文 献 综 述

一、实验背景

中国作为农业大国每年都产生多达7.2亿吨秸秆。许多被丢弃、直接焚烧：畜禽粪便年产生量也达20.1亿吨^【1】，许多未经处理排放，造成了严重的环境污染问题。利用厌氧发酵技术将有机废弃物转化为沼气，对于获取新型能源和控制农村面源污染都有积极意义。长期以来，秸秆一直扮演着农作物副产品的角色，其用途仅仅是烧火做饭、饲养牲畜、取暖和肥田等，还有一部分秸秆被随意丢弃或焚烧，造成了严重的危害。多年的实践表明，厌氧消化技术是实现农业有机废弃物无害化、减量化、资源化的重要途径。随着我过农村经济的快速发展和农民收入的提高，秸秆的传统利用方式正在发生转变，呈多元化趋势【2】。目前我国秸秆资源化利用技术主要有：秸秆饲料化技术、秸秆还田利用技术、秸秆固体成型技术、秸秆气化利用技术、秸秆液化技术、秸秆直燃发电技术、秸秆制取燃料乙醇技术以及秸秆制沼气技术等【3】。而秸秆存在一定季节性、降解率低、易出现漂浮分层结壳等问题。使纯秸秆发酵较难被接受^【4】。故沼气发酵原料是亟待解决的问题 而将粪便秸秆混合发酵可以有效地弥补单一原料发酵的弊端，同时还可解决沼气原料短缺的问题。由于农村养殖户的不断减少，以粪便为主的发酵原料出现了短缺^【5】，因此以秸秆为发酵原料的沼气是目前发展的主要方向，但秸秆沼气需经过预处理，不同的接种量对秸秆的产气量有着很大的影响^【6】。从木质纤维素回收生物质能的一个主要方法是通过不引起与环境直接竞争来减少温室气体排放和化石燃料的消耗。有几个过程是可能实现这一目标的。微生物厌氧消化产生的甲烷是一种最具吸引力的方法，典型的途径比如生物柴油和乙醇。众所周知,在该过程中生物聚合物转化为简单的化合物,最后成甲烷和二氧化碳通过不同类型的厌氧微生物的活动。迄今为止,已基本上被开发用于处理动物粪便、垃圾、污水污泥和能源作物^【7】。

玉米秸秆作为可再生能源物质，是厌氧消化产沼气的重要原料。将畜禽粪便与作物秸秆混合厌氧发酵制沼气^【8】，是解决当前厌氧发酵原料问题的主要手段^【9】，对农村能源产业的发展有着积极的作用^【10】。在我国农村推广秸秆厌氧发酵消化技术可以取得一下综合收益，首先他可以扩大燃料资源；其次他可以改变农村传统燃料的燃烧方式，提高热量的有效利用；再次经过沼气池的发酵，可以提高有机肥料的质量和肥效；最后它有利于环境卫生，改善生态平衡【11】。2003年国家实施沼气国债项目，大大加快了沼气建设的步伐。截止至2009年底，我国农村户用沼气达3050万户，各类农业废弃物处理沼气工程3.95万处，年产沼气约122亿立方米，可替代1851万吨标准煤，生产沼肥约3.85亿吨，每年可为农民增收节支150亿元【12】。但是因为玉米秸秆含有大量难降解的纤维素、木质素等，导致沼气发酵启动慢，产气率低。从上世纪70年代开始推广，户用沼气池秸秆利用逐渐慢慢消失。熊承永^【13】 等人分析了其原因，并以大量的调查数据说明，在当前生态农业建设的大好形势下，户用沼气池秸秆的再次利用将会重新启用。

如何加快玉米秸秆发酵速度，提高产气量和产气效率，是沼气生产中亟待解决的问题。黄枭^【14】 等人研究了不同预处理方式对沼气产气率的影响，认为玉米秸秆预处理后再人池发酵，可提高产气率，缩短启动时间。但是不同的投料方式，不同的投料浓度，在不同的温度环境下的沼气产气率，产气量的影响，还有待经一步研究。本文采用玉米秸秆发酵和常规粪便产沼气对比试验，旨在进一步了解玉米秸秆生产沼气的实际效果，探索玉米秸秆生产沼气的潜力，解决农村沼气发酵原料短缺问题，寻求一种最优化的使玉米秸秆快速发酵，产气率最大的参数，以便在农村沼气生产中推广应用，解决沼气生产中的问题。

玉米秸秆厌氧发酵产沼气的基本过程是指固态有机物经过发酵变为沼气的过程。发酵过程通常分为水解液化、产酸和产甲烷三个阶段，如图1-1所示^【15】。这三个阶段主要是依靠混合发酵细菌的作用，应用混合微生物的优势在于可以将大部分的产物如戊糖、己糖、挥发性产物甚至有时的抑制性混合物如糖醛和可溶性木质素混合物在一段时间转变转化为甲烷。