玉米秸秆通过微生物厌氧发酵制取沼气是实现农业废弃物资源化和减少其环境污染的重要途径^[1-4]。但是玉米秸秆作为主要发酵原料却存在着发酵启动时间长、产气率低、原料利用率低等问题。这主要是因为玉米秸秆的木质素、纤维素和半纤维素的含量较高，且不易降解^[5-7]，使产甲烷菌难以获取小分子有机物，造成发酵效率低下，周期较长。玉米秸秆预处理目的是促进其中的木质素、纤维素和半纤维素部分或全部降解成小分子，成为产甲烷微生物的养分来源^[8-11]。

在提高沼气产量方面，国内外进行了研究^[12-16]。如：向沼气发酵系统中添加外源物(微生物、酶、营养物质)以提高产气量^[17-18]。添加尿素能调节碳氮比，沼气产量可提高8%~11%^[19]。吕淑霞等研究发现添加固体纤维素酶，甲烷产率可提高52.1%，添加液体纤维素酶可提高88.8%^[20]。以上的物理、化学方法虽然能提高沼气的产量，但是木质素、纤维素和半纤维素降解率较低。微生物预处理法具有环保无污染，使用条件温和等特点^[21-22]，在快速有效降解木质纤维素类物质方面有巨大潜力，但是需要培养菌种，成本较高。因此，笔者采用新收获玉米秸秆露天堆放获取微生物，这种方法成本较低，适合普遍推广，有利于沼气产业化的发展。

在发酵工艺方面，传统的湿法发酵工艺存在用水量较大，污水后续处理费用高，沼气池易存在浮渣、沉淀等问题。采用干式发酵方法^[23-24]，将很大程度避免这些问题。干式发酵过程中固体有机物的含量在20%以上^[25]。与传统发酵对比，干式发酵具有^[26]固体发酵物含量高、沼液少、废渣含水量低、后续处理费用低的优势，且发酵过程稳定，无浮渣、沉淀等问题^[27]。

在收获玉米时节，大量的玉米秸秆无法及时处理，如直接焚烧，将造成大气污染^[28]。笔者采用以新收获的玉米秸秆为例，用堆放方法进行失效处理，同时获取微生物，采用干式厌氧发酵方法制取沼气。研究堆放厚度、时间对微生物及秸秆中木质素、纤维素和半纤维素，以及沼气产量和甲烷含量的影响。

1 试验材料和方法 1.1 试验材料

试验中采用山东鲁青有限公司于2010年8月在济南郊区收集的新鲜玉米秸秆。堆放方法：玉米秸秆堆成1 m³。玉米秸秆分共3层：表层是30 cm以上的部分；中层是30~60 cm之间的部分；下层是60 cm以下的部分。分别堆放10~30 d。

牛粪试验材料于2010年9月取自山东农科院养牛厂的新鲜牛粪，试验所用的污泥取自于趵突泉啤酒厂发酵后的脱水污泥。

1.2 试验方法和装置

首先对堆放10、20、30 d的玉米秸秆进行酶和化学成分测试，选择每层中酶活值较高的玉米秸秆作为发酵原料，进行干式厌氧发酵实验，测定沼气产量、甲烷含量等。分6组进行试验研究，6组试验发酵物总质量均为400 g，接种物分别为污泥和牛粪。其中Ⅰ组表层玉米秸秆200 g与牛粪200 g；Ⅱ组为中层玉米秸秆200 g与牛粪200 g；Ⅲ组为下层玉米秸秆200 g与牛粪200 g；Ⅳ组为表层玉米秸秆200 g与污泥200 g；Ⅴ为中层玉米秸杆200 g与污泥200 g；Ⅵ组为下层玉米秸秆200 g与污泥200 g。以尿素作为氮源，调节C/N至25:1，采用NaOH调节pH值至7.0±0.1%，总固体控制在30%±1.5%。

试验前，将不同原料、水和接种物按比例混合均匀，然后装入反应器。试验发酵装置用玻璃瓶加橡胶塞(见图 1)，总体积2 000 mL。试验期间，试验装置放入38 ℃恒温摇床中。将反应器放置在恒温摇床中，以排水法收集沼气，集气瓶中装满饱和食盐水以防止沼气中二氧化碳溶于水，每日查看量筒中的排水量以确定产气量。

1.3 试验设备和方法

试验进行60 d。试验前，分别对玉米秸秆、牛粪和污泥进行总固体(TS)、可挥发性固体(VS)的测试^[29]。试验材料的性质见表 1。

TS测定：105 ℃干燥恒重法；VS测定：550 ℃灼烧恒重法^[30]；沼气产量：排水法收集，每天定时查看试管排水量，确定沼气产量。

pH的测定^[31]：发酵液的pH值采用sartorius PB-1型智能pH计，每7天测定一次。

甲烷含量的测定^[32]：采用GC-2010ATF型气相色谱仪(shimadzu, Japan)，TDX-02B色谱柱(ϕ4 mm×0.5 m)，以氢气为载气，载气流量为40 mL/min，TCD检测器进行分析，柱温30 ℃，检测器温度120 ℃，进气样量为1 mL。采用外标法测定样品中的甲烷含量。酶测定：采用上海浦元的Alpha-28uv/vis酶测试仪。木质素、纤维素、半纤维素含量的测定：参照王玉万系统分析法^[33]。碳含量的测定：重铬酸钾氧化硫酸亚铁滴定法^[34]。

氮含量的测定：凯氏定氮法，GB/T 5009.5—2003^[35]。

2 结果与分析

玉米秸秆放置20 d，秸秆的3层发生不同的变化。表层为失去水分较多的干秸秆；中层为颜色发白的秸秆，温度在51~53 ℃；下层为温度较高的秸秆，温度在70 ℃以上。

2.1 酶活测试结果

在新鲜玉米秸秆堆放10、20、30 d的时间内，对玉米秸秆取样分析，检测酶数值，比较玉米秸秆中微生物成长情况。分别进行CMC酶、木聚糖酶、滤纸酶以及外切酶4种酶活测试，检测结果如表 2所示。

由表 2测试结果可见，堆放20 d的玉米秸秆酶活数值较高，中层秸秆的酶活数值均比底层秸秆的酶数值高，表明中层秸秆环境适宜微生物生存，因此微生物繁殖较快。同时，表层秸秆与未预处理的玉米秸秆酶活数值基本相同，因此，由表层外观未变化和酶活数值比较结果，表层玉米秸秆与未预处理秸秆性质相同。

2.2 玉米秸秆预处理前后主要化学组分含量变化

将预处理的表层、中层、下层玉米秸秆与未预处理的玉米秸秆的化学成分进行比较，堆放预处理处理20 d后，进行玉米秸秆中主要化学组分的质量分数测定，结果如图 2所示。

由图 2可见，玉米秸秆中所含纤维素、木质素、半纤维素的质量分数比未预处理的分别减少了5.8%、16.8%和5.7%，由图可见，表层玉米秸秆和化学成分与未预处理的玉米秸秆化学成分基本相同，与朱洪龙等^[35]不同白腐真菌处理的油菜秸秆研究结果：纤维素、木质素和半纤维素的降解率分别为7%、22%和5%比较，说明此试验研究采用的堆放预处理对纤维素、木质素、半纤维素的降解效果明显。另外，玉米秸秆经堆放预处理后，碳的质量分数从原来的45.43%降为43.6%，而氮的质量分数从0.78%升高至0.97%，从而玉米秸秆的C/N比例由58.2:1降为44.9:1。

2.3 不同预处理玉米秸秆的日产气量和累计产气量

取堆放处理20 d的玉米秸秆为原料，厌氧发酵60天的日产气量如图 3所示。

由图 3可见，日产气量的顺序为Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅵ。Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组日产气量比较，Ⅱ组的日产气量高，且开始产气时间比Ⅰ组早。由于Ⅱ组发酵的玉米秸秆中微生物促进厌氧发酵的缘故。同样Ⅳ组与Ⅴ、Ⅵ组比较，Ⅴ组的日产气较高，而且开始产气时间比Ⅴ早。

图 4是6组发酵物经过60 d厌氧发酵后的累计产气量。由图 4可见，累计产气量由高到低的顺序是Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅵ，中层玉米秸秆产气量明显增加。由于堆放预处理，中层玉米秸秆中的微生物浓度高，微生物促进秸秆发酵，增加产气量。下层堆放玉米的产气量不明显，这是因为在堆放过程中，底层的温度较高，容易腐烂，造成营养成分流失。Ⅰ组的累计产气量31 850 mL，Ⅱ组的累计产气量39 620 mL，Ⅳ组的累计产气量31 030 mL，Ⅴ组的累计产气量38 250 mL。Ⅱ组的累计产气量比Ⅰ组的累计产气量高24.4%；比Ⅳ组的累计产气量高27.7%；比Ⅴ组的累计产气量高3.6%；Ⅴ组的累计产气量比Ⅳ组的累计量高23.27%，比Ⅰ组的累计产气量高20.1%。因此堆放20 d玉米秸秆与牛粪发酵的产气量最高，高于未预处理的玉米秸秆与牛粪的混合的发酵产气量，高于玉米秸秆与污泥的混合的发酵产气量，因此堆放预处理既能有效处理玉米秸秆，降低了预处理的成本，又提高了产气量。

2.4 沼气中甲烷的含量

沼气是几种气体的混合体，主要成分是甲烷和二氧化碳，还有少量的氮气、氧气、氢气、氨水和硫化氢等气体。其中甲烷含量对沼气的品质影响较大，甲烷含量越高，沼气燃烧值、热值越高、性能越好。实验过程中，每天测反应器内的甲烷体积分数，甲烷体积分数稳定后，每3天测定一次。测试结果如图 5所示。

由图 5可见，在启动初期，由于气体中混有空气，因此甲烷的体积分数低，10 d后，集气瓶中空气排空，甲烷体积分数上升到稳定状态。在发酵初期，与牛粪混合的Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组的甲烷体积分数明显高于与污泥混合的Ⅳ组、Ⅴ组和Ⅵ组。Ⅳ组、Ⅴ组和Ⅵ组集气瓶中甲烷体积分数在55%~60%之间，Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组集气瓶中甲烷体积分数在75%~80%之间。玉米秸秆与牛粪混合产气提高沼气中甲烷含量。这与文献[5]添加牛粪能增加沼气中甲烷含量研究结果一致。

2.5 不同预处理玉米秸秆的pH变化

适宜的酸碱度是沼气微生物生长的必要条件，通常沼气池中的产甲烷细菌适宜的pH值范围为6.5~7.8。发酵过程中检测pH值的数值，结果如图 6所示。

由图 6可见，玉米秸秆干式发酵的pH值一直处在动态变化中，pH值在6.4~7.6之间。Ⅱ组的pH值高于Ⅰ组、Ⅲ组，这与Ⅱ组的日产气量与累计产气量高于Ⅰ组、Ⅲ组一致的。Ⅴ组的pH值较高于Ⅳ组、Ⅵ组，这与Ⅴ组日产气量和累计产气量高于Ⅳ组、Ⅵ组符合的。

3 结论

实验以新收获玉米秸秆为原料，采用中温干式发酵方法，总固体含量30%左右，采用堆放预处理法，堆放厚度、堆放时间对玉米秸秆的主要化学成分影响进行测试分析，并用自制厌氧发酵装置对此预处理秸秆和不同接种物混合发酵，对沼气的产气量进行试验研究。

1) 酶测试结果表明：堆放20 d的中层玉米秸秆酶数值均高于底层和表层秸秆的酶数值，表明中层秸秆环境适宜微生物生存，因此微生物繁殖较快。

2) 堆放20 d的玉米秸秆中纤维素、木质素、半纤维素的质量分数比未经预处理的分别减少了5.8%、16.8%和5.7%。

3) 堆放20 d后的玉米秸秆与牛粪混合的累计产气量比未预处理的玉米秸秆与牛粪混合发酵的累计产气量高24.4%；比堆放20 d的玉米秸秆与污泥混合发酵的累计产气量高3.6%；比未预处理的玉米秸秆与污泥混合发酵的累计产气量高27.7%；堆放20 d的玉米秸秆与污泥混合的累计产气量比未预处理的玉米秸秆与污泥混合发酵的累计产气量高23.27%。

4) 实验通过堆放预处理的新鲜玉米秸秆干式发酵制取沼气，既能有效的处理玉米秸秆，减少大气污染，又提供了有利于提高沼气产量的预处理方法。