溫和濕熱條件下堿預處理對玉米秸稈厭氧發酵的影響

王禹霄飛 孫云博 曲威

摘要： 為了考察溫和濕熱條件下堿預處理對玉米秸稈的理化特性和厭氧發酵產甲烷的影響，以干黃玉米秸稈為原料，利用不同堿預處理劑，80 ℃條件下處理24 h，通過分析玉米秸稈處理前后理化特性以及厭氧發酵產氣特性和發酵出料理化性質，比較4種堿預處理劑的處理效果。結果表明，溫和濕熱條件下用堿預處理的玉米秸稈的木質素、纖維素和半纖維素含量均顯著降低，浸提液pH值略有下降，而化學需氧量（COD）和總脂肪酸（TVFA）含量明顯提高，單位總固體（TS）產氣量和甲烷含量有所提高，且出料中有機物和固體物含量明顯下降。溫和濕熱條件下，6% KOH溶液對木質纖維素的溶解效果最好，木質素含量下降67.04%，半纖維素含量下降76.86%;4%氨水溶液發酵產氣效果最好，單位TS產氣量可達到125.25 mL/g。

關鍵詞： 溫和濕熱;堿;秸稈;厭氧發酵;預處理

中圖分類號：S188+.4? ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）05-0236-07

我國是人口大國，對能源的需求量十分巨大，隨著化石能源的日益枯竭，研究人員正積極探索新的能源來補充傳統能源。沼氣是有機物經厭氧微生物作用產生的可燃性氣體，沼氣的抗爆性能好，燃燒熱值較高，因此可以作為動力燃料使用[1]。同時我國也是農業大國，因此充足的秸稈資源為厭氧發酵產沼氣提供了充足的原料。2000—2009年，我國農村用戶沼氣池從848萬戶發展到3 507萬戶，年均增長率高達 17.1%，沼氣占農村生活能源的比例由2000年的0.4%上升到2009年的1.9%[2]，可見我國的沼氣發展潛力巨大，前景廣闊。

農作物秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，這3種成分均可作為工業聚合物的新型原料，取代石化資源，制造綠色產品[3]。直接將秸稈用于沼氣發酵存在處理程度低、發酵速度慢等弊端。Mata-Alvarez等研究發現，秸稈厭氧發酵中的限速步驟是其水解過程，只有提高水解速度才能提高沼氣厭氧發酵的效率[4]。木質素是限制秸稈水解速率的最主要因素，去除木質素成分可顯著促進生物質轉化為燃料或高附加值化學品[5]。現在常用的處理方法有化學處理法、物理處理法和生物處理法[6]。黎雪等采用有機溶劑預處理麥稈時發現，5%丙酮處理秸稈后產氣量增加了81%，5%甲醇處理后甲烷含量達到68%[7];閏志英等采用復合菌劑預處理秸稈時，發現秸稈中的總有機碳（TOC）降解率和纖維素降解率分別提高了136.32%、47.68%，產氣量提高了 29.54%[8];裴培等在中溫條件下經物理預處理后發現香蕉秸稈的日產氣量和產氣總量均有提高[9];Pellera等采用不同的化學物質處理秸稈，發現檸檬酸（H3Cit）、過氧化氫（H2O2）和乙醇（EtOH）對木質纖維素等物質的處理效果較好，且化學預處理效果更好[10];Sewsynker-Sukai等使用堿和金屬鹽對玉米穗軸進行預處理，發現14.02% Na3PO4·12H2O、3.65% ZnCl2和5%固液比處理可以去除63.61%的木質素[11]。此外，覃錦程等在使用離子液體預處理水稻秸稈時結合瞬間彈射蒸汽爆破（ICSE），發現ICSE的使用提升了離子液體的預處理效果，酶解糖收率比單純使用離子液體升高了14.83%（[Emim]Ac）、13.14%（[Emim]Cl）[12];王洋等采用超聲波輔助溫和堿/氧化法對小麥秸稈進行預處理，發現在NaOH濃度54%、超聲功率 1 160 W、超聲時間50 min、初始水浴溫度78.94 ℃條件下，秸稈中木質素相對含量下降了54.16%[13]。但是上述方法普遍存在成本高、去除慢、設備要求高等諸多問題。可見，找到一種便捷高效的秸稈預處理方法用于厭氧發酵，將大大提高秸稈等農業廢棄物的處理和利用效率。

堿處理是一種成熟且便捷的處理方法，但是與其他溶劑類的處理相似，堿處理同樣存在物料顆粒的阻礙問題。大粒徑的物料內部擁有較大的空間位阻，阻礙液體與物料的有效接觸[12]。單純使用堿溶液處理大粒度的物料，組分分離的效果并不好。一般而言，處理環境越嚴苛，去除木質纖維素等大粒徑物質的效果越好、速度越快，對有效發酵物料的空間位阻更小，相應消耗的能源更多，設備和技術的要求也更高。此外，熱處理和水泡處理也是一種簡單實用的處理方法。杜靜等研究發現，溫和濕熱環境可以顯著提高去除木質素的程度，同時消耗的能源較少，要求的技術條件也相對簡單[13]。所謂溫和濕熱預處理，是與常規濕熱預處理條件相對應的，即預處理溫度低于常規濕熱處理，一般溫度小于150 ℃，并且在常壓條件下進行。本研究擬采用溫和濕熱條件配合堿性處理劑對秸稈進行預處理，提高秸稈厭氧發酵產甲烷效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈取自中國農業大學煙臺研究院試驗基地（121.5°E、37.4°N），秸稈在地里自然風干，整體呈暗黃色。用剪刀將玉米秸稈連同葉子剪成小段并放入粉碎機中，將玉米秸稈打碎成3～5 mm的顆粒，裝于透明密封袋中保存待用。厭氧發酵接種物為筆者所在實驗室正常運轉的沼氣發酵罐新鮮出料。試驗材料理化性質見表1。

1.2 溫和濕熱堿預處理

試驗采用4種堿，分別為NaOH、KOH、Ca（OH）2 和氨水，每種堿均采用2%、4%、6% 3個濃度梯度。將干黃玉米秸稈粉末與堿性物質相混合裝于三角瓶中，加入蒸餾水并攪拌均勻，使整體的含水量維持在90%。所有處理均設3個重復，將所有處理組置于80 ℃水浴鍋內24 h，隨后測定其木質素、纖維素、半纖維素含量。再取少量糊狀浸泡液用蒸餾水稀釋至10倍，200 r/min振蕩30 min，定性濾紙過濾，測定化學需氧量（COD）和總脂肪酸（TVFA）含量。

1.3 厭氧發酵試驗

采用預處理后的玉米秸稈為發酵底物，用稀鹽酸將發酵底物的pH值調節至7，取干物質質量為16 g玉米秸稈放于500 mL發酵瓶中，加入200 mL新鮮沼液，最后加入蒸餾水使整個發酵體積達到400 mL（TS=4%）。產氣儲存于集氣袋中，每天用刻度注射器計量其產氣總量，每間隔一定時間測定其甲烷含量。整個發酵時間持續14 d，最后比較每個發酵瓶中秸稈的TS產氣總量、產氣速率和產甲烷濃度，厭氧發酵結束后測定出料中COD值、TVFA含量及TS值。

1.4 測試指標

TS值是在110 ℃條件下烘至恒質量，采用差重法測定;pH值采用酸度計測定;纖維素和木質素含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定，半纖維素含量采用銅碘法測定;總C含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定;總N含量采用凱氏定氮法測定;甲烷產生量用集氣袋收集，并用刻度注射器測量，之后再儲存于集氣袋內;甲烷濃度采用氣體成分分析儀進行測定;COD值參照GB 11914—1989《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》進行測定[14];TVFA含量參照Q/YZJ10-03-02—2000《揮發酸VFA測定》進行測定。

2 結果與分析

2.1 溫和濕熱條件下堿性物質處理對玉米秸稈理化特性的影響

2.1.1 濕和熱堿處理后秸稈理化成分分析

如表2所示，各處理組的木質素含量、半纖維素含量、纖維素含量和木質纖維質總量均有不同程度下降，且均與對照組差異極顯著（P<0.01）。其中2% NaOH、6% KOH、6% Ca（OH）2以及6%氨水溶液在各處理組中對木質纖維質的溶解效果較好，2% KOH、較低濃度的氨水和Ca（OH）2溶液以及高濃度的NaOH溶液對木質纖維質的溶解效果稍差，表明溫和濕熱條件下堿溶液濃度對溶解木質纖維質的影響很大，且濃度與堿種類之間存在某種相互作用關系。

溫和濕熱條件下，各種堿溶液在不同濃度下對木質素的去除均存在極顯著差異（P<0.01），表明木質素的去除受濃度因素影響較大。2%與6% NaOH溶液、2%與4% KOH溶液、4%與6%氨水以及各濃度組的 Ca（OH）2 溶液之間對半纖維素的去除沒有顯著差異，說明堿溶液的濃度因素對半纖維素去除作用的影響不如木質素明顯，且與堿種類有較大關系。其中，NaOH溶液的濃度因素與半纖維素去除作用沒有明顯相關性，低濃度水平下的KOH溶液、高濃度水平下的氨水和2%～6%濃度水平下的 Ca（OH）2 溶液的濃度因素對半纖維素的去除沒有明顯影響。此外，4%與6% NaOH溶液之間、4%與6% KOH溶液之間以及4%與6%氨水之間對于纖維素的去除均沒有顯著差異，而各濃度組的 Ca（OH）2 溶液對于纖維素的去除存在極顯著差異（P<0.01）。說明溫和濕熱條件下，高濃度水平下NaOH溶液、KOH溶液和氨水濃度因素對纖維素的去除沒有顯著影響，而在2%～6%濃度水平下的 Ca（OH）2 溶液濃度因素對半纖維素的去除有極大影響。

所有處理組中，6% KOH溶液去木質素效果最好，木質素含量下降67.04%，而且該處理組的半纖維素含量下降 76.86%，在各處理組中也最高。2% NaOH溶液去纖維素作用最顯著，纖維素含量下降52.05%。此外，2%～6%氨水對木質素的去除作用也比較明顯，但對半纖維素的溶解效果一般。

以上研究結果表明，溫和濕熱條件下用堿性物質處理玉米秸稈，對其木質纖維素結構有破壞作用，對木質素和半纖維素的溶出作用十分顯著，有利于微生物對生物質的進一步水解和發酵。并且濃度對于溫和濕熱條件下堿溶液對木質纖維質的溶出作用有一定影響，且其影響根據堿溶液和木質纖維質種類的差異而略有不同。

2.1.2 濕和熱堿處理后浸提液成分分析

如表3所示，經過濕和熱堿處理后，所有玉米秸稈浸提液的COD值和TVFA含量與對照組均有極顯著差異（P<0.01），說明各種有機物在經過預處理后大量溶出，增加了發酵沼液中可溶性有機物料含量，進而提高發酵速度和物料轉化效率。

所有處理組中，6% KOH溶液和6%氨水處理的秸稈浸提液有較大的COD值和TVFA含量，COD值分別提高199.65%、97.02%，TVFA含量分別提高 268.98%、235.19%，說明高濃度的堿溶液對秸稈中難溶性物料有更好的破壞和溶解作用。此外，2% NaOH溶液對有機物料的溶解作用也較好，COD值和TVFA含量分別提高177.03%、209.93%。值得注意的是，高濃度的NaOH溶液反而表現出較差的溶解作用，說明高濃度的Na+抑制了木質纖維質等物質的溶解。

2.2 濕熱堿預處理對玉米秸稈厭氧的影響速率的影響

從圖1可以看出，所有試驗組產氣曲線均符合產氣過程中的“三段”產氣模式，先出現一個較大的產氣峰值，這是由于產酸階段好養細菌分解有機酸產生H2和大量CO2;隨后產氣量回落，這可能是由于有機酸被逐漸分解，產氣逐漸下降;之后，產氣量又逐漸上升，這符合厭氧細菌繁殖規律，厭氧細菌分解秸稈中的有機物產生沼氣;最后隨著菌群繁殖過多，發酵料液中有機質減少，菌群產氣出現抑制，產氣量逐漸減少。

使用NaOH預處理時，2%與6% NaOH預處理組產氣啟動快、峰值大，產氣的時間也較短，而4% NaOH預處理的產氣速率與對照組差異不大。使用KOH預處理時，各濃度組產氣速率均高于對照組，其產氣峰值和產氣速率均在2%～6%范圍內隨濃度的增加而升高，而其產氣峰值的出現時間則隨著濃度升高而提前，這可能與木質素和半纖維素隨濃度的提升而被溶液溶解有關。使用Ca（OH）2預處理時，各濃度處理的產氣峰值和產氣速率均高于對照組，且隨濃度升高而升高，這一趨勢與木質素和半纖維素的減少相吻合，說明木質素與半纖維素含量與厭氧發酵的產氣量可能有較大的相關性。使用氨水預處理時，各濃度的產氣峰值和產氣速率均高于對照組，除了氨水對木質素和半纖維素的溶解作用，還與其溶液中C/N比降低有關。C/N比太高發酵初期會出現酸化現象，以C/N比25 ∶1的產氣效果最好[14]。但各濃度之間的產氣峰值和產氣速率并沒有很大差異，這可能與氨水的弱堿性有關，到達一定濃度后氨水堿性不再增加，對有機物料的溶出效率降低，且C/N比降低到一定程度后還可能會增加C元素的消耗，減少產氣量。

2.2.2 濕熱堿預處理對玉米秸稈厭氧發酵單位TS產量的影響

經過溫和濕熱堿處理的秸稈在厭氧發酵中均得到了更大的TS產氣率（圖2），說明溫和濕熱堿處理對秸稈與發酵物料中有效物質的接觸有促進作用。

2%～6%氨水預處理的玉米秸稈均表現出較好的單位TS產氣率，4%濃度氨水處理后的玉米秸桿單位TS產氣率最大，達到125.25 mL/g，這是由于氨水對木質素和半纖維素的溶出作用較好，木質素與半纖維素被轉化為底物，增加了發酵接觸面積和可發酵物的總量。此外，氨水能夠降低物料的C/N比，進而促進微生物生長，提高有機物料的利用率。

高濃度（4%和6%）的NaOH溶液對秸稈的TS產氣率增進作用較小，這可能是因為Na+對微生物生長存在抑制作用，導致厭氧發酵效果下降。

Ca（OH）2在各濃度組的處理增產作用都相對較小，這可能與Ca2+對微生物生長的抑制作用有關。華玉濤等通過研究Ca2+對熱帶假絲酵母 CT1-12 細胞生長的影響發現，Ca2+濃度過高（高于0.1 mol/L）會對微生物細胞生長起抑制作用[15]。

KOH處理組的TS產氣率較高，且隨著濃度增大而增大，在6%濃度時可達到112.56 mL/g的產氣量。一方面是因為KOH對木質纖維素等物質的溶解性較好，可溶物料占比增大;另一方面可能與K+對微生物細胞活性的促進作用有關。

2.2.3 濕和熱堿預處理對玉米秸稈厭氧發酵產沼氣中甲烷含量的影響

由圖3可知，各組的甲烷含量變化趨勢相同，發酵開始時甲烷濃度較高，隨后立即下降到最低值，此時時間點基本與第1個產氣高峰相吻合，這是由于有氧發酵產生的CO2和H2較多，同時好氧菌群與產甲烷的厭氧菌群爭奪發酵底物和發酵空間，使得CH4濃度被動下降。隨著發酵時間的推移，沼氣中甲烷濃度又逐漸升高，并達到最大值，此時時間點與第2個產氣高峰的時間點基本吻合，此時厭氧發酵的產甲烷速率達到整個發酵過程的最大值，產氣高峰過后濃度又稍有下降，這是因為發酵底物減少，厭氧菌群的生長消耗了大量的有機物，厭氧發酵產甲烷反應受到抑制。

經溫和濕熱堿處理，所有處理組的甲烷平均含量均有較大提高，甲烷含量的峰值均達到50%以上，而對照組的甲烷含量峰值只有46.6%。氨水處理組的產甲烷濃度峰值最高，均達到60%以上，2%和4%氨水預處理秸稈產氣峰值達到64%左右，與氨水降低C/N比有關。此外KOH處理組的甲烷濃度也相對較高，峰值濃度也在60%以上。發酵4 d前后的產氣濃度下降較大，部分處理組甚至低于對照組，這與好氧菌產生大量的CO2和H2有關。

2.2.4 濕和熱堿預處理對玉米厭氧發酵后沼渣沼液理化性質的影響

經過溫和濕熱堿處理后，沼渣干基失質量率提高明顯，結果見圖4。氨水處理后沼渣的干基失質量率在各濃度均最大，4%氨水處理組發酵沼液的干基失質量率由8.63%提高至 17.29%，提升率達到100%以上。在該條件處理下，沼液中的固體含量最少，厭氧發酵對物質利用最充分。NaOH各處理組的干基失質量率隨濃度升高而降低，這與單位TS產氣量的變化相一致。

玉米秸稈發酵后沼液的pH值均呈堿性，且溫和濕熱堿處理后發酵沼液的pH值明顯提高，對照組pH值最低，為7.94;6% Ca（OH）2溶液處理后發酵最終的沼液pH值達到8.71，這與厭氧發酵結束后沼液中剩余的揮發性脂肪酸以及其他酸性物質較少有關。

COD值和TVFA含量變化基本保持一致，經過預處理后的發酵沼液中COD值和TVFA含量均分別明顯低于對照組的7 985、158.45 mg/L。氨水處理的效果較好，在4%氨水處理后，其最終的沼液COD值達到各組最低，為3 320 mg/L; 6%氨水處理后， 其最終沼液TVFA含量達到各組最低，為63.25 mg/L。

3 討論與結論

木質纖維素中的纖維素結晶度、可達表面積、纖維素聚合度、木質素和半纖維素的存在以及半纖維素乙酰化程度是對生物降解能力有影響的幾個指標[16]。單一的預處理方法不能達到有效的預處理效果。所以在本研究中采用2種方法相結合，堿溶液對于增加表面積、木質素的溶解和改變木質素的結構有比較顯著的作用。而濕熱條件除了對增加表面積有顯著作用外，還能夠顯著增加半纖維素的溶解[17]。研究結果表明，溫和濕熱條件配合堿溶液進行預處理對木質素和半纖維素的降解均起到了很好的促進作用，而且大大加快了厭氧發酵速度和發酵效率。

從秸稈浸提液中COD值、TVFA含量和pH值的變化可以看出，木質纖維素降解效果明顯的處理組其浸提液COD值與TVFA含量較高，說明經過溫和濕熱堿處理后，木質纖維素轉化為可溶性的有機物，這一規律符合復雜有機物首先被降解為溶解態有機物，進一步降解為TVFA[18]。此外，COD值和TVFA含量較高的處理組，pH值較低，說明在木質纖維質溶解過程中，大量的酸性物質溶出。

結合發酵指標，木質纖維質溶解較好的處理組，單位TS產氣較高，產氣啟動速度較快，這是由于可溶性有機物的溶解增加了易發酵物質的總量且增加了發酵菌與可發酵物質的接觸面積，從而增大了產氣速率。不同預處理組的產氣峰值并沒有太大差異，是受其發酵體積和可發酵物質溶解度的影響，限制了整個發酵的最大產氣速率，而對照組因為溶出的物質較少且菌群生長較慢而未達到飽和點，故而產氣峰值速率較小。經過溫和濕熱堿溶液聯合預處理的秸稈產甲烷濃度較高，是因為其中的有機酸含量多，產甲烷菌群占優勢從而有利于甲烷含量的增加。

比較沼液中COD值和TVFA含量可以看出，發酵較充分的處理組發酵出料中的COD值和TVFA含量較低，干基失質量率較高。夏禹周等用秸稈失質量率來比較復合菌劑的降解能力，這也符合菌類降解的規律[19]。所以，在溫和濕熱條件下堿性溶液對木質纖維質的溶解是否徹底將直接影響后續發酵的指標和最終沼液中有機物的濃度，選擇一個合適的預處理方法不僅能夠加快發酵速率和秸稈中有機物的利用效率，也對發酵沼液的后續處理有較大的影響。總體來講，在堿處理的基礎上增加溫和濕熱的環境條件將有效提高處理效率和降低處理時間，大大增加處理后秸稈的利用效率，降低后續處理成本。本研究主要結論如下：（1）溫和濕熱條件下使用堿溶液顯著提高了玉米秸稈中木質纖維質的溶解，增加了浸提液中COD值和TVFA的含量，為微生物的厭氧發酵減少了阻礙并提供了充足的底物。（2）在2%～6%的濃度范圍內，所有4種堿溶液的濃度因素對木質素的溶解作用影響都很大，而對纖維素和半纖維素的影響則因堿的種類和濃度范圍而有所區別。（3）木質纖維質溶解較好的處理組，發酵產氣總量較高，啟動速度較快，發酵后的沼液中有機質和固體含量也較少，但各處理組之間產氣峰值和甲烷濃度沒有較大差異。（4）溫和濕熱條件下，6% KOH溶液對木質纖維質的溶解效果最好，木質素含量下降67.04%，半纖維素含量下降76.86%。（5）溫和濕熱堿處理后，4%的氨水溶液發酵效果都較好，單位TS產氣量最高，達到 125.25 mL/g，且該處理組發酵后剩余沼液中的有機物含量也較少。

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收 稿日期：2019-05-26

基金項目：山東省煙臺市科技發展計劃（編號：2017ZH097）;中國農業大學煙臺研究院校內科研基金（編號：YT201702）。

作者簡介：王禹霄飛（1998—），男，山東濟寧人，主要從事農業廢棄物資源化利用研究。E-mail：15963750127@163.com。

通信作者：曲 威，博士，助理研究員，主要從事生物質能源研究。E-mail：quwei0506@163.com。