升高。大分子糖也被微生物利用，但因氧分子存在，厭氧菌無法進(jìn)行正常生理活動，好氧菌和兼性厭氧菌利用小分子有機(jī)物產(chǎn)酸，又促使反應(yīng)體系pH下降，反應(yīng)體系中有機(jī)酸和NH4-N達(dá)到動態(tài)平衡。

2.2 不同溫度下玉米秸稈好氧水解木質(zhì)纖維素變化

2.2.1 不同溫度下玉米秸稈好氧水解木質(zhì)素變化

圖3A、3B為攪拌和不攪拌組不同溫度下木質(zhì)素降解率。

由圖3A可知，隨溫度升高，木質(zhì)素降解速率加快，在44℃時木質(zhì)素降解速率最快，在47℃時木質(zhì)素降解速率明顯減慢。同時發(fā)現(xiàn)，44℃時，木質(zhì)素在0～8 h降解速率最快，降解率為15.79%，占44℃好氧水解40 h時總降解量49.5%。而在35和38℃溫度下初期（0～8 h）木質(zhì)素在降解速率較小，隨水解時間延長，木質(zhì)素降解速率小幅度提升，直到在該溫度下降解到一定數(shù)量后，木質(zhì)素降解速率降低。

比較圖3A、3B可知，攪拌供氣可加快木質(zhì)素降解速率，因?yàn)槟举|(zhì)素降解是氧化過程[17-20]，降解機(jī)理是水解液中氧分子與木質(zhì)素側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng)，Cα-Cβ鍵段裂，使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，反應(yīng)生成醛、醌等有機(jī)物。

2.2.2 不同溫度下玉米秸稈好氧水解纖維素變化

圖4A、4B為攪拌和不攪拌組在不同溫度下纖維素降解速率，可知隨溫度升高，纖維素降解加快，在41℃時纖維素降解速率最快，此溫度下木質(zhì)素降解率為8.7%，可見木質(zhì)素降解有破壞木質(zhì)素屏蔽作用，但由于參與降解木質(zhì)素與纖維素微生物不同，其獲得較大活性溫度不同。溫度持續(xù)升高，纖維素降解速率減慢。

圖2 不同溫度下好氧水解過程中pH變化Fig 2Changes of pH during aerobic hydrolysis at different temperature

圖3 好氧水解過程中木質(zhì)素降解率Fig.3Changes of lignin degradation during aerobic hydrolysis

圖4 好氧水解過程中纖維素降解率Fig.4Changes of cellulose degradation during aerobic hydrolysis

由圖4可知，在38～44℃溫度下，好氧水解0～8 h時，纖維素降解速率最快，隨著水解時間增加，纖維素酶代謝產(chǎn)物累積，在好氧環(huán)境中，代謝產(chǎn)物無法被厭氧菌利用，僅有少部分可被兼性厭氧菌利用，反應(yīng)體系達(dá)到代謝平衡，纖維素酶活性與反應(yīng)初始相比受一定程度抑制，纖維素降解速率略有下降。而在35和47℃溫度下，在初期（0～8 h）纖維素在降解速率較小，隨著水解時間延長，纖維素降解速率小幅度提升，直到在該溫度下降解到一定數(shù)量級后，木質(zhì)素降解速率降低。比較圖4A、4B可知，在纖維素降解率最大時，是否對反應(yīng)體系攪拌供氣，對纖維素的降解速率無顯著影響。當(dāng)反應(yīng)體系溫度升高或降低時，攪拌供氣可明顯提高纖維素降解速率，因?yàn)樵诤醚跛膺^程中，好氧菌活性高于兼性厭氧菌活性，在反應(yīng)體系溫度相對較低或較高時，對反應(yīng)體系攪拌供氣可增加水解液中溶氧量，提高好氧菌活性，提高反應(yīng)體系中酶含量，加快半纖維素降解。

2.2.3 不同溫度下玉米秸稈好氧水解半纖維素變化

圖5A、5B為攪拌和不攪拌組在不同溫度下半纖維素降解速率。

圖5 好氧水解過程中半纖維素降解率Fig.5Changes of hemicellulose degradation during aerobic hydrolysis

由圖5可知，隨溫度升高，半纖維素降解加快，在41℃時半纖維素降解速率最快，溫度持續(xù)升高，半纖維素降解速率減慢。因?yàn)榘肜w維素降解需多種酶協(xié)同作用，而不同酶獲得較大活性溫度也存在差異，在半纖維素降解過程中起較大作

用酶是內(nèi)切型半纖維素酶和外切型半纖維素酶。在好氧水解0～8 h時，半纖維素降解速率最快，隨水解時間增加，內(nèi)切型半纖維素酶代謝產(chǎn)物—低聚糖累積，伴隨低聚糖被外切型半纖維素酶水解代謝產(chǎn)物降解，反應(yīng)體系中達(dá)到代謝平衡，半纖維素酶活性與反應(yīng)初始相比受一定抑制，半纖維素降解速率略有下降。

比較圖5A、5B可知，攪拌供氣可一定程度加快半纖維素降解率，因?yàn)樵诤醚跛膺^程中，好氧菌活性高于兼性厭氧菌活性，對反應(yīng)體系攪拌供氣可增加水解液中溶氧量，提高好氧菌活性，提高反應(yīng)體系中酶含量，加快半纖維素降解。

綜上所述，濕法好氧水解玉米秸稈可有效破壞玉米秸稈中木質(zhì)纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素對纖維素和半纖維素屏蔽作用，將纖維素和半纖維素降解成其他大分子糖等，為后期厭氧發(fā)酵提供基質(zhì)。

2.3 不同溫度下玉米秸稈好氧水解VS降解率

圖6A、6B為攪拌和不攪拌組在不同溫度下有機(jī)物降解速率，由圖6可知，隨溫度升高，有機(jī)物降解速率加快，41℃時有機(jī)物損失速率最快。隨溫度持續(xù)升高，胞外水解酶活性受抑制，有機(jī)物降解速率減慢，反應(yīng)體系溢出氣體減少，有機(jī)物損失減少。

圖6 好氧水解過程中有機(jī)物含量變化Fig.6Changes of organic matter degradation during aerobic hydrolysis

以玉米秸稈在44℃時好氧水解情況為例，0～8 h時，木質(zhì)素降解率為15.79%，固體有機(jī)物損失率為0.65%；在8～16 h時，木質(zhì)素降解率為6.14%，固體有機(jī)物損失率為0.74%。在木質(zhì)素降解速率下降同時，固體有機(jī)物損失增高，這是因?yàn)樵?～8 h時，木質(zhì)素大量降解，木質(zhì)素對纖維素以及半纖維素屏蔽作用減弱，使胞外酶與纖維素和半纖維素接觸面增大，隨水解時間延長，有機(jī)物降解速率加快，同時，除木質(zhì)纖維素外總糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物不斷降解，導(dǎo)致總有機(jī)物損失增多。

比較圖6A、6B可知，攪拌供氣在一定程度上加快有機(jī)物損失，尤其在反應(yīng)體系中有機(jī)物降解速率較慢時，此現(xiàn)象明顯。

可見，玉米秸稈在44℃條件下濕法好氧水解8 h，可有效破壞玉米秸稈中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，控制水解后玉米秸稈中纖維素和半纖維及其他有機(jī)物降解情況，解決玉米秸稈在生物降解預(yù)處理時的過度降解問題。水解液中累積大量可溶性有機(jī)物，提高后期厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相啟動速度。

2.4 玉米秸稈好氧水解后發(fā)酵產(chǎn)氣

2.4.1 日產(chǎn)氣量

由圖4可知，在44℃時對玉米秸稈好氧水解并輔以攪拌處理對木質(zhì)素處理效果較好，為確定44℃時有效水解時間，在增加降解木質(zhì)素同時盡量減少有機(jī)物損失并提高TS產(chǎn)氣量，對44℃時好氧水解并輔以攪拌處理玉米秸稈厭氧發(fā)酵。不同好氧水解時間玉米秸稈厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量如圖7所示。從總體看，好氧水解8、16 h組日產(chǎn)氣量變化趨勢基本相同，在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程前期均呈先升后降趨勢，在產(chǎn)氣中期日產(chǎn)氣量緩慢下降，產(chǎn)氣后期日產(chǎn)氣量基本不變；好氧水解24、32、40 h組和z組即未經(jīng)好氧水解處理組，在厭氧發(fā)酵

前期日產(chǎn)氣量呈先降后升再降趨勢，在產(chǎn)氣中期日產(chǎn)氣量緩慢下降，產(chǎn)氣后期日產(chǎn)氣量基本不變。其中，z組是因玉米秸稈中含有未被水解蛋白質(zhì)、小分子糖等易于降有機(jī)物，在厭氧發(fā)酵前期日產(chǎn)氣量最高，并隨反應(yīng)進(jìn)程日產(chǎn)氣量迅速下降；而好氧水解24、32、40 h組厭氧發(fā)酵前期日產(chǎn)氣量相對較高則因較長好氧水解時間，為反應(yīng)體系提供較多易于被厭氧菌利用小分子有機(jī)物，如糖等。

從圖7可知，在厭氧發(fā)酵前7 d中，除第1天外，z組日產(chǎn)氣量均在好氧水解處理組日產(chǎn)氣量范圍內(nèi)波動且明顯高于32和40 h組，在產(chǎn)氣第7～12天好氧水解處理組日產(chǎn)氣量顯著高于z組，且在厭氧發(fā)酵15 d后，z組日產(chǎn)氣量仍處于偏低水平，說明好氧水解預(yù)處理可顯著提高玉米秸稈在厭氧發(fā)酵中、后期日產(chǎn)氣量，提高玉米秸稈在沼氣生產(chǎn)中利用率。

圖7 不同處理組玉米秸稈日產(chǎn)氣量曲線Fig.7Daily biogas production of different pretreatments

2.4.2 累積產(chǎn)氣量

不同處理組累積產(chǎn)氣量如圖8所示，由圖8可知，5組在厭氧發(fā)酵周期結(jié)束時累積產(chǎn)氣量順序?yàn)楹醚跛? h組＞16 h組＞24 h組＞32 h組＞z組＞40 h組，其中，好氧水解8 h組水解時間較短，玉米秸稈中總有機(jī)物損失率僅4%。

在發(fā)酵前期，好氧水解預(yù)處理組與z組累積產(chǎn)氣量差異不大，原因是好氧水解過程導(dǎo)致一部分半纖維素、纖維素和易于降解有機(jī)物損失。因此與z組相比，前期將會損失一部分可產(chǎn)氣有機(jī)物。隨厭氧發(fā)酵，易被降解有機(jī)物逐漸減少，各組累積產(chǎn)氣量差距逐漸增大，z組因無好氧水解過程，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)致密，微生物難以與纖維素和半纖維素接觸，產(chǎn)氣量下降，而好氧水解處理組因在好氧水解階段打破玉米秸稈中纖維素、半纖維素外部屏障—木質(zhì)素，纖維素和半纖維素和微生物充分接觸并被降解，使在厭氧反應(yīng)中、后期各組累積產(chǎn)氣量差距逐漸增大。其中，經(jīng)過好氧水解處理玉米秸稈雖會因木質(zhì)素降解而釋放出一部分纖維素和半纖維素，但隨著好氧水解時間延長，造成有機(jī)物過度損失，降低玉米秸稈累積產(chǎn)氣量，導(dǎo)致在一定好氧水解時間后，隨好氧水解時間延長，玉米秸稈累積產(chǎn)氣量下降并于好氧水解40 h時累積產(chǎn)氣量低于z組。

2.4.3 甲烷含量

甲烷含量決定沼氣熱值[22]。各組在厭氧發(fā)酵時日產(chǎn)氣量中甲烷含量見圖9。

由圖9可知，整個發(fā)酵過程中各組甲烷含量均先迅速增加，在第4～6天后甲烷含量增速降低并在第12～15天時達(dá)峰值，在15 d后，因無物料補(bǔ)充甲烷菌活性降低，各組甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始下

降，保持在50%～70%。其中，在前4天，除第1天外，z組甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高于好氧水解組，好氧水解40 h組甲烷含量最低；在第4天后，各組甲烷含量相差不大，好氧水解組甲烷含量稍高于z組，穩(wěn)定在60%～70%。說明好氧水解預(yù)處理可有效提高厭氧發(fā)酵中、后期甲烷含量。z組甲烷含量于第4天達(dá)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值，而好氧水解處理組則相對滯后，因前期好氧水解過程中，易被產(chǎn)甲烷菌利用小分子物質(zhì)先一步被好氧菌利用，使產(chǎn)甲烷發(fā)酵啟動延遲。在厭氧發(fā)酵中、后期，厭氧發(fā)酵反應(yīng)體系中因木質(zhì)素屏蔽作用而無法被甲烷菌利用，纖維素和木質(zhì)素通過好氧水解處理釋放出一部分，提高厭氧發(fā)酵反應(yīng)中可被利用有機(jī)物含量，從整體上提高玉米秸稈厭氧發(fā)酵

產(chǎn)甲烷效率。

圖8 不同處理組累積產(chǎn)氣量曲線Fig.8Cumulative biogas production of different treatments

圖9 不同處理組甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.9Methane concentrations of different treatments

由圖8和圖9可知，濕法好氧水解預(yù)處理可在提高玉米秸稈累積產(chǎn)氣量同時提高每日生產(chǎn)沼氣中甲烷含量，有效提高單位質(zhì)量玉米秸稈產(chǎn)甲烷量。

2.4.4 TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率

好氧水解預(yù)處理對玉米秸稈TS、VS產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷率影響如圖10所示。

圖10 不同處理組TS、VS產(chǎn)氣及產(chǎn)甲烷率Fig.10Biogas yield and methane yield of different treatments

由圖10可知，好氧水解8、16、24、32 h組TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率高于z組TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率，好氧水解40 h組因過度水解使其TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率低于z組TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率。其中，好氧水解組中TS、VS產(chǎn)氣率最高時刻為好氧水解8 h時，分別可達(dá)286.33、306.96 mL·g-1，比z組提高28.4%。因此，濕法好氧水解預(yù)處理可以顯著提高玉米秸稈利用率，提高單位質(zhì)量玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣氣體體積。

由圖10可知，好氧水解8、16、24、32 h組TS產(chǎn)甲烷率和VS產(chǎn)甲烷率高于z組，好氧水解40 h組因過度水解使其TS產(chǎn)甲烷率和VS產(chǎn)甲烷率低于z組。好氧水解組中TS、VS產(chǎn)甲烷率最高值產(chǎn)生于好氧水解8 h時，分別可達(dá)163.11、174.87 mL· g-1，比z組提高29%。因此，經(jīng)好氧水解處理玉米秸稈在厭氧發(fā)酵過程中可有效提高單質(zhì)量位玉米秸稈產(chǎn)能效率。

3 結(jié)論

好氧水解能夠有效破壞玉米秸稈木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，獲得較高木質(zhì)素降解率，在44℃時，木質(zhì)素降解速率最快，好氧水解8 h時木質(zhì)素降解率為15.79%，好氧水解40 h時總降解量49.5%。對反應(yīng)體系攪拌供氣可明顯減少玉米秸稈水解時間。

玉米秸稈濕法好氧水解8 h并輔以攪拌，可顯著提高玉米秸稈TS產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量，使其分別提高28.4%和29%，解決干法好氧水解玉米秸稈水解時間過長、有機(jī)物過度降解、產(chǎn)能低問題[23]，有效提高單位質(zhì)量玉米秸稈累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量。

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Study on aerobic hydorlysis characteristic of corn straw

LI Wenzhe1,CAOLan1,LUO Lina1,WEI Donghui2,SONG Xinyue1,GONG Weijia1(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Electrical and Information Engineering, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

The limiting step on pretreatment of straw biogas was lignocellulose hydrolysis.The main factor of hindering hydrolysis was destroy the shielding function of lignocellulose effect on the cellulose and hemicellulose,and the degradation of lignin must oxygen condition.Therefore,in order to improve corn stalk biocompatibility,it needed to aerobic hydrolysis preprocessing before anaerobic fermentation to corn straw. In this paper,aerobic hydrolysis and anaerobic fermentation experiment with the reaction system TS as 10%; aerobic hydrolysis temperature was 35,38,41,44,47℃;aerobic hydrolysis time was 8,16,24,32,40 h. The results showed that lignocellulose structure of corn straw is damaged by aerobic hydrolysis,the degradation rate of the lignocellulose was higher.In the aerobic hydrolysis temperature was 44℃,aerobic hydrolysis time was 8 h conditions that lignin degradation by 15.79%,account for 49.5%of aerobic hydrolysis 40 h.Under the optimum conditions,loss of the total organic compounds was only 4%.The highest biogas yield and methane yield of TS increased by 28.4%and 29%,than the anaerobic fermentation without any aerobic hydrolysis pretreatment.

corn straw;aerobic hydrolysis;lignocellulose

TK6；S216.4

A

1005-9369（2016）10-0041-10

時間2016-10-28 8:22:03[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161028.0822.004.html

2016-06-14

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目（2014BAD02B04）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動基金（2012RCB72）；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（2013RFQXJ094）

李文哲（1955-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源生產(chǎn)與利用技術(shù)。E-mail：liwenzhe9@163.com