王振旗，張敏，沈根祥*，王晨，錢曉雍，倪遠之，張心良

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護新型污染物環(huán)境健康影響評價重點實驗室，上海200233；2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237）

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，占生物質(zhì)資源總量的52.8%，年產(chǎn)量達7億t左右，其中水稻秸稈約占1/3[1]。因收集運輸成本高、市場機制不健全等原因，大部分秸稈得不到有效處置，造成了潛在的環(huán)境污染[2]。作為解決當前全球能源危機的途徑之一，干法厭氧發(fā)酵技術(shù)越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物處理工程[3-4]。碳氮比（C/N）是影響厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵因素，未經(jīng)處理的水稻秸稈C/N 在60 以上，難以在單消化過程中實現(xiàn)高甲烷產(chǎn)率[5-6]，將水稻秸稈與高氮有機物進行共發(fā)酵則可有效提高甲烷產(chǎn)量80%以上[7-8]。大量研究表明，豬糞可作為水稻秸稈等富含碳類有機物共發(fā)酵最有效的氮源添加物之一[9-10]。但在以種植業(yè)為主的長三角水源區(qū)，畜禽糞便等高氮有機廢棄物可收集量小，水稻秸稈厭氧發(fā)酵面臨發(fā)酵C/N 高、產(chǎn)氣效率低的實際問題，亟須探索經(jīng)濟可行的黃貯預(yù)處理方法來提高水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。

水稻秸稈不僅因C/N 高而在厭氧發(fā)酵過程中的分解速度慢[11]，更由于存在木質(zhì)素和半纖維素共價結(jié)合包裹纖維素和纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，造成發(fā)酵啟動慢、產(chǎn)氣率低[12]，通常需要采用一定的預(yù)處理來促進酶解，進而縮短發(fā)酵時間、提高產(chǎn)氣潛力和發(fā)酵效率[13]。水稻秸稈預(yù)處理通常有物理、生物和化學(xué)3 種方式[14]。其中，物理預(yù)處理主要指粉碎和研磨，通過增加秸稈磨碎度和表面積來提高厭氧發(fā)酵效果[15]。生物預(yù)處理主要包括酶預(yù)處理與真菌預(yù)處理，因菌種要求高造成工程化應(yīng)用困難[16-17]，但考慮到厭氧發(fā)酵沼液中含有大量的厭氧微生物且易獲得，因此也可作為一種經(jīng)濟可行的生物預(yù)處理方式。化學(xué)預(yù)處理對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)破壞效果較好，酸處理過程主要發(fā)生反應(yīng)的是半纖維素物質(zhì)，但木質(zhì)素幾乎不溶解[18]；堿預(yù)處理可以有效破壞木質(zhì)素，使木質(zhì)素與碳水化合物之間的鏈接鍵解聚，且纖維素類物質(zhì)受到破壞的程度小，進而能夠通過去木質(zhì)素化來提高甲烷產(chǎn)量[19]。

為此，針對長三角水源區(qū)水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率低的問題，考慮到水稻秸稈集中采收后需長期有效保存，本研究采用稀堿與沼液兩種預(yù)處理方式，探索了水稻秸稈在C/N 為50 的條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼規(guī)律、料液pH變化和沼渣性質(zhì)等，并從發(fā)酵物料預(yù)處理前后木質(zhì)素纖維素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化與降解效果方面探討了提高水稻秸稈產(chǎn)沼效率的機理，以期為我國其他以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)秸稈干法厭氧發(fā)酵處理提供技術(shù)參考，在現(xiàn)有秸稈機械化還田的基礎(chǔ)上拓展秸稈處理利用的新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗主發(fā)酵物料水稻秸稈于2019年11月采自上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，自然風干后揉搓破碎至粒徑≤3 cm，打捆冷庫（≤4 ℃）保存。氮源選用鮮豬糞，取自區(qū)域內(nèi)生豬非規(guī)模養(yǎng)殖戶，分裝于若干塑料桶，冷庫內(nèi)密封備用。接種物（沼液）采自上海市某奶牛場沼氣池出料沼渣固液分離后的新鮮沼液，為黑褐色黏稠狀液體，化學(xué)需氧量（COD）為4 550 mg·L-1，富含纖維素分解菌、雙岐桿菌屬、甲烷古菌等多種功能微生物，試驗前1 d 采集使用。底物與接種物的理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗材料理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of test materials

1.2 試驗裝置

本研究采用非標定制的4 組全自動不銹鋼發(fā)酵罐裝置（圖1）進行小試試驗。其中，單個發(fā)酵罐容積5 L，配機械攪拌系統(tǒng)、水浴循環(huán)保溫系統(tǒng)，通過在線pH 玻璃凝膠電極和在線溫度傳感器實時記錄發(fā)酵罐內(nèi)pH 和溫度，并通過在線氣體流量儀（瑞士Vogtlin/red-y smart GSM）對沼氣產(chǎn)量進行實時監(jiān)控。另外，該裝置配套全自動PLC下位機控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)實時監(jiān)控、運行控制和數(shù)據(jù)讀取。

1.3 試驗設(shè)計

不同水稻秸稈預(yù)處理試驗設(shè)計見表2，每個處理組設(shè)置2個平行，若試驗結(jié)果有明顯差異，則重做2個平行直到總產(chǎn)氣量誤差在5%以內(nèi)。各組分別稱取300 g 秸稈物料，均勻噴灑700 mL 相應(yīng)的預(yù)處理液后置入避光密封袋，將袋中空氣抽出密封保存，模擬無氧條件下“黃貯”處理，每隔7 d 定期取少量樣品測定理化性質(zhì)。預(yù)處理30 d后，將水稻秸稈物料移至發(fā)酵罐，添加75 g 鮮豬糞調(diào)節(jié)發(fā)酵物料C/N 為50∶1，接種15%的沼液，并將各組發(fā)酵物料總固體調(diào)至20%，啟動干法厭氧發(fā)酵試驗，周期40 d。試驗過程中，控制夾套水浴溫度為35 ℃，每12 h 攪拌翻動物料30 min，轉(zhuǎn)速20 r·min-1，以達到傳質(zhì)均勻的目的。

1.4 樣品分析與測定

1.4.1 常規(guī)指標測定

總固體（TS）：（105±5）℃烘箱烘干至恒質(zhì)量后測定；揮發(fā)性固體（VS）：550～600 ℃馬弗爐灼燒至恒質(zhì)量后測定[20]。總碳采用重鉻酸鉀-稀釋熱法；總氮采用半微量開氏法；總氫采用全元素分析儀（美國Ther?mo Electron SPA 公司）；CH4含量采用便攜式甲烷測定儀（型號HND 880，深圳市萬安迪科技有限公司）測定；通過Van Soest 法測定木質(zhì)素、酸性洗滌纖維（ADF）和中性洗滌纖維（NDF）的含量來計算預(yù)處理后水稻秸稈中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的含量[21]。

1.4.2 SEM分析

將不同黃貯預(yù)處理條件（PK、P3、P6組）下預(yù)處理前后的水稻秸稈樣品通過凍干機處理，將處理好后的樣品分別在放大50、200 倍和1 000 倍下用掃描電子顯微鏡觀察水稻秸稈表面的結(jié)構(gòu)變化[22]。

1.4.3 評價方法

理論產(chǎn)沼氣潛力（Theoretical biogas potential，TBP）可用來評估有機物完全降解產(chǎn)生的最大沼氣產(chǎn)量，通過測定和分析底物不同元素組成（C、H、O、N 的含量）并結(jié)合Buswell 方程[23]和相關(guān)公式計算，本研究水稻秸稈、豬糞的理論產(chǎn)氣參數(shù)分別按照523.21 L·kg-1TS和805.98 L·kg-1TS計[24]。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對水稻秸稈產(chǎn)氣效果的影響

2.1.1 總產(chǎn)氣量情況分析

不同預(yù)處理組總產(chǎn)氣量情況如表3 所示。結(jié)果顯示，對水稻秸稈進行“黃貯”預(yù)處理可明顯提高沼氣產(chǎn)量，其中P3 組的產(chǎn)氣量最高，40 d 產(chǎn)氣總量為PK組的1.64 倍，單位產(chǎn)氣量達407.0 L·kg-1VS。P5 組與P6 組總產(chǎn)量分別為PK 組的1.60 倍和1.59 倍，干物質(zhì)產(chǎn)氣量分別達到400.3 L·kg-1VS 與397.0 L·kg-1VS，產(chǎn)氣率基本無差異。PK 組總產(chǎn)氣量僅達到理論產(chǎn)氣量的46.3%，而經(jīng)稀堿或沼液預(yù)處理后的水稻秸稈實際產(chǎn)氣潛力有所增加，P3 組和P6 組分別達到理論產(chǎn)氣量的75.8%與73.7%，且P3組30 d產(chǎn)氣量已達到總產(chǎn)氣量的86.3%，優(yōu)于其他處理組，說明P3 處理組可顯著縮短反應(yīng)周期。因此，不同稀堿預(yù)處理與沼液預(yù)處理組中P3組與P6組優(yōu)于其他處理組。

表2 不同預(yù)處理組對產(chǎn)氣效率影響的試驗設(shè)計Table 2 Experimental design of different pretreatments groups on biogas production efficiency

表3 不同預(yù)處理試驗組產(chǎn)沼氣特征Table 3 Biogas production characteristics of different pretreatment groups

根據(jù)低C/N 條件下的水稻秸稈共發(fā)酵產(chǎn)氣效果的研究報道，Yan 等[1]將秸稈堆肥預(yù)處理后，在C/N 為30 的條件下，干法厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量為353 L·kg-1VS；Kainthola等[25]將秸稈與好氧污泥在曝氣預(yù)處理下進行高固體厭氧消化，在C/N 為25 的條件下，共發(fā)酵的產(chǎn)氣量為355.3 L·kg-1VS；Zhou 等[26]將秸稈與豬糞的高固體進行厭氧消化，在C/N 為25 的條件下，共發(fā)酵的產(chǎn)氣量為474 L·kg-1VS。本研究在C/N 為50 的條件下，P3 組與P6 組的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量可以達到低C/N 條件下80%～115%，說明利用稀堿及沼液預(yù)處理方式可以確保在高C/N 條件下正常產(chǎn)氣，且可提高單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量、縮短發(fā)酵反應(yīng)周期。

2.1.2 單日產(chǎn)氣變化規(guī)律

不同預(yù)處理方式日產(chǎn)氣量及甲烷含量變化見圖2。結(jié)果顯示，各預(yù)處理組均出現(xiàn)了兩個產(chǎn)氣峰值，第一個產(chǎn)氣峰值持續(xù)時間在第4～10 d，第二個產(chǎn)氣峰值在第10～15 d，說明高C/N 條件下，初期發(fā)酵主要處于水解酸化階段，每個預(yù)處理組日產(chǎn)氣量會出現(xiàn)先短暫下降后上升進入穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段[27]。PK 組日產(chǎn)氣量低于其他預(yù)處理組，第17 d 產(chǎn)生第二個產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量5.3 L。并且PK 組甲烷含量約30%，遠低于厭氧發(fā)酵達到平衡狀態(tài)時甲烷含量不低于60%的要求[28]。P3組與P6組在40 d發(fā)酵周期內(nèi)的單日產(chǎn)氣量明顯高于其他處理組，P3 組在第13 d 達到產(chǎn)氣峰值，日產(chǎn)氣量9.68 L，P6 組在第19 d 達到產(chǎn)氣峰值，日產(chǎn)氣量9.24 L，僅低于P3 組約5%，但P3 組明顯縮短了反應(yīng)周期。P6 組甲烷含量在第7 d 達到50%以上，第11 d達到65%，P3 組則在前10 d 甲烷含量僅達到30%，第13 d 時達到64%，而P1 組在第17 d 時甲烷含量達到50%以上。因此，在C/N 為50 的條件下，通過堿預(yù)處理方式與沼液預(yù)處理方式可以明顯提高發(fā)酵前期產(chǎn)氣量和沼氣中的甲烷含量，這在一定程度上彌補了碳氮營養(yǎng)不均衡對厭氧發(fā)酵過程的抑制作用。

P6 組在發(fā)酵初期就含有大量的產(chǎn)甲烷菌，使其發(fā)酵初期甲烷含量就一直高于其他處理組，但單日產(chǎn)氣量發(fā)酵前期一直低于P3 組，發(fā)酵后期第19 d 時才出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰。而P3 組前期甲烷含量低，但是發(fā)酵產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)比P6 組早6 d，這不僅提高了產(chǎn)氣總量，而且還縮短了反應(yīng)周期。因此，在高C/N 條件下的工程應(yīng)用中，可從提高發(fā)酵初期甲烷含量及縮短發(fā)酵周期角度考慮，選擇適合的預(yù)處理方式。

2.2 發(fā)酵料液pH變化規(guī)律

不同預(yù)處理組料液pH 變化見圖3，各處理組均呈現(xiàn)出明顯的先下降、后逐步回升的趨勢，主要是由于在發(fā)酵啟動階段，干法厭氧發(fā)酵總固體含量高、含水量低、有機負荷大，容易造成有機酸過量積累，且產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量尚未達到成熟穩(wěn)定狀態(tài)，致使料液pH迅速下降[29]。但P3 組pH 從初始7.9 下降至6.0 后緩慢上升，且在發(fā)酵后期始終高于PK 組（5.3）、P1 組（5.0）、P6 組（5.3），結(jié)合不同處理組產(chǎn)氣效率可知，稀堿預(yù)處理組物料水解產(chǎn)酸階段pH的緩慢下降減少了酸化作用對產(chǎn)氣的不利影響，縮短了發(fā)酵周期，快速進入產(chǎn)甲烷階段提高產(chǎn)氣效率。而其他處理組在pH低于5.5的情況下，產(chǎn)酸菌盡管仍較為活躍，但產(chǎn)甲烷菌受到一定抑制[11]。

另外，P6 組發(fā)酵初期pH 最低，在第9 d 緩慢上升后產(chǎn)氣量才逐漸升高，說明發(fā)酵前期產(chǎn)氣量受pH 影響較大，在高C/N 的水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸抑制可通過稀堿預(yù)處理方式進行調(diào)控。沼液預(yù)處理方式盡管受低pH 抑制導(dǎo)致總產(chǎn)氣量偏低，但沼液中攜帶的大量厭氧菌群可以提高沼氣中的甲烷含量。因此，通過控制發(fā)酵過程中的pH變化，結(jié)合稀堿與沼液組合預(yù)處理方式可以達到最優(yōu)的產(chǎn)氣效果，在C/N 為50 條件下實現(xiàn)水稻秸稈的厭氧發(fā)酵穩(wěn)定運行具有技術(shù)可行性。

2.3 預(yù)處理對水稻秸稈結(jié)構(gòu)的影響分析

為探索黃貯預(yù)處理對水稻秸稈結(jié)構(gòu)的影響，本研究對PK、P3和P6組預(yù)處理前后的水稻秸稈進行了掃描電鏡分析，如圖4 所示。由圖4a 至圖4c 可知，未處理水稻秸稈外層規(guī)律性間隔分布著顆粒物區(qū)和非顆粒物區(qū)，分別為圓狀顆粒物與絲狀物，顆粒物區(qū)分布著大量的小顆粒和少量大顆粒物與絲狀物，同時可以觀察到水稻秸稈表面均勻覆蓋著大量的蠟質(zhì)層，阻止了微生物與秸稈表面相接觸。由圖4d 至圖4f 可知，在經(jīng)過稀堿預(yù)處理后，水稻秸稈表面的蠟質(zhì)層、顆粒物與絲狀物已被分解，無序的纖維排列與粗糙的木質(zhì)素表面增加了厭氧微生物與其的接觸面積，因此可以有效提高纖維素類物質(zhì)在厭氧消化過程的降解效率與性能[30]。由圖4h 至圖4j 可知，水稻秸稈經(jīng)富含微生物的沼液預(yù)處理后，其表面的蠟質(zhì)層和顆粒狀與絲狀物的硅質(zhì)凸起已被破壞，破壞程度輕于堿處理方式，但表面積和孔隙率有所增加，降低了纖維素的結(jié)晶率[31]，有利于厭氧微生物分解碳類物質(zhì)。

2.4 預(yù)處理對水稻秸稈有機組分降解的影響分析

不同預(yù)處理后水稻秸稈中VS含量如圖5A 所示。P3 組第7 d 時秸稈的VS 為82%，隨黃貯時間的延長，VS變化不明顯，而P1組與P6組的VS隨著時間的延長不斷降低，P6組第7 d的VS為94%，預(yù)處理前期VS緩慢降解，在第30 d時可達到87%，說明稀堿預(yù)處理可以有效促進秸稈的軟化效果且作用時間短，而沼液預(yù)處理也可以有效促進秸稈的軟化，但是作用時間相對較長，約為堿處理的4倍。

不同預(yù)處理后水稻秸稈中木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的降解效果如圖5B所示。P3組木質(zhì)素含量最低，較PK組降低了6.95 個百分點，而P1 組與P6 組分別降低了4.03 個百分點與3.97 個百分點。P3 組半纖維素的含量較CK組下降8.62個百分點，是P1組與P6組的1.41倍和1.58 倍。說明稀堿預(yù)處理可以迅速破壞水稻秸稈復(fù)雜的木質(zhì)素與半纖維素之間的共價結(jié)合，降低了纖維素的結(jié)晶度，有利于酶的水解，提高了高C/N 條件下水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。因此，工程應(yīng)用中可根據(jù)秸稈采購后黃貯時間長短，選擇適合的水稻秸稈預(yù)處理方式。

3 結(jié)論

（1）針對長三角水源區(qū)高C/N 水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵處理，稀堿預(yù)處理和奶牛場沼液生物預(yù)處理均可有效提高發(fā)酵初期甲烷含量并縮短發(fā)酵周期、提高產(chǎn)氣量，特別是8 mg·L-1Ca（OH）2和稀釋20倍沼液預(yù)處理組產(chǎn)氣量可以達到最佳C/N 條件下的80%～115%，說明適宜的預(yù)處理方式可以彌補高C/N 水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵因氮源不足造成的產(chǎn)氣效率低下問題。

（2）水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵料液pH 呈現(xiàn)出明顯的先下降后逐步回升趨勢，8 mg·L-1Ca（OH）2的稀堿預(yù)處理有效減少了酸化作用對發(fā)酵初期產(chǎn)氣的不利影響，沼液預(yù)處理則由于酸抑制影響了發(fā)酵初期產(chǎn)氣總量，工程實踐中可結(jié)合稀堿與沼液組合預(yù)處理方式來達到較優(yōu)的產(chǎn)氣效果。

（3）稀堿預(yù)處理與沼液預(yù)處理方式主要是通過分解水稻秸稈表面蠟質(zhì)層、顆粒物與絲狀物，來提高纖維素類物質(zhì)的降解性能，進而提高水稻秸稈干法厭氧發(fā)酵效率。其中，稀堿預(yù)處理作用起效快，7 d即可將水稻秸稈VS 降低至82%，并可緩沖高C/N 下pH 下降引發(fā)的酸化作用；沼液預(yù)處理方式軟化秸稈所需作用時長約為堿處理的4 倍，但可以明顯提高沼氣中甲烷含量。