SPORL法預處理對雞糞有機質含量影響及最優條件篩選*

姚顏瑩 吳景貴 李建明 范 圍 何瑞成 王篤超 王彩云 孫 玲

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

隨著我國現代農業生產集約化以及規模化的發展，畜禽養殖業水平不斷提高，但是，伴隨著經濟收入增長帶來的是畜禽糞便對環境的污染，更是我國農業可持續發展所面臨的巨大挑戰，因此，畜禽糞便無害化和資源化利用成為亟待解決的問題［1-2］。我國畜禽糞便主要的利用方式是肥料化利用，畜禽糞便主要由碳、氫、氧、氮、磷等元素構成，其化學組成主要是纖維素、半纖維素和木質素等，具有極大的增值利用空間。其中，雞糞在所有畜禽糞便中養分含量較高［3-4］。由于雞特殊的消化系統，雞攝入的飼料未經完全吸收便將約40%～70%的營養物質排出體外，新鮮雞糞通過固液分離技術使雞糞中的無機物去除，而固體部分富含大量的纖維素、半纖維素、木質素等，有研究表明雞糞中的木質素含量與秸稈中的木質素含量接近［5-7］。雞糞作為肥料施用土壤后，由于木質纖維素之間頑固的化學鍵，存在雞糞腐解速率慢、腐解不徹底等問題，這就需要尋求一種使雞糞快速腐解的方法。

近年來，亞硫酸鹽法（Sulfite pretreatment to overcome recalcitrance of lignocelluloses，SPORL法）對木質纖維素類農業廢棄物進行預處理的研究較多［8-13］，但多集中用于農業廢棄物的酶解產糖以及造紙行業［14-18］，而亞硫酸鹽對雞糞進行處理并對有機質含量影響的研究尚未見報道。亞硫酸鹽在中性條件下，可以脫去原料中木質素的α-碳原子取代基，形成正碳離子，且能與反應物中的親核試劑反應，在α-碳原子的正電中心位置通過酸催化親核加成而形成α-磺酸，從而使α-碳原子被磺化，生成木質素磺酸鹽；木質素磺酸鹽在高溫高壓的條件下被腐殖化形成木質素腐殖酸鹽，木質素腐殖酸鹽中含有木質素腐殖酸、富里酸和少量低分子量有機組分；與天然腐殖質相比，兩者雖有不同，但結構和組成較為相近，所以可將木質素腐殖酸認為是天然腐殖質的類似物［19-20］。

響應面法（Response surface methodology，RSM）是利用合理的試驗設計方法，根據多元回歸分析方法，擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程及響應面的分析來尋求最優的工藝參數［21］。前期研究結果表明，雞糞加入中性亞硫酸銨可明顯提高其固體產物的有機質含量；本研究中，催化劑選用亞硫酸銨，以雞糞固體產物的有機質含量作為評價指標，重點對亞硫酸銨用量、反應溫度、最高溫度保溫時間、液料比四個單因素條件進行試驗，確定各單因素的條件范圍，在此基礎上利用響應面法優化反應條件。本研究旨在通過SPORL法對雞糞進行預處理并提高其產物有機質含量，探尋其在土壤培肥方面的可利用性，為SPORL法預處理在畜禽糞便以及農業廢棄物肥料化生產利用中提供理論依據和數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮雞糞取自吉林省遼源市遼河源鎮養雞場，將新鮮雞糞與水按照料水比為1︰2混合后使用螺旋積壓脫水機進行脫水分離。分離后雞糞的固體部分經自然風干后用于SPORL法處理。分離后雞糞固體部分有機質含量為280.9 g kg-1、纖維素含量80.30 g kg-1、半纖維素257.1 g kg-1、木質素137.7 g kg-1。

1.2 單因素試驗

1.2.1 亞硫酸銨用量的篩選 根據SPORL法的經典工藝流程［8］以及預實驗結果，以亞硫酸銨作為催化劑，亞硫酸銨用量分別為0%、2%、5%、10%、15%、20%、25%（相對于原料干重，w/w，下同），液料比10︰1（v/w，下同），反應溫度120℃，達到設定溫度后保溫60 min；將雞糞置于高溫高壓反應釜內，加入催化劑，密閉反應釜，并開始加熱；反應結束后，待反應釜降至常溫，取出釜內原料，用200 目尼龍網袋進行過濾分離，并洗至中性，液體產物收集后置于4℃冰箱中，用于后續分析，固體產物烘干后對其有機質含量進行測定分析，每個處理3次重復。

1.2.2 反應溫度的篩選 反應最高溫度分別為120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃和180℃，亞硫酸銨用量為15%，液料比10︰1，達到設定溫度后保溫60 min，其他條件及試驗步驟同1.2.1。

1.2.3 最高溫度保溫時間的篩選 達到設定溫度后保溫時間分別為15、30、45、60、90和120 min，亞硫酸銨用量為15%，液料比10︰1，反應溫度120℃，其他條件及試驗步驟同1.2.1。

1.2.4 液料比的篩選 液料比分別為2︰1、3︰1、5︰1、10︰1、15︰1，亞硫酸銨用量為15%，反應溫度120℃，達到設定溫度后保溫時間為60 min，其他條件及試驗步驟同1.2.1。

1.3 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，借助Design-Expert軟件對響應面試驗進行設計分析及條件優化，以亞硫酸銨用量、反應溫度、最高溫度保溫時間、液料比作為4個自變量，分別記為A、B、C、D，每個因素取3個水平，設計共29個試驗點的響應面分析試驗，以雞糞固體產物有機質含量（Y）作為響應值，建立回歸方程；并與響應面模型進行擬合，按照模型預測得到的參數進行雞糞SPORL法預處理的驗證試驗，比較雞糞固體產物有機質含量的預測值與實測值，驗證模型的可靠性，以確定最后的優化結果。

1.4 分析方法與數據處理

產物的分析采用農業行業標準NY525-2012［22］中的測定方法；有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法［22］；纖維素、半纖維素、木質素含量的測定采用NREL（National renewable energy laboratory，美國國家可再生能源實驗室）法［23］。實驗數據利用Design expert 8.05b分析軟件建立多元二次回歸模型方程。

2 結 果

2.1 各因素對雞糞固體產物有機質含量的影響

亞硫酸銨用量對雞糞固體產物有機質含量影響見圖1。從圖中可以發現，亞硫酸銨用量在0%～15%時，有機質的含量隨著亞硫酸銨用量的升高而升高，亞硫酸銨用量達到15%時，有機質含量達到278.7 g kg-1；而當亞硫酸銨用量大于15%時，有機質含量呈下降趨勢且趨勢明顯；亞硫酸銨用

圖1 亞硫酸銨用量對雞糞有機質含量的影響Fig. 1 Effect of ammonium sulfite on organic matter content in chicken manure relative to dosage

最高溫度保溫時間對雞糞有機質含量的影響見圖3。最高溫度的保溫時間可以影響木質素磺酸鹽的腐殖化進程和木質素磺酸鹽的溶出程度，由圖3可知，當最高溫度保溫時間在15～45 min時，雞糞有機質含量呈上升趨勢，在保溫45 min時有機質含量達到最高值302.6 g kg-1；當保溫時間持續至60 min后雞糞有機質含量呈下降趨勢，90 min后有機質含量趨于平穩。圖3中雞糞固體產物有機質含量在較高范圍的保溫時間為30～60 min。

液料比對雞糞有機質含量的影響見圖4。由圖量對雞糞有機質含量的影響較為顯著，亞硫酸銨為反應體系提供大量的和，促進木質素的磺化和溶出，但過量的亞硫酸銨使木質素磺酸鹽的溶出率增加，所以，過高的亞硫酸銨用量不益于提高雞糞固體產物有機質含量。因此，由圖1可以確定亞硫酸銨用量最優范圍是10%～20%。

反應溫度對雞糞有機質含量的影響見圖2。反應溫度的變化使雞糞中木質素的磺化和溶出呈現明顯的階段性，并且，適宜的溫度可促進磺化后的木質素磺酸鹽的腐殖化進程。由圖2可知，溫度升高至130℃時，雞糞有機質含量達到最高值319.4 g kg-1，這可能是由于溫度低于130℃時，木質素的磺化速率高于溶出速率；當溫度高于130℃時有機質含量降低的幅度也隨之增加，當溫度高于150℃時，雞糞有機質含量變化趨于穩定且含量較低，表明溫度過高加快了反應進程，溶出速率加快，最終使得有機質含量降低。由此，在圖2中可以確定反應溫度的范圍是120℃～140℃。可知，當液料比在3︰1～10︰1之間時，雞糞固體產物有機質含量呈上升趨勢，在液料比為10︰1時有機質含量達到最高值278.7 g kg-1；當液料比升高至15:1后雞糞有機質含量降低趨勢明顯。液料比過高不利于雞糞固體產物有機質含量的增加。由圖4可以確定液料比最適范圍是5︰1～10︰1。

圖2 反應溫度對雞糞有機質含量的影響Fig. 2 Effect of reaction temperature on organic matter content in chicken manure

綜上，經過對單因素試驗結果的分析，可以確定亞硫酸銨含量在10%～20%之間、反應溫度在120℃～140℃之間、保溫時間在30 min～60 min之間、液料比在5︰1～10︰1時，雞糞固體產物有機質含量達到最高范圍。

2.2 SPORL法預處理工藝的優化

為進一步優化雞糞SPORL法預處理提高固體產物有機質含量的處理工藝，按照最佳單因素處理條件，采用響應面分析法中的Box-Behnken試驗設計原理進行響應面分析試驗，具體試驗設計和結果見表1。

通過對試驗數據的多元二次回歸擬合，可以得到亞硫酸銨用量（A，%）、反應溫度（B，℃）、最高溫度保溫時間（C，min）、液料比（D）與雞糞固體產物有機質含量（Y）的二次回歸方程，如下：

圖3 最高溫度保溫時間對雞糞有機質含量的影響Fig. 3 Effect of highest temperature holding time on organic matter content in chicken manure

方差分析可以得到，該模型的p值小于0.000 1，說明該模型和實際數值的擬合度高，模型極其顯著；失擬項（p=0.498 1）不顯著，說明該回歸方程中各因素與響應值之間擬合效果較好。根據該回歸方程系數顯著性分析得到亞硫酸銨用量、反應溫度、保溫時間、液料比的p值均小于0.05，說明四個因素對雞糞有機質含量的線性效應達到顯著水平；亞硫酸銨用量、反應溫度及液料比的p值小于0.000 1，說明這三個因素二次項效應的影響達到極顯著水平；保溫時間（p=0.62）二次項效應不顯著，而反應溫度分別與保溫時間和液料比的交互作用、亞硫酸銨用量與保溫時間的交互作用、保溫時間與液料比的交互作用影響顯著。由相應的方差分析可知，模型的決定系數R2為0.987 8，調整決定系數為0.975 6，＜0.2，說明試驗誤差較小，預測值與實測值的可信度較高，該模型可以用于對雞糞固體產物有機質含量進行分析和預測。

2.3 各因素交互作用對雞糞有機質含量的影響

響應面法的圖形是對應的因素A、B、C、D與特定的響應值Y之間構成的三維空間圖，能夠直觀地反映各因素以及各因素之間的交互效應對響應值的影響。通過對數據的擬合分析可以得到亞硫酸銨用量、反應溫度、最高溫度保溫時間、液料比對有機質含量的三維空間曲面圖，見圖5。

圖4 液料比對雞糞有機質含量的影響Fig. 4 Effects of liquid solid ratio on organic matter content in chicken manure

由圖5（a）可知，亞硫酸銨與反應溫度的響應面較為平緩且等高線呈圓形，這說明亞硫酸銨與反應溫度的交互作用不顯著。由圖5 (b)可知，當反應溫度為130℃、液料比為10︰1、亞硫酸銨用量為15%、保溫時間為45 min時，雞糞固體產物的有機質含量達到最大值322.6 g kg-1，且亞硫酸銨用量與時間的交互作用影響顯著。由圖5（c）可知，當反應溫度為130℃、保溫時間為45 min時，相對于液料比的響應曲面，亞硫酸銨用量的響應曲面較陡，等高線變化幅度較大，說明此時亞硫酸銨用量對有機質含量的影響較液料比更為顯著，且兩者的交互作用影響不顯著。圖5（d）中，當亞硫酸銨用量為15%、液料比為10︰1時，隨著保溫時間的增加，雞糞固體產物有機質含量呈下降趨勢，而反應溫度在120℃～130℃區間內，有機質含量呈上升趨勢，當反應溫度高于130℃后，有機質呈下降趨勢，且反應溫度與保溫時間的交互作用影響較為顯著。在圖5（e）和圖5（f）中，反應溫度與液料比、保溫時間與液料比的交互作用影響極顯著。圖5（e）中當亞硫酸銨用量為15%、保溫時間為45 min、反應溫度為130℃、液料比為10︰1時，有機質含量達到最大值為322.6 g kg-1，保溫時間變化方向的等高線密度大于反應溫度的變化方向，說明保溫時間較溫度對有機質含量的影響更為顯著，這與方差分析的結果一致。圖5（f）中，保溫時間與液料比變化方向的三維曲面變化幅度均較大，這說明保溫時間與液料比對雞糞固體產物有機質含量影響顯著，當亞硫酸銨用量為15%、反應溫度為130℃、保溫時間為30 min、液料比為5︰1時，有機質含量為347.7 g kg-1，達到最高值。圖5中各三維曲線圖均有一個頂點，即為有機質含量的最大值，由此可以在本次試驗設計的響應曲面中找到最優條件。

表1 響應面試驗設計和結果Table 1 Results of response surface experiments

3 討 論

3.1 最優條件的預測及模型驗證

通過響應面及回歸模型的分析結果，在試驗因素的水平范圍之內，可以確定最優試驗條件：亞硫酸銨用量13.38%、反應溫度126.8℃、保溫時間30 min、液料比為5︰1，在此條件下雞糞固體產物有機質含量的預測值達到359.1 g kg-1。考慮試驗的實際條件以及操作的可行性，將優化條件進行改進，結果如下：亞硫酸銨用量取13.4%、反應溫度為127℃、保溫時間為30 min、液料比為5︰1，并進行3組平行驗證試驗，驗證試驗結果為雞糞固體產物有機質含量365.8 g kg-1，與預測值的偏差為6.7 g kg-1，實測值與預測值接近，說明該回歸方程對雞糞固體產物有機質含量的分析預測可靠準確。此外，預處理后雞糞固體產物中纖維素、半纖維素和木質素的含量分別為66.03 g kg-1、107.2 g kg-1、27.30 g kg-1，與未經過預處理的雞糞相比，纖維素、半纖維素與木質素含量均降低，說明在SPORL法預處理過程中，半纖維素水解溶出，導致半纖維素含量降低；木質素含量的降低是由于雞糞固體產物中的木質素與亞硫酸銨發生磺化反應，生成木質素磺酸鹽，木質素磺酸鹽在高溫高壓環境中并于達到最高溫度時持續一定的時間，逐漸被腐殖化形成天然腐殖質的類似物，而未被腐殖化的木質素磺酸鹽有一定的親水性，從而導致木質素含量變化。

3.2 SPORL法各因素影響雞糞有機質含量的機理

由于雞糞的特殊形態，新鮮雞糞經固液分離后，可以去除雞糞中的砂粒等無機物；由于其固體部分富含木質纖維素等［23］，將其自然風干后，以亞硫酸銨為催化劑在高溫高壓反應釜內對雞糞進行處理，生成木質素腐殖酸鹽，可以提高雞糞固體產物有機質含量，從而提高雞糞增值化利用價值。在SPORL法預處理中起主導作用的活性基團是親核性SO32-和HSO3-，他們可使原料中木質素的α-醚鍵斷裂，在斷裂過程中產生的親電碳正離子成為親核基團攻擊的對象，隨后形成木質素磺酸鹽；同時，在高溫高壓條件下，能夠進行木質素磺酸鹽向腐殖質轉化的過程，轉化的結果即為木質素腐殖酸鹽，相關研究表明，隨著木質素腐殖酸鹽熟化程度的提高，其越有可能成為土壤腐殖酸［24-27］。

多數學者認為，SPORL法預處理過程中木質素的磺化和溶出具有階段性，預處理溫度的變化使其階段性表現明顯，主要分為以下兩個階段：（1）當溫度逐漸上升至130℃時，雞糞固體產物的有機質含量呈上升趨勢，這可能是由于木質素的磺化反應迅速進行，此時的磺化速率高于溶出速率；另一方面可能是由于反應體系中有關離子（磺化劑和鹽基）的大量浸透，逐步形成固態木質素磺酸鹽，使有機質含量升高。（2）溫度繼續升高至150℃時，有機質含量降低，當高于150℃時，雞糞有機質含量變化趨于穩定且含量較低，這可能是由于磺化反應繼續進行，木質素磺酸鹽的親水性增強，加快木質素的溶出速率并高于磺化速率，驗證試驗中木質素含量的降低也間接說明了此觀點。此外，過高的預處理溫度可能會伴隨著衍生物的生成，而在達到適宜溫度并持續一定時間的同時，可以促進木質素磺酸鹽的腐殖化進程，所以，適當的反應溫度有助于提高雞糞固體產物有機質含量。亞硫酸銨用量的增加使反應體系中親核試劑SO32-和HSO3-濃度增大，促進木質素磺化反應的進行，從而增加固體產物中有機質含量；過高的亞硫酸銨用量可以增大木質素磺酸鹽的溶出效率，使固體產物有機質含量降低。而最高溫度保溫時間過長、過低的液料比使木質素磺酸鹽的溶出程度增大，影響木質素磺酸鹽的腐殖化程度，同時也會使能耗增多、增加成本，造成資源浪費。值得注意的是，在發生磺化反應的同時也會發生縮合反應，磺化和縮合反應均發生在同一結構單元的α-碳原子上，因此，產生縮合反應的同時不能繼續發生磺化反應，所以在預處理過程中嚴格控制反應條件，有利于磺化反應的進行，并減少縮合反應的發生［27-29］，反應條件的篩選與優化對于整個預處理過程以及提高產物的有機質含量有著至關重要的作用。本研究下一步應對SPORL法預處理后雞糞固體產物的組成和結構做深入分析，進而明確闡述SPORL法對雞糞預處理的機理，并將雞糞固體產物施用于土壤，探尋其對土壤肥力的影響。

4 結 論

亞硫酸銨處理雞糞后的固體產物有機質含量較高。基于單因素試驗結果，通過響應面法對試驗進行設計，利用Design-Expert軟件對多元回歸方程進行擬合方差分析，結果表明回歸模型顯著，擬合效果較好，回歸方程可以準確有效地預測SPORL法預處理雞糞固體產物有機質含量，并在各因素范圍內找到最優條件。其最佳條件為亞硫酸銨用量取13.4%、反應溫度為127℃、最高溫度保溫時間為30 min、液料比為5︰1，其有機質含量的預測值是359.1 g kg-1；驗證試驗結果為365.8 g kg-1，實測值與預測值接近。SPORL法對雞糞預處理的機理需進一步驗證。