不同預處理條件對水稻秸稈厭氧消化產氣性能的影響

趙 靜, 劉文娟, 戴本林, 鄧媛方, 楊文瀾

(1.江蘇省工程咨詢中心，江蘇 南京 210003; 2.淮陰師范學院 化學化工學院江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室, 江蘇 淮安 223300; 3.河海大學環境學院, 江蘇 南京 210098; 4.淮陰師范學院 江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心, 江蘇 淮安 223300)

不同預處理條件對水稻秸稈厭氧消化產氣性能的影響

趙 靜1, 劉文娟2, 3, 戴本林2, 4, 鄧媛方2, 楊文瀾2

(1.江蘇省工程咨詢中心，江蘇 南京 210003; 2.淮陰師范學院 化學化工學院江蘇省生物質能與酶技術重點實驗室, 江蘇 淮安 223300; 3.河海大學環境學院, 江蘇 南京 210098; 4.淮陰師范學院 江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心, 江蘇 淮安 223300)

為探索合理的預處理方法以實現水稻秸稈的高效厭氧消化，筆者研究了NaOH,H2SO4與纖維素酶處理3種預處理方法對水稻秸稈厭氧消化產氣性能的影響。將經預處理的60 g干物質的水稻秸稈放入發酵瓶中，在恒溫(35℃±1℃)下進行沼氣發酵試驗。比較不同質量分數的NaOH，H2SO4，不同投加量纖維素酶預處理水稻秸稈的厭氧發酵效果，綜合原料分解程度、總產氣量、氣體組分含量變化等指標，得出6% NaOH，2% H2SO4，纖維素酶添加量為40 U·g-1TS的預處理效果要分別優于同一組中其余質量分數的NaOH，H2SO4和不同添加量的纖維素酶；對比不同處理方法預處理水稻秸稈厭氧發酵產沼氣的效果，經過纖維素酶預處理的單位固體發酵產氣量、底物分解率、甲烷體積百分數總體表現優于對照組、NaOH以及H2SO4預處理組。因此，生物預處理可能成為今后水稻秸稈沼氣工程較理想的預處理方法。

預處理； 沼氣； NaOH； H2SO4； 纖維素酶； 水稻秸稈

中國農作物資源豐富，居世界首位，主要的秸稈類作物有近20種，每年秸稈總產量大概有7億t[1-3]，其中水稻、小麥和玉米稈這3種秸稈占到70%以上，但目前我國農作物秸稈的利用率卻較低，有一半被大量丟棄或焚燒，這不僅浪費了資源，而且對環境造成了嚴重的污染。通過將秸稈通過厭氧發酵技術轉化為沼氣，可以有效緩解農村地區能源緊張和環境污染的局面[4]。

然而秸稈作為沼氣原料時，因其本身含有80%的半纖維素、纖維素和木質素等致密物質，而其中難以降解的木質素與半纖維素、纖維素相互交聯，使得厭氧微生物無法快速對其進行分解和利用[5-6]，從而在消化過程中會存在發酵啟動慢、降解率低、產氣率低等問題。基于此，一般可通過預處理破壞秸稈的物理化學結構，使其降解成簡單化合物，從而提高其厭氧消化效率和產氣量。目前常用的預處理方法主要有物理法[7]、化學法[8-10]以及生物法[11-13]等。如Zhang[4]在用破碎、研磨和高溫加熱(60℃，90℃，110℃)對水稻秸稈進行預處理發酵產沼氣時，發現這3種預處理方法在一定程度上都能夠促進秸稈的產氣效率；崔鳳杰[14]等采用5.0% NaOH溶液預處理玉米秸稈，發現其揮發性物質(Volatile substance，VS)產氣率較未經處理樣品提高了38.5%；宋籽霖[15]等用NaOH預處理玉米秸稈后，發現其甲烷產率最大可提高至84.2%；而Chandra[16]等采用3% NaOH溶液預處理水稻秸稈，發現其VS甲烷產氣率提高了123.9%；Zheng[17]等通過查閱大量文獻總結出NaOH對秸稈甲烷產氣率的促進作用在3.2%～230%之間，而采用生物預處理這一比率可提高至15%～500%之間。卞永存[18]采用稀硫酸對玉米秸稈進行預處理，結果表面半纖維素的去除率最高可達74%。此外，楊立[19]發現金屬離子對秸稈厭氧發酵產氣有明顯的促進作用。添加金屬離子組的產氣量比對照組提高了41.7%。何榮玉[20]等利用復合菌劑處理玉米秸稈，產氣量可提高29.54%，甲烷含量高達 68.33%。黃如一[21]等利用綠秸靈、腐稈靈等復合菌預處理的秸稈進行厭氧發酵試驗，產氣量可分別提高33.65%和38.32%。基于此，發現前人的研究多關注于研究采用哪種預處理方法的效果較好，而對多種預處理方法處理效果進行比較分析的研究還較少，尤其是對于添加纖維素酶的生物預處理的研究。

因此，考慮到現有研究的不足，文章以水稻秸稈為對象，對比研究了稀堿、稀酸以及生物酶解預處理等3種不同方法對秸稈出峰時間、峰值、日產氣量、甲烷體積分數等方面的影響。同時篩選出各預處理方法的最佳方案，通過對其pH值，物能轉化率、秸稈成分變化的相關討論，從而可為探索出一條經濟、環保、能耗低的秸稈預處理方式提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

文章選取自然條件下風干的水稻秸稈作為試驗材料，取自淮安市淮陰區王營鎮周圍村莊，將其用剪刀切成約2～3 cm的小段，粉碎機粉碎，并測定其理化指標。本試驗的接種物來源于淮安市淮陰區王營鎮丁集村戶用沼氣池中的沼液。試驗材料的理化性質見表1。

表1 試驗材料的理化性質 (%)

1.2 試驗裝置

試驗裝置為淮陰師范學院生物質能與酶技術重點實驗室自行設計的室內沼氣發酵試驗裝置，主要由溫控儀(WMZK-01型，控制范圍10℃～100℃)、傳感器、地熱線(800 W)、恒溫水箱、發酵瓶、集氣瓶、集水瓶等部分組成(見圖1)。各部分之間由橡皮塞、玻璃管和乳膠管相連，加凡士林密閉。地熱線均勻分布于水箱底部，無交叉重疊，地熱線間距1 cm 左右，使水箱內傳熱均勻。發酵瓶為2 L 的玻璃瓶，集氣瓶為1000 mL 錐形瓶。發酵瓶處設有發酵料液取樣口和氣體采樣口，定期取樣進行料液pH值和沼氣氣體成分的測定。

1.溫控儀； 2.傳感器； 3.地熱線； 4.恒溫水箱； 5.取樣口； 6.導氣管； 7.發酵瓶； 8.集氣瓶； 9.取氣口； 10.導水管； 11.集水瓶圖1 厭氧消化裝置組成

1.3 試驗設計

試驗的整個過程分為預處理階段、預試驗階段和正式厭氧發酵產沼氣階段，3個階段在同一個裝置內進行。預處理階段在常溫厭氧條件下進行，玻璃瓶用蓋子密封。預試驗和正式厭氧發酵產沼氣階段采用中溫發酵，試驗溫度設為(35℃±1℃)。發酵裝置固定在恒溫水池中，池溫由溫控儀、傳感器和地熱線控制在恒定溫度。

預試驗設4個質量百分數處理水平：分別為2%，4%，6%，8%(NaOH，H2SO4)；酶處理法是先用4% NaOH預處理稻草秸稈，再加H3PO4調節pH值到5左右，最后分別加入10，20，30，40 U·g-1TS的纖維素酶；同時設置一個對照組(不加預處理試劑)。正式試驗產沼氣階段是在上述預試驗結果的基礎上，選取每種預處理方法中效果最優的一組，再次重復預試驗的步驟，進行厭氧發酵產沼氣試驗。以上所有處理樣品均放置于25 ℃恒溫培養箱中，7 d后裝入發酵罐中然后發酵，稻草秸稈與牛糞一比一配比，干物質各取60 g，加接種沼液定容到2 L裝罐。置于35℃±1℃恒溫水箱中進行發酵，每日記下發酵料液pH值、所產氣體各組分含量和日產氣量。

1.4 測定項目

總固體質量百分數(TS)：烘干法(電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏，DHG-9030A)中105℃下烘4～6 h)；VS 測定：烘干法(馬弗爐中550℃下烘1 h)；含水率：烘干法(電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏，DHG-9030A)中105℃下烘4～6 h)；pH 值：通過精密pH 計(上海雷磁，PHS-3C)測定；產氣量：采用排水集氣法收集氣體，每天定時用量筒測量集水瓶中排出的水量，并做以記錄；氣體成分：采用氣體分析儀(英國Geotechnical Instruments公司，Geotech GEM5000)測定；灰分測定按 GB/T 2677.3-1993；酸不溶木素的測定按照 GB/T 2677.8-1994；聚戊糖的測定按照 GB/T 2677.9-1994；纖維素測定采用硝酸-乙醇法。

2 結果與討論

筆者探討了目前秸稈沼氣工程預處理研究中較為常用的3種方法：稀堿、稀酸以及生物酶解預處理。根據預試驗各處理組的日產氣量、甲烷產量以及預處理藥品用量，選擇空白處理、處理效果最優的6% NaOH預處理、2% H2SO4預處理以及40 U·g-1TS纖維素酶的生物預處理，進行pH值，產氣量，CH4及H2含量、物能轉化率、秸稈纖維成分變化的相關討論。

2.1 厭氧發酵過程中pH值變化的對比分析

pH值是沼氣發酵反應過程中的一個重要指標，沼氣微生物發酵所需的pH值必須在4.0～8.5 之間，最適pH值則在7.0左右[22]。圖2是不同預處理方法厭氧發酵過程中pH值的變化。

從圖2可看出，不同預處理方法在發酵初期pH值是呈下降趨勢，到發酵的第5天和6天，pH值降到最低點，然后逐漸上升，到發酵的第29天，pH值達到最高。pH變化的總體趨勢與厭氧消化的三階段理論相符，分別是水解酸化階段、產氫產乙酸階段以及產甲烷階段。pH值總體變化趨勢在5.5～8.0之間，這與發酵過程中微生物的活動密切相關。在預處理階段，大分子狀態存在的木質素、半纖維素、纖維素已完成水解過程，在厭氧發酵階段，產氫產乙酸菌將已完成預處理的產物轉化為乙酸，H2，、CO2，使得pH值下降。然后，再到產甲烷階段，通過兩組生理上不同的產甲烷菌作用，一組將上一階段產生的H2和CO2轉化為CH4，或利用其他細菌產生的甲酸生成CH4；另一組對乙酸脫羧產生CH4，從而導致pH值升高。

圖2 不同預處理方法厭氧消化過程中pH值的變化

綜上所述，通過比較3種不同方法預處理水稻秸稈厭氧發酵的pH值，得出6% NaOH預處理組厭氧發酵階段pH值在5.5～8.0之間波動，2% H2SO4預處理組pH值在5.09～7.52之間波動，而40 U·g-1TS纖維素酶預處理組pH值則在5.99～7.36之間波動。3種方法pH值的總體變化趨勢相似相同，都在發酵的第3～5天到達低谷，然后是上升過程直至反應期末，這與厭氧發酵三階段理論基本符合；3種方法各有特點，堿法對于符合厭氧發酵三階段理論更明顯，而酸法pH值較其他兩種方法偏低；纖維素酶生物法預處理分解較為完全，淡化了第一階段過程，再加上緩沖作用pH值的降低不是非常顯著。

2.2 不同預處理對稻秸厭氧發酵產氣量的影響

從圖3可看出，各個預處理組很快地就進入了厭氧發酵產氣的高峰期，而對照組基本上沒有出現明顯的產氣高峰期。其中，6% NaOH預處理組的最高日產氣量出現在第16 d，產氣量為1369 mL；2% H2SO4溶液預處理組的第一個小高峰出現在第4天，且產氣量為458 mL；隨后進入波谷期，在第13天產氣量最小，為54 mL；后又上升至高峰期，在第20天達到最大產氣量，為1180 mL；40 U·g-1TS纖維素酶的處理組在發酵第2～3天也到達第一個小高峰，日產氣量分別為610 mL和980 mL，然后在第4天到達低谷，然后再進入第二個高峰期，第11天達到最高點，日產氣量分別為1204 mL和1342 mL，并持續到反應期末。從圖4可看出，各個預處理組的甲烷體積百分數從發酵開始階段就開始很快增加，且在第14天均達到30%以上，并在此基礎上繼續增加。而對照組甲烷含量很低，一直持續在10%～20%之間，其中6% NaOH預處理組甲烷含量最高可達到41.6%；2% H2SO4預處理組的高峰期有些滯后，但其甲烷含量最高能達到59.9%；纖維素酶生物預處理組在第8天達到30%以上，并分別在此基礎上繼續增加。40 U·g-1TS纖維素酶預處理組的甲烷含量最高可達到66.8%。由此可見，各預處理組均能穩定并大幅提高甲烷含量，這是因為有更多的可溶性有機物可供產甲烷菌利用[23]。

圖3 各預處理厭氧消化過程中日產氣量變化

圖4 各預處理厭氧消化過程中CH4含量的變化

總的來說，以上結果是因為經過預處理后，水稻秸稈組分被分解，發酵液中的產酸菌和產甲烷菌能很容易的利用底物來生長繁殖，產生大量的氣體。隨著反應的進行，這些組分被大量的消耗而減少，產酸菌和產甲烷菌的生長繁殖減慢，產氣量下降，直到最后產氣停止。從整個過程來看，其中6% NaOH溶液預處理的日產氣量峰值最大，40 U·g-1TS纖維素酶預處理的甲烷體積分數最高。且各預處理都不同程度的縮短了反應啟動時間。

2.3 不同預處理對稻秸厭氧發酵氫氣產量的影響

從圖5可看出，對照組的H2含量均在200 ppm以內，總體偏低；2% H2SO4預處理的H2含量在100～250 ppm之間，含量不高；6% NaOH預處理的H2含量在100～350 ppm之間，含量較高；40 U·g-1TS纖維素酶預處理的H2含量在150～500之間，其含量最高。另外，從圖4中也可看出H2產出的波動較大，其主要原因是水稻秸稈厭氧消化產生的氣體中，H2只有很微量的一部分。一開始H2濃度高，是因為水稻秸稈里面的物質被分解，產生H2，之后主要就是沼氣中含有的微量H2。

圖5 各預處理厭氧消化過程中H2含量的變化

2.4 轉化效率的對比分析

各預處理都不同程度的破壞了水稻秸稈的纖維結構，這有助于微生物對可發酵物質的利用和酶解的進行，提高秸稈的厭氧發酵轉化速率[6, 24]，因此峰值及出峰時間較對照組均有所改善。與對照組相比，3種預處理均不同程度的縮短了發酵產氣周期，提高了原料的生物降解速率。在物能轉化率方面，對照組的TS產氣率為52.6 mL·g-1，TS產甲烷率為7.5 mL·g-1。而經過預處理后的TS產氣率和TS產甲烷率均有較大提高，其中6% NaOH，2% H2SO4，40 U·g-1TS纖維素酶預處理組的累積產氣量分別可達18720、9498、20433 mL，較對照組分別提高了492.8%，200.8%，547.0%。可見，TS 產甲烷率：生物處理>NaOH處理>H2SO4處理>對照；累積產氣量：生物處理>NaOH處理>H2SO4處理>對照。

表2 不同預處理條件下秸稈產氣情況比較

2.5 厭氧發酵前后各組分變化對比分析

從圖6可看出，水稻秸稈各組分中以纖維素的質量百分數為最高，其次為半纖維素，木質素的最低。而經過6% NaOH預處理后，秸稈中的纖維素含量沒有減少，反而較對照組有所增加，木質素和半纖維素含量有明顯降低；經2% H2SO4預處理后，木質素含量沒有減少，反而較對照組有所增加，而半纖維素和纖維素含量均有降低；經纖維素酶生物預處理后，木質素、纖維素和半纖維素的含量均有所降低，這與有關文獻中所描述的基本一致[25]。

綜上所述，從上述3組實驗對比可以得出，對于水稻秸稈，堿預處理方法對木質素的去除效果最好，高達41.5%；纖維素酶生物預處理方法對半纖維素和纖維素的去除效果最好，半纖維素去除率高達53.4%，纖維素的去除率則高達14.9%。

圖6 不同預處理后各處理組組分質量百分數變化

3 結論

(1)與對照組相比，3種預處理方法物能轉化率均有所提高，其中纖維素酶生物預處理的轉化效率最高，其次是NaOH預處理，最后是H2SO4預處理。

(2)對于水稻秸稈，堿預處理方法對纖維素的去除效果最好，高達41.5%；纖維素酶生物預處理方法對半纖維素和木質素的去除效果最好，半纖維素去除率高達53.4%，木質素的去除率則高達14.9%。在實踐中，可針對水稻秸稈組分的組成及預處理目的有效選擇預處理方法。

(3)對比不同處理方法預處理水稻秸稈厭氧消化產沼氣過程，經過纖維素酶預處理的pH 值、單位固體發酵產氣量、底物分解率以及甲烷體積百分數總體表現要優于對照組，NaOH預處理組以及H2SO4預處理組。總的來說，添加40 U·g-1TS纖維素酶的生物預處理的效果最好，其次是NaOH預處理，最后是H2SO4預處理。

[1] 陳小華, 朱洪光. 農作物秸稈產沼氣研究進展與展望[J].農業工程學報, 2007, 23(3): 279-283.

[2] 葉安珊.我國農業廢棄物資源化問題探討[J].經濟前沿, 2008(6): 29-3l.

[3] 陳 羚, 趙立欣, 董保成, 等.我國秸稈沼氣工程發展現狀與趨勢[J].可再生能源, 2010, 28(3): 145-148.

[4] Zhang R H, Zhang Z Q.Biogasification of rice straw with an anaerobic-phased solids digester system[J].Bioresource Technology, 1999, 68: 235-245.

[5] 李 平, 蔣 滔, 李 萍, 等.不同預處理方式對玉米秸稈產氣效果的影響[J].西南農業學報, 2014, 27(5): 2187-2194.

[6] 李 萍, 韋秀麗, 蔣 滔, 等.不同預處理方式對玉米秸稈結構及產氣特性的模擬研究[J].生態與農村環境學報, 2014, 30(1): 84-89.

[7] Palmowski L M, Mueller J A.Influence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion[J].Water Science and Technology, 2000, 41(3): 155-162.

[8] Chen H Z, Wang H, Zhang A L, et al.Biogasification of steam-explored wheat straw by a two-phased digestion system[J].Transactions of the CASE, 2005, 21(11): 116-120.

[9] Sasaki M, Kabyemela B, Malaluan R, et al.Cellulose hydrolysis in subcritical and supercritical water[J].The Journal of Supercritical Fluids, 1998, 13: 261-268.

[10] Angelidaki I, Ahring B K.Methods for increasing the biogas potential from the recalcitrant organic matter contained in manure[J].Water Science and Technology , 2000, 41(3): 189-194.

[11] Ghost A, Bhattacharyya B C.Biomethanation of white rotted and brown totted rice straw[J].Bioprocess Engineering, 1999, 20: 297-302.

[12] Kivaisi A K, Eliapenda S.Application of rumen microorganisms for enhanced anaerobic degradation of bagasse and maize bran[J].Biomass and Bioenergy, 1995, 8(1): 45-50.

[13] 高白茹, 常志州, 葉小梅, 等.堆肥預處理對稻秸厭氧發酵產氣量的影響[J].農業工程學報, 2010, 12(5): 251-256.

[14] 崔鳳杰, 李向菲, 周宇光, 等.NaOH 預處理對玉米秸稈固態厭氧消化的影響[J].環境工程學報, 2013, 7(5): 1919-1924.

[15] 宋籽霖, 孫雪文, 楊改河, 等.不同溫度下氫氧化鈉預處理對玉米秸稈甲烷產量的影響[J].化工學報, 2014, 65(5): 1876-1882.

[16] Chandra R, Takeuchi H, Hasegawa T.Hydrothermal pretreatment of rice straw biomass: A potential and promising method for enhanced methane production[J].Applied Energy, 2012, 94: 129-140.

[17] Zheng Y, Zhao J, Xu F Q, et al.Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production[J].Progress in Energy and Combustion Science, 2014, 42: 35-53.

[18] 卞永存.不同預處理方法對玉米秸稈厭氧干發酵影響的比較研究[D].沈陽：沈陽航空工業學院, 2009.

[19] 楊 立.秸稈厭氧發酵產沼氣工藝中關鍵因子的研究[D].武漢：湖北工業大學, 2009.

[20] 何榮玉, 閆志英, 劉曉風, 等.秸稈干發酵沼氣增產研究術[J].應用與環境生物學報, 2007, 13(4): 583 -585.

[21] 黃如一, 何萬寧, 唐和建, 等.秸稈預處理產沼氣對比試驗[J].中國沼氣農業與技術, 2008, 26(4): 53-56.

[22] Hwang M H, Jang N J, Hyum S H, etal.Anaerobic bio-hydrogen production from ethanol fermentation: the role of pH[J].Journal of Biotechnology, 2004, 111(3): 297-309.

[23] Chen Y, Cheng J J, Creamer K S.Inhibition of anaerobic digestion process: a review[J].Bioresource Technology, 2008, 99(10): 4044-4064.

[24] 楊玉楠, 陳亞松, 楊 敏.利用白腐菌生物預處理強化秸稈發酵產甲烷研究[J].農業環境科學學報, 2007, 26(5): 1968-1972.

[25] 覃國棟, 劉榮厚, 孫 辰.NaOH預處理對水稻秸稈沼氣發酵的影響[J].農業工程學報, 2011(增刊1), 27: 59-63.

Effect of Different Pretreatment on Biogas Production Characteristics of Rice Stalk /

ZHAO Jing1, LIU Wen-juan2, 3, DAI Ben-lin2, 4, DENG Yuan-fang2, YANG Wen-lan2/

(1.Jiangsu Engineering Consulting Center, Nanjing 210003, China; 2.Jiangsu Key Laboratory for Biomass-based Energy and Enzyme Technology, School of Chemistry and Chemical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China; 3.College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Regional Modern Agriculture & Environmental Protection, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China)

In order to explore a reasonable pretreatment method to realize the high efficient anaerobic digestion for rice straw, the effects of NaOH, H2SO4and cellulase treatment on the anaerobic digestion of rice straw were investigated. The pretreated 60 g dry matter of rice straw was put into the fermentation bottle under the constant temperature of 35℃±1℃. Comparison of anaerobic efficient, decomposition degree of material, total gas production, and biogas components under different dosage of NaOH, H2SO4, cellulase pretreatment were made. It was showed that 6% of NaOH, 2% of H2SO4, and cellulase of 40 U·g-1TS were the best dosage for their individual pretreatment.Comparing among the different methods, pretreatment with cellulase obtained the better biogas production rate, total biogas production, substrate decomposition and methane content than those pretreated with NaOH or H2SO4.

pretreatment; biogas; NaOH; H2SO4; cellulase; rice straw

2016-07-20

2016-08-30

項目來源： 國家自然科學青年基金項目(51508221); 江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心科技專項資助項目(HSXT312, HSXT227); 江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD480001)

趙 靜 (1981-)，女，碩士，主要從事工程項目咨詢、節能評估、工程設計等方面的研究工作，E-mail: coldzj@163.com 通信作者： 戴本林， E-mail: benlindai@163.com

S216.4； X712

A

1000-1166(2017)01-0043-06