秸秆类农业废弃物发酵产氢效能探究

—绪论研究背景及意义能源是支撑现代文明社会发展的基础，其多元的存在形式与复杂的消费结构深刻交织，全方位渗透进社会发展的各个环节。该能源分类体系包含不可再生矿物资源（涵盖煤炭、石油、天然气等）与可再生能源（包含太阳能、风能、水能及生物质能）两大核心模块。基于我国当前能源消费架构的实证分析，传统化石燃料仍持续占据核心支撑地位。根据国家统计局2022年发布的权威统计公报，我国传统化石燃料消费量占总能源需求的82.3%，其中煤炭占比56.2%，原油占比18.1%，天然气占比8.0%REF_Ref12618\n\h[1]。随着化石能源成本的日益上涨，存量的日益枯竭以及燃烧化石能源对环境带来的严重污染，能源结构转型迫在眉睫，生物质资源的开发和利用正逐渐成为焦点。生物质能资源作为典型的可再生清洁能源，蕴含着广阔的开发利用前景，其可持续利用特性使之成为能源结构转型的重要方向。通过热化学转化技术中的气化、液化与固化工艺路径,将其转化为具有高热值、低污染的特点的能源产品，如生物柴油、氢气、生物燃料等。作为具有悠久农耕文明传统的国家，我国农业生物质资源呈现储量大、种类多、分布广的特征，这种得天独厚的资源禀赋为生物质能开发提供了坚实的物质基础。从资源构成来看，农作物秸秆、畜禽粪便及林业废弃物等多元化原料来源，不仅体现了农业生态系统的循环潜力，也为构建可持续能源体系提供了重要战略资源支撑。据农业农村部统计我国每年产生秸秆8.65亿吨，畜禽粪污30.5亿吨，但这些资源的能源化利用率不足60%REF_Ref12850\n\h[2]，大部分农业秸秆类废弃物都未被合理利用，存在胡乱堆放、焚烧等现象，从而增加了二氧化碳等温室气体的排放量，对空气造成了严重污染REF_Ref12919\n\h[3]。在上述能源结构转型与生物质能开发的背景下，秸秆类农业废弃物发酵产氢作为一种兼具“能源替代”与“污染治理”双重效益的技术路径，不仅可以产出清洁能源氢气，又可以使农业秸秆类废弃物资源化利用，提高农业秸秆类废弃物利用率，缓解由于农业秸秆类废弃物未合理利用造成的环境污染，成为破解农业废弃物资源化与清洁能源生产协同难题的关键突破口，具有很大的发展前景和显著的现实意义REF_Ref13118\n\h[4]。深入探究秸秆类农业废弃物发酵产氢效能，无疑是开启生物质能高效利用大门的关键钥匙之一。秸秆的纤维素含量高达35%-50%，半纤维素占比20%-30%，理论上可提供丰富的可发酵糖源，但其致密的木质素-碳水化合物复合结构（LCC）严重阻碍了微生物对底物的有效利用。因此，如何通过高效预处理破除木质素屏障、提升可发酵性，并通过优化发酵工艺实现稳定产氢，成为秸秆类废弃物能源化利用的核心挑战。国内外研究现状秸秆类农作物在农业废弃物资源化利用现状秸秆是指在农业生产过程中，收获谷物、果实等主要产品后剩余的植物茎叶部分，是农业生产中的副产品。常见的秸秆类农作物主要包括玉米秸、稻秆、小麦秆、棉花秆、油菜秆、花生秧、豆秆、薯类秧、甘蔗梢等。其中，我国秸秆类型中，玉米、水稻和小麦的秸秆占比最多，占秸秆总量的79.19%，是主要的秸秆来源REF_Ref13170\n\h[5]。在分布地区中，东北、华北和长江中下游地区占比超60%，其中玉米秸秆占比最高36%，其次为水稻28%和小麦20%。秸秆中含有氮、磷、钾、钙、镁等矿物质元素及有机物质，作为农业生态系统的衍生输出物，其成分构成既体现了植物养分循环的生态学特征，又成为具有显著能源转化价值的生物质资源载体。传统处理方式上，秸秆焚烧是最普遍的方式，不只是我们国家，世界各地也如此REF_Ref13226\n\h[6]。虽然就地焚烧消灭了处理区域的杂草和害虫，并且处理方式便于农民操作，是一种非常高效、经济的方式，但其造成的危害也很严重REF_Ref13252\n\h[7]。秸秆燃烧不充分会产生大量污染物，如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物等，人类若是长期居住在此环境会增加慢性心脏病、肺部疾病、呼吸系统疾病、急性支气管炎等疾病的患病风险REF_Ref13281\n\h[8]。秸秆类农业废弃物的资源化利用方式主要分为以下几种：秸秆饲料化、秸秆肥料化、秸秆基料化、秸秆燃料化、秸秆原料化。秸秆饲料化是指将秸秆加工成饲料，用于养殖牲畜。这种方式在一些畜牧业发达地区应用较为广泛，利用率为23.42%，饲料化利用主体达2.9万多家REF_Ref13304\n\h[9]。我国农耕历史悠久，玉米秸秆从古至今一直作为家畜的饲料来源之一。虽然秸秆中含有大量的营养素，但由于玉米秸秆纤维量高，蛋白质含量低以及适口性差等因素导致其中的营养物质无法完全被动物吸收REF_Ref13337\n\h[10]。通过使用化学方法对秸秆进行预处理，破坏其细胞结构，增大纤维孔隙度可解决上述问题REF_Ref13360\n\h[11]。肥料化是秸秆常见的利用方式，通过将秸秆还田、堆肥等方式，使秸秆中的有机质和养分回归土壤，改善土壤结构和肥力。这是目前我国秸秆利用的主要方式，占比达到53.93%。秸秆还田又分为直接还田和间接还田。直接还田利用农机将秸秆粉碎、破茬、深耕和耙压后直接施入土壤。间接还田则是将秸秆加工后再还田，如秸秆沼肥还田、过腹还田、堆沤还田等。我国辽宁省扎实推进秸秆科学还田沃土，分区域、分作物制定操作规程，形成适应机械化生产的综合方案，2024年秸秆综合利用率达93.16%。将秸秆返还田间可以很好地改善土壤的生育能力，因为秸秆富含有机物和矿物质REF_Ref18844\n\h[12]，能够增加土壤有机质含量，改善土壤结构，从而既保护了自然环境和又具备良好的经济效益，促进农业的可持续发展。但由于技术原因导致秸秆在还田时打碎程度差度大，还田效果不佳，进而对田间作物生产也产生了负面影响，秸秆还田技术需加强REF_Ref13418\n\h[13]。基料化是指将秸秆作为基质或原料，通过物理、化学或生物处理技术转化为功能性材料的过程，主要应用于食用菌栽培和生物质材料制备REF_Ref12144\n\h[14]。在食用菌栽培中玉米秸秆因其35%-40%的高纤维素含量和孔隙结构，是理想的菌丝生长载体REF_Ref9649\n\h[15]，可作为多种食用菌的栽培基料，经粉碎、灭菌后与辅料混合制成菌棒，我国约70%的草腐型食用菌依赖秸秆基料REF_Ref5217\n\h[16]。通过秸秆的原料化利用，可以将玉米秸秆转化为高附加值的产品，比如生物建材，生物乙醇等，提高其经济价值。秸秆能源化利用的主要技术路径包括直接燃烧发电技术、热化学气化工艺及液化转化技术等多元化方法。这些技术路线在提升能源转化效率、降低污染物排放、优化能源供给结构等方面展现出不同的技术优势，构成了当前生物质能开发领域的核心技术框架REF_Ref12004\n\h[17]。其中气化是将秸秆作为厌氧发酵的底物，通过预处理打破秸秆致密的木质纤维素结构，厌氧发酵产出氢气，清洁能源甲烷等。秸秆类农作物发酵在厌氧产氢方面研究现状厌氧发酵是一个多阶段微生物代谢过程，利用有机废弃物在无氧条件下，通过微生物的代谢活动将复杂的有机物转化为甲烷、二氧化碳等产物的过程。这一过程主要包括四个阶段：水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷，如REF_Ref6745图STYLEREF1\s1-1所示。在水解阶段，大分子有机物被分解为小分子物质如不可溶的纤维素和半纤维素在微生物分泌的水解酶作用下被降解为单糖。随后产酸菌将单糖代谢为短链挥发性脂肪酸（VFA）、醇类及少量氢气，即为酸化阶段。产氢产乙酸阶段丙酸、丁酸等中间产物进一步分解生成氢气和乙酸，而由于系统中同时存在耗氢菌，部分氢气可能被转化为甲烷，从而导致氢气收率下降。最后在产甲烷阶段，产甲烷菌将乙酸、氢气和二氧化碳转化为甲烷。厌氧发酵过程受多种因素影响，包括发酵温度、pH值、碳氮比（C/N）、固体浓度（TS）、发酵原料特性、预处理方式、接种物和接种量等。温度影响酶活性，中温和高温发酵产气量较高。pH值范围在6.8~7.2是最佳的，过低或过高的pH均可能抑制关键酶的活性降低产氢效率REF_Ref12128\r\h[18]。预处理方式如物理、化学和生物方法可提高秸秆水解效率。根据利用的产氢微生物，可以将制氢方法可分为光合生物制氢和发酵法制氢REF_Ref24931\r\h[19]。发酵法制氢是一种利用微生物代谢将生物质中的有机底物降解转化为氢气的技术，具体又分为暗发酵法制氢和光发酵法制氢。暗发酵是在无光照条件下，通过专性厌氧菌与兼性生物，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌等，在无氧条件下对有机物进行发酵产氢。该方法操作简单、反应速度较快，但由于副产物（如乙酸和丁酸）的累积常导致氢气产率低于理论值。光发酵是利用光合细菌，如红假单胞菌、荚膜红细菌等，在光照条件下，将有机酸（如乙酸、丁酸）作为碳源生成氢气的过程。相比之下，光发酵具有较高的氢气产率，且能充分利用暗发酵过程中产生的挥发性脂肪酸。SumanthRanganathan及其研究团队在对玉米秸秆进行光发酵实验中，通过优化光照和培养条件，获得了最高141.42mL/(gTS）的氢气累计产量REF_Ref12249\r\h[20]。除以上两种方式外，正在研究的混合发酵技术通过结合不同底物的优势，能够有效提高发酵效率和产氢量。河南农业大学张全国教授团队设计构建了中试规模农业废弃物暗-光联合生物制氢系统REF_Ref12461\r\h[21]。在生物制氢工艺中，微生物通常为两大类，混合菌群和纯培养菌，二者的选择直接影响系统产氢效率。效率对比如REF_Ref25458表STYLEREF1\s1-1所示：表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s11混合菌群和纯培养菌产氢效率对比指标混合菌群纯培养菌底物适应性强，可降解复杂秸秆成分（如半纤维素、木糖）弱，依赖单一糖原（如葡萄糖）产氢率30–60mL/(gTS)60–120mL/(gTS)稳定性高，抗抑制能力强（如耐受低浓度抑制剂）低，易受VFAs、氨氮抑制代表菌种Clostridium、Enterobacter与产酸菌混合Clostridiumsp、Enterobacteraerogenes纯菌株秸秆预处理技术研究现状秸秆的化学组成主要包括木质素、纤维素及半纤维素三大组分。其中，木质素作为芳香族聚合物，具有复杂的空间网络结构，其苯丙烷单元通过碳碳键和醚键等交联方式形成刚性骨架，导致微生物降解难度增大。纤维素作为植物细胞壁的主要结构成分，其结晶区高度有序的分子排列形成致密微纤丝结构，阻碍了酶的直接作用。半纤维素通过氢键和范德华力与纤维素表面结合，同时通过酯键或醚键与木质素形成交联结构，这种复合体结构进一步增加了生物质转化的空间位阻效应，所以在厌氧发酵过程中，秸秆表现出较低的生物降解率。秸秆预处理的目的是改变结构、破坏纤维素-半纤维素-木质素之间的连接、解除木质素的阻碍和保护，进而提高水解转化率REF_Ref12500\r\h[22]。最终实现提高木质纤维素生物降解性能、减少有机质残留、提高厌氧氢气产气量和产气速率，因此，应有针对性地选择合适有效的预处理方法。预处理方法可分为物理法、化学法及生物法。物理法物理预处理技术通过机械力、电磁波或辐射等作用破坏秸秆木质纤维素的物理结构，增加底物与微生物或酶的接触面积，降低纤维素结晶度。机械破碎技术通过碾磨、挤压等方式将秸秆颗粒减小至0.2-2mm，显著提升酶解效率，例如双螺杆挤压预处理玉米秸秆后，葡萄糖和木糖产量分别可达45g/L和40g/L，较未处理组提高3倍以上REF_Ref12549\r\h[23]；微波处理利用高频电场使物料内极性分子高频振动产生热量，破坏纤维素分子间氢键，在170-230℃下可降解部分木质素和半纤维素，提升酶水解率REF_Ref12582\r\h[24]；超声预处理通过空化效应产生瞬时高温高压和强氧化性自由基，破坏秸秆纤维结构；唐洪涛等研究表明，500kGy辐照玉米秸秆20天后，酶解还原糖得率较初始提高13.68%REF_Ref12608\r\h[25]。尽管物理预处理技术操作相对简单且无污染，但普遍存在能耗高、设备成本大的问题。化学法化学预处理技术借助酸、碱、有机溶剂或离子液体等化学试剂破坏木质纤维素的共价键和氢键，溶解木质素或半纤维素，从而暴露纤维素结构。酸处理中，稀硫酸（0.5%-5%）在120-215℃下可水解半纤维素生成单糖。碱处理通过皂化反应溶解木质素。氧化预处理（如湿氧化法、臭氧法）通过氧化反应降解木质素，Martin等在195℃碱性条件下用湿氧化法处理甘蔗渣，纤维素转化率达70%REF_Ref12638\r\h[26]；臭氧预处理可在常温下降解半纤维素和木质素，提升酶解率40%以上REF_Ref12664\r\h[27]，但两类方法均存在能耗或成本问题。生物法生物预处理技术通过微生物（包括真菌、细菌等）或酶的生物催化作用，实现木质素与半纤维素的选择性降解。该技术具有反应条件温和、能源消耗低、环境兼容性好的显著优势。在木质素降解过程中，真菌作为主要微生物类群发挥着核心作用，其中白腐菌等丝状真菌通过分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等氧化酶类，能够特异性识别并断裂木质素大分子中的碳碳键和醚键，同时保持纤维素的完整结构，对木质素的去除效率可达到40%-60%，且处理后的秸秆原料展现出显著提高的酶解效率，为后续的厌氧发酵过程创造了有利条件；细菌通过分泌纤维素酶和木聚糖酶，利用二者的特异性催化作用分解多糖组分降解半纤维素。Baramee等利用强固芽孢杆菌K-1预处理水稻秸秆，木聚糖去除率达21.0%，增强了纤维素对酶的可及性REF_Ref12690\r\h[28]。研究内容与技术路线研究内容本研究对玉米秸秆进行碱预处理，通过改进预处理机制、分析预处理秸秆组分含量，探究最有效的秸秆预处理机制，更好地促进秸秆厌氧发酵产氢，解决秸秆厌氧发酵产氢效率低等问题。具体内容如下：碱预处理秸秆工艺参数优化研究对秸秆进行碱预处理，优化温度预处理条件，通过对预处理后水解液的COD（化学需氧量）和还原糖产量进行分析，探究不同预处理条件对秸秆水解效能的影响，探寻最优工艺参数，为后续厌氧发酵奠定基础。二氧化硅添加对秸秆厌氧发酵产氢效能探究在依据第一部分得出的最优预处理条件完成对玉米秸秆预处理操作后，首先针对纳米二氧化硅粒径孔度对秸秆厌氧发酵产氢效能展开探究：在厌氧发酵体系中添加不同粒径孔度的二氧化硅，通过连续监测分析氢气产量、PH、氧化还原电位（ORP）等关键指标，深入探究其对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程的影响规律。继而，基于第一部分的最优预处理条件及第二部分得出的二氧化硅最佳粒度孔径，开展二氧化硅添加量对产氢效能的探究：在厌氧发酵体系中添加不同使用量的最佳粒度孔径纳米二氧化硅并进行恒温厌氧发酵，通过持续监测分析上述关键指标，探究添加量对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程的影响规律，最终确定最佳添加量。技术路线材料与方法实验材料与设备实验原料本文中实验所用秸秆取自于某玉米田。将玉米秸秆置于烘箱内进行风干，置于植物粉碎机内进行粉碎，粉碎后过10目筛，得玉米秸秆粉。主要仪器本实验使用的实验仪器如REF_Ref805表STYLEREF1\s2-1所示：表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s11主要仪器仪器型号生产厂家低温冷冻柜BD/BC-153KM(E)合肥美的电冰箱有限公司pH计pHS-3E上海雷磁仪器有限公司ORP计恒温水浴振荡器SHA-B常州国华电器有限公司数显式电热恒温干燥箱101-2A型上海阳光实验仪器有限公司分析天平KQ-100DE德国赛多丽斯集团紫外可见分光光度计L5S上海仪电分析仪器有限公司数显恒温水浴锅HH-6常州国华电器有限公司气相色谱仪CP-3800天美仪拓实验室设备有限公司马弗炉SX2-12-12沈阳通用电炉制造有限公司离心机TGL16M长沙湘智离心机有限公司COD消解仪CR3200天津赛力斯科技自动化有限公司主要药品本实验使用的实验药品如REF_Ref1367表STYLEREF1\s2-2所示：表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s12主要药品试剂名称分子式规格厂家氢氧化钾KOHAR：分析纯天津市大茂化学试剂厂浓硫酸H2SO4AR：分析纯国药集团化学试剂有限公司浓盐酸HCLAR：分析纯国药集团化学试剂有限公司硫酸银Ag₂SO₄AR：分析纯国药集团化学试剂有限公司硫酸汞HgSO₄AR：分析纯天津市大茂化学试剂厂无水乙醇CH3CH2OHAR：分析纯天津市大茂化学试剂厂重铬酸钾K₂Cr₂O₇AR：分析纯国药集团化学试剂有限公司3,5二硝基水杨酸C7H4N2O7AR：分析纯上海麦克林生化科技股份有限公司试验指标检测方法PH检测方法采用玻璃电极法测定本实验物料的PH值，PH计型号为pHS-3E，上海雷磁仪器有限公司。COD检测方法取样品溶液静置后的上澄清液过滤并稀释到合适倍数加入到消解管中，再向消解管中加入一定量的重铬酸钾标准溶液，硫酸汞溶液和硫酸-硫酸银溶液。将混合溶液置于消解器中，在150°C的恒温条件下消解15min，直到反应完全。从加热器中取出消解管，温度冷却至60℃左右时，摇匀溶液冷却至室温。利用分光光度计测定样品的吸光度，通常在600nm波长下进行测量。根据标准溶液的浓度和吸光度值，使用标准曲线进行COD的计算。公式如下：COD=C标准还原糖检测方法采用3,5-二硝基水杨酸（DNS）法结合紫外分光光度计测定。绘制标准曲线：取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4ml浓度为1.0mg/mL的葡萄糖溶液，分别加入到7个10ml离心管中，各加入1.5ml3,5-二硝基水杨酸试剂振荡均匀，100℃恒温水浴振荡器中振荡5min，取出冷却至室温，将蒸馏水加入离心管中至10ml，混合均匀；用紫外分光光度计测量在540nm处的吸光度，以葡萄糖浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，并得到回归方程。样品还原糖测定：取适量待测样品溶液，加入DNS试剂，按照与标准曲线制作相同的条件进行反应和测定吸光度，从标准曲线上查得对应的还原糖浓度，计算出样品中还原糖的含量。氢气产量测量方法用排水法收集，利用CP-3800型气相色谱仪测定收集气体中氢气的含量，进样口温度100℃、TCD检测器温度150℃。碱预处理秸秆工艺参数优化研究实验设计以固液比1:40，向15个厌氧瓶中加入1g秸秆粉末和2%的KOH溶液40ml，将这15个混合溶液分为三组，分别置于-25℃冷冻柜中冷冻、4℃冰箱中冷藏、25℃室温实验台静置，其中每一组组内5个混合溶液周期分别为6h、8h、12h、16h、24h，每组实验均重复3次。实验数据分析还原糖REF_Ref17420图STYLEREF1\s3-1为在1：40固液比条件下，3组实验组分别在-25℃、4℃、25℃温度下且组内5个实验样品分别预处理6h、8h、12h、16h、24h，不同周期，不同温度对秸秆水解产生还原糖产量的影响。处理周期6h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生还原糖256.95mg/g、215.77mg/g、190.53mg/g；处理周期8h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生还原糖315.96mg/g、276.49mg/g、226.77mg/g；处理周期12h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生还原糖373.46mg/g、304.77mg/g、281.99mg/g；处理周期16h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生还原糖349.93mg/g、318.62mg/g、281.05mg/g；处理周期24h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生还原糖245.67mg/g、216.71mg/g、200.77mg/g。根据数据可以看出，还原糖产量与反应温度关系呈负相关，相同周期-25℃反应温度产生的还原糖最多。以处理周期12h为例，反应温度-25℃产生的还原糖比反应温度4℃、25℃分别多了68.69mg/g、91.47mg/g，效率分别提升22.5%、32.4%。还原糖产量与处理周期关系呈先上升后下降趋势，相同反应温度下，反应周期12h还原糖产量最高。以最佳反应温度-25℃为例，处理周期12h的还原糖产量分别比6h、8h、16h、24h高116.51mg/g、57.5mg/g、23.53mg/g、118.79mg/g，效率分别提升45.3%、18.2%、6.72%、46.6%。COD为在1：40固液比条件下，3组实验组分别在-25℃、4℃、25℃温度下且组内5个实验样品分别预处理6h、8h、12h、16h、24h，不同周期，不同温度对秸秆水解产生COD产量的影响。处理周期6h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生COD425mg/L、361.67mg/L、288.33mg/L；处理周期8h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生COD435mg/L、348.33mg/L、331.67mg/L；处理周期12h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生COD451.67mg/L、381.67mg/L、345mg/L；处理周期16h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生COD415mg/L、348.33mg/L、315mg/L；处理周期24h，反应温度-25℃、4℃、25℃，分别产生COD398.33mg/L、318.33mg/L、308.33mg/L。根据数据可以得出，COD产量与反应温度关系呈负相关，相同周期-25℃反应温度产生的COD最多。以处理周期12h为例，反应温度-25℃产生的还原糖比反应温度4℃、25℃分别多了63.33mg/L、136.67mg/L，效率提升了17.51%、47.40%。还原糖产量与处理周期关系呈先上升后下降趋势，相同反应温度下，反应周期12hCOD产量最高。以最佳反应温度-25℃为例，处理周期12h的还原糖产量分别比6h、8h、16h、24h高26.67mg/L、16.67mg/L、36.67mg/L、53.33mg/L；效率提升了62.75%、4.78%、10.53%、13.39%。本章小结本章通过调整玉米秸秆与KOH溶液预处理的温度和周期，通过检测玉米秸秆预处理后还原糖、COD这两种理化指标，可以获得结论如下：KOH溶液预处理的最佳条件是在温度为-25℃、周期12h条件下对玉米秸秆进行预处理。二氧化硅添加对秸秆厌氧发酵产氢效能探究二氧化硅粒径孔度对秸秆厌氧发酵产氢效能探究实验设计本章实验选取KOH浓度为2%，固液比为1：40，温度为-25℃，周期为12h的预处理条件。将40ml2％的KOH和1g秸秆加入到厌氧瓶中，准备5个，同时进行预处理，预处理结束后，调整pH值，分别向其中4个样品瓶中加入粒径孔度为15nm、30nm、100nm、300nm的纳米二氧化硅，另外一个不加入纳米二氧化硅，作为实验对照组，添加完成后对样品瓶进行密封处理，将5个样品瓶放入恒温振荡器中35℃厌氧发酵36小时，发酵结束后使用排水集气法记录产气量并收集10ml厌氧发酵末端气相产物，使用气相色谱对发酵后末端气相产物进行检测并计算产氢量。使用pH计和ORP仪对厌氧发酵结束后的样品溶液进行检测并记录。实验数据分析氢气产量与末端PH值在厌氧发酵过程中，pH是一项能够直观体现发酵状态的关键指标。借助对发酵液pH的监测与分析，可以精准判断发酵系统内碳氮是否处于平衡状态，同时也能反映出微生物的代谢情况以及代谢过程的稳定性。pH对厌氧发酵系统中微生物的活性影响极为显著，不同的pH环境会改变微生物细胞内的电荷分布、酶的活性位点构象等，进而影响微生物对底物的摄取、代谢途径的选择以及能量的产生和利用，最终对整个厌氧发酵进程产生深远影响REF_Ref12735\r\h[29]。样品加入不同粒径孔度二氧化硅的氢气产量及末端PH值如REF_Ref16099图STYLEREF1\s4-1所示，当纳米二氧化硅的粒径孔度由0nm到100nm时，PH值分别为6.11、5.71、5.63、5.56，呈下降趋势，氢气产量分别为3.8ml、5.0ml、7.6ml、8.2ml，产量逐渐增多；当纳米二氧化硅的粒径孔度由100nm到300nm时，PH值上升，由5.56升高至5.75，氢气产量由8.2ml降低到7.5ml，由此数据看出，样品中加入粒径孔度为100nm的二氧化硅发酵结束后PH值最低，氢气产量最多。氢气产量与ORP值在厌氧发酵体系中，氧化还原电位（ORP）是极为关键的非生物因素。ORP的动态变化与微生物细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）及其氧化态（NAD⁺）的氧化还原耦联状态密切相关REF_Ref12768\r\h[30]。ORP数值的改变直接影响细胞内各类氧化还原酶的活性中心结构，进而改变酶对底物的亲和力以及催化效率。当ORP处于特定范围时，能够激活某些关键酶的活性，促进电子在呼吸链中的传递，为细胞的生长、繁殖提供充足的能量；反之，则可能抑制相关酶的活性，阻碍能量代谢和物质合成过程。对于厌氧发酵细菌而言，ORP对其生长、繁殖和代谢活动有着深远影响。在适宜的ORP环境下，细菌能够高效摄取底物，通过特定的代谢途径将其转化为各种代谢产物。例如，在较低的ORP条件下，有利于产氢发酵途径的进行，促使细菌利用底物产生氢气；而在较高的ORP环境中，发酵途径可能会偏向于产酸或产甲烷。不同粒径孔度二氧化硅添加对厌氧发酵末端ORP的影响如REF_Ref16259图STYLEREF1\s4-2所示，当纳米二氧化硅的粒径孔度由0nm到100nm时，ORP值分别为-236、-249、-277、-318，逐渐降低；氢气产量分别为3.8ml、5.0ml、7.6ml、8.2ml，逐渐增加；当纳米二氧化硅的粒径孔度由100nm到300nm时，ORP值上升，由-318升高至-266，氢气产量由8.2ml降低到7.5ml，由此得出，加入粒径孔度为100nm的二氧化硅厌氧发酵氢气产量最高，ORP最低。二氧化硅添加量对秸秆厌氧发酵产氢效能探究实验设计本章结合第三章和第四章的实验结论，选取KOH浓度为2%，固液比为1：40，温度为-25℃，周期为12h的预处理条件。将40ml2％的KOH和1g秸秆加入到50ml西林瓶中，准备6组，同时进行预处理，预处理结束后，调整pH值，分别向其中5个样品瓶中加入添加量分别为0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L的100nm二氧化硅，另外一瓶作为空白试验对照组，不加入100nm二氧化硅，添加完成后对样品瓶进行密封处理，将6个样品瓶放入恒温振荡器中35℃厌氧发酵36小时，发酵结束后使用排水集气法记录产气量并收集10ml厌氧发酵末端气相产物，使用气相色谱对发酵后末端气相产物进行检测并计算产氢量。使用pH计和ORP仪对厌氧发酵结束后的样品溶液进行检测并记录。实验数据分析氢气产量与末端PH值样品加入不同添加量100nm二氧化硅的氢气产量及末端PH值如REF_Ref27222图STYLEREF1\s5-1所示，当100nm二氧化硅的添加量由0.2g/L到0.4g/L时，PH值分别为5.56、5.53，呈下降趋势，氢气产量分别为8.2ml、8.5ml，产量逐渐增多；当100nm二氧化硅的添加量由0.4g/L到1.0g/L时，PH值分别为5.53、5.77、5.88、5.94，PH值呈上升趋势，氢气产量分别为8.5ml、7.6ml、6.3ml、6.1ml，逐渐下降，由此可以看出，在实验组中，100nm二氧化硅的添加量为0.4g/L时，PH最低，产生的氢气最多，和对照组相比，PH下降0.58，氢气产量增加123.69％。氢气产量与ORP值样品加入不同添加量100nm二氧化硅的氢气产量及ORP值如REF_Ref13610图STYLEREF1\s5-2所示，当100nm二氧化硅的添加量由0.2g/L到0.4g/L时，ORP分别为-318、-335，呈下降趋势，氢气产量分别为8.2ml、8.5ml，产量上升；当100nm二氧化硅的添加量由0.4g/L到1.0g/L时，ORP分别为-335、-298、-285、-279，呈上升趋势，氢气产量分别为8.5ml、7.6ml、6.3ml、6.1ml，逐渐下降，由此可以看出，在实验组中，100nm二氧化硅的添加量为0.4g/L时，ORP最低，产生的氢气最多，和对照组相比，ORP下降99，氢气产量增加123.69％。本章小结本章针对预处理结束后的秸秆样品展开厌氧发酵实验，分两步进行：首先，在秸秆样品中加入不同粒径孔度的纳米二氧化硅，经连续监测与分析发酵过程中的氢气产量、PH、ORP三个指标，发现粒径孔度为100nm的二氧化硅对提升秸秆厌氧发酵氢气产量效果最佳，且此时对应的PH值、ORP值均为最低；接着，在预处理结束后的秸秆样品中加入不同添加量的100nm二氧化硅再次进行厌氧发酵，同样通过持续监测上述三个指标得出，当100nm的二氧化硅添加量为0.4g/L时，最能提升秸秆厌氧发酵氢气产量，与此同时对应的PH值、ORP值也均处于最低状态。结论与展望结论本研究聚焦农业废弃物资源化与清洁能源生产的协同难题，针对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程中木质纤维素结构致密导致的底物利用效率低、产氢效能不足等关键问题，通过碱预处理工艺优化、纳米二氧化硅粒径孔度及其添加量对产氢效能影响的系统研究，构建了“预处理-添加剂调控-发酵过程优化”的技术体系。研究综合运用化学分析（还原糖、COD）、微生物代谢参数监测（pH、ORP）及产气性能测试等方法，设计多组对照实验，揭示了低温碱预处理对秸秆结构的破坏机制、纳米二氧化硅介孔结构与产氢菌群的协同作用规律，得到以下结论：预处理条件对秸秆水解效能的影响：采用KOH溶液对玉米秸秆进行预处理时，最佳条件为温度-25℃、周期12h。在此条件下，秸秆的还原糖产量和COD产量均达到最高值，分别为373.46mg/g和451.67mg/L。这表明低温长时间的碱预处理能够有效破坏秸秆的木质素结构，提高其可发酵性，为后续的厌氧发酵产氢提供了良好的底物基础。二氧化硅粒径孔度对厌氧发酵产氢效能的影响：添加粒径孔度为100nm的二氧化硅能够显著提升秸秆厌氧发酵的氢气产量。在该条件下，发酵结束后的PH值和ORP值均为最低，氢气产量达到8.2ml。这说明适当粒径孔度的二氧化硅为产氢菌群提供了更优的吸附位点与代谢微环境，有效促进了电子传递与氢气合成路径的激活，同时抑制了产甲烷菌等耗氢微生物的活性，从而提升氢气选择性。二氧化硅添加量对厌氧发酵产氢效能的影响：100nm二氧化硅的添加量为0.4g/L时，秸秆厌氧发酵的氢气产量最高，达到8.5ml，且此时的PH值和ORP值也均为最低。验证了适量的二氧化硅添加能够有效改善发酵体系的物理化学性质，促进氢气的产生，但过量添加则可能导致体系黏度上升，传质效率下降，抑制了微生物代谢活性，降低了产氢效率。展望本研究通过预处理工艺创新与纳米材料调控，突破了秸秆厌氧发酵产氢的效率瓶颈，但在预处理技术经济性、添加剂作用机制及系统稳定性等方面仍存在提升空间，未来可从以下方向展开深入研究：本研究仅采用KOH单一碱预处理，后续可探索碱与尿素、碱与黑水等联合处理，通过协同效应，进一步降低碱用量、缩短处理时间、提高秸秆的水解效率和可发酵性。针对低温预处理所需的能耗问题，可结合农业废弃物热解副产物的碱性特性，开发低成本、环境友好的复合预处理剂，平衡预处理效率与经济成本。深入探究二氧化硅对厌氧发酵产氢的促进作用的具体机制。结合微生物群落分析、代谢组学等分析技术，探究二氧化硅在厌氧发酵过程中的作用机理，为后续提供依据。

参考文献国家统计局.中国统计年鉴2022[EB/OL][2025-02-12]./sj/ndsj/2022/indexch.htm中华人民共和国农业农村部.加快推进农业废弃物资源化利用[EB/OL](2025-01-17)[2025-02-12]./lsfz/202501/t20250117_6469257.htm李雪，张欣，葛长明，等.不同秸秆厌氧发酵产沼气潜力研究[J].江苏农业科学,2016(06):508-511.陆凤成,霍明志,陈立东,等.不同农业有机废弃物厌氧发酵产甲烷潜力研究[J].安徽农学通报,2020,26(16):174-177.石祖梁,贾涛,王亚静,等.我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算[J].中国农业资源与区划,2017,38(09):32-37.OanhNTK,PermadiDA,HopkePK,etal.AnnualemissionsofairtoxicsemittedfromcropresidueopenburninginSoutheastAsiaovertheperiodof2010–2015[J].AtmosphericEnvironment,2018,187:163-173.SunJ,PengH,ChenJ,etal.AnestimationofCO2emissionviaagriculturalcropresidueopenfieldburninginChinafrom1996to2013[J].JournalofCleanerProduction,2016,112:2625-2631.LohanSK,JatHS,YadavAK,etal.Burningissuesofpaddyresiduemanagementinnorth-weststatesofIndia[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2018,81:693-706.张晓庆,王梓凡,参木友,等.中国农作物秸秆产量及综合利用现状分析[J].中国农业大学学报,2021,26(09):30-41.郑梦莉,王凯军,张佩华,等.农作物秸秆饲料化技术研究进展[J].中国饲料,2017,(11):5-8+14.DOI:10.15906/11-2975/s.20171101.王宏立,张祖立,白晓虎.秸秆饲料资源开发利用的研究进展[J].沈阳农业大学学报,2003,(03):228-231.YangF,LiR,CuiY,etal.EffectofstrawreturningonimprovingsoilfertilityandincreasingcropyieldinSouthernChina[J].SoilFertilizerSci.China,2011,1:10-14.于英林,董云哲,谢涛.浅谈玉米秸秆的综合利用[J].农业与技术,2009,29(6):2.任鹏飞,刘岩,任海霞,等.秸秆栽培食用菌基质研究进展[J].中国食用菌,2010,29(6):11-14.Lorenzana-MorenoAV,LealLaraH,CoronaL,etal.Productionof17strainsofediblemushroomgrownoncornstoveranditseffectonthechemicalcompositionandruminalinvitrodigestibilityoftheresidualsubstrate[J].Plosone,2023,18(5):e0286514.周祥,严媛媛,陈爱晶.食用菌菌渣资源化利用研究进展[J].食用菌,2018,40(01):