温和湿热条件下碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响

来源:用户上传      作者:王禹霄飞 孙云博 曲威

　　摘要： 为了考察温和湿热条件下碱预处理对玉米秸秆的理化特性和厌氧发酵产甲烷的影响，以干黄玉米秸秆为原料，利用不同碱预处理剂，80 ℃条件下处理24 h，通过分析玉米秸秆处理前后理化特性以及厌氧发酵产气特性和发酵出料理化性质，比较4种碱预处理剂的处理效果。结果表明，温和湿热条件下用碱预处理的玉米秸秆的木质素、纤维素和半纤维素含量均显著降低，浸提液pH值略有下降，而化学需氧量（COD）和总脂肪酸（TVFA）含量明显提高，单位总固体（TS）产气量和甲烷含量有所提高，且出料中有机物和固体物含量明显下降。温和湿热条件下，6% KOH溶液对木质纤维素的溶解效果最好，木质素含量下降67.04%，半纤维素含量下降76.86%;4%氨水溶液发酵产气效果最好，单位TS产气量可达到125.25 mL/g。
　　关键词： 温和湿热;碱;秸秆;厌氧发酵;预处理
　　中图分类号：S188+.4   文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）05-0236-07
　　  我国是人口大国，对能源的需求量十分巨大，随着化石能源的日益枯竭，研究人员正积极探索新的能源来补充传统能源。沼气是有机物经厌氧微生物作用产生的可燃性气体，沼气的抗爆性能好，燃烧热值较高，因此可以作为动力燃料使用[1]。同时我国也是农业大国，因此充足的秸秆资源为厌氧发酵产沼气提供了充足的原料。2000—2009年，我国农村用户沼气池从848万户发展到3 507万户，年均增长率高达 17.1%，沼气占农村生活能源的比例由2000年的0.4%上升到2009年的1.9%[2]，可见我国的沼气发展潜力巨大，前景广阔。
　　农作物秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这3种成分均可作为工业聚合物的新型原料，取代石化资源，制造绿色产品[3]。直接将秸秆用于沼气发酵存在处理程度低、发酵速度慢等弊端。Mata-Alvarez等研究发现，秸秆厌氧发酵中的限速步骤是其水解过程，只有提高水解速度才能提高沼气厌氧发酵的效率[4]。木质素是限制秸秆水解速率的最主要因素，去除木质素成分可显著促进生物质转化为燃料或高附加值化学品[5]。现在常用的处理方法有化学处理法、物理处理法和生物处理法[6]。黎雪等采用有机溶剂预处理麦秆时发现，5%丙酮处理秸秆后产气量增加了81%，5%甲醇处理后甲烷含量达到68%[7];闰志英等采用复合菌剂预处理秸秆时，发现秸秆中的总有机碳（TOC）降解率和纤维素降解率分别提高了136.32%、47.68%，产气量提高了 29.54%[8];裴培等在中温条件下经物理预处理后发现香蕉秸秆的日产气量和产气总量均有提高[9];Pellera等采用不同的化学物质处理秸秆，发现柠檬酸（H3Cit）、过氧化氢（H2O2）和乙醇（EtOH）对木质纤维素等物质的处理效果较好，且化学预处理效果更好[10];Sewsynker-Sukai等使用碱和金属盐对玉米穗轴进行预处理，发现14.02% Na3PO4·12H2O、3.65% ZnCl2和5%固液比处理可以去除63.61%的木质素[11]。此外，覃锦程等在使用离子液体预处理水稻秸秆时结合瞬间弹射蒸汽爆破（ICSE），发现ICSE的使用提升了离子液体的预处理效果，酶解糖收率比单纯使用离子液体升高了14.83%（[Emim]Ac）、13.14%（[Emim]Cl）[12];王洋等采用超声波辅助温和碱/氧化法对小麦秸秆进行预处理，发现在NaOH浓度54%、超声功率 1 160 W、超声时间50 min、初始水浴温度78.94 ℃条件下，秸秆中木质素相对含量下降了54.16%[13]。但是上述方法普遍存在成本高、去除慢、设备要求高等诸多问题。可见，找到一种便捷高效的秸秆预处理方法用于厌氧发酵，将大大提高秸秆等农业废弃物的处理和利用效率。
　　碱处理是一种成熟且便捷的处理方法，但是与其他溶剂类的处理相似，碱处理同样存在物料颗粒的阻碍问题。大粒径的物料内部拥有较大的空间位阻，阻碍液体与物料的有效接触[12]。单纯使用碱溶液处理大粒度的物料，组分分离的效果并不好。一般而言，处理环境越严苛，去除木质纤维素等大粒径物质的效果越好、速度越快，对有效发酵物料的空间位阻更小，相应消耗的能源更多，设备和技术的要求也更高。此外，热处理和水泡处理也是一种简单实用的处理方法。杜静等研究发现，温和湿热环境可以显著提高去除木质素的程度，同时消耗的能源较少，要求的技术条件也相对简单[13]。所谓温和湿热预处理，是与常规湿热预处理条件相对应的，即预处理温度低于常规湿热处理，一般温度小于150 ℃，并且在常压条件下进行。本研究拟采用温和湿热条件配合碱性处理剂对秸秆进行预处理，提高秸秆厌氧发酵产甲烷效率。
　　1 材料與方法
　　1.1 试验材料
　　玉米秸秆取自中国农业大学烟台研究院试验基地（121.5°E、37.4°N），秸秆在地里自然风干，整体呈暗黄色。用剪刀将玉米秸秆连同叶子剪成小段并放入粉碎机中，将玉米秸秆打碎成3～5 mm的颗粒，装于透明密封袋中保存待用。厌氧发酵接种物为笔者所在实验室正常运转的沼气发酵罐新鲜出料。试验材料理化性质见表1。
　　1.2 温和湿热碱预处理
　　试验采用4种碱，分别为NaOH、KOH、Ca（OH）2 和氨水，每种碱均采用2%、4%、6% 3个浓度梯度。将干黄玉米秸秆粉末与碱性物质相混合装于三角瓶中，加入蒸馏水并搅拌均匀，使整体的含水量维持在90%。所有处理均设3个重复，将所有处理组置于80 ℃水浴锅内24 h，随后测定其木质素、纤维素、半纤维素含量。再取少量糊状浸泡液用蒸馏水稀释至10倍，200 r/min振荡30 min，定性滤纸过滤，测定化学需氧量（COD）和总脂肪酸（TVFA）含量。
　　1.3 厌氧发酵试验
　　采用预处理后的玉米秸秆为发酵底物，用稀盐酸将发酵底物的pH值调节至7，取干物质质量为16 g玉米秸秆放于500 mL发酵瓶中，加入200 mL新鲜沼液，最后加入蒸馏水使整个发酵体积达到400 mL（TS=4%）。产气储存于集气袋中，每天用刻度注射器计量其产气总量，每间隔一定时间测定其甲烷含量。整个发酵时间持续14 d，最后比较每个发酵瓶中秸秆的TS产气总量、产气速率和产甲烷浓度，厌氧发酵结束后测定出料中COD值、TVFA含量及TS值。 　　1.4 测试指标
　　TS值是在110 ℃条件下烘至恒质量，采用差重法测定;pH值采用酸度计测定;纤维素和木质素含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定，半纤维素含量采用铜碘法测定;总C含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定;总N含量采用凯氏定氮法测定;甲烷产生量用集气袋收集，并用刻度注射器测量，之后再储存于集气袋内;甲烷浓度采用气体成分分析仪进行测定;COD值参照GB 11914—1989《水质化学需氧量的测定 重铬酸盐法》进行测定[14];TVFA含量参照Q/YZJ10-03-02—2000《揮发酸VFA测定》进行测定。
　　2 结果与分析
　　2.1 温和湿热条件下碱性物质处理对玉米秸秆理化特性的影响
　　2.1.1 湿和热碱处理后秸秆理化成分分析
　　如表2所示，各处理组的木质素含量、半纤维素含量、纤维素含量和木质纤维质总量均有不同程度下降，且均与对照组差异极显著（P<0.01）。其中2% NaOH、6% KOH、6% Ca（OH）2以及6%氨水溶液在各处理组中对木质纤维质的溶解效果较好，2% KOH、较低浓度的氨水和Ca（OH）2溶液以及高浓度的NaOH溶液对木质纤维质的溶解效果稍差，表明温和湿热条件下碱溶液浓度对溶解木质纤维质的影响很大，且浓度与碱种类之间存在某种相互作用关系。
　　温和湿热条件下，各种碱溶液在不同浓度下对木质素的去除均存在极显著差异（P<0.01），表明木质素的去除受浓度因素影响较大。2%与6% NaOH溶液、2%与4% KOH溶液、4%与6%氨水以及各浓度组的 Ca（OH）2 溶液之间对半纤维素的去除没有显著差异，说明碱溶液的浓度因素对半纤维素去除作用的影响不如木质素明显，且与碱种类有较大关系。其中，NaOH溶液的浓度因素与半纤维素去除作用没有明显相关性，低浓度水平下的KOH溶液、高浓度水平下的氨水和2%～6%浓度水平下的 Ca（OH）2 溶液的浓度因素对半纤维素的去除没有明显影响。此外，4%与6% NaOH溶液之间、4%与6% KOH溶液之间以及4%与6%氨水之间对于纤维素的去除均没有显著差异，而各浓度组的 Ca（OH）2 溶液对于纤维素的去除存在极显著差异（P<0.01）。说明温和湿热条件下，高浓度水平下NaOH溶液、KOH溶液和氨水浓度因素对纤维素的去除没有显著影响，而在2%～6%浓度水平下的 Ca（OH）2 溶液浓度因素对半纤维素的去除有极大影响。
　　所有处理组中，6% KOH溶液去木质素效果最好，木质素含量下降67.04%，而且该处理组的半纤维素含量下降 76.86%，在各处理组中也最高。2% NaOH溶液去纤维素作用最显著，纤维素含量下降52.05%。此外，2%～6%氨水对木质素的去除作用也比较明显，但对半纤维素的溶解效果一般。
　　以上研究结果表明，温和湿热条件下用碱性物质处理玉米秸秆，对其木质纤维素结构有破坏作用，对木质素和半纤维素的溶出作用十分显著，有利于微生物对生物质的进一步水解和发酵。并且浓度对于温和湿热条件下碱溶液对木质纤维质的溶出作用有一定影响，且其影响根据碱溶液和木质纤维质种类的差异而略有不同。
　　2.1.2 湿和热碱处理后浸提液成分分析
　　如表3所示，经过湿和热碱处理后，所有玉米秸秆浸提液的COD值和TVFA含量与对照组均有极显著差异（P<0.01），说明各种有机物在经过预处理后大量溶出，增加了发酵沼液中可溶性有机物料含量，进而提高发酵速度和物料转化效率。
　　所有处理组中，6% KOH溶液和6%氨水处理的秸秆浸提液有较大的COD值和TVFA含量，COD值分别提高199.65%、97.02%，TVFA含量分别提高 268.98%、235.19%，说明高浓度的碱溶液对秸秆中难溶性物料有更好的破坏和溶解作用。此外，2% NaOH溶液对有机物料的溶解作用也较好，COD值和TVFA含量分别提高177.03%、209.93%。值得注意的是，高浓度的NaOH溶液反而表现出较差的溶解作用，说明高浓度的Na+抑制了木质纤维质等物质的溶解。
　　2.2 湿热碱预处理对玉米秸秆厌氧的影响速率的影响
　　从图1可以看出，所有试验组产气曲线均符合产气过程中的“三段”产气模式，先出现一个较大的产气峰值，这是由于产酸阶段好养细菌分解有机酸产生H2和大量CO2;随后产气量回落，这可能是由于有机酸被逐渐分解，产气逐渐下降;之后，产气量又逐渐上升，这符合厌氧细菌繁殖规律，厌氧细菌分解秸秆中的有机物产生沼气;最后随着菌群繁殖过多，发酵料液中有机质减少，菌群产气出现抑制，产气量逐渐减少。
　　使用NaOH预处理时，2%与6% NaOH预处理组产气启动快、峰值大，产气的时间也较短，而4% NaOH预处理的产气速率与对照组差异不大。使用KOH预处理时，各浓度组产气速率均高于对照组，其产气峰值和产气速率均在2%～6%范围内随浓度的增加而升高，而其产气峰值的出现时间则随着浓度升高而提前，这可能与木质素和半纤维素随浓度的提升而被溶液溶解有关。使用Ca（OH）2预处理时，各浓度处理的产气峰值和产气速率均高于对照组，且随浓度升高而升高，这一趋势与木质素和半纤维素的减少相吻合，说明木质素与半纤维素含量与厌氧发酵的产气量可能有较大的相关性。使用氨水预处理时，各浓度的产气峰值和产气速率均高于对照组，除了氨水对木质素和半纤维素的溶解作用，还与其溶液中C/N比降低有关。C/N比太高发酵初期会出现酸化现象，以C/N比25 ∶1的产气效果最好[14]。但各浓度之间的产气峰值和产气速率并没有很大差异，这可能与氨水的弱碱性有关，到达一定浓度后氨水碱性不再增加，对有机物料的溶出效率降低，且C/N比降低到一定程度后还可能会增加C元素的消耗，减少产气量。
　　2.2.2 湿热碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵单位TS产量的影响 　　经过温和湿热碱处理的秸秆在厌氧发酵中均得到了更大的TS产气率（图2），说明温和湿热碱处理对秸秆与发酵物料中有效物质的接触有促进作用。
　　2%～6%氨水预处理的玉米秸秆均表现出较好的单位TS产气率，4%浓度氨水处理后的玉米秸杆单位TS产气率最大，达到125.25 mL/g，这是由于氨水对木质素和半纤维素的溶出作用较好，木质素与半纤维素被转化为底物，增加了发酵接触面积和可发酵物的总量。此外，氨水能够降低物料的C/N比，进而促进微生物生长，提高有机物料的利用率。
　　高浓度（4%和6%）的NaOH溶液对秸秆的TS产气率增进作用较小，这可能是因为Na+对微生物生长存在抑制作用，导致厌氧发酵效果下降。
　　Ca（OH）2在各浓度组的处理增产作用都相对较小，这可能与Ca2+对微生物生长的抑制作用有关。华玉涛等通过研究Ca2+对热带假丝酵母 CT1-12 细胞生长的影响发现，Ca2+浓度过高（高于0.1 mol/L）会对微生物细胞生长起抑制作用[15]。
　　KOH处理组的TS产气率较高，且随着浓度增大而增大，在6%浓度时可达到112.56 mL/g的产气量。一方面是因为KOH对木质纤维素等物质的溶解性较好，可溶物料占比增大;另一方面可能与K+对微生物细胞活性的促进作用有关。
　　2.2.3 湿和热碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气中甲烷含量的影响
　　由图3可知，各组的甲烷含量变化趋势相同，发酵开始时甲烷浓度较高，随后立即下降到最低值，此时时间点基本与第1个产气高峰相吻合，这是由于有氧发酵产生的CO2和H2较多，同时好氧菌群与产甲烷的厌氧菌群争夺发酵底物和发酵空间，使得CH4浓度被动下降。随着发酵时间的推移，沼气中甲烷浓度又逐渐升高，并达到最大值，此时时间点与第2个产气高峰的时间点基本吻合，此时厌氧发酵的产甲烷速率达到整个发酵过程的最大值，产气高峰过后浓度又稍有下降，这是因为发酵底物减少，厌氧菌群的生长消耗了大量的有机物，厌氧发酵产甲烷反应受到抑制。
　　经温和湿热碱处理，所有处理组的甲烷平均含量均有较大提高，甲烷含量的峰值均达到50%以上，而对照组的甲烷含量峰值只有46.6%。氨水处理组的产甲烷浓度峰值最高，均达到60%以上，2%和4%氨水预处理秸秆产气峰值达到64%左右，与氨水降低C/N比有关。此外KOH处理组的甲烷浓度也相对较高，峰值浓度也在60%以上。发酵4 d前后的产气浓度下降较大，部分处理组甚至低于对照组，这与好氧菌产生大量的CO2和H2有关。
　　2.2.4 湿和热碱预处理对玉米厌氧发酵后沼渣沼液理化性质的影响
　　经过温和湿热碱处理后，沼渣干基失质量率提高明显，结果见图4。氨水处理后沼渣的干基失质量率在各浓度均最大，4%氨水处理组发酵沼液的干基失质量率由8.63%提高至 17.29%，提升率达到100%以上。在该条件处理下，沼液中的固体含量最少，厌氧发酵对物质利用最充分。NaOH各处理组的干基失质量率随浓度升高而降低，这与单位TS产气量的变化相一致。
　　玉米秸秆发酵后沼液的pH值均呈碱性，且温和湿热碱处理后发酵沼液的pH值明显提高，对照组pH值最低，为7.94;6% Ca（OH）2溶液處理后发酵最终的沼液pH值达到8.71，这与厌氧发酵结束后沼液中剩余的挥发性脂肪酸以及其他酸性物质较少有关。
　　COD值和TVFA含量变化基本保持一致，经过预处理后的发酵沼液中COD值和TVFA含量均分别明显低于对照组的7 985、158.45 mg/L。氨水处理的效果较好，在4%氨水处理后，其最终的沼液COD值达到各组最低，为3 320 mg/L; 6%氨水处理后， 其最终沼液TVFA含量达到各组最低，为63.25 mg/L。
　　3 讨论与结论
　　木质纤维素中的纤维素结晶度、可达表面积、纤维素聚合度、木质素和半纤维素的存在以及半纤维素乙酰化程度是对生物降解能力有影响的几个指标[16]。单一的预处理方法不能达到有效的预处理效果。所以在本研究中采用2种方法相结合，碱溶液对于增加表面积、木质素的溶解和改变木质素的结构有比较显著的作用。而湿热条件除了对增加表面积有显著作用外，还能够显著增加半纤维素的溶解[17]。研究结果表明，温和湿热条件配合碱溶液进行预处理对木质素和半纤维素的降解均起到了很好的促进作用，而且大大加快了厌氧发酵速度和发酵效率。
　　从秸秆浸提液中COD值、TVFA含量和pH值的变化可以看出，木质纤维素降解效果明显的处理组其浸提液COD值与TVFA含量较高，说明经过温和湿热碱处理后，木质纤维素转化为可溶性的有机物，这一规律符合复杂有机物首先被降解为溶解态有机物，进一步降解为TVFA[18]。此外，COD值和TVFA含量较高的处理组，pH值较低，说明在木质纤维质溶解过程中，大量的酸性物质溶出。
　　结合发酵指标，木质纤维质溶解较好的处理组，单位TS产气较高，产气启动速度较快，这是由于可溶性有机物的溶解增加了易发酵物质的总量且增加了发酵菌与可发酵物质的接触面积，从而增大了产气速率。不同预处理组的产气峰值并没有太大差异，是受其发酵体积和可发酵物质溶解度的影响，限制了整个发酵的最大产气速率，而对照组因为溶出的物质较少且菌群生长较慢而未达到饱和点，故而产气峰值速率较小。经过温和湿热碱溶液联合预处理的秸秆产甲烷浓度较高，是因为其中的有机酸含量多，产甲烷菌群占优势从而有利于甲烷含量的增加。
　　比较沼液中COD值和TVFA含量可以看出，发酵较充分的处理组发酵出料中的COD值和TVFA含量较低，干基失质量率较高。夏禹周等用秸秆失质量率来比较复合菌剂的降解能力，这也符合菌类降解的规律[19]。所以，在温和湿热条件下碱性溶液对木质纤维质的溶解是否彻底将直接影响后续发酵的指标和最终沼液中有机物的浓度，选择一个合适的预处理方法不仅能够加快发酵速率和秸秆中有机物的利用效率，也对发酵沼液的后续处理有较大的影响。总体来讲，在碱处理的基础上增加温和湿热的环境条件将有效提高处理效率和降低处理时间，大大增加处理后秸秆的利用效率，降低后续处理成本。本研究主要结论如下：（1）温和湿热条件下使用碱溶液显著提高了玉米秸秆中木质纤维质的溶解，增加了浸提液中COD值和TVFA的含量，为微生物的厌氧发酵减少了阻碍并提供了充足的底物。（2）在2%～6%的浓度范围内，所有4种碱溶液的浓度因素对木质素的溶解作用影响都很大，而对纤维素和半纤维素的影响则因碱的种类和浓度范围而有所区别。（3）木质纤维质溶解较好的处理组，发酵产气总量较高，启动速度较快，发酵后的沼液中有机质和固体含量也较少，但各处理组之间产气峰值和甲烷浓度没有较大差异。（4）温和湿热条件下，6% KOH溶液对木质纤维质的溶解效果最好，木质素含量下降67.04%，半纤维素含量下降76.86%。（5）温和湿热碱处理后，4%的氨水溶液发酵效果都较好，单位TS产气量最高，达到 125.25 mL/g，且该处理组发酵后剩余沼液中的有机物含量也较少。 　　参考文献：
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　　收 稿日期：2019-05-26
　　基金项目：山东省烟台市科技发展计划（编号：2017ZH097）;中国农业大学烟台研究院校内科研基金（编号：YT201702）。
　　作者简介：王禹霄飞（1998—），男，山东济宁人，主要从事农业废弃物资源化利用研究。E-mail：15963750127@163.com。
　　通信作者：曲 威，博士，助理研究员，主要从事生物质能源研究。E-mail：quwei0506@163.com。
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