KOH/NH3·H2O 復合預處理秸稈過程中化學組分及木質纖維素形態結構的變化

羅 娟， 李南錕， 袁海榮， 左曉宇， 劉研萍， 鄒德勛， 李秀金

（1.北京化工大學 北京高校環境污染控制與資源化工程研究中心， 北京 100029； 2.生態環境部環境工程評估中心， 北京 100012）

0 前言

我國是農業大國， 秸稈資源豐富，2018 年秸稈總產量約為8.04 億t[1]。利用厭氧消化技術將秸稈轉化為清潔能源——沼氣，是利用農業廢棄物生產可再生能源的有效途徑。 然而，秸稈自身復雜的木質纖維素結構阻礙了厭氧微生物對秸稈的分解利用，導致厭氧消化效率低而限制了秸稈在沼氣生產中的大規模應用。

在厭氧消化前對秸稈進行預處理是提高其厭氧消化產氣性能和產氣率的有效方法[2]。 氨預處理可以增加厭氧消化體系中所需要的氮源，提高厭氧消化能力。 孟穎發現氨預處理可以提高秸稈的氮含量，降低秸稈中纖維素、半纖維素含量[3]。 Yuan 采用4%氨水對麥秸進行預處理，單位VS 產氣量達到427.1 mL/g ， 比未處理提高了26.7%[4]。 Jaffar 用6%KOH 預處理麥秸，累積甲烷產量提高41%，同時也增加了沼渣沼液中的鉀含量而提高其肥效[5]。 本文提出了KOH/NH3·H2O 復合預處理的新方法， 并對預處理條件進行了優化[6]。 KOH/NH3·H2O 復合預處理不僅能為厭氧消化體系提供氮源，還能增加厭氧消化沼渣、沼液的鉀含量，使其成為具有利用價值的鉀肥。

前期研究發現，KOH/NH3·H2O 復合預處理可使稻草的厭氧消化產甲烷量比未處理工藝提高40%以上， 比等劑量的單試劑KOH，NH3·H2O 預處理提高16%以上[6]。 但是，該方法的原理一直尚不清晰，國內外也都未見相關報道。本文對預處理過程中化學組分的變化進行了分析； 利用傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、X-射線衍射（XRD）等測試技術，研究KOH/NH3·H2O 復合預處理過程中，稻草木質纖維素形態結構的變化； 為進一步了解KOH/NH3·H2O 復合預處理對提高厭氧產氣量的內在原因，以期為進一步的研究奠定基礎。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 原料

將自然風干的稻草用粉碎機粉碎， 過20 目篩，常溫密封保存。

預處理所用試劑為NH3·H2O （質量分數為25%）、KOH，均為分析純。

稻草的理化性質如表1 所示。 表1 中，總固體TS 量、揮發性固體VS 量以濕重計算；纖維素、半纖維素和木質素以干重計算。

表1 稻草的基本性質Table 1 Basic properties of rice straw %

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理

前期實驗中發現， 經1%KOH+1%NH3·H2O，6 倍水，30 ℃預處理2 d 后的稻草，厭氧消化產氣量高于2%KOH，2%NH3·H2O 單試劑預處理。 因此，本實驗中KOH/NH3·H2O 復合預處理的KOH，NH3·H2O 添加量均為稻草干重的1%，并以相對于稻草干重2%的KOH，相對于稻草干重2%的NH3·H2O 預處理的稻草作為對照。按照表2 配制各實驗組的預處理溶液，每組稻草添加量為30 g TS，混和均勻后分別裝入密封袋中置于30 ℃恒溫培養箱中， 放置6，12，18，24，36，48 h。將不同預處理試劑、不同預處理時間的稻草混合均勻后取出一部分，測定其TS，VS 和灰分；其余部分先測定pH，后將其固液分離。液體部分用于VFAs、還原糖、可溶性化學耗氧量（SCOD）的測定；固體部分放入烘箱后烘至恒重，測定其纖維素、半纖維素和木質素含量。

表2 不同預處理溶液的配制Table 2 Preparation of different pretreatment solutions

1.2.2 分析方法

稻草預處理前后的TS，VS 含量采用重量法測定[7]。 pH 采用pH 計測定；還原糖采用DNS 法測定[8]；SCOD 采用重鉻酸鉀法（GB11914-89）測定；纖維素、半纖維素、木質素采用Van Soest 法測定[9]。

預處理前后稻草的表面形態結構采用Hitachi S-4700 型號電鏡掃描儀在樣品鍍金后進行結構觀察。 稻草的官能團變化用傅里葉紅外光譜儀分析。 利用X-射線衍射儀從0～90 °對樣品進行掃描分析。 采用式（1）對纖維素結晶度進行計算[10]：

式中：I002為002 面衍射強度；I18.0°為衍射角2θ=18.0°的衍射強度。

2 結果與討論

2.1 預處理過程中pH 的變化

隨著預處理反應的進行，pH 不斷降低。 預處理液的pH 間接反映了堿預處理劑的消耗情況和預處理系統狀態[11]。 圖1 所示為預處理過程中pH隨時間的變化情況。 由圖1 可知，1K+1N，2K，2N預處理的初始pH 分別為9.98，10.24，9.99； 隨著時間的延長，3 種預處理方式的pH 變化都呈現降低的趨勢， 但是降低的速率不同。 2K 預處理pH在6～12 h 下降最快，從8.84 降至5.7，之后下降得比較平緩，48 h 后pH 下降至4.34。1K+1N 預處理在18-24 h 時顯著下降，從8.9 降至5.57，之后平穩下降，48 h 后pH 為4.66。2N 預處理的pH 顯著下降時間發生在30～36 h，但下降幅度小于1K+1N 和2K 預處理，48 h 后pH 仍為6.19。這是因為KOH 的堿性比NH3·H2O 強， 能更加快速地與底物作用生成小分子酸，導致pH 更加快速下降。

圖1 不同預處理液中pH 的變化Fig.1 Changes of pH in hydrolysates with different pretreatments

2.2 預處理過程中主要化學組分的變化

2.2.1 還原糖

在秸稈預處理過程中， 木質纖維素的降解可以產生還原糖， 部分木質纖維素也可被分解形成VFAs、可溶性氮磷物質、可溶性碳和還原性糖等可溶性物質[12]。 3 種預處理的還原糖濃度隨時間變化如圖2 所示。 由圖2 可見，2K 預處理還原糖含量在6 h 時最先達到峰值5 803 mg/L，然后快速下降；1K+1N 預處理的還原糖含量在18 h 時達到最高值4 931 mg/L， 隨后快速下降；2N 預處理還原糖含量在30 h 時最高，為4 786 mg/L；3 種預處理的還原糖變化趨勢一致，均是先增加后降低。這是由于糖類物質逐漸向酸轉換， 轉換過程體現在pH 值的變化上。 從圖1 和圖2 可以看出，還原糖達到最大峰值后快速下降的過程， 對應pH 值下降幅度最大的時間， 這說明預處理過程中還原糖含量的變化同樣與預處理試劑有關。

圖2 不同預處理液中還原糖濃度的變化Fig.2 Changes of reducing sugar concentration in hydrolysate with different pretreatments

2.2.2 VFAs

根據厭氧消化的三階段理論， 在預水解過程中，秸稈的木質纖維素被一定程度地水解，必然伴隨著小分子酸以及乙醇 （VFAs） 的產生和溶出。VFAs 也是產甲烷菌所能直接利用的重要底物，在預水解過程中產生VFAs 有助于提高后續厭氧消化效率。 各實驗組在預水解過程中產生VFAs 的情況如圖3 所示。在預水解初期，稻草中易降解的組分（半纖維素、非結晶區的纖維素等）首先被水解，使VFAs 的溶出量快速增加，在6 h 時均超過1 500 mg/L；隨后，均呈現隨時間延長而增長的趨勢，但3 種預處理快速累積的時間段各不同。1K+1N 預處理的VFAs 快速累積時間在第18～24 h，2K 預處理在第6～12 h，2N 預處理在第30～36 h?？俈FAs 快速累積的時間與pH 值大幅度下降時間相對應。第48 h 后，1K+1N 預處理、2K 預處理、2N 預處理的總VFAs 濃度分別為3 463 ，2 847，3 388 mg/L。

圖3 不同預處理水解液中VFAs 的變化Fig.3 Changes of VFAs in hydrolysate with different pretreatments

2.2.3 SCOD

圖4 所示為SCOD 濃度在預處理過程中的變化。 從圖4 可以看出，3 組預處理的SCOD 濃度都隨預處理時間而增大。 預處理48 h 后，1K+1N 預處理SCOD 濃度最高，為16 340 mg/L；其次是2N 預處理為15 718 mg/L；2K 預處理最低為13 756 mg/L。SCOD 值越高， 表示適合產甲烷菌利用的可揮發性或可消耗的物質越多[13]。

圖4 不同預處理水解液中SCOD 的變化Fig.4 Changes of SCOD in hydrolysate with different pretreatments

2.3 預處理前后稻草形態結構的變化

2.3.1 預處理前后稻草微觀結構的變化

為了更好地觀察稻草的微觀結構變化，用掃描電鏡（SEM）對未預處理以及3 種不同預處理方式預水解48 h 后的稻草進行了掃描（圖5）。 從圖5（a）可以看出，未預處理的稻草纖維結構完整且緊密，排列有序，表明光滑，無明顯的破壞。 這些纖維層阻礙了后續厭氧消化系統內微生物對稻草的利用，使其厭氧消化反應速率慢，產氣率低。 從圖5（b），（c），（d）可見，經過預水解后的稻草，結構發生很明顯的變化，表面破碎且疏松粗糙，1K+1N 預處理的破壞程度最明顯。這是由于在堿以及氨水的氨化作用下，纖維素、半纖維素和木質素之間的連接鍵遭到破壞，使得稻草表皮細胞的孔隙率及比表面積顯著增大，進而增強厭氧菌對可生物降解組分的可及度。

圖5 不同預處理稻草的SEM 圖Fig.5 SEM figures of rice straw with different pretreatment

2.3.2 預處理前后稻草XRD 分析

高分子聚合物通常具有結晶區和非結晶區（或稱無定形區）。 結晶區的物質結構在X 射線的照射下能夠形成具有特性的衍射圖，可以通過這個方法來研究物質的內部結構。 稻草的結晶區和非結晶區是纖維素產生的。 稻草預處理前后的XRD 比對見圖6。 如圖6 所示，稻草在預處理前后的衍射圖均在22.0°附近和18.0°附近出現兩個特征峰，且峰形基本一致。 22.0°峰（主要峰）為結晶區特征峰；18.0°峰（次要峰）為非結晶區特征峰。 由圖可見，經過KOH 或NH3·H2O 預處理后，對稻草的晶體類型沒有顯著影響，仍為結晶區與非結晶區共存。

圖6 不同預處理稻草的XRD 衍射圖Fig.6 XRD images of rice straw with different pretreatment

在預處理前后， 稻草中纖維素的結晶度見表3。 1K+1N 組的結晶度為43.8%，2K 組為42.2%，2N 組為41.8%?？傮w來看，與未改性稻草（33.0%）相比，經過預處理后的結晶度均有所提高。這說明KOH，NH3·H2O 在30 ℃改性2 d 的過程中， 主要破壞稻草纖維素的非結晶區。 結晶度的比較：1K+1N＞2K＞2N。這說明經過KOH 和NH3·H2O 復合改性后， 稻草纖維素的破壞程度大于KOH 或NH3·H2O 單試劑改性組。 NH3·H2O 單試劑預處理后的結晶度略小于KOH 單試劑預處理后的結晶度。這是由于NH3能與稻草中的有機物發生氨解作用的結果。 氨分子滲透到結晶區與纖維素發生作用，形成氨纖維復合體，破壞纖維素的結晶結構，使纖維素的結晶度發生變化， 繼而形成了木質纖維素的降解。這也是與一元強堿KOH 改性稻草作用機理不同的地方。

表3 不同預處理稻草的結晶度指數Table 3 Crystallinity index of rice straw with different pretreatment

2.3.3 預處理前后稻草FTIR 特征分析

由于稻草中主要官能團和化學鍵在紅外光譜中的特定頻率都是已知， 因此通過紅外光譜可以判斷預處理對稻草結構的影響。 圖7 對3 種不同預處理前后稻草的紅外光譜特征進行了比較。

圖7 不同預處理稻草的FTIR 特征圖Fig.7 FTIR spectra of rice straw with different pretreatment

從圖7 可以看出， 稻草預處理前后其紅外光譜特征吸收峰形狀基本相同， 但一些特征峰不同程度的減弱或消失， 能夠明顯地表征預處理改變了稻草的化學結構。 其中，在波數1 732 cm-1處表征非共軛羰基C=O 伸縮振動的吸收峰在預處理后明顯減弱或消失， 該官能團表征苯乙烯酸與木素或多糖之間的酯鍵或者蠟質表皮層的角質。 此官能團吸收峰強度：1K+1N＜2N＜2K＜未預處理，這是由于羰基C=O 可與氨水發生親核加成，形成亞胺；且OH-能與酯鍵發生皂化反應，使得木質素與纖維素、半纖維素間的結構被打開，乙酸和酚類物質被釋放出來， 從而有效地提高了稻草的可生物降解性[14]。

在1 107 cm-1，1 324 cm-1處分別表征紫丁香環伸縮振動強度和愈創木基環甲氧基的伸縮振動強度，吸收峰在預水解后都減弱。 在1 248 cm-1處表征酚類中C-O 伸縮振動吸收峰強度經預水解后都有所下降， 表明木質素在預水解過程中發生部分溶解，且吸收峰強度2N＞2K，1K+1N 與2K 差不多， 表明KOH 對木質素的降解效果比NH3·H2O 對木質素的降解效果更明顯。 這與前面的木質纖維素含量分析結果中KOH 預處理木質素含量低于NH3·H2O 組相一致。 此外，在1 428 cm-1處表征木質素和脂肪族化合物之間的連接峰強度也有所減弱，且3 種預處理的吸收峰強度相差不大。這表明氨水雖然對木質素直接作用效果不明顯，但是能夠使木素與碳水化合物之間酯鍵的斷裂，使纖維素從木素的包裹中釋放出來， 從而提高秸稈的厭氧消化產氣性能。

在2 919 cm-1，2 852 cm-1，1 463 cm-1，1 378 cm-1處表征-CH3，-CH2，-CH 基團的C-H 的反對稱伸縮振動吸收峰強度明顯減弱， 表明稻草中甲基和次亞甲基含量降低， 脂肪族化合物在預處理過程得到一定程度的降解， 且3 種預處理后的吸收峰強度差不多，說明KOH 和NH3·H2O 對甲基、次亞甲基的分解能力差不多。 在3 421 cm-1處表征分子內羥基O-H 鍵的伸縮振動； 在1 639 cm-1處是表征吸附水H-O-H 彎曲振動的吸收峰；在1 052 cm-1，1 162 cm-1處表征部分纖維素半纖維素的特征峰強度都明顯減弱， 吸收峰強度依次為1K+1N＜2K＜2N＜未預處理。此外，在898 cm-1處表征糖單元之間的β-糖苷鍵特征吸收峰強度也發生了減弱現象。 此鍵的斷裂進一步表明KOH,NH3·H2O 都對分子內氫鍵具有一定的破壞作用，從而導致纖維素對厭氧菌的反應能力加強， 且吸收峰強度2N＜2K， 說明NH3·H2O 對β-糖苷鍵的破壞能力大于KOH[15]。 這些特征峰的減弱表明稻草的纖維素、 半纖維素結構以及脂肪族化合物在預處理后得到一定程度的降解，且1K+1N 復合預處理組的降解程度大于單試劑預處理組。

2.4 預處理過程中木質纖維素含量的變化

預水解48 h 后，對不同預處理稻草的木質纖維素含量進行了比較（表4）。 木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素組成，也是厭氧微生物生長以及其厭氧消化產甲烷的主要碳源來源[16]。 經過不同堿預處理后，木質纖維素都發生了部分降解，木質素含量為4.12%～4.20%， 纖維素含量為26.70%～28.96%， 半纖維素含量為18.63%～20.52%。 其中， 半纖維素含量降低了19.8%～27.2%，纖維素降低了16.4%～22.9%，木質素降低了13.5%～17.3%。 預處理后主要組分含量降低，主要是因為稻草中的木質纖維素組分轉化為小分子化合物，這些小分子更容易被厭氧菌消化吸收，從而提高稻草的厭氧消化性能。 木質纖維素去除率最高的是1K+1N 預處理，為24.0%；2N 預處理去除率為17.8%；2K 預處理去除率為22.4%。 1K+1N 預處理的木質纖維素去除率分別比2N，2K 預處理提高了7.2%，34.8%。 這說明1K+1N 預處理的木質纖維素降解效果優于等劑量的單試劑預處理。

表4 不同預處理稻草的木質纖維素含量Table 4 Lignocellulosic content of rice straw with different pretreatment %

3 結論

①KOH/NH3·H2O 復合預處理能促進秸稈中可溶性物質的溶出。

②KOH/NH3·H2O 復合預處理明顯促進木質素中部分官能團、 纖維素的氫鍵和糖苷鍵以及木質素與纖維素、半纖維之間的連接鍵的斷裂，使包裹在木素中的纖維素更好地釋放出來被溶脹降解，并破壞其晶體結構。稻草的這些內部結構變化是提高稻草厭氧消化產氣性能的重要原因。

③KOH/NH3·H2O 復合預處理組木質纖維素的去除率為24.0%， 比KOH 和NH3·H2O 單試劑預處理組提高了7.2%～34.8%。這些變化使得稻草更容易被厭氧微生物利用， 從而有效地提高了稻草的厭氧消化性能。