文 献 综 述

一、实验背景

秸秆资源上承种植业，下启养殖业，既是种植业和养殖业可持续发展的重要物质基础，又是构建农业循环经济系统种植业和养殖业的重要纽带，对我国现代农业的发展起到了决定性的作用^[1]。农业部《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》显示：2009年，我国常见农作物秸秆理论资源量约为8.20亿吨，考虑到收集过程的损耗，我国秸秆可收集资源量约6.87亿吨^[2]。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^[3]，还有一部分秸秆被随意丢弃或焚烧，造成了严重的危害，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^[4]。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^[5]。

玉米秸秆是木质纤维素原料的一种，其原料的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素，他们排列规则，三者之间相互交织，聚集成束，此外还存在着少量胶质、蛋白质、及矿物质等^[6]。这些物质组成了木质纤维素的紧密结构，使其不易被破坏。

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。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^[7]。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^[8]。
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^[9]。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。

现代化化沼气生产多采用恒温、连续发酵处理有机废弃物和废水,但连续发酵容易使反应器中的微生物随污泥的排出而流失。工业有机废水的厌氧处理主要采用颗粒污泥使厌氧微生物附着其上形成生物膜,提高沼气的发酵速率。秸秆厌氧消化是在微生物代谢过程中产生的一系列酶的协同作用下完成的，在厌氧消化的过程中通过添加有利于纤维素，半纤维素以及木质素水解酶和微生物，可加快厌氧消化反应的进程^[10]。为此,采用废水好氧处理的聚丙烯网状空心球形载体(球形载体)、价格低廉且易于成形的玻璃纤维和吸附能力强的碳纤维膜作为玉米秸秆厌氧发酵的微生物载体,观察在中温发酵条件下,玉米秸秆厌氧消化沼气产量、pH值、COD去除率、发酵产物微生物含量及产甲烷菌特有的辅酶F420活性的变化规律,以及载体对这些指标的影响。

但是，秸秆厌氧发酵过程中存在原料转化率低、消化时间长等问题，计划添加聚丙烯来提声厌氧生物转化效率，实际操作中发现虽然添加聚丙烯提高了总产气量，但是产气高峰却有所滞后。本实验拟对聚丙烯进行酸处理并用于厌氧发酵，与未处理聚丙烯比较，研究其对玉米秸秆厌氧消化产气速率、产气效率、秸秆转化率等方面的影响，并对厌氧系统的菌群进行分析，了解其提高产气的微生物学机制。

有机高分子生物膜特点是表面积大，生物亲和力稳定，耐酸，耐压，不易生物降解，机械强度大，此外，使用的载体在应用中价格便宜，对细胞没有毒性。到目前为止，有许多种生物膜载体可供选择，每一种类型的载体都有它的优点和缺点。根据文献的调查，生物膜载体在牛粪厌氧发酵中应用，三种纤维载体（活性碳纤维，ACF;聚乙烯纤维，PVAF;玻璃纤维GF）初步选为生物膜载体。载体的最佳效果，需要进一步优化它的条件。这三种载体是低成本材料，容易被生产^[12]。ACF在废水处理中通常被用于吸附材料。ACF是多孔材料，因此有好的吸附性能，PVAF载体根据不同的纤维，功能多样，耐高温，比表面积大，低密度，大孔隙。GF,是一种无机非金属纤维材料，它能够耐高温，高压，耐酸，耐腐蚀^[13]。

结果分析

在牛粪厌氧发酵处理中，关于生物膜载体的选择ACF优于PVAF和GF。然而不加载体的反应器比加PVAF和GF载体的反应器效果好，厌氧反应器中添加载体ACF比添加加PVAF和GF载体产沼气量高^[14]。