玉米秸秆干发酵制取沼气的试验研究

牛粪 秸秆 厌氧发酵

沈阳农业大学

硕士学位论文

玉米秸秆干发酵制取沼气的试验研究

姓名：边义

申请学位级别：硕士

专业：农业生物环境与能源工程

指导教师：刘庆玉

20070601

牛粪 秸秆 厌氧发酵

沈阳农业大学硕士学位论文

摘要

我国农作物秸秆年产量有６亿ｔ左右，其中有约３０％未被有效利用，它们大多被露天焚烧，造成大气污染和资源浪费。通过厌氧消化方法可把秸秆转化为可燃的生物气体，实现资源利用和污染治理的双重目的。

本课题对玉米秸秆厌氧生物气化技术进行了试验研究。

ｌ、采用绿秸灵、酵素菌、石灰水、速腐剂这四种复合菌剂对玉米秸秆先进行预处理。四种复合菌剂分别做一个对比试验，即共八组预处理玉米秸秆试验。玉米秸秆的预处理过程是将玉米秸秆在好氧的条件下高温进行堆沤，堆沤的温度设置为５５℃。预处理的好坏直接影响到秸秆的发酵程度，因此，堆沤时要保持其温度不低于５０℃，一般堆沤５天。预处理后，将玉米秸秆再进行厌氧发酵。试验中，厌氧发酵的条件为：发酵浓度为２０９６；中温发酵为３７℃；ｐＨ值为７．０；碳氮比调节为３０：１：原料重量为ｌＯＯｇ．Ｌ一；原料粒径为ｌ～２砌；接种物为５０％。

试验中，要保持整个发酵为干发酵，即干物质浓度在整个发酵原料的２０％。每天计量沼气的产量，并对其木质纤维素进行系统的研究。试验结果表明：（１）在同一试验条件下，四种试样预处理后产气效果不同。采用酵素菌对玉米秸秆预处理后，试样发酵制取沼气的量最高，达到３８９６０．７ｍＬ。采用绿秸灵、速腐剂对玉米秸秆预处理后，试样发酵制取沼气的量也比较好，而石灰水则次之。（２）在实验室条件下，四种试样预处理后木质纤维素的降解率不同。采用酵素菌对玉米秸秆预处理后到发酵结束，试样中木质纤维素的降解率最高，达到５６．９％，其它则次之。（３）不同的预处理方法，其木质纤维素降解会对其厌氧发酵产气产生影响，木质纤维素的降解与制取沼气产量有一定的关系。在本试验中，木质纤维素降解率越大，沼气产量也越多。

２、采用白腐菌对玉米秸秆进行预处理，评价其对木质纤维素降解菌株的能力。试验结果表明：（１）在所选择的８株白腐真菌中，除菌株Ｐｓ。是白色粉孢子外，其它都为白色菌丝体。对比其它７株白腐菌株，菌株ｃｖ２在琼脂斜面马铃薯液体摇瓶液和玉米秸秆基质上具有生长优势。（２）在马铃薯液体和玉米秸秆固体基质中分泌漆酶能力强，且能分泌一定量的纤维素酶和半纤维素酶。菌株Ｐｓ：在这些基质上生长的最差，在马铃薯液体和玉米秸秆固体基质中没有分泌漆酶。

３、采用白腐菌对玉米秸秆制取沼气工艺进行研究，试验结果表明：（１）在同一试验条件下，不同白腐菌处理后产气效果不同。经Ｃｖ。处理后原料发酵制取沼气的量最高，

牛粪 秸秆 厌氧发酵

摘要

达到４２１８７ＩＩｌＬ（按６０天计），产气率是７０３．１ｍＬ／ｄ，其次依次为Ｂａ。、Ｐｃ。、Ｐｓ：。（２）在实验室条件下，不同白腐菌处理后木质纤维素的降解率不同。经Ｃｖ．处理后的纤维素降解率最高，其次依次为Ｃｖ：、Ｂａ２、Ｐｃ．、Ｂａ。、Ｐｃ２、Ｐｓ。、Ｐｓ２。

以上试验结论可为玉米秸秆的大规模生物气化提供一定的设计依据。

关键词：预处理；玉米秸秆；干发酵；复合菌剂；白腐菌ＩＩ

牛粪 秸秆 厌氧发酵

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ０．６ｂｉｌｌｉｏｎ

Ｏ．１ｂｉｌｌｉｏｎｔｏｎｓｔｏｎｓｏｆｃｒｏｐｗａｓｔｅｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎＣｈｉｎａａｎｎｕａｌｌｙ，ｏｆｗｈｉｃｈｉｓｏｎｅｏｆｃｏｒｎｓｔａｌｋ．Ｏｐｅｎ－ｆｉｅｌｄｂｕｒｎｉｎｇｉｓｏｆｍａｉｎｅｏｍｓｔａｌｋｄｉｓｐｏｓａｌｍｅｔｈｏｄｓ．ｃａｕｓｉｎｇｇｒｅａｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄｓａｆｅｃｏｎｃｅｒｎｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｆｉｎｄ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓｆｏｒｃｏｍｓｔａｌｋｄｉｓｐｏｓａｌａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎａｗａｙｔｈａｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｓ

Ｕｓｉｎｇｍｉｎｉｍｉｚｅｄ．ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．ｔｏｃｏｎｖｅｒｔｃｏｒｎｓｔａｌｋｔｏｂｉｏｇａｓｉｓＯｉｌｅｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓｆｏｒｃｏｒｎｓｔａｌｋ

１、Ｕｓｉｎｇｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒａｗｓｐｉｒｉｔ，ｔｈｅｅｎｚｙｍｅｆｕｎｇｕｓ，ｔｈｅｌｉｍｅｗａｔｅｒ，ｔｈｅｆａｓｔｓｐｏｉｌｅｄ

ｏｎｍｅｄｉｃｉｎａｌｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｈｅｓｅｆｏｕｒｋｉｎｄｓ

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ｐｅｒｆｏｒｍａｔｈｅｃｏｍｓｔｒａｗｓｔａｌｋ．Ｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｐｏｕｎｄｍｉｃｒｏｂｉａｌｉｎｏｃｕｌｕｍｓｃｏｎｔｒａｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｎａｍｅｌｙ

ＣＯｒｎｔｈｅａｌｔｏｇｅｔｈｅｒｅｉｇｈｔｐｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｇｒｏｕｐｓｔｈｅｉｓｔｈｅｈｉｇｈｃｏｒｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ

ｏｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｒｒｉｅｓｔｈｅｃｏｍｓｔｒａｗｓｔａｌｋｕｎｄｅｒｔｈｅｇｏｏｄｏｘｙｇｅｎ

ａｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｐｉｌｅｓｔｈｅｂｕｂｂｌｅｓ，ｐｉｌｅｓｔｈｅｂｕｂｂｌｅｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ

ｄｉｒｅｃｔｌｙｔｈｅｓｔｒａｗｓｔａｌｋｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ５５。Ｃ，Ｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｑｕａｌｉｔｙａｆｆｅｃｔｓｄｅｇｒｅｅ，Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｐｉｌｅｓｗｈｅｎｔｈｅｂｕｂｂｌｅｓｍｕｓｔｍａｉｎｔａｉｎ

ｃｏｒｎｓｔｒａｗ－ｓｔａｌｋｔｉｒｅｓｔｏｉｔｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎｏｔｌｏｗｌｙ５０＂Ｃ，５ｄａｙｓ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ

ｃａｒｒｙｏｎｔｈｅｏｘｙｇｅｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｘｙｇｅｎｆｅｒｍｅｎｔｓｉｓ：

ｉｓ２０％，ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ３７＂（２，ｐＨｉｓ７．０，Ｃａｒｂｏｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ

ｎｉｔｒｏｇｅｎｒａｔｉｏｉｓ３０：ｌ，ｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｉｓ１００９，ｓｉｚｅｏｆｔｈｅｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｉｓｌ～２ｍｍ，ｔｈｅｉｎｏｃｕｌｕｍｉｓ５０％．Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｔｍｕｓｔｍａｉｎｔａｉｎｅｎｔｉｒｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｏｄｏｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｔｈｅｄｒｙｍａｔｔｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｆｅｒｍｅｎｔｅｄｒａｗ

Ｏｉｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓ２０％．Ｅｖｅｒｙｄａｙｉｔｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｉｔｔａｆｆｉｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｉｔｓ

ｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｆｏｕｒｋｉｎｄｓｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｅｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ：（１）Ｕｎｄｅｒｔｈｅｉｄｅｎｔｉｃａｌ

ｏｆｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｆｔｅｒ－ｂｉｒｔｈｗａｓｍａｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｅｎｚｙｍｅｆｕｎｇｕｓａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｒｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔａｋｅｓｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｔｏｂｅ

ｆａｓｔｈｉｇｈｅｓｔ，ａｔａｂｏｕｔ３８９６０．７ｍＬ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒａｗｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓｐｏｉｌｅｄｔｏｔｈｅｃｏｒｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｍｅｄｉｃｉｎａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔａｋｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈａｎｅ’Ｓｑｕａｎｔｉｔｙｉｓａｌｓｏｇｏｏｄ，ｂｕｔｔｈｅｌｉｍｅｗａｔｅｒｉｓｉｎ

牛粪 秸秆 厌氧发酵

Ａｂｓｔｒａｅｔ

ｎｅｘｔ．（２）Ｕｎｄｅｒｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｔｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｆｒｏｍｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｆｉｎｉｓｈｔｈｅｃｏｍｓｔｒａｗｓｔａｌｋｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｏｆｔｈｅｅｎｚｙｍｅｆｕｎｇｕｓｉｎｔｈｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｗｈｉｃｈｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｈｉｇｈｅｓｔ，ａｂｏｕｔ５６．９％．ａｎｏｔｈｅｒｉｓｎｅｘｔ．（３）Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｓｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｒａｄｅｓｈａｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｗｈｉｃｈｃａｎｔｉｒｅｏｆｔｈｅｏｘｙｇｅｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｐｒｏｄｕｃｅｔｈｅｇａｓ，ｔｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｏｕｔｐｕｔｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｆｔｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｒａｄｅｓｒａｔｅｉｓｂｉｇｇｅｒ，ｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｏｕｔｐｕｔａｒｅａｌｓｏｍｏｒｅ．、

２、Ｔｈｅｗｈｉｔｅ—ｒｏｔｆｕｎｇｕｓｗｈｉｃｈｃａｒｒｉｅｓｏｎｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｏｔｈｅｃｏｒｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋ，ａｐｐｒａｉｓｅｓｉｔｔｏｔｈｅｌｉｇｎｏｅｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｔｒａｉｎａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ：（Ｄｉｎｔｈｅ８ｍｗｈｉｔｅ－ｒｏｔｆｕｎｇｕｓ，Ｐｓ２ｉｓｔｈｅｗｈｉｔｅｐｏｗｄｅｒｓｐｏｒｅ，ｔｈｅｏｔｈｅｒｓａｒｅｍｙｃｅｌｉｕｍ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｏｔｈｅｒ７ｔｈｗｈｉｔｅ—ｒｏｔｆｕｎｇｕｓ，ｔｈｅＣｖ２ｈａｓｔｈｅｇｒｏｗｔｈｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｉｎｔｈｅａｇａｒ－ａｇａｒｉｎｃｌｉｎｅｐｏｔａｔｏｌｉｑｕｉｄｒｏｃｋｅｒｆｌｕｉｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｒｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｍａｔｒｉｘ．（２）Ｉｔｓｅｃｒｅｔｅｓｌａｃｃａｓｅａｂｉｌｉｔｙｓｔｒｏｎｇｌｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｔａｔｏｌｉｑｕｉｄａｎｄｔｈｅｃｏｉｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｓｏｌｉｄｍａｔｒｉｘ，ａｌｓｏｉｔＣａｎｓｅｃｒｅｔｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｅｅｌｌｕｌａｓｅａｎｄｈａｌｆｅｅｌｌｕｌａｓｏ．Ｐｓ２ｉＳｎｅｘｔ，ｔｈｅｒｅａｒｅｎｏｔｓｅｃｒｅｔｅｄｌａｃｃａｓｅｓｉｎｔｈｅｐｏｔａｔｏｌｉｑｕｉｄａｎｄｔｈｅｃｏｉｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｓｏｌｉｄｍａｔｒｉｘ．

３、Ｔｈｅｗｈｉｔｅ—ｒｏｔｆｕｎｇｕｓｔａｋｅｓｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｃｒａｆｔｔｏｔｈｅＣＯｉｎｓｔｒａｗｓｔａｌｋｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｎｄｕｃｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ：（１）Ｕｎｄｅｒｔｈｅｉｄｅｎｔｉｃａｌｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｈｉｔｅ—ｒｏｔｆｕｎｇｕｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｆｔｅｒ－ｂｉｒｔｈｗａｓｍａｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔ．ＲａｗｍａｔｅｒｉａｌｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔａｋｅｓｔｈｅｍｅｔｈａｎｅａｆｔｅｒｔｈｅＣｖｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｔｏｂｅｈｉｇｈｅｓｔ，ａｂｏｕｔ４２１８７ｍＬ（ｂｙ６０ｄａｙｓ），ｔｈｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｉｓ７０３．１ｍＬ／ｄ，Ｂａ２、Ｐｃ卜Ｐｓ２ｉｓｎｅｘｔ．（２）Ｕｎｄｅｒｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ眦ａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｈｉｔｅ－ｒｏｔｆｕｎｇｕｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．ＴｈｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｔｅａｆｔｅｒＣｖｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｔｈｅｈｉｇｅｓｔ，ｔｈｅｎｅｘｔｉｎｔｕｒｎｉｓＣｖ２、Ｂ巩，Ｐｃｌ、Ｂａｌ、Ｐｃ２、ＰｓＬ、Ｐｓ２。

Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｕｓｅｆｕｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅａｎａｅｒｏｂｉｃ

ｄｉｇｅｓｔｉｏｎｆｏｒｃｏｌａｓｔａｌｋｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆｏｒｂｉｏｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｃｏｒｎｓｔａｌｋ；ｄｒｙｆｅｒｍｅｎｔｅｄ；ｃｏｍｐｏｕｎｄｍｉｃｒｏｂｉａｌｉｎｏｃｕｌｕｍ；

ｔｈｅｗｈｉｔｅ－ｒｏｔｆｕｎｇｕｓ

牛粪 秸秆 厌氧发酵

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：边义时间：２００７年∥月／伊

关于论文使用授权的说明

本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。

（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）

研究生签名：激

导师签名：刁翌电私时问：矽叼年多月舻日时间：～７年，月形日

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第一章绪论

１．１秸秆资源及利用现状

１．１．１秸秆的资源及分布

我国是农业大国，每年产生秸秆６亿吨，相当于３．０８亿吨标准煤的能量（张承龙，２００２）。近年来，随着国民经济发展水平的提高，秸秆就地焚烧现象日趋严重，焚烧后产生的烟雾已成为一大社会公害。因此，综合利用秸秆的问题倍受人们的关注。

２００１年我国农作物秸秆产量见表卜１（苏亚欣等，２００６）。

囊ｉ－Ｉ２００１年我国主要农作物秸轩产量

Ｔａｂ．１ ＩＴｏｎｎａｇｅｎｆｓｔｒｎｗｂｙｃｒｏｐｃａｔｅｇｏｒｉｅｓｉｎＣｈｉｎａｉｎ２００１

从表１．１可以看出，我国农作物秸秆的产量达６亿ｔ，秸秆资源以稻谷、小麦、玉米为主，分别占１１０６３．２万ｔ、１２８２３．１万ｔ、２２８１７．６万ｔ，占我国秸秆总资源的７８．３％。

我国农作物种植生态区多样而复杂，东西海拔差距悬殊，南北温差大，季节及气候早晚差异大。秸秆产量最大的是玉米秸秆，约占秸秆总产量的３８．２５％，主要分布于东北和华北（如河北、内蒙古等）地区的各省份及华东（如山东）和中南（如河南）的部分省份；其次为小麦秸秆，约占秸秆总产量的２１．５０％，主要分布于华东（如山东、江苏、安徽）和中南（如河南）及华北（如河北）等地区；稻谷秸秆的产量占农作物秸秆总产量的第三位，约占１８．５５％，主要分布于中南（如湖南、湖北、广东、广西）和华东地区（如江苏、江西、浙江和安徽等）及西南的部分省份（如四川等）；另外，北方地区四季温差大，适合豆类、

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绪论

薯类等农作物的生长，豆类约占秸秆总产量的５．１６％，薯类约占秸秆总产量的２．９９％；南方地区水域多，气温高，适合甘蔗、油料等农作物的生长，甘蔗约占秸秆总产量的１．２７％，油料约占秸秆总产量的９．６１％；棉花产地近年来逐步集中在新疆和西北地区，棉花约占秸秆总产量的２．６５％。根据我国的国情，随着种植业结构的调整，经济作物秸秆的产量占总秸秆产量的比例将有所加大。

１．１．２秸秆的组成

秸秆的化学组成中，纤维素、半纤维素和木质素的含量最高，三种组分的总和约占秸秆总重量的８０％，其中纤维素含量一般为３０－３５％，半纤维素含量一般为２５—３０％，木质素的含量一般为１０％左右（杨雪霞，２００２）。除以上三大类组分外，秸秆中还含有蛋白质、脂类、灰分、水分、果胶、低分子的碳水化合物等。其中，秸秆的灰分含量在５％左右（稻谷的灰分含量最高达１５％），灰分中大部分为二氧化硅；秸秆的粗蛋白含量低，一般在２－８％之间；脂类物质占秸秆重量的１－２％。秸秆成熟后，其中的维生素差不多全被破坏，因此，秸秆中很少含有维生素。

玉米秸秆的皮分为两部分：最外层为皮层，主要是表皮细胞；内层为皮下纤维层，主要含纤维素。因此，去除玉米秸秆皮部的外层，势必可以大大提高其纤维含量，为纤维素的应用提供基础。玉米秸秆的芯部主要是大量被薄壁细胞包围的维管束，因此，芯部的半纤维素、纤维素和木质素的相对含量均较高，同时大量薄壁细胞的存在使芯部结构疏松，具有很强的吸水性。玉米秸秆的叶部的表皮含有大量的硅细胞，因此，灰分含量很多，并且玉米秸秆的叶部的纤维素含量相对较低。

１．１．３秸秆的利用现状。

秸秆年产量约占生物质年产量的一半以上，是一巨大的可再生资源，然而我国的秸秆利用率只占发达国家利用率的３５％（唐卫军等，２００３）。根据我国具体国情，目前我国秸秆利用方式主要有以下几种途径。

（１）秸秆有机肥料化技术

我国农业发展历史上应用有机肥的传统最简单和原始的方法是秸秆直接还田技术。秸秆还田是秸秆利用的主要方法之一，由于其简单易行，农民大多采用这种方法。秸秆还田后，土壤中氮、磷、钾养分都有所增加，对改善土壤结构有重要作用，秸秆覆盖还田和翻压还田对土壤有良好的保墒作用并抑制杂草生长。实践证明，秸秆还田能有效的增加土壤中的有机质含量、改善土壤、培养肥力，特别是解决我国氮、磷、钾比例失调

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的矛盾，补充磷、钾化肥不足有十分重要的意义，此外还可以改善农村的生态环境。秸秆用于直接还田可以获得良好的社会、经济效益。

我国国情是人均占有耕地面积小，机械化程度低，耕地复种指数高，倒茬时间短，加之秸秆碳氮比高，给秸秆还田带来困难。常常会因为秸秆的翻压量过大、土壤水分不够、施氮肥不够、翻压质量不好等原因，出现妨碍耕作、影响出苗、烧苗、病虫害增加等现象，严重的还会造成减产（王树红等，２００１）。

（２）秸秆饲料化技术

随着生产的发展，人民生活水平的提高，人们要求有更多的动物肉类食品，而畜牧业的发展又受饲料的限制。我国的人均平均粮食产量相对较低，因此必须扩大饲料来源，开发新的饲料资源，提高饲料质量和饲料效率。作物秸秆经过适当的处理可以提高其营养价值和消化性。李日强等利用能够降解纤维素和木质素的菌种对玉米秸秆粉和白酒糟进行了发酵处理（李日强等，２００２）。结果表明，经发酵处理后的玉米秸秆粉和白酒糟

、

蛋白含量有了明显提高，并具有较高的纤维素酶、半纤维素酶及淀粉酶活性，因而可作为蛋白饲料加以利用。

（３）秸秆作为生产原料技术

秸秆作为生产原料较多的应用于造纸和编织行业。这一技术现在分两类；一是板材化技术，即主要以农作物秸秆为原料，将秸秆经过破碎重组、单元重组、整株重组等物理方法通过添加胶黏剂将秸秆制成不同形状的板材或型材，如建筑用的纤维板、压模板、包装板等，其密度、强度并不比木板低，可以节约大量木材，提高资源利用率；二是吸附材料技术，即通过组分分离，分别利用原料的纤维素、半纤维素和木质素，生产性能较好的吸附材料。

（４）秸秆生物基化工产品技术

利用生物质（如秸秆等）生产化工原料是目前发展潜力较大的行业之一。目前通过生物技术可以得到乙醇、丙酮、丁酸、Ｌ乳酸等化工原料，通过热解技术可以合成甲醇、ＣＯ、Ｃ０２、Ｈ２、ＣＨ４及饱和或不饱和烃类化合物，通过化学反应可以得到改性纤维素（如羧甲基纤维素等）。但现在的技术存在目标产物浓度低、产物复杂、分离困难等缺点，需要进一步的研究。

（５）秸秆燃料化技术

生物质能是可再生能源，作物秸秆是整个生物质能的主要组成部分，是重要的生物３

牛粪 秸秆 厌氧发酵

绪论

质能资源之一。利用新技术把作物秸秆转换成高效、洁净、方便的高品位能源，既可缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量，同时又可解决秸秆的出路问题、减少其对环境的不利影响。秸秆生物转化燃料的方式有沼气发酵和乙醇发酵等多种形式（刘国喜，庄新姝，１９９９），如秸秆制炭技术、秸秆制酒精技术、秸秆热解气化技术、秸秆厌氧消化产甲烷技术。

１．２秸秆降解制取沼气的厌氧发酵概况

１．２．１厌氧干发酵概况

厌氧发酵技术同时具有能源和环保效益，因此得到许多学者广泛而深入的研究。厌氧发酵又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物共同作用使有机物分解生成甲烷和二氧化碳的过程。厌氧发酵过程受大量的细菌、原生动物以及真菌的调控，反应机理复杂，如果不对反应过程各参数进行严格控制，因此，存在转化率低，甲烷含量不高等问题。

干法发酵是指以固体有机废弃物为原料（其中总固体含量在２０％以上），进行厌氧发酵的一种工艺。干发酵的主要优点是节约用水，节省管理沼气池所需的工时，池容产气率较高，可缩小池体积等（曲静霞等，１９９７）。干发酵物料中总固体含量较高，在发酵过程中容易产生过量的有机酸，引起发酵物料的酸化，导致ｐＨ值下降，从而停止产生甲烷。发酵物料的酸化是大量有机酸积累的结果，其实质是发酵性细菌将可溶性物质（如可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸等）分解转化为乙酸、丙酸、丁酸等的反应，与甲烷菌利用这些酸的反应的平衡被破坏，即产生酸量大于被利用的有机酸的量，因而造成发酵物料的酸化。为了防止酸化现象的产生，常用的方法有：（ａ）加大接种物用量，使

（ｂ）将原酸化与甲烷化速度能尽快达到平衡，一般接种物用量为原料的１／３～ｌ／２；

料进行堆沤，使易于分解产酸的有机物在好氧的条件下分解掉一大部分，同时降低了碳氮比；（ｃ）原料中加入１～２％的石灰水，以中和所产生的有机酸。所以，干发酵工艺技术的关键是ｐＨ值的控制，即维持产酸和用酸的平衡。经过几个月的试验证明，本试验完全能够做到这一点。沼气干发酵由于其发酵原料的干物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题，是沼气干发酵的技术难点，对此国内外都进行了深入的研究。

１．２．２沼气的发酵概况

沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷，其次是二氧化碳，４

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此外还有少量的其他气体，如硫化氢、氮气、水蒸气、一氧化碳等。沼气的性质由组成它的气体性质及相对含量而决定，其中以甲烷和二氧化碳对沼气性质影响最大。

沼气发酵过程实质是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。这样各种各样的有机物质不断地被分解代谢，就构成了自然界物质和能量循环的重要环节。据报道，科学的测定分析结果表明：有机物约有９０％被转化为沼气，１０％被沼气微生物用于自身消耗（林聪等，２００７）。一

２０世纪初，Ｖ．Ｌ．Ｏｍｅｌｉａｎｓｋｙ（１９０６）提出了甲烷形成的一个阶段理论，即由纤维素等复杂有机物经甲烷细菌分解而直接产生ｃＨ４和ｃ０２；从２０世纪３０年代起，有人按其中的生物化学过程而把甲烷形成分为产酸和产气两个阶段；至１９７９年，Ｍ．Ｐ．Ｂｒｙａｎｔ等人根据大量的科学事实，提出把甲烷形成过程分为三个阶段（赵一章，１９９７），即水解阶段、酸化阶段和甲烷化阶段，甲烷形成过程的三个阶段如图卜ｌ；此外，对甲烷形成过程分为的划分还有四阶段理论，但人们一般以发酵三阶段作为理论依据。

不溜性蛋白羽雏碳水化台物不溶性脂肪

水

解水解水解

＿’

酸

化酸化酸化

乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸

船也

产甲烷

口蚀

圈１－１厌氯发酵的三个生物化学反应阶段

Ｆｉｇｐｌ ｌＴｈｒｅｅｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｔｎｇｅｅｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ

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绪论

１．２．３秸秆预处理方法降解木质纤维素的研究现状

木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触（Ｌｅｏｎｏｗｉｃｚ．Ａ．，１９９９）。解决这个问题的一个有效方法就是对木质纤维素进行适当的预处理，许多的物理、化学、生物等方法都被尝试研究以促进木质纤维素的降解。

１．物理方法

物理方法（ＰｈｙｓｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓ）有机械加工、高压或高温蒸煮以及辐射处理等。常用的机械方法有切碎、粉碎、磨碎、高温球磨等。其目的是增加厌氧微生物与基质的接触面积，或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。据报道，经过粉碎后的稻草秸秆比未经处理的稻草秸秆的产气率提高１７０／６０，而高温处理过的稻草秸秆与未处理的稻草秸秆相比，其固体含量大大降低，且产气率提高。当温度从６０。Ｃ上升到１１０＂Ｃ时，其产气率提高了２．５￣７．５％，然而产气量并不是随着温度的上升而直线上升。

２．化学方法

化学方法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓ）主要有氨化、碱化、酸化、氧化等。其中，碱化处理技术就是用ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＲ）：或ＫＯＨ等溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面，以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐，使纤维素膨胀，从而提高消化率。ＮａＯＨ对秸秆预处理可以降解木质素，并且用ＮａＯＨ和可溶性木质素和半纤维素释放底物可以提高纤维素底转化率。在室温条件下，用质量百分含量为ｌ％的ＮａＯＨ溶液对麦秸处理７天，厌氧消化过程中微生物的消化率和生物转化率均得到不同程度的提高。

氨化处理就是用氨水、无水氨或尿素处理秸秆。氨化具有三种作用：第一种是碱化作用，氨为碱性，故可起到与碱化处理方法同样的作用；第二种是氨化作用，氨与秸秆中的有机物发生变化，生成铵盐，成为厌氧微生物的氮素来源，被微生物利用，并Ｉ司碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸，进一步合成菌体蛋白。第三种是中和作用，氨呈碱性，可与秸秆中的有机酸结合，消除秸秆中潜在的酸性，提高微生物的活性，从而提高秸秆的消化率。试验表明氨水具有较好的氨化性能，Ｄ．ＣｒａｉｇＡｎｄｅｒｓｏｎ等人的研究表明添加量为６％干物质的氨水具有较好的预处理效果。利用氨水处理的技术木质素降解不明显，纤维素的降解较为明显。６

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３．生物方法

生物方法（ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓ）就是利用具有强木质纤维素降解能力的微生物对秸秆先进行固态发酵，把作物秸秆中的木质纤维素预先降解成易于厌氧菌消化的简单物质，以缩短随后的厌氧发酵时间、提高干物质消化率和产气率。其技术关键就是寻求强木质素降解能力的菌种，并确定其适宜的发酵条件。

农作物秸秆的主要特点是蛋白质含量较低、木质纤维素含量较高、适口性差、消化率低。因此，作物秸秆能否得到有效的利用很大程度上取决于木质纤维素的利用状况。食用真菌被认为是木质纤维素降解能力较强的菌属之一，尤其是其中的木生食用真菌。木生食用真菌在生长过程中会分泌胞外酶降解木质纤维素，由于胞外酶的降解作用，基质的组分发生明显变化，此时基质可用于生产生物质能（Ｒａｇｉｎｉ，１９８３）。一般的微生物不能降解木质素是因为：（１）木质素结构复杂，因而降解它的反应必然是多种反应；（２）木质素中的碳一碳键、醚健不能被生物酶水解，只可能是以另一种特殊方式使之降解；（３）木质素不溶于水，降解只能在细胞外发生。

目前的研究表明，只有少数真菌具有分解木质素的能力。降解木质素的真菌可以分为三类：白腐真菌一使木材呈白色腐朽的真菌，褐腐菌—使木材呈褐色腐朽的真菌，以及软腐菌。前两者属担子菌纲，软腐菌属半知菌类。白腐真菌降解木质素的能力较强，而后两者降解木质素能力较弱。白腐真菌能够分泌胞外氧化酶降解木质素，因此被认为是主要的降解木质素的微生物。

白腐真菌具有独特的生物降解机制，是为数很少的能使木质素降解的一类真菌。白腐真菌降解木质素的过程很复杂，概括地说，在一定条件下，即在环境中碳、氮营养物质限定的情况下，白腐真菌将会合成酶并分泌到细胞外。其中两类主要酶是木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，这两类酶在有氧条件下，受白腐真菌自身产生的过氧化氢激活，使酶中的三价铁氧化，从而启动这些过氧化物酶的催化循环。先是使木质素解聚，生产许多有高度活性的反应中间体，最终导致木质素结构中的各种键断裂，解聚成小分子的化合物，再经彻底氧化，降解成ｃＯ。和也０（李望，韩文质，１９９７）。由于木质素与纤维素包裹在一起，白腐真菌对木质素的降解还会有助于纤维素的消化吸收。因此，从理论上讲，利用白腐菌生物来预先降解木质纤维素含量较高的秸秆类物质，以提高随后的厌氧消化产气率同样是可行的。

应用白腐真菌对秸秆进行生物处理，需要注意以下几个因素：（１）要选择合适的菌７

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绪论

种，由于白腐真菌对降解木质纤维素具有两种不同的方式，应该选择能够优先降解木质素的菌种。（２）需要选择合适的培养条件，大多数白腐真菌生长的最适温度为２０－３５＂Ｃ（Ｇｏｎｓｅｒ．Ａ．，２０００）。为了达到在不同温度范围内均取得理想效果，可选择几种具有最适温度范围互补的白腐真菌混用。大多数白腐真菌适宜生长在微酸性环境内，ｐＨ值在４－６之间。（３）碳源、氮源的选择与限制培养，白腐真菌降解木质素是在次生代谢条件下完成的，因此碳源和氮源是微生物降解木质素和产酶的一个极为重要的影响因素，其中氮源限制不利于产酶，而碳源限制则有利于酶的合成。（４）适宜的固液比，在固体发酵中，含水量过高或过低都会影响白腐真菌的生长，合适的固液比根据基质的不同而不同，通常情况下最适的固液相之比为１：３．６。（５）白腐真菌开始生长时需要基质无菌和高度需氧环境。发酵底物接种白腐真菌后存在一个接种菌与原生杂菌的竞争，为提高秸秆消化率必须抑制不利菌的生长，为白腐真菌提供尽可能适宜的条件。

１．３秸秆制取沼气工艺的国内外研究现状

１．３．１国内研究现状

中国沼气技术始于２０世纪３０年代，经过波浪式前进的发展历程，到９０年代中期开始蓬勃发展起来（彭武厚，１９９７）。目前，已经建立了４００～５００个不同类型工艺处理工业废水的沼气工程，建立了６００多个大中型处理畜禽废水、废渣的沼气工程，年产沼气近１０亿立方米，相当于标准煤１００万吨（贺亮，１９９７）。在反应器的研究领域里，在ＵＡＳＢ（Ｕｐａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｅｄ）的基础上进行了三相分离器的优化、ＩＣ（ＩｎｔｅｒｎａｌＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）、

ｓｌｕｄｇｅＥＡＳＢ（Ｅｘｐａｎｄｅｄｇｒａｎｕｌａｒ

ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｂｅｄ）、ＵＢＦ（Ｕｐｆｌｏｗｂｌａｎｋｅｔｆｉｌｔｅｒ）、ＡＳＢＲ（Ａｎａｅｒｏｂｉｃｒｅａｃｔｏｒ）等系统的开发等。例如：刘志杰等用ＵＡＳＢ处理啤酒废水的生产性试验研究；徐培等开展了用厌氧消化床（ＡＦＢ）反应器处理酒精废水的研究（徐培，欧阳铭，１９９３）；梅翔等用厌氧附着膜膨胀床（ＡＡＦＥＢ）工艺处理垃圾浸出液制取沼气的试验研究（梅翔。何惠君，１９９４）；方治华等用ＵＡＳＢ处理含ｃ１一、Ｓ’离子浓度较高的制药废水（方治华等，１９９１）；徐洁泉等用上流式厌氧污泥床反应器和厌氧过滤器（ｕＡｓＢ＋ＡＦ）处理猪场粪便污水，粪便和冲洗水经固液分离后，分离液进入厌氧消化系统处理（徐洁泉等，２０００）；周孟津等用上流式固体反应器（ＵｐｆｌｏｗＳｏｌｉｄＲｅａｃｔｏｒ，ＵＳＲ）和其上部增设软性填料的ＵＡｓＢ＋ＡＦ反应器处理高浓度的鸡粪废水，进行了中温（３５。Ｃ）厌氧消化的比较研究等（周孟津，杨秀山，１９９５）。在秸秆制取沼气的研究方面，许多学者进行了研究，日前已经得到发展，但总体水

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平还比较低，需要进一步的研究使其向成熟化发展。刘双江等研究了厌氧污泥颗粒化过程中不同营养类群细菌的消长规律（刘双江等，１９９５）；竺建荣等进行了两相ＵＡＳＢ：Ｅ艺微生物生态学的研究（竺建荣等，１９９７）；李膜鹏等研究了厌氧消化液对甘薯软腐病原菌的抑制作用机理（张安荣等，１９９７）；赵一章等近年来对厌氧微生物进行了广泛研究等等（赵一章等，１９９４）。此外，１９８０年北京师范学院在国内首次分离获得了甲烷八叠球菌的培养物。在浙江农业大学、中国科学院成都生物研究所等许多院所都己经建立了厌氧消化微生物实验室，对沼气发酵微生物学、生态学和生物化学进行了比较广泛的研究，使我国在沼气基础研究的某些方面逐渐接近国际先进水平，而研究对比秸秆干发酵制沼气参数的文献及报道则相对较少。

白腐真菌制取沼气相关方面的研究国内杭怡琼等人以稻草秸秆加２０％棉籽壳为培养基质，用侧耳Ｚ１７、９２１、１０２４菌株接种，在不同生长阶段，测定培养物的主要化学成分和有关酶活性的变化（杭怡琼等，２００１）。结果表明：从接种到子实体形成，所试菌株培养物的纤维素、木质素呈持续不断的下降趋势，水份、粗蛋白含量却逐渐升高，基质中漆酶酶活性在菌丝生长初期呈迅速上升趋势，后稍降低，而愈创木酚酶活性在菌丝生长初期及子实体形成时达到高峰，后有所降低或消失。李秀金等发现经过木生食用真菌Ｐ．ｏｓａ＇ｅａｔｕｓ培养后的剩余基质也可用于生物质能的生产（李秀金，２００３）。与相应的原料相比，一次子实体采收后的剩余基质一般具有较高的产气率，且产气的质量很高；而二次采收后的子实体的利用价值相对较低。但是，刚刚接种后的麦秸和稻草，即在原基分化阶段，其消化率最高，这可能是相对较高的接种量引起的。此时，稻草的生物学特性提高显著，因此，这一阶段稻草秸秆用于生物化沼气的生产是可行的，并且该结论也应该引起人们广泛的关注和借鉴。

１．３．２国外研究现状

生物质的能源化具有广阔的应用前景，世界各国政府和科学家都给予较大的关注，许多国家都制定和实施了相应的开发研究计划。如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。其他诸如丹麦、荷兰、德国、法国等国家多年来一直在进行各自的研究与开发，取得了显著的进展（姚向军等，２００５）。由于西方国家大多实施耕地轮耕制，秸秆直接还田，因此，对于秸秆的利用技术研究较少，上述方法主要侧重与树皮、木材、锯末等废弃物的转换研究（ＤｉｅｂｏｌｄＪＰ等，１９９７）。９

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绪论

国外的沼气技术开发是从上世纪７０年代末期开始的，现在己有了很大发展（夏祖璋，１９９４）。如荷兰、比利时等国早在２０世纪７０年代就建立了许多沼气工厂，但因技术上的问题而在８０年代逐渐减少（蔡磊，１９９７）。由于有机农场的推广，加上标准化与模式组织化的设计及能源原因，使得厌氧发酵技术在德国得以推广（刘英等，２００１），近年来己有２５０座沼气工厂正在建造中。在巴西，应用厌氧滤池处理居民小区生活污水已有多年时间，这类厌氧装置是在传统化粪池的基础上开发的。但是近ｌＯ年来，已建成１４套大、中型厌氧处理城市生活污水系统（ＪｏｈｎＳｔｕｍｂｏｓ等，２００１）。墨西哥从１９８７年建成第一座厌氧装置起，至Ｕ１９９６年一共建成Ｔ７５项沼气工程，其中，用于处理城市生活污水的装置有３４项。于１９９４年投入运行的总容积为８３７００８２的厌氧生物处理生活污水工程，是目前世界上最大的同类项目。９０年代哥伦比亚着重研制本国设计的组合型推流式厌氧反应器，于１９９７年投入使用。丹麦则是朝向大型化、集中化方向来建造厌氧发酵厂。日本在动植物生产废弃物厌氧消化工艺进行了研究。韩国在１９６９－１９７５年期间共发展了近３万口农村家用沼气池，１９７６年以后发展了一批１５０Ｍ２左右的村级规模的处理农牧业废弃物的沼气装置。美国已拥有２４处利用微生物发酵的能量转化工程，如爱荷华州建立沼气工程可日处理１５００头牲畜废弃物（ＣｕｕｌｌｅｎＤ，１９９７）。从世界范围来看，利用各种微生物的协同作用生产甲烷的研究和应用正处于蓬勃发展的阶段。

国外有人用白腐菌对木质纤维素及其产气实验做了一些研究，Ｍｕｌｌｅｒ（１９８６）发现用担子菌类预处理麦秸后进行厌氧消化处理，结果发现Ｐ．ｆｌｏｒｉｄａ在所有的菌种中表现出最快的去木质素功能，且厌氧消化后其生物气产量是未处理的麦秸的两倍。Ｂｉｓａｒｉａ等人（１９８７）发现蘑菇培养后的剩余基质同样可以产生生物气体（Ｂｉｓａｒｉａ等，１９８３）。他们利用Ｐｌｅｕｒｏｔｕｓｓａｊｏｒ－ｅａｊｕ对木质素、纤维素和半纤维素降解的降解功能，秸秆培养后的剩余基质用于厌氧发酵以生产生物气体，产气率提高了５４％。

１．４本课题的目的、意义和研究内容

１．４．１研究的目的和意义

随着我国经济的快速发展，能源危机和环境污染问题越来越突出，引起人们的普遍关注。生物质是由光合作用产生的有机体，光合作用利用二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转化为碳水化合物和氧气。在各种可再生能源中，生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量，是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料，在技术先进１０

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的国家和地区有所应用（朱世伟，１９９８）。生物质转化过程产业化的研究对于生物质利用技术经济效益的实现有着重要意义（Ｍａｒｅｃｈａｌ，Ｙ等，２０００）。

我国是个农业大国，农作物秸秆资源拥有量居世界首位，但其中４２％的农作物秸秆直接或过腹还田，３０％的农作物秸秆作为农用燃料，８％的农作物秸秆做为工业或其它用途，２０％的农作物秸秆剩余未被利用。这些剩余农作物秸秆被废弃在田问地头，场院房头，不仅占用了大量的土地，影响了农村环境卫生，还成为农村火灾的一大隐患。农民为了抢种则把剩余秸秆中的绝大部分在田间直接焚烧处理，但大量剩余秸秆的焚烧不但造成极大的资源浪费，而且带来严重的大气污染。另外，秸秆中含有的纤维素、半纤维素、木质素经过降解后，将其进行厌氧发酵可产生沼气、酒精的有用物质。因此，综合利用秸秆使其变废为宝、化害为利的技术具有重大的现实意义和战略意义。

综上所述，本研究的目标是①将废弃的玉米秸秆进行干发酵制取沼气，提高玉米秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素的降解率，使其达到５０％以上；②利用玉米秸秆干发酵制取沼气，使沼气的产气率达到ｌｍ３／ｍ３ ｄ以上，提高沼气的产量。使农作物秸秆得到有效的利用，并且开发利用了清洁能源，解决农村商品能源紧张，建立可持续的能源系统，促进国民经济的发展和环境保护具有重大的意义。

１．４．２研究的内容

（１）利用绿秸灵、酵素菌、石灰水、速腐剂对玉米秸秆预处理，然后进行厌氧的干发酵，研究其木质纤维素的降解率及沼气产量。

（２）培育四种白腐菌对玉米秸秆预处理，然后进行厌氧的干发酵，研究其木质纤维素的降解率及沼气产量。

（３）通过前两次试验的研究结果选出两种最优的预处理方法，再分别进行厌氧干发酵的正交试验，确定最佳的干发酵制取沼气的参数条件。

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第二章白腐菌预处理对木质纤维素降解菌株的评价，

第二章白腐真菌预处理对木质纤维素降解菌株的评价

２．１试验材料

２．１．１发酵原料

玉米秸秆（成分中含木质纤维素）

试验所用玉米秸秆取自辽宁省辽阳市弓长岭区农地。

２．１．２白腐真菌菌株

四株白腐菌（Ｐｌｅｕｒｏｔｕｓｏｓｔｒｅａｔｕｓ），分别做两组对比试验，它们分别是：糙皮侧耳（Ｐｌｅｕｒｏｔｕｓｏｓｔｒｅａｔｕｓ）编号为Ｐ８卜Ｐｓ２，黄孢原毛平革菌（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ

ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）编号为Ｐｃｌ、Ｐｃ２，杂色云芝（Ｃｏｒｉｏｌｕｓｖｅｒｓｉｃｏｌｏｒ）编号为Ｃｖｌ、Ｃｖ２，烟管菌（Ｂｊｅｒｋａｎｄｅｒａａｄｕｓｔａ）编号为Ｂａｌ、Ｂａ２。

以上菌株均为本实验室筛选和保存。

２．１．３培养基

（１）固体培养基

配方：马铃薯、葡萄糖、琼脂、自来水、ｐＨ值自然。

ＰＤＡ培养基的配制方法：称取去皮新鲜的马铃薯２００９切成小薄块，将其放于小铝锅中加入自来水然后放置于电炉上煮沸３０分钟，用双层纱布过滤，滤去马铃薯块，将滤液补足至１０００ｍＬ后倒入小铝锅中，煮沸加入葡萄糖２０９，琼脂２０９，略加热搅拌使之完全溶化，溶化后分装。分装完毕后塞好８层纱布，另用二层报纸覆盖并用细线捆扎好，在高温蒸汽１２卜１２５℃灭菌３０ｍｉｎ。取出后放冷储藏备用。

将白腐菌在无菌操作台里接种到ＰＤＡ培养基上，放于恒温培养箱内培养５ｄ，制备固体培养基后将其贮存。

（２）马铃薯、葡萄糖、琼脂斜面培养基

相应的马铃薯、葡萄糖液体培养基加入２～２．５％的琼脂，将其放于试管中用于固体斜面制种。

（３）液体培养基

配方：马铃薯、葡萄糖、自来水、ｐＨ值自然。

液体培养基的配制方法：按照制备ＰＤＡ培养基方法（注：不加琼脂），制备后将其放于２５０ｍＬ－－角瓶内，在无菌操作台内用接种环取固体培养基卜２环于三角瓶内的斜面上，画ｓ型，然后将其放在水浴振荡器内保持温度为３１℃，转速为３００ｒ／ｍｉｎ，连续培养３１２

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天。塞好８层纱布，另用二层报纸覆盖并用细线捆扎好，在高温蒸汽１２１—１２５＂Ｃ的条件下灭菌３０ｍｉｎ，取出后备用。

２．２试验药品与仪器

２．２．１化学药品

葡萄糖、醋酸、醋酸钠、羧甲基纤维素钠、氢氧化钠、磷酸、酒石酸钠、琼脂。２．２．２试验仪器

水浴振荡器、三角瓶、接种环、酒精灯、普通摇床、电动搅拌器、电子天平、分光光度计、箱式电阻炉、无菌操作台、高压灭菌锅、电炉、水银温度计、移液管、容量瓶、锥形瓶、干燥箱、高温炉、烧杯、平底砂芯滤斗、圆底砂芯滤斗、量筒、试管、精密ｐＨ试纸、漏斗、吸管、水浴锅、玻璃滤器、广口瓶、电子显微镜、电冰箱、玻璃棒、吸耳球、培养皿、医用纱布等。

２．３纤维素（半纤维素）酶活的测定

粗酶液：将２．０９发酵的固体基质，用５０ｍＬｐＨ＝４．８的醋酸一醋酸钠缓冲液浸泡３ｈ后，用滤纸过滤，得滤液，即为粗酶液。

纤维素（半纤维素）酶活的测定：在５０ｍＬ比色管中加／ｋ０．６ｍＬ适当稀释的酶液，在５０＂（２水浴锅中预热５ｍｉｎ后加入１．４ｍＬ羧甲基纤维素钠（木聚糖）溶液，水浴保温反应３０ｍｉｎ后，立即加入２．０ｍＬ２ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ溶液和３．０ｍＬＤＮＳ，沸水浴５ｍｉｎ，终止反应，流水冷却，在５４０ｎｍ下测定吸光值（０Ｄ），以２．０ｍＬ２ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ溶液灭活酶液同上操作为对照样，读三次数据，吸光值为其平均值。酶活力定义为上述条件下，每分钟释放ｌｌａｍｏｌ的木糖的酶量为１个酶活单位（ＩＵ）。

２．３．１试剂及溶液（以下为分析纯）

（１）羧甲基纤维素钠（ＣＭＣＮａ）溶液：先配０．２ｍｏｌ／ＬｐＨ＝６．５的磷酸缓冲液（２０．８９ＮａＨ２Ｐ０４和２３．８７６９Ｎａ２ＨＰ０４，定容至１０００ｍＬ），再按１．ＯＯｇＣＭＣＮａ／１００ｍＬ磷酸缓冲液的量配制ＣＭＣＮａ－ＣＭＣ纤维素酶底物液。

（２）木聚糖半纤维素酶底物液：先配０．１ｍｏｌ／ＬｐＨ４．８的醋酸一醋酸钠缓冲液（３．００９醋酸和６．８０９醋酸钠，定容至１０００ｍＬ），再按１．０９木聚糖／ｌＯＯｍＬ缓、冲液的量配制半纤维素酶底物液。

（３）ＤＮＳ试剂的配制：称取１０９３，５二硝基水杨酸溶于水中，全部溶解后，加．Ｋ２０９ＮａＯＨ、２００９酒石酸钠，加入蒸馏水，使总体积至－５００ｍＬ左右，加热溶解后，加２９苯

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