柏天卿， 袁海榮， Akiber Chufo Wachemo,， 左曉宇, 李秀金

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029； 2.Department of Water Supply and Environmental Engineering,Arba Minch University, Ethiopia, Arba Minch, P.O.Box 21)

我國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，秸稈產(chǎn)量豐富。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生各類秸稈已經(jīng)超過8億噸[1]。利用厭氧消化技術(shù)將秸稈沼氣化是將秸稈資源化的有效途徑。玉米秸稈主要由纖維素，木質(zhì)素和半纖維素構(gòu)成，并且木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素的外部，這嚴(yán)重影響了微生物和酶與它們的接觸[2]。同時，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)使其具有較難的生物降解性[3]。如果直接將玉米秸稈用于厭氧消化，會出現(xiàn)消化周期長，產(chǎn)氣效率低下，產(chǎn)出的氣體品質(zhì)不高等問題。為此，研究人員開發(fā)出了多種預(yù)處理方法對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，包括物理法，化學(xué)法和生物法[4-7]。其中，水熱法因為不需要添加任何化學(xué)試劑具有獨特的環(huán)境友好性，從而受到眾多學(xué)者的青睞。水熱法預(yù)處理是將物料置于高壓狀態(tài)的熱水中，在高壓下水可以滲透到生物質(zhì)材料內(nèi)部。水在高溫高壓下會解離出H+和OH-催化半纖維素的水解，并使部分纖維素水解，以消除對纖維素酶的空間阻礙，從而提高酶解效率[2]。水熱處理溫度一般為160℃～240℃，處理時間從幾分鐘到數(shù)小時,并且隨著處理溫度的升高而明顯縮短[8-12]，然而此法尚存在以下缺點:一是預(yù)處理過程需要大量的水且能耗高，難以實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用；二是水熱預(yù)處理溫度高，并且需高壓作業(yè)，增加了工程化應(yīng)用的操作難度以及存在安全隱患等弊端；三是高溫條件下由半纖維素水解而成的單糖會進(jìn)一步水解生成糠醛和羥甲基糠醛(HMF)等微生物發(fā)酵的抑制物，并且抑制物產(chǎn)生量隨著預(yù)處理溫度升高而明顯增多[13]。而低強度水熱過程能夠避免上述問題，但國內(nèi)外關(guān)于低強度水熱過程的報道較少。

本研究采用低強度水熱預(yù)處理方法，對玉米秸稈在不同的含水率、溫度和時間下進(jìn)行預(yù)處理，同時添加秸稈干重的2%的NaOH，考察其對水熱過程的強化作用。然后將秸稈在35℃下進(jìn)行中溫厭氧發(fā)酵，采用正交實驗設(shè)計得出最佳的水熱預(yù)處理參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗所用的玉米秸稈取自北京延慶，取回后自然晾干，用鍘刀將秸稈切至3～4 cm，然后用粉碎機(jī)粉碎，過20目篩網(wǎng)。接種物是取自北京市順義區(qū)東華山村沼氣站的沼液，取回后靜置1周，倒去上清液。上料負(fù)荷為50 g·L-1TS，接種負(fù)荷為25 g·L-1TS。實驗材料性質(zhì)如表1所示。

表1 實驗材料的基本性質(zhì)

1.2 實驗裝置與儀器

1.2.1 實驗裝置

實驗采用排水集氣法收集厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣，裝置由恒溫水箱，發(fā)酵裝置，氣體收集裝置，水槽組成和乳膠管組成。發(fā)酵裝置和氣體收集裝置為有效容積400 mL的藍(lán)蓋瓶，精度為10 mL。發(fā)酵瓶與氣體收集瓶的瓶口處分別采用單通和雙通以及乳膠管實現(xiàn)裝置的連接。發(fā)酵過程中每天測定產(chǎn)氣量以及氣體品質(zhì)。

1.2.2 測定項目與方法

總固體含量百分?jǐn)?shù)(TS)：在105℃烘箱中烘干至恒重。揮發(fā)性固體含量百分?jǐn)?shù)(VS)：將烘干后的樣品置于600℃馬弗爐中灼燒2小時。產(chǎn)氣量測定：采用排水集氣法直接讀數(shù)。

甲烷含量測定：采用氣相色譜儀(SP-2100，北京北分瑞利儀器公司)。木質(zhì)纖維素測定：ANKOM 2000i纖維素測定儀。VFA含量測定：GC2010氣相色譜儀，將預(yù)處理后的所有樣品加水調(diào)節(jié)至含水率為90%，將物料混合均勻后離心，取上清液測定VFA濃度。

1.3 試驗方法

1.3.1 預(yù)處理條件正交實驗設(shè)計

為了找出最佳的水熱預(yù)處理參數(shù)，采用三因素四水平正交實驗設(shè)計，預(yù)處理溫度梯度為50℃,60℃,70℃和80℃，預(yù)處理原料含水率為60%,70%,80%和90%，預(yù)處理時間為12 h,24 h,36 h和48 h，如表2所示。

表2 低強度水熱預(yù)處理正交實驗設(shè)計表

準(zhǔn)確稱取48份(每組實驗3個平行)干重為20 g的玉米秸稈，按照正交實驗設(shè)計表分別用去離子水調(diào)節(jié)原料含水率為60%，70%，80%和90%，置于50℃，60℃，70℃和80℃的恒溫水浴箱中預(yù)處理6～24 h。同時再稱取48份同等質(zhì)量的玉米秸稈，添加秸稈干重的2%的氫氧化鈉后按照實驗設(shè)計表進(jìn)行相應(yīng)條件下的水熱預(yù)處理實驗。

1.3.2 批式厭氧消化實驗

將預(yù)處理后的玉米秸稈轉(zhuǎn)移至500 mL的藍(lán)蓋瓶中，添加尿素調(diào)節(jié)厭氧體系的碳氮比為25∶1，接種物接種量為20 gMLSS·L-1，用自來水定容至400 mL。對照組采用未經(jīng)任何處理的玉米秸稈。隨后將藍(lán)蓋瓶與氣體收集裝置連接置于35℃恒溫水箱中厭氧發(fā)酵50 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)纖維素含量的變化

未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈的纖維素含量為35.33%，半纖維素含量為24.49%，木質(zhì)素含量為8.21%，經(jīng)過不同條件下的水熱預(yù)處理后玉米秸稈的木質(zhì)纖維素含量如表3(添加NaOH組為后16組)所示。

表3 不同條件下玉米秸稈木質(zhì)纖維素含量變化 (%)

從表3可以看出，玉米秸稈中含量最高的是纖維素，其次是半纖維素，木質(zhì)素含量最少。經(jīng)過水熱預(yù)處理后的秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量均有所降低，添加NaOH的組別中纖維素降解率普遍高于未加NaOH組。其中，在未加NaOH組中，預(yù)處理條件為80℃,60%含水率和預(yù)處理24 h下，玉米秸稈的纖維素降解率最高，為17.41%，半纖維素降解率為25.93%，木質(zhì)素降解率為25.09%。在添加NaOH的實驗組中，預(yù)處理條件為50℃,60%含水率和預(yù)處理時間12 h下纖維素降解率最高，為28.56%，半纖維素降解率為35.93%，木質(zhì)素降解率為6.82%。這是因為水熱過程中隨著溫度的升高，水的電離程度增加，溶液中氫離子濃度相應(yīng)增加，在這些氫離子的作用下，半纖維素會溶解逸出，木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)會變得疏松，并且木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)會遭到破壞[14]。在含有NaOH的條件下，木質(zhì)素會首先溶出，破壞秸稈的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，從而更加有利于水熱過程[15]。兩種作用同時對秸稈結(jié)構(gòu)的破壞，使得更有利于后續(xù)的厭氧發(fā)酵過程中酶與底物的接觸。木質(zhì)纖維素降解率按照下列公式計算：

Rh=(S0-St)/S0×100%

式中：S0為對照組的木質(zhì)纖維素百分含量；St為預(yù)處理后的玉米秸稈的木質(zhì)纖維素百分含量[16]。

2.2 VFA含量變化

如圖1所示，預(yù)處理后的秸稈浸出液中含有大量的乙醇和乙酸，表明水熱過程中水電離出的氫離子導(dǎo)致了木質(zhì)素和半纖維素上連接的糖苷鍵的斷裂，促進(jìn)了半纖維素上的乙?；拿撀?，生成大量的乙酸[16]。單獨的水熱處理過程中50℃，70%含水率預(yù)處理18 h得到了最高產(chǎn)酸量，為3231 mg·L-1，在NaOH強化水熱預(yù)處理過程中，50℃，80%含水率預(yù)處理24 h得到了最高產(chǎn)酸量為4028 mg·L-1。

圖1 不同預(yù)處理條件下秸稈VFA含量圖

2.3 厭氧產(chǎn)氣性能分析

2.3.1 累積產(chǎn)氣量

以累積產(chǎn)氣量作為篩選參數(shù)的指標(biāo)，選取水熱預(yù)處理過程中的最優(yōu)預(yù)處理參數(shù)，正交實驗結(jié)果采用極差分析法。極差分析正交實驗結(jié)果如表4所示：影響程度預(yù)處理溫度>預(yù)處理時間>含水率，最優(yōu)條件：80℃，24 h，60%含水率；50℃，12 h，60%含水率。

從表4可以看出，單獨水熱預(yù)處理對玉米秸稈厭氧產(chǎn)氣性能影響程度由大到小依次是預(yù)處理溫度，預(yù)處理時間，預(yù)處理含水率。根據(jù)極差分析結(jié)果，最優(yōu)的水熱預(yù)處理條件為80℃，60%含水率和預(yù)處理24 h，在此條件下實驗組累積產(chǎn)氣量達(dá)到5630 mL，比對照組4395 mL提高了28.1%。在水熱預(yù)處理過程中添加NaOH對秸稈產(chǎn)氣性能有明顯的提升，最優(yōu)的水熱預(yù)處理條件為50℃，12 h和預(yù)處理含水率為60%。在此條件下實驗組累積產(chǎn)氣量達(dá)到8350 mL，比對照組4395 mL提高了89.9%。篩選出的最優(yōu)產(chǎn)氣條件下累積產(chǎn)氣量如圖2所示。

表4 不同預(yù)處理條件下正交實驗結(jié)果表

圖2 累積產(chǎn)氣量圖

通過對篩選出的兩組最優(yōu)條件與未處理組對比可以看出，3組實驗都出現(xiàn)了不同程度的酸化現(xiàn)象，對照組酸化時間最長，在第3天開始出現(xiàn)酸化，在第19天恢復(fù)產(chǎn)氣。經(jīng)過預(yù)處理的秸稈在第2天同樣也出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象，與對照組不同的是：單獨水熱處理組在第6天開始逐漸恢復(fù)產(chǎn)氣，累積產(chǎn)氣比對照組提高了28.1%，而添加NaOH組只出現(xiàn)了5天的酸化現(xiàn)象，隨后恢復(fù)產(chǎn)氣，累積產(chǎn)氣量比對照組提高了89.9%。

2.3.2 日產(chǎn)氣量

將單獨水熱最優(yōu)條件與NaOH強化水熱最優(yōu)條件下的日產(chǎn)氣量作圖進(jìn)行對比如圖3所示。

圖3 日產(chǎn)氣圖

由圖3可以看出，3組實驗的日產(chǎn)氣趨勢相差較大，單獨水熱處理組與對照組趨勢較為接近。在實驗開始第1天，NaOH強化水熱組日產(chǎn)氣量最高，達(dá)到580 mL，單獨水熱組次之，為360 mL。這是因為NaOH強化水熱組在預(yù)處理階段相較于單獨水熱組和對照組對秸稈結(jié)構(gòu)的破壞更為劇烈，同時將大分子物質(zhì)分解成了更多的能被微生物直接利用的小分子物質(zhì)。在厭氧第3天，3組實驗都出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象，但是NaOH強化水熱組在第6天酸化現(xiàn)象緩解，并立即恢復(fù)產(chǎn)氣，由此可見，NaOH強化水熱能夠改善厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性。NaOH強化水熱組在第22天出現(xiàn)最高日產(chǎn)氣量，為520 mL，單獨水熱組在第24天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量為450 mL，對照組也在第22天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，為510 mL，但是相比與NaOH強化水熱組，其產(chǎn)氣高峰維持時間較短。

2.4 TS，VS去除率變化

在厭氧消化過程中，厭氧微生物通過分解底物中的有機(jī)物產(chǎn)生甲烷和二氧化碳，在有機(jī)物分解的同時，底物中的TS和VS含量也會隨之降低。因此，TS，VS降解率能夠很好地表征出厭氧消化的效果。厭氧消化后的TS，VS降解率如表5所示。

表5 厭氧消化后TS，VS降解率 (%)

通過表5可以看出，經(jīng)過水熱預(yù)處理后的玉米秸稈在厭氧消化后TS，VS去除率要高于未處理組，其中，單獨水熱條件下，80℃，60%含水率和預(yù)處理24 h組TS，VS去除率分別為31.76%，42.97%，高于對照組。在水熱預(yù)處理過程中添加氫氧化鈉，玉米秸稈厭氧消化后的TS，VS降解率不僅高于對照組，同時也高于單獨水熱預(yù)處理條件下的玉米秸稈的TS，VS降解率。其中，50℃，60%含水率和預(yù)處理12 h條件下TS和VS降解率達(dá)到46.46%，63.98%。這說明了氫氧化鈉強化水熱預(yù)處理將玉米秸稈結(jié)構(gòu)破壞得更為嚴(yán)重，使得后續(xù)的厭氧消化過程中酶和厭氧微生物更容易與底物接觸，從而提高了物質(zhì)降解率，提高了產(chǎn)氣量。

3 結(jié)論

(1)水熱預(yù)處理玉米秸稈對其厭氧消化性能有促進(jìn)作用，最佳水熱預(yù)處理參數(shù)為溫度80℃,60%含水率和預(yù)處理24 h，在此條件下玉米秸稈產(chǎn)氣量達(dá)到299.5 mL·g-1VS，比對照組233.8 mL·g-1VS提高了28.1%。

(2) 氫氧化鈉對玉米秸稈的熱水解具有強化作用，經(jīng)過氫氧化鈉強化水熱預(yù)處理的玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)氣性能明顯提高。50℃，預(yù)處理12 h和含水率為60%條件下產(chǎn)氣量最高，玉米秸稈產(chǎn)氣量達(dá)到444.1 mL·g-1VS，比對照組提高了89.9%。