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摘要：以秸秆为研究对象，通过研究产气量、发酵液pH值、挥发性有机酸浓度、秸秆降解率和纤维素、半纤维素的分解率等参数，比较了37 ℃条件下不同微波处理时间（每天10、20、30、40 s）对秸秆厌氧发酵效果的影响。结果表明：微波辅助厌氧发酵能够提高秸秆发酵累计产气量，其中每天处理30 s产气量从对照组的5 765 mL提高到7 428 mL；发酵过程中发酵液pH值与发酵液中挥发性有机酸的含量呈正比；微波处理后秸秆失重率提高。说明秸秆厌氧发酵过程中每天微波处理30 s，能够显著促进纤维素、半纤维素分解，提高产气量。
关键词： 微波；秸秆；厌氧发酵；降解率
中图分类号： S216.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0251-02
收稿日期：2014-02-27
基金项目： 国家科技支撑计划（编号：2011BAD15B02）；国家“863”计划（编号：2012AA021405）；江苏省科技支撑计划（编号：BE2010359）。
作者简介：王俊（1989—），男，安徽颍上人，硕士研究生，主要从事厌氧发酵分析相关工作。E-mail：wangjun.945@163.com。
通信作者：李晖，博士，副教授。E-mail：leehvi@163.com。农作物秸秆的处理已经成为困扰我国主要农业产区的一个大问题，简单的焚烧模式不仅对大气环境造成了严重污染[1]，更是对储量巨大的生物质资源的浪费[1-3]。秸秆的厌氧消化是生物质资源开发的研究方向，其中沼气受到了更多的关注，通过各种方法如化学吸附、变压吸附等除去沼气中所含的CO2之后CH4纯度可以达到97%[4-6]。秸秆的厌氧消化过程主要是利用厌氧微生物的消化作用将作物秸秆中的纤维素、半纤维素分解，生成甲烷，这个过程中纤维素、半纤维素的分解是影响产气量的重要因素。微波是电磁波的一种，其具有热效应和非热效应。热效应表现为能够使极性分子在电磁场中发生高频率的震动，发生碰撞、摩擦，使反应器内物质温度升高[7]。有研究结果表明，微波辐射能够使纤维素、半纤维素、总糖转化率分别提高了30.6%、43.3%、30.3%[8]；在供氢体如甲酸等存在下，微波处理后木质素会发生较好的解聚[9]。微波辅助反应技术在生物质的预处理过程和酶促进糖化效果等方面都有大量报道，但在辅助发酵过程方面的研究未见文献报道。本试验试图通过微波辅助厌氧发酵，研究不同微波处理时间对秸秆厌氧消化产气效果及秸秆降解率的影响，希望找到一种促进秸秆厌氧发酵的辅助技术。
1材料与方法
1.1发酵装置
本试验采用自制发酵装置（1 500 mL发酵罐、5 000 mL集气瓶、2 000 mL集水瓶），用排水集气法收集产生的气体，试验装置用医用硅胶管连接，使用前严格检查气密性，确保气密性良好。
1.2试验原料及接种物性质
本试验所用稻草秸秆采集自江苏省泗阳县卢集乡，自然风干后用粉碎机粉碎。接种液来自江苏省南京工业大学创新中心沼气示范工程发酵罐，沼液用纱布过滤除掉残渣，稀释1倍。发酵秸秆原料和接种液的性质见表1 。
表1试验原料秸秆及接种物性质
材料总固体
（%）挥发性
固体（%）水分
（%）灰分
（%）纤维素
（%）半纤维素
（%）C/N秸秆95.8280.764.1815.7231.0436.2730接种物1.10.798.90.38——18
1.3试验设计
每个实验装置体积为1 500 mL，加入稀释1倍后的沼液1 000 mL，加入40 g秸秆，用尿素调节C/N为25 ∶1[12]。将发酵装置置于37 ℃恒温水浴槽中发酵。设定每24 h微波处理1次，微波功率800 W，试验组分别处理10、20、30、40 s，对照组不进行微波处理。每24 h测定1次产气量；每72 h采集发酵液，测定pH值和有机酸含量。发酵20 d结束试验。试验结束后测定发酵前秸秆和发酵后剩余固体物质成分。
1.4测定方法
发酵罐的产气量由其排水量测定；发酵过程中沼液pH值由pH计测定；有机酸含量使用比色法[13]测定；总碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；总氮含量由凯氏定氮仪测定[14]；总固体（TS）含量及挥发性固体（VS）含量采用沼气发酵常规分析方法[15] 测定；纤维素、半纤维素的测定采用美国能源部可再生能源实验室（NREL）的方法[16] 。
2结果与分析
2.1微波处理对发酵过程中累积产气量的影响
由图1可以看出，累积产气率最高的为每天微波30 s处理，且产气速率也要明显高于其他处理，总产气量达到 7 428 mL，而对照总产气量为5 765 mL，30 s处理比对照提高了28.85%，微波处理10、20、40 s 3个处理累积产气量分别为6 059、7 094、6 777 mL，较对照分别提高了5.10%、23.06%、17.56%。各处理所产气体中甲烷的比例为46%～53%，每天处理30 s甲烷的产量由对照的2 859 mL增加到3 647 mL，产率提高27.55%。表明微波处理30 s对产气量的促进作用高于其他微波处理时间。
2.2微波处理对发酵过程中pH值和有机酸含量的影响
pH值是影响厌氧发酵过程中的一个重要因素，同时也与发酵体系中微生物活力、小分子物质如有机酸等含量有密切关系[17]。从图2的pH值变化趋势可以看出，发酵体系pH值呈现先降低再升高的趋势。发酵开始时pH值为7.46～748，发酵体系呈现微碱性，对秸秆的厌氧发酵是有利的。随着秸秆的逐步降解，产酸菌的活性增强，使有机酸产生积累，3 d 时pH值降至 7.01～7.13。产氢产甲烷菌活性增强之后分解有机酸速度加快，有机酸含量逐步降低，使6 d之后体系中pH值上升，至发酵结束pH值在7.30附近。 有机酸是厌氧消化过程甲烷产生的原料之一，对厌氧消化过程有着重要影响。过高的有机酸含量会使pH值过低，抑制产甲烷菌的活性；过低的有机酸含量使产甲烷菌得不到足够的原料，也会导致产气量的降低。从图3可以看出，有机酸含量在3 d时达到最高值（1 440～1 566 mg/L），随着发酵进程，有机酸含量呈现先高后低的总体趋势，到15 d时降低到511～523 mg/L，这与产气量的总体趋势相吻合，表明有机酸含量是影响产气量的重要因素。微波处理对试验前期有机酸含量的影响大于后期。
2.3微波处理对发酵过程中秸秆降解的影响
2.3.1对纤维素、半纤维素等降解率的影响从秸秆中各组分在发酵后的降解率（表2）可以看出，较短时间的微波处理促进了纤维素、半纤维素的降解。原因是微波处理能够促进纤维素晶体的解聚，进而增大纤维素等的微生物可及度。
表2不同微波处理对纤维素、半纤维素降解率的影响
微波处理时间
（s）降解率（%）纤维素半纤维素0 59.7759.5510 61.3061.6920 63.5964.1530 64.7165.1340 61.4162.18
2.3.2微波处理对发酵过程中秸秆失重率的影响秸秆在发酵过程中会消耗较多的纤维素等成分，发酵后秸秆的失重率是发酵效率的表征之一。由图4可以看出，经过微波处理处理10、20、30、40 s， 秸稈失重率由对照的54.45%分别增长到58.02%、58.94%、59.48%、58.92%。说明微波处理对秸秆的分解有促进作用。
3讨论
试验结果表明，微波处理能够提高秸秆厌氧发酵过程沼气的产量，每天30 s的微波处理能够对秸秆厌氧发酵过程有明显的促进作用，微波处理30 s条件下总产气量由对照的 5 765 mL 提高到7 428 mL，提高了28.85%。其中的原因可能是：（1）微波的非热效应能够对秸秆的晶体结构起到松散作用[18]，使可发酵的组分更容易被利用，有研究结果表明微波处理能够提高可发酵糖的释放量[19]；（2）非热效应对菌体的酶产量有提高作用或对酶的活性有促进作用；（3）微波的振动作用有利于秸秆表面新产生气体的释放，间接增加了可发酵的面积。
参考文献：
[1]Zhang H F，Ye X N，Cheng T T，et al. A laboratory study of agricultural crop residue combustion in China： emission factors and emission inventory[J]. Atmospheric Environment，2008，42（36）： 8432-8441.
[2]Yan X，Ohara T，Akimoto H. Bottom-up estimate of biomass burning in mainland China[J]. Atmospheric Environment，2006，40（27）： 5262-5273.
[3]Lal R. World crop residues production and implications of its use as a biofuel[J]. Environment International，2005，31（4）： 575-584.
[4]张湜，陈文亮，李晖，等. 真空变压吸附沼气净化过程的仿真研究[J]. 化工学报，2013，64（4）：1300-1305.
[5]陈文亮，张湜，李晖，等. 基于LS-SVM沼气净化变压吸附过程甲烷浓度建模[J]. 天然气化工，2013，38（1）：36-38，50.
[6]张韩，李晖，张亚兵，等. 变压吸附在沼气脱碳中的应用[J]. 可再生能源，2013，31（3）：117-120.
[7]de la Hoz A，Diaz-Ortiz A，Moreno A E S. Review on non-thermal effects of microwave irradiation in organic synthesis[J]. J Microwave Power E E，2007，41（1）： 44.
[8]Ma H，Liu W W，Chen X，et al. Enhanced enzymatic saccharification of rice straw by microwave pretreatment[J]. Bioresource Technology，2009，100（3）：1279-1284.
[9]Toledano A，Serrano L，Labidi J，et al. Heterogeneously catalysed mild hydrogenolytic depolymerisation of lignin under microwave irradiation with hydrogen-donating solvents[J]. Chem Cat Chem，2013，5（4）： 977-985.
[10]冯磊，李润东，Bernhard R，等. 微波预处理对秸秆厌氧消化影响的研究[J]. 环境工程学报，2009，3（8）：1503-1508.
[11]Pang F，Xue S，Yu S S，et al. Effects of combination of steam explosion and microwave irradiation （SE-MI） pretreatment on enzymatic hydrolysis，sugar yields and structural properties of corn stover[J]. Industrial Crops and Products，2013，42：402-408. [12]Liu X J，Li H，Xue J H，et al. Study on biogas production using anaerobic fermentation of rice straw[J].Agricultural Science
关键词： 微波；秸秆；厌氧发酵；降解率
中图分类号： S216.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0251-02
收稿日期：2014-02-27
基金项目： 国家科技支撑计划（编号：2011BAD15B02）；国家“863”计划（编号：2012AA021405）；江苏省科技支撑计划（编号：BE2010359）。
作者简介：王俊（1989—），男，安徽颍上人，硕士研究生，主要从事厌氧发酵分析相关工作。E-mail：wangjun.945@163.com。
通信作者：李晖，博士，副教授。E-mail：leehvi@163.com。农作物秸秆的处理已经成为困扰我国主要农业产区的一个大问题，简单的焚烧模式不仅对大气环境造成了严重污染[1]，更是对储量巨大的生物质资源的浪费[1-3]。秸秆的厌氧消化是生物质资源开发的研究方向，其中沼气受到了更多的关注，通过各种方法如化学吸附、变压吸附等除去沼气中所含的CO2之后CH4纯度可以达到97%[4-6]。秸秆的厌氧消化过程主要是利用厌氧微生物的消化作用将作物秸秆中的纤维素、半纤维素分解，生成甲烷，这个过程中纤维素、半纤维素的分解是影响产气量的重要因素。微波是电磁波的一种，其具有热效应和非热效应。热效应表现为能够使极性分子在电磁场中发生高频率的震动，发生碰撞、摩擦，使反应器内物质温度升高[7]。有研究结果表明，微波辐射能够使纤维素、半纤维素、总糖转化率分别提高了30.6%、43.3%、30.3%[8]；在供氢体如甲酸等存在下，微波处理后木质素会发生较好的解聚[9]。微波辅助反应技术在生物质的预处理过程和酶促进糖化效果等方面都有大量报道，但在辅助发酵过程方面的研究未见文献报道。本试验试图通过微波辅助厌氧发酵，研究不同微波处理时间对秸秆厌氧消化产气效果及秸秆降解率的影响，希望找到一种促进秸秆厌氧发酵的辅助技术。
1材料与方法
1.1发酵装置
本试验采用自制发酵装置（1 500 mL发酵罐、5 000 mL集气瓶、2 000 mL集水瓶），用排水集气法收集产生的气体，试验装置用医用硅胶管连接，使用前严格检查气密性，确保气密性良好。
1.2试验原料及接种物性质
本试验所用稻草秸秆采集自江苏省泗阳县卢集乡，自然风干后用粉碎机粉碎。接种液来自江苏省南京工业大学创新中心沼气示范工程发酵罐，沼液用纱布过滤除掉残渣，稀释1倍。发酵秸秆原料和接种液的性质见表1 。
表1试验原料秸秆及接种物性质
材料总固体
（%）挥发性
固体（%）水分
（%）灰分
（%）纤维素
（%）半纤维素
（%）C/N秸秆95.8280.764.1815.7231.0436.2730接种物1.10.798.90.38——18
1.3试验设计
每个实验装置体积为1 500 mL，加入稀释1倍后的沼液1 000 mL，加入40 g秸秆，用尿素调节C/N为25 ∶1[12]。将发酵装置置于37 ℃恒温水浴槽中发酵。设定每24 h微波处理1次，微波功率800 W，试验组分别处理10、20、30、40 s，对照组不进行微波处理。每24 h测定1次产气量；每72 h采集发酵液，测定pH值和有机酸含量。发酵20 d结束试验。试验结束后测定发酵前秸秆和发酵后剩余固体物质成分。
1.4测定方法
发酵罐的产气量由其排水量测定；发酵过程中沼液pH值由pH计测定；有机酸含量使用比色法[13]测定；总碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；总氮含量由凯氏定氮仪测定[14]；总固体（TS）含量及挥发性固体（VS）含量采用沼气发酵常规分析方法[15] 测定；纤维素、半纤维素的测定采用美国能源部可再生能源实验室（NREL）的方法[16] 。
2结果与分析
2.1微波处理对发酵过程中累积产气量的影响
由图1可以看出，累积产气率最高的为每天微波30 s处理，且产气速率也要明显高于其他处理，总产气量达到 7 428 mL，而对照总产气量为5 765 mL，30 s处理比对照提高了28.85%，微波处理10、20、40 s 3个处理累积产气量分别为6 059、7 094、6 777 mL，较对照分别提高了5.10%、23.06%、17.56%。各处理所产气体中甲烷的比例为46%～53%，每天处理30 s甲烷的产量由对照的2 859 mL增加到3 647 mL，产率提高27.55%。表明微波处理30 s对产气量的促进作用高于其他微波处理时间。
2.2微波处理对发酵过程中pH值和有机酸含量的影响
pH值是影响厌氧发酵过程中的一个重要因素，同时也与发酵体系中微生物活力、小分子物质如有机酸等含量有密切关系[17]。从图2的pH值变化趋势可以看出，发酵体系pH值呈现先降低再升高的趋势。发酵开始时pH值为7.46～748，发酵体系呈现微碱性，对秸秆的厌氧发酵是有利的。随着秸秆的逐步降解，产酸菌的活性增强，使有机酸产生积累，3 d 时pH值降至 7.01～7.13。产氢产甲烷菌活性增强之后分解有机酸速度加快，有机酸含量逐步降低，使6 d之后体系中pH值上升，至发酵结束pH值在7.30附近。 有机酸是厌氧消化过程甲烷产生的原料之一，对厌氧消化过程有着重要影响。过高的有机酸含量会使pH值过低，抑制产甲烷菌的活性；过低的有机酸含量使产甲烷菌得不到足够的原料，也会导致产气量的降低。从图3可以看出，有机酸含量在3 d时达到最高值（1 440～1 566 mg/L），随着发酵进程，有机酸含量呈现先高后低的总体趋势，到15 d时降低到511～523 mg/L，这与产气量的总体趋势相吻合，表明有机酸含量是影响产气量的重要因素。微波处理对试验前期有机酸含量的影响大于后期。
2.3微波处理对发酵过程中秸秆降解的影响
2.3.1对纤维素、半纤维素等降解率的影响从秸秆中各组分在发酵后的降解率（表2）可以看出，较短时间的微波处理促进了纤维素、半纤维素的降解。原因是微波处理能够促进纤维素晶体的解聚，进而增大纤维素等的微生物可及度。
表2不同微波处理对纤维素、半纤维素降解率的影响
微波处理时间
（s）降解率（%）纤维素半纤维素0 59.7759.5510 61.3061.6920 63.5964.1530 64.7165.1340 61.4162.18
2.3.2微波处理对发酵过程中秸秆失重率的影响秸秆在发酵过程中会消耗较多的纤维素等成分，发酵后秸秆的失重率是发酵效率的表征之一。由图4可以看出，经过微波处理处理10、20、30、40 s， 秸稈失重率由对照的54.45%分别增长到58.02%、58.94%、59.48%、58.92%。说明微波处理对秸秆的分解有促进作用。
3讨论
试验结果表明，微波处理能够提高秸秆厌氧发酵过程沼气的产量，每天30 s的微波处理能够对秸秆厌氧发酵过程有明显的促进作用，微波处理30 s条件下总产气量由对照的 5 765 mL 提高到7 428 mL，提高了28.85%。其中的原因可能是：（1）微波的非热效应能够对秸秆的晶体结构起到松散作用[18]，使可发酵的组分更容易被利用，有研究结果表明微波处理能够提高可发酵糖的释放量[19]；（2）非热效应对菌体的酶产量有提高作用或对酶的活性有促进作用；（3）微波的振动作用有利于秸秆表面新产生气体的释放，间接增加了可发酵的面积。
参考文献：
[1]Zhang H F，Ye X N，Cheng T T，et al. A laboratory study of agricultural crop residue combustion in China： emission factors and emission inventory[J]. Atmospheric Environment，2008，42（36）： 8432-8441.
[2]Yan X，Ohara T，Akimoto H. Bottom-up estimate of biomass burning in mainland China[J]. Atmospheric Environment，2006，40（27）： 5262-5273.
[3]Lal R. World crop residues production and implications of its use as a biofuel[J]. Environment International，2005，31（4）： 575-584.
[4]张湜，陈文亮，李晖，等. 真空变压吸附沼气净化过程的仿真研究[J]. 化工学报，2013，64（4）：1300-1305.
[5]陈文亮，张湜，李晖，等. 基于LS-SVM沼气净化变压吸附过程甲烷浓度建模[J]. 天然气化工，2013，38（1）：36-38，50.
[6]张韩，李晖，张亚兵，等. 变压吸附在沼气脱碳中的应用[J]. 可再生能源，2013，31（3）：117-120.
[7]de la Hoz A，Diaz-Ortiz A，Moreno A E S. Review on non-thermal effects of microwave irradiation in organic synthesis[J]. J Microwave Power E E，2007，41（1）： 44.
[8]Ma H，Liu W W，Chen X，et al. Enhanced enzymatic saccharification of rice straw by microwave pretreatment[J]. Bioresource Technology，2009，100（3）：1279-1284.
[9]Toledano A，Serrano L，Labidi J，et al. Heterogeneously catalysed mild hydrogenolytic depolymerisation of lignin under microwave irradiation with hydrogen-donating solvents[J]. Chem Cat Chem，2013，5（4）： 977-985.
[10]冯磊，李润东，Bernhard R，等. 微波预处理对秸秆厌氧消化影响的研究[J]. 环境工程学报，2009，3（8）：1503-1508.
[11]Pang F，Xue S，Yu S S，et al. Effects of combination of steam explosion and microwave irradiation （SE-MI） pretreatment on enzymatic hydrolysis，sugar yields and structural properties of corn stover[J]. Industrial Crops and Products，2013，42：402-408. [12]Liu X J，Li H，Xue J H，et al. Study on biogas production using anaerobic fermentation of rice straw[J].Agricultural Science