黃開明，趙立欣，馮 晶，姚宗路，于佳動，羅 娟，魏世萌

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溶氧量及攪拌速率對青貯玉米秸稈微曝氣水解效果的影響

黃開明，趙立欣※，馮 晶，姚宗路，于佳動，羅 娟，魏世萌

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

為提高秸稈好氧水解的生物可降解性，試驗選用切碎揉絲的青貯玉米秸稈，水解液按照體積比為10%的量添加，以水解液溶氧量（1、2、3、4、5、6 mg/L）和攪拌速率(50、100 r/min)為變化因素，溫度控制在35～38 ℃、總固體為5%，進行優(yōu)化設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn)，進行8 d，pH值及氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）值趨近于穩(wěn)定；攪拌速率為50 r/min、溶氧量為1～4 mg/L；以及攪拌速率為100 r/min、溶氧量為1～2 mg/L范圍內(nèi)，曝氣量的提高，對脂肪酸的積累顯著，且攪拌和曝氣都可促進乙酸、丙酸和正丁酸的積累；攪拌速率為100 r/min，可溶性需氧量（soluble chemical oxygen demand，sCOD）的濃度整體呈現(xiàn)出高于攪拌速率為50 r/min時的狀況；以纖維素降解為例，在攪拌速率為100 r/min條件下，溶氧為2 mg/L時，木質(zhì)纖維素具有較高的降解率，達到48%。

秸稈；水解；氧；青貯玉米秸稈；微曝氣水解；預處理；降解特征

0 引 言

玉米秸稈屬木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，細胞間緊密相連，細胞壁由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互交織而成[1]。木質(zhì)素在厭氧條件下無法降解，從而阻礙了胞外酶與纖維素、半纖維素接觸[2]。因此如何最大限度破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，使胞外酶與纖維素及半纖維素充分接觸，是解決玉米秸稈高效利用的關(guān)鍵[3-4]。

有研究證明，木質(zhì)素的降解是需氧反應，在分子氧存在的條件下，可被好氧水解微生物降解[5]。適當?shù)钠貧獠⑤o以攪拌可顯著提高玉米秸稈中木質(zhì)纖維素的降解效率，在加速玉米秸稈底物分解的同時，還能增加了體系中脂肪酸產(chǎn)量、減少有毒氣體（H2S、NH3）的生成[6-7]。為此，利用含木質(zhì)素為原料的玉米秸稈來厭氧發(fā)酵制沼氣前，常對玉米秸稈作好氧水解預處理，以提高木質(zhì)纖維素的降解率。目前，對農(nóng)作物秸稈的預處理，主要集中在干法好氧堆漚研究[8-10]。陳廣銀等[11]對小麥秸稈進行堆漚處理，發(fā)現(xiàn)堆肥預處理無法對后期厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量起到有效地提高，但通過好氧微生物的代謝作用，可加速大分子有機物的降解，并有效提高厭氧發(fā)酵的啟動速率。高白茹等[12]通過研究后發(fā)現(xiàn)，對水稻秸稈進行堆漚處理，雖然最終有效地破壞了木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，但是，這一過程卻造成纖維素，半纖維等有機物過度降解，最終降低了水稻秸稈總固體產(chǎn)氣量。

微孔曝氣器作為微生物微曝氣水解過程的主要設(shè)備，其工作原理是：空氣壓縮機提供的空氣經(jīng)曝氣池底部的管道系統(tǒng)，送至分布于曝氣池底部的微孔曝氣器，壓縮空氣經(jīng)微孔曝氣器膜片上的微小孔眼阻擋后形成直徑小于3 mm的微小氣泡，微小氣泡被分布擴散到微曝氣水解預處理池的水體中，與水解液充分接觸，使氧氣有效的溶解到水解液中，供水解液中微生物新陳代謝、生化降解需要，達到預處理玉米秸稈的目的[13]。本研究采用連續(xù)進出料濕法微曝氣水解預處理工藝來處理玉米秸稈。此方法通過控制好氧水解發(fā)酵體系的含水量，使發(fā)酵反應物料在微曝氣水解預處理發(fā)酵過程中具有流動性；輔以攪拌，以促進傳熱和傳質(zhì)，使微生物所產(chǎn)生的胞外水解酶與玉米秸稈充分接觸，并有效防止局部過度降解的發(fā)生；在此過程中，通過控制溫度，保證微曝氣水解預處理微生物的代謝具有較高的活性，使得水解預處理反應能夠穩(wěn)定運行，為玉米秸稈的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所采用的原料為青貯玉米秸稈、接種物為水解液，均取自河北省三河市某沼氣工程。其中，青貯玉米秸稈為2～3 cm切碎揉絲的青貯玉米秸稈6 kg，TS為19.85%、VS為9.65%，裝青貯袋，抽真空，室溫（25 ℃）、避光處保存；水解液來自于三河某沼氣工程水解酸化池，TS為9.65%、VS為6.61%，8 L，室溫（25 ℃）、避光處保存。試驗原料和接種物基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗原料和接種物基本性質(zhì)

1.2 反應裝置

微曝氣水解發(fā)酵反應器（以下簡稱反應器）為玻璃材質(zhì)，見圖1，該反應器單個有效體積為30 L，物料填裝在孔徑5 mm的篩網(wǎng)盤上；反應器外壁有循環(huán)水夾層，水通過恒溫水浴維持反應器的發(fā)酵溫度；反應器篩網(wǎng)盤下部有微孔曝氣盤，通過外設(shè)的空壓機給反應器曝氣，可控制反應器的溶氧；反應器設(shè)有攪拌裝置，攪拌旋槳由2個垂直的槳葉組成，攪拌旋槳通過變頻電機帶動，轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0～100 r/min。

①進料口；②攪拌旋槳；③出料口；④微孔曝氣盤；⑤恒溫水浴；⑥水浴入水口；⑦水浴出水口；⑧進氣口；⑨曝氣泵

1.3 試驗設(shè)計

在有效容積為30 L的反應器中，加入長度為2～3 cm，切碎揉絲的青貯玉米秸稈、水解液和自來水，其中，青貯玉米秸稈的質(zhì)量為6 kg，水解液按照體積比為10%的添加量添加，最后，通過添加自來水，調(diào)節(jié)微曝氣水解預處理的TS為5%，進行連續(xù)進出料微曝氣水解預處理試驗。反應器容積控制在25 L、溫度控制在35～38 ℃，以水解液溶氧量和攪拌轉(zhuǎn)速為變化因素，進行優(yōu)化設(shè)計。關(guān)閉攪拌，通過調(diào)節(jié)曝氣閥門的大小來控制進入水解發(fā)酵反應器的進氣量，水解液曝氣溶氧量分別控制為1、2、3、4、5、6 mg/L，曝氣頻率為曝氣每運行15 min，停15 min；然后開啟攪拌，攪拌速率控制在50和100 r/min，攪拌頻率為攪拌每運行30 min，停15 min，共設(shè)計12組試驗[14]，試驗設(shè)計見表2。試驗按照日進出料30%的量進出料，物料水力停留時間為3.3 d。試驗運行后，每天取樣，測試料液的pH值、氧化還原電位（oxidation- reduction potential, ORP），和溶解性化學需氧量（soluble chemical oxygen demand，sCOD）；每批次試驗取1次玉米秸稈樣，測試玉米秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的量。每批次試驗運行10 d。試驗設(shè)計見表2。

表2 12組曝氣水解預處理試驗設(shè)計

1.4 分析方法

TS、VS的測定參照美國APH方法進行[15]。試驗運行過程中，每天測定水解預處理料液的pH值、ORP和sCOD，其中，pH值的測定使用便攜式pH值計（SX-610，上海三信，中國）；ORP的測定使用ORP計（SX-630，上海三信，中國）；采用哈?？焖傧夥╗16]測定水解預處理料液的sCOD。用氣相色譜法分析發(fā)酵周期結(jié)束時反應器內(nèi)乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸共6種脂肪酸的含量，測試前樣品需12000 r/min離心30 min，取上清液過0.22m濾膜，過濾后的液體與甲酸1:1混合后上機測試，測定程序及方法參照文獻[17]。木質(zhì)纖維素成分的測定主要測定包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，共3種成分，采用范式洗滌法[17]測定。預先將物料烘干，經(jīng)高速萬能粉碎機粉碎，并過1 mm篩網(wǎng)，隨后將粉碎好的樣品在105 ℃下烘干至恒定質(zhì)量，稱?。?.5±0.05）g樣品，裝入專用的測定袋中（F57，ANTOM，美國），使用ANTOM 220型纖維素分析儀（北京正方興達科技發(fā)展有限公司，中國）進行測定，可依次得出可溶性物質(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的百分含量[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 曝氣水解預處理pH值特征

圖2 a，b所顯示的是攪拌速率為50 和100 r/min時，不同溶氧狀況下pH值的變化。從圖2a中可以看出，在攪拌速率為50 r/min、溶氧為1 mg/L時，微曝氣水解預處理第1～3天，pH值呈現(xiàn)出先上升，然后迅速降低的趨勢，第3～9天，pH值呈現(xiàn)出窄幅波動，最終趨于平穩(wěn)；溶氧為6 mg/L時進行微曝氣水解預處理，在運行的第1～5天，pH值呈現(xiàn)出先升高、后平穩(wěn)、而后下降的的趨勢，尤其是第4～5天，水解液pH值下降明顯，pH值由8.1下降到7.1，第5～7天，pH值由7.1上升到8.0，第7～9天，pH值趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在8.2左右；溶氧為3、4、5 mg/L的條件下進行微曝氣水解預處理，在運行的第1～9天，pH值較平穩(wěn)，在6.9～8.3之間變動。在運行的第8天，各組試驗pH值趨近于穩(wěn)定，pH值從大到小排序所對應的的溶氧量為：6、5、4、3、1、2 mg/L。

攪拌速率為100 r/min時，溶氧量為2、3、4、5 mg/L的條件下進行微曝氣水解預處理，在運行的第1～9天，pH值都呈現(xiàn)出波動上升的趨勢；在1 mg/L條件下，進行微曝氣水解預處理，運行的第1～2天，pH值由6.9上升到7.6，第3～7天，pH值在6.3～7.5之間波動，第7～ 9天，pH值開始降低，由6.9下降到5.4。運行9 d后，各組試驗pH值趨近于穩(wěn)定，pH值從大到小排序所對應的的溶氧量為：3、5、2、4、6、1 mg/L。

微曝氣水解預處理水解液pH值的變化是溶氧和對反應體系進行攪拌頻率的高低兩方面原因所導致[18]。在好氧水解初期，好氧菌和兼性厭氧菌利用小分子有機物產(chǎn)酸，而攪拌和曝氣更是在一定程度上加劇了好氧菌的活性，使得溶氧量為1和2的體系內(nèi)pH值降低[19]。由于對體系進行曝氣和攪拌，反應體系內(nèi)水解產(chǎn)酸菌代謝加快，脂肪酸快速累積，反應體系pH值降低，當攪拌速率為50 r/min、體系溶氧大于3 mg/L時，溶氧量越高，水解液的pH值越高[20]，這是因為微曝氣和攪拌所帶來擾動，將水解所產(chǎn)生的揮發(fā)酸揮發(fā)喪失，脂肪酸累積減少，且在產(chǎn)酸過程中同樣有 NH4+-N 生成，導致反應體系中的pH值升高[21]。由于發(fā)酵體系中分子氧的存在，厭氧微生物無法進行正常的生理活動，好氧及兼性厭氧微生物利用體系中的大分子糖，代謝產(chǎn)酸，又促使發(fā)酵體系pH值下降，最終表現(xiàn)出發(fā)酵體系中的NH4+-N體系達到動態(tài)平衡[22]。

圖2 不同攪拌速率、不同溶氧狀況下pH值的變化

2.2 曝氣水解預處理ORP特征

氧化還原電位（ORP）能夠反映出溶液中物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化-還原性，是表征微生物生化反應特征的一個重要參數(shù)，而且細胞內(nèi)氧化還原平衡間接受到胞外環(huán)境的ORP水平影響[23]。圖3 a，b所示的是攪拌速率為50和100 r/min時，不同溶氧狀況下ORP值的變化。其中，攪拌速率為50 r/min時，初始ORP值約為52 mV，在第1～3天內(nèi)迅速下降至?127～?202 mV；第6～10天，曝氣溶氧量為2、3 mg/L條件下進行微曝氣水解預處理，ORP值都呈現(xiàn)出上升趨勢，其中，曝氣溶氧為2 mg/L時，上升的最多，由?191 mV 上升到?50 mV；曝氣溶氧為3，上升的也較多，由?174 mV上升到 ?65 mV；溶氧為1、4、5、6 mg/L，ORP值變化較小，運行8 d后，各組試驗ORP值趨近于穩(wěn)定，ORP值由高到低排序所對應的的溶氧量為：2、3、1、5、6、4 mg/L。

攪拌速率為100 r/min條件下，初始ORP值約為52 mV，在第1～4天內(nèi)迅速下降至?258～?152 mV，第4～10天，ORP值呈現(xiàn)出整體上升的趨勢，其中，溶氧為1 mg/L時上升最為明顯，運行8 d后，各組試驗ORP值趨近于穩(wěn)定，ORP值由高到低排序所對應的溶氧量為：1、3、4、5、6、2 mg/L。

水解酸化細菌多為好氧及兼性菌，在微好氧環(huán)境下消耗氧氣可以促進底物的分解。底物在酸化后期仍然保持較高的分解狀態(tài)，微生物消耗大量的氧氣[24]。有研究表明，ORP值越低，越有利于水解酸化微生物的生長以及電子的傳遞，并加快水解酸化氧化還原反應的完成[25]。本研究顯示，玉米秸稈微曝氣水解酸化預處理初期，水解預處理微生物處于延滯期，細胞代謝十分活躍，生成的NADH等還原力主要用于核酸、酶和ATP的合成，此階段ORP值下降較快。延滯期過后胞內(nèi)各成分平衡増長，生成的NADH足以維持自己生長所需，而此時，細胞做出氧化還原平衡調(diào)整，ORP值出現(xiàn)平臺曲線。

圖3 不同攪拌速率、不同溶氧狀況下氧化還原電位(ORP)的變化

2.3 微曝氣水解預處理揮發(fā)性脂肪酸（VFA）分布特性

圖4a，b所示的是攪拌速率為50和100 r/min時不同溶氧狀況下VFA濃度的分布情況，取樣時間為第9天。

圖4a組為攪拌速率為50 r/min、不同曝氣溶氧環(huán)境下的試驗；圖4b組為攪拌速率為100 r/min、不同曝氣溶氧量下的試驗。由圖4可以看出，微曝氣水解預處理產(chǎn)生的脂肪酸主要是乙酸、正丁酸和丙酸，各組試驗這3種酸所占比例均超過80%；圖4b試驗溶氧量為1、2、3 mg/L時，微曝氣水解預處理發(fā)酵液的VFA總酸濃度要顯著高于其他組，其中溶氧量為2 mg/L 組最高，達到466.57 mg/L，比最低的6 mg/L組高了85.6%，差異極顯著（<0.01）。除了這3組，其他各組微曝氣水解預處理發(fā)酵液的VFA的總酸質(zhì)量濃度均未超過150 mg/L。

預處理是玉米秸稈高效利用的一個重要環(huán)節(jié)，微曝氣水解預處理中的玉米秸稈只有經(jīng)過微生物的水解酸化作用后方能更有效的在厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷階段發(fā)揮作用。若將玉米秸稈的消化過程控制在水解酸化階段，即可實現(xiàn)酸化產(chǎn)物(揮發(fā)性脂肪酸)的積累。本研究顯示，在攪拌速率為50 r/min，溶氧量為1、2、3、4 mg/L的條件下，增加曝氣量可以加速體系中微生物水解青貯玉米秸稈轉(zhuǎn)化為總揮發(fā)酸的進程；在攪拌速率為100 r/min，溶氧為1、2 mg/L條件下，增加曝氣量可加速體系中微生物水解青貯玉米秸稈轉(zhuǎn)化為總揮發(fā)酸的進程，但在攪拌速率為50 r/min、曝氣溶氧量大于4 mg/L時，以及在攪拌速率為100 r/min、曝氣溶氧量大于2 mg/L時，曝氣量提高不利于總揮發(fā)酸的積累。

注：取樣時間為第9天。

2.4 曝氣水解預處理sCOD動態(tài)變化特征

圖5a，b所示的是攪拌速率為50和100 r/min時不同溶氧狀況下sCOD濃度的變化。如圖4所示，sCOD在酸化前期呈現(xiàn)出較高水平，但在不同的攪拌及溶氧狀況下，sCOD濃度的變化存在差異。其中，攪拌速率為50 r/min、曝氣水解預處理反應器溶氧量在1、2、3和4 mg/L的條件下，微曝氣水解液溶氧量越高，水解液的sCOD越高；曝氣水解預處理反應器溶氧量在5和6 mg/L時，呈現(xiàn)出曝氣量越大sCOD濃度越低的趨勢。攪拌速率為100 r/min、曝氣水解預處理反應器溶氧量在1、2、3、4、5和6的條件下，sCOD的濃度整體呈現(xiàn)出高于攪拌速率為50 r/min時的狀況，其中，曝氣水解預處理反應器溶氧量在1和2 mg/L時，溶氧量越高，水解液的sCOD越高，微曝氣水解液溶氧高于2 mg/L，即3、4、5和6 mg/L的條件下，平均溶氧量越高，水解液的sCOD越低?？扇苄晕镔|(zhì)生成規(guī)律也符合2.5節(jié)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解規(guī)律。

本研究顯示，攪拌速率和溶氧量的提高，都可一定程度的促進青貯玉米秸稈的水解。曝氣量提高有利于水解的傳質(zhì)及提供好氧水解微生物對氧氣的需求，好氧水解微生物將大量的青貯玉米秸稈中可溶及易降解的固體顆粒物質(zhì)進行分解，使得sCOD濃度迅速降低[26]，另外，隨著發(fā)酵時間的延長，由于微生物的呼吸作用，底物降解過程中產(chǎn)生的酸會被轉(zhuǎn)化成CO2，從體系中排除，最終也會導致可溶性化學需氧量的下降[27]。之后，培養(yǎng)體系的可溶性化學需氧量趨向于平穩(wěn)，此階段培養(yǎng)體系中易于降解的可溶性有機物基本降解掉，培養(yǎng)體系中的微生物通過產(chǎn)生胞外酶釋放到培養(yǎng)體系中，作用于玉米秸稈，使得秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等難降解的有機物降解成可溶性多糖，菌液中的復合菌系將其利用掉，從而形成這一階段的sCOD呈現(xiàn)出總體平穩(wěn)，波浪往復的變化[26]。

圖5 不同攪拌速率、不同溶氧狀況下可溶性化學需氧量（sCOD）的變化

2.5 曝氣水解預處理木質(zhì)纖維素降解特征

就結(jié)構(gòu)而言，木質(zhì)纖維素原料由于木質(zhì)素的物理屏蔽作用，阻礙了水解微生物分泌的水解胞外酶與纖維素、半纖維素的接觸，從而導致水解產(chǎn)酸發(fā)酵階段進程緩慢，成為玉米秸稈高效厭氧水解的限速步驟[28]。提高水解效率的關(guān)鍵是破壞木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的屏蔽作用，而木質(zhì)素的降解需要有分子氧的存在，因此，在秸稈厭氧發(fā)酵前對秸稈進行好氧水解發(fā)酵，有利于提高秸稈的生物可降解性[4]。圖6a、b為攪拌速率為50、100 r/min時不同溶氧狀況下木質(zhì)纖維素的降解情況。從圖6a、b圖可知，攪拌和曝氣都可以加快木質(zhì)素的降解速率，其中，攪拌速率在50 r/min、溶解氧量控制在1～4 mg/L時，纖維素的降解速率提高得最快，達到28.05%，若微曝氣水解預處理的曝氣量繼續(xù)提高，達到4～6 mg/L時，纖維素的降解率雖還有提高，但提高頻率較小，僅提高了6.7%；攪拌速率在100 r/min時，纖維素在1～2 mg/L時，纖維素的降解速率最快，達到48.00%，曝氣量繼續(xù)提高，在3～6 mg/L時，纖維素的降解率提高不明顯。

本研究顯示，在本試驗研究的溶氧量參數(shù)范圍內(nèi)，即1、2、3、4、5和6 mg/L范圍內(nèi)，纖維素的降解隨著溶氧量的提高而提高，在纖維素降解率接近最大，即攪拌速率為50 r/min、溶氧量為3 mg/L時，纖維素的降解率達到20.5%、半纖維素的降解率達到14.5%、木質(zhì)素的降解率達到9.9%；攪拌速率為100 r/min時，溶解氧量為2 mg/L時，纖維素的降解率達到48%、半纖維素的降解率達到43.5%、木質(zhì)素的降解率達到10.2%，在此條件下，如若繼續(xù)提高曝氣量和加快攪拌頻率，對纖維素降解速率的提高無明顯作用，纖維素和半纖維素的降解效果雖會因為木質(zhì)素的降解有所升高，但升高幅度也很有限。這是因為水解液溶氧達到一定濃度時，纖維素降解速率最快，隨著水解時間的增加，纖維素酶代謝產(chǎn)物累積，在好氧環(huán)境中，代謝產(chǎn)物無法被厭氧菌利用，僅有少部分可被兼性厭氧菌利用，反應體系中達到一種代謝平衡[29]。

圖6 玉米秸稈微曝氣水解后纖維素、半纖維素和木質(zhì)降含量

3 結(jié) 論

1）微曝氣水解預處理水解液pH值的變化是溶氧和對反應體系進行攪拌頻率的高低2方面原因所導致。當攪拌速率為50 r/min、體系溶氧大于3 mg/L時，因為微曝氣和攪拌所帶來擾動，將水解所產(chǎn)生的揮發(fā)酸揮發(fā)喪失，脂肪酸累積減少，導致反應體系中的pH值升高，此時，溶氧量越高，水解液的pH值越高。玉米秸稈微曝氣水解酸化預處理初期，氧化還原電位（ORP值）下降較快。延滯期過后ORP值趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出平臺曲線。

2）對青貯玉米秸稈進行微曝氣水解預處理，代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸主要為乙酸、丙酸和異丁酸，在本試驗所選的曝氣溶氧量和攪拌速率各參數(shù)范圍，即攪拌速率為50 r/min、溶氧為1～4 mg/L；以及攪拌速率為100 r/min、溶氧為1～2 mg/L范圍內(nèi)，曝氣量的提高，對脂肪酸（乙酸、丙酸和正丁酸）的積累作用尤為顯著。

3）相同曝氣量的情況下，提高反應體系攪拌速率可明顯提高玉米秸稈的水解效率。纖維素的降解隨著溶氧的提高而提高，在纖維素降解率接近最大時，繼續(xù)提高曝氣量和加快攪拌頻率，對纖維素的降解速率無明顯影響。以纖維素降解為例，在攪拌速率為100 r/min條件下，溶氧量為2 mg/L時，木質(zhì)纖維素具有較高的降解率，達到48%，繼續(xù)提高溶氧為6 mg/L，雖然木質(zhì)纖維素的降解率還有小幅提升，但提升幅度較小。

[1] 楊建隊. 農(nóng)作物秸稈綜合利用探討[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2007(6)：40－41. Yang Jiandui. Discussion on the comprehensive utilization of crop straw[J]. Agricultural Technology & Equipment, 2007(6): 40－41. (in Chinese with English abstract)

[2] 李春光，王彥秋，李寧，等. 玉米秸稈纖維素提取及半纖維素與木質(zhì)素脫除工藝探討[J]. 中國農(nóng)學通報，2011，27(1)：199－202. Li Chunguang, Wang Yanqiu, Li Ning, et al. Study on extraction of cellulose and removal of hemicelluloses and lignin from corn stalk[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(1): 199－202. (in Chinese with English abstract)

[3] 任南琪，王愛杰，馬放. 產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學[M]. 北京：科學出版社，2005.

[4] 李文哲，曹瀾，羅立娜，等. 玉米秸稈好氧水解特性研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報，2016，47(10)：41－50. Li Wenzhe, Cao Lan, Luo Lina, et al. Study on aerobic hydorlysis characteristic of corn straw[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(10): 41－50. (in Chinese with English abstract)

[5] 付善飛，許曉暉，師曉爽，等. 厭氧發(fā)酵起始階段通氧對玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響[J]. 化工學報，2015，66(3)：1111－1116. Fu Shanfei, Xu Xiaohui, Shi Xiaoshuang, et al. Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2015, 66(3): 1111－1116. (in Chinese with English abstract)

[6] 朱振興. 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇過程中水的循環(huán)利用研究[D]. 上海：華東理工大學，2008. Zhu Zhenxing. Study on Recycling of Water from Lignocellulosic Biomass in Ethanol Production[D]. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2008. (in Chinese with English abstract)

[7] 田順風. 預處理對玉米秸稈中木質(zhì)素脫除及纖維素降解的影響[D]. 無錫：江南大學，2016. Tian Shunfeng. Effects of Pretreatment on the Removal of Lignin from Corn Stover and Cellulose Degradation[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[8] 晏水平，高鑫，艾平，等. 發(fā)酵條件對典型木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)沼氣影響實驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(s2)：136－142. Yan Shuiping, Gao Xin, Ai Ping, et al. Effect of Anaerobic fermentation conditions on biogas yields from typical lignocellulosic materials[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(s2): 136－142. (in Chinese with English abstract)

[9] Chanakya H N, Sreesha M. Anaerobic retting of banana and arecanut wastes in a plug flow digester for recovery of fiber, biogas & compost[J]. Energy for Sustainable Development, 2012, 16(2): 231－235.

[10] 李湘，魏秀英，董仁杰. 秸稈微生物降解過程中不同預處理方法的比較研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2006(增刊1)：110－116. Li Xiang, Wei Xiuying, Dong Renjie. A study of degradation efficiency of corn straw pretreated with different methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(Supp. 1): 110－116. (in Chinese with English abstract )

[11] 陳廣銀，葉小梅，常志州，等. 堆肥預處理對麥秸與奶牛廢水混合物厭氧產(chǎn)沼氣的影響[J]. 中國環(huán)境科學，2013，33(1)：111－117. Chen Guangyin, Ye Xiaomei, Chang Zhizhou, et al. Effect of composting pretreatment on biogas production of the mixture of wheat straw and cattle wastewater[J]. China Environmental Science, 2013, 33(1): 111－117. (in Chinese with English abstract )

[12] 高白茹，常志州，葉小梅，等. 堆肥預處理對稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(5)：251－256. Gao Bairu, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei, et al. Effect of compost pre-treatment on biogas production from rice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(5): 251－256. (in Chinese with English abstract)

[13] 蔣輝. 環(huán)境工程技術(shù)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[14] Yan Z, Song Z, Dong L, et al. The effects of initial substrate concentration, C/N ratio, and temperature on solid-state anaerobic digestion from composting rice straw[J]. Bioresource Technology, 2015, 177: 266－273.

[15] APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M]. Washington D C, USA: American Public Health Association, 2005.

[16] 馬琳. 快速消解分光光度法測量COD_(Cr)與傳統(tǒng)方法的對比實驗[J]. 現(xiàn)代儀器與醫(yī)療，2010，16(4)：62－65. Ma Lin. Fast-digestion spectrophotometry CODcr comparative experiment with the traditional method[J]. Modern Instruments, 2010, 16(4): 62－65. (in Chinese with English abstract)

[17] Van Soest P J, Robertson J B, Lewis B A. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition[J]. Journal of Dairy Science, 1991, 74(10): 3583－3597.

[18] 熊素敏，左秀鳳，朱永義. 稻殼中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測定[J]. 糧食與飼料工業(yè)，2005(8)：40－41. Xiong Sumin, Zuo Xiufeng, Zhu Yongyi. Determination of cellulose, hemicellulose and lignin in rice husk[J]. Cereal & Feed Industry, 2005(8): 40－41. (in Chinese with English abstract)

[19] 王曉霞. 光催化氧化降解低濃度含氰廢水的研究[D]. 大連：大連工業(yè)大學，2010. Wang Xiaoxia. The Study of Photocatalytic Oxidation of Low Concentration of Cyanide Wastewater[D]. Dalian: DalianPolytechnic University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[20] 吳躉. Z-MBR法處理污染景觀水的試驗研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2013. Wu Dun. Study on the Z-MBR for the Polluted Landscape Water Treatment[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[21] 楊莉麗. 餐廚垃圾高固態(tài)厭氧消化過程中酸化調(diào)控研究[D]. 無錫：江南大學，2016. Yang Lili. Study on the Acidification Regulation in High-Solids Anaerobic Digestion Process from Food Wastes Treatment[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[22] 沈楠. 厭氧微生物體系中還原力的產(chǎn)生及其應用[D]. 合肥：中國科學技術(shù)大學，2014. Shen Nan. The Production and Application of Reducing Power in the Anaerobic Microorganism Systems[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2014. (in Chinese with English abstract)

[23] Graef M R D, Alexeeva S, Snoep J L, et al. The steady-state internal redox state (NADH/NAD) reflects the external redox state and is correlated with, catabolic adaptation in escherichia coli[J]. Journal of Bacteriology, 1999, 181(8): 2351－2357.

[24] 徐澤敏，趙國明，牟莉. 秸稈沼氣工程濕法發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 農(nóng)機化研究，2014，36(11)：218－221. Xu Zemin, Zhao Guoming, Mou Li. Study on process parameter optimization of wet fermentation in straw biogas project[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(11): 218－221. (in Chinese with English abstract)

[25] 程婷. 水解酸化預處理潔霉素生產(chǎn)廢水試驗研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2015. Cheng Ting. Research on the Pretreatment of Lincomycin Production Wastewater with Hydrolysis Acidification[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[26] Ziganshin A M, Liebetrau J, Pr?ter J, et al. Microbial community structure and dynamics during anaerobic digestion of various agricultural waste materials[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, 97(11): 5161－74.

[27] Chanakya H N, Malayil S, Vijayalakshmi C. Cultivation of Pleurotus, spp. on a combination of anaerobically digested plant material and various agro-residues[J]. Energy for Sustainable Development, 2015, 27: 84－92.

[28] 周肖肖，豐超，胡瑩，等. 環(huán)境規(guī)制與化石能源消耗：技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)變遷視角[J]. 中國人口資源與環(huán)境，2015，25(12)：35－44. Zhou Xiaoxiao, Feng Chao, Hu Ying, et al. Environmental regulation and fossil energy consumption: Based on the perspective of technological progress and economic structure transformation[J]. China Population, Resources and Environment, 2015, 25(12): 35－44. (in Chinese with English abstract)

[29] 韓煥勇，羅宏海，勾玲，等. 棉纖維發(fā)育過程中內(nèi)源激素含量和過氧化物酶活性的變化及其與纖維素累積和纖維比強度關(guān)系的研究[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2006，24(5)：529－533. Han Huanyong, Luo Honghai, Gou Ling, et al. Study on the correlation between change of hormone content and perocidase activity and cellulose cumulation and fiber strengths during the cotton fiber development[J]. Journal of Shihezi University: Natural Science, 2006, 24(5): 529－533. (in Chinese with English abstract)

Effect of dissolved oxygen and agitation rate on microaerated hydrolysis of silage corn straw

Huang Kaiming, Zhao Lixin※, Feng Jing, Yao Zonglu, Yu Jiadong, Luo Juan, Wei Shimeng

(100125,)

Corn straw belongs to lignocellulose biomass, and its cell walls are interwoven by cellulose, hemicellulose and lignin. Lignin can’t be degraded under anaerobic conditions, which hinders the contact of extracellular enzymes with cellulose and hemicellulose. The degradation of lignin is an aerobic reaction. Microporous aerator is the main equipment for microbial micro-aeration hydrolysis process. In this process, the air supplied by air compressor is sent to the micro-porous aerator distributed at the bottom of the aeration tank through the pipeline system at the bottom of the aeration tank. The compressed air is blocked by micro-holes on the diaphragm of the micro-porous aerator to form micro-bubbles with a diameter of less than 3 mm. The micro-bubbles are distributed and diffused into the water of the micro-aeration hydrolysis pretreatment tank to fully contact with the hydrolysate so as to effectively dissolve oxygen. To meet the needs of microbial metabolism and biochemical degradation in the hydrolysate of water supply, the purpose of pretreatment of corn straw is achieved. In the presence of molecular oxygen, lignin can be degraded by aerobic hydrolysis microorganisms. Therefore, the aerobic hydrolysis of straw in the anaerobic fermentation of straw is conducive to improve the biodegradability of straw. In this study, a wet micro-aerated hydrolysis pretreatment process with continuous feed-in and feed-out was used to treat corn straw. By controlling the water content of the aerobic hydrolysis fermentation system, the fermentation reactants can be fluidized by the pretreatment with micro-aeration hydrolysis. Stirring can promote heat and mass transfer, the extracellular hydrolase produced by microorganisms can be fully contacted with corn straw, and the occurrence of local over-degradation can be effectively prevented. In this process, by controlling temperature, microbial metabolism in micro-aeration hydrolysis, the pretreatment can be ensured to have high activity, so that the hydrolysis pretreatment reaction can run steadily. In a reactor with effective volume of 30 L, silage corn straw, hydrolysate and tap water with length of 2-3 cm and shredded and kneaded silk were mixed. The hydrolysate was added according to the volume ratio of 10%. The optimum design was carried out with the dissolved oxygen content(1, 2, 3, 4, 5, 6 mg/L) of the hydrolysate and the agitation rate (50, 100 r/min) as the changing factors, and the temperature was controlled at 35-38 ℃ and total solid (TS) was 5%. The test was carried out according to 30% of the daily feed and output, and the hydraulic residence time of the material was 3.3 days. It was found that the pH value and oxidation-reduction potential (ORP) values tended to be stable after 8 days operation. Under the conditions of agitation rate of 50 r/min, dissolved oxygen of 1-4 mg/L and agitation rate of 100 r/min, dissolved oxygen of 1-2 mg/L, the accumulation of fatty acids was significant with the increase of aeration rate. Stirring and aeration can promote the accumulation of acetic acid, propionic acid and n-butyric acid. When the stirring rate was 100 r/min, the concentration of soluble chemical oxygen demand (sCOD) was higher than that when the agitation rate was 50 r/min. Taking cellulose degradation as an example, when the agitation rate was 100 r/min and dissolved oxygen was 2 mg/L, lignocellulose had a high degradation rate of 48%. Continue to increase dissolved oxygen to 6 mg/L, although the degradation rate of lignocellulose still slightly increased, but the increase was small.

straw; hydrolysis; oxygen; silage corn straw; micro aeration hydrolysis; preprocessing; degradation characteristics

2018-06-22

2018-11-26

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“中部平原地區(qū)沼氣多元化利用技術(shù)及配套設(shè)備集成與示范”（201403019）

黃開明，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵技術(shù)裝備研究。Email：huangkm5566@126.com

趙立欣，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物能源化研究。 Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.026

S216

A

1002-6819(2019)-01-0213-07

黃開明，趙立欣，馮 晶，姚宗路，于佳動，羅 娟，魏世萌. 溶氧量及攪拌速率對青貯玉米秸稈微曝氣水解效果的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(1)：213－219. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.026 http://www.tcsae.org

Huang Kaiming, Zhao Lixin, Feng Jing, Yao Zonglu, Yu Jiadong, Luo Juan, Wei Shimeng. Effect of dissolved oxygen and agitation rate on microaerated hydrolysis of silage corn straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 213－219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.026 http://www.tcsae.org