玉米秸稈水熱預處理作用機理和厭氧消化特性研究

宋曉聰， 趙 慈， 王 琛， 沈 鵬, 陳 忱

(中國環境科學研究院， 北京 100012)

隨著環境惡化和能源危機兩個問題的日益突出，沼氣作為世界第四大能源被認為是化石燃料最有前途的替代品之一[1～2]。通過厭氧消化技術可將農作物秸稈轉化為沼氣，但是由于其復雜的木質纖維素結構限制厭氧微生物的降解[3]。因此，需要通過預處理來改善木質纖維素的生物降解性。在各種預處理方法中，水熱預處理被認為是生態友好且經濟可行的一種預處理方法[4]。水熱預處理是一個非常復雜的過程，因預處理溫度和時間的不同，水熱預處理效果存在差別。

Reza[5]探討了木質纖維素原料轉化為褐煤狀生物炭的熱化學過程。在200℃，230℃和260℃的條件下，處理火炬松5～30 min，通過衰減全反射(ATR)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、元素分析和氣質聯用(GC-MS)來分析水熱碳化后的生物炭產品，發現水解和脫羧是水熱碳化的主要反應，但也會發生縮合、聚合以及芳構化。Liu[6]利用水熱法對玉米秸稈進行改性處理，以改善玉米秸稈載體微生物固定的物理化學性質。他發現預處理可溶解玉米秸稈的部分組分以達到降解木質纖維素結構的目的。最佳改性條件(200℃處理20 min)下，玉米秸稈的比表面積和孔隙率分別比未處理的提高了1倍。改性載體系統中的乙醇產量增加了57%。這些發現證實了水熱處理能有效地改善木質纖維素載體的性質，實現了更好的固定化和發酵性能，從而有益于木質纖維素廢物的資源化利用。Chandra[7]等發現在200℃水熱處理稻草10 min時，獲得的甲烷產率比未預處理的提高了222%。Wang[8]在180℃下預處理稻草產甲烷總量提高9.5%。Raheem[9]等發現170℃的熱或熱化學預處理對廢活性污泥更有效。Lin[10]在135℃下對葡萄糖和甘氨酸的混合物處理15 min，獲得184.9 g·mL-1的甲烷產量。Fernández[11]在25℃，100℃，150℃和200℃水熱處理條件下，研究了葵花籽油餅的生物甲烷潛力，發現在100℃時獲得向日葵油餅的最大甲烷產率。還有研究發現，對于200℃以內的預處理溫度，最佳水熱時間在10～30 min范圍內，同時這適用于處理一些水果、蔬菜、秸稈和甘蔗渣類原料[1, 11]。另一方面，一些研究人員認為水熱預處理對木質纖維素原料的甲烷產量沒有影響甚至有負面影響。

在較低溫度(120℃和150℃)下處理芒草，產甲烷沒有得到明顯增強，而在200℃水熱條件下，消化時間的最佳條件比原料節省50%[12]。Wang[8]等發現雖然稻草經水熱預處理后增加了可溶性組分，但是其厭氧消化性能卻沒有大幅提高，并且最大沼氣產量提高率僅為3%。20℃，70℃，85℃和120℃的熱預處理以及160℃的酸或蘇打預處理對Ppalmata藻類的甲烷潛力沒有顯著影響。甚至在高溫預處理(180℃ ～200℃)后，Ppalmata藻類的甲烷潛力反而被抑制了[13]。Razavi[14]發現類似的結果，在預處理強度達到一定范圍后，甲烷產量隨預處理溫度的增大而降低。

基于上述，針對不同的木質纖維素原料，水熱預處理的最優溫度、時間等條件沒有一致性結論，甚至出現截然相反的觀點。因此本研究引入預處理強度logR0這一概念，通過綜合考慮預處理時間、溫度以及pH值等因素來更精確地比較不同預處理條件對木質纖維素原料厭氧消化的影響，進而獲得最優預處理工藝。具體而言，本研究通過分析玉米秸稈在不同水熱預處理條件下理化特性變化以及厭氧消化后的產甲烷性能，來探究不同強度水熱預處理提高農業廢物厭氧產沼氣的機理以及最優預處理工藝，以期為農業廢物資源化提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米秸稈取自北京市延慶郊區。玉米秸稈的總固體(TS)和揮發性固體(VS)含量分別為95.29%和86.85%。接種物取自順義區東華山村沼氣站。接種物的TS和VS含量分別為14.74%和8.92%，pH值為7.50。

1.2 實驗裝置

本實驗的預處理裝置是WZC型高壓反應釜(見圖1)，厭氧消化實驗采用批式厭氧消化裝置(見圖2)，由2個500 mL的藍蓋瓶和玻璃水槽組成，并且由乳膠管連接。其中1個藍蓋瓶作為厭氧消化反應器，有效體積為400 mL，另1個藍蓋瓶作為集氣瓶。35℃±1℃的恒溫水浴反應器保證中溫厭氧消化。

圖1 預處理實驗裝置[15]

圖2 批式實驗裝置

1.3 實驗方法

根據預處理溫度越高，所需反應時間越短的規律及文獻報道的相關研究結果[8, 16-19]，設定如下預處理條件：50℃時預處理時間為1440～4320 min,100℃為5～30 min,150℃為5～20 min和200℃為5～10 min；實驗分兩組進行，一組單獨水熱預處理，另外一組同時添加玉米秸稈干重2%的NH3·H2O；預處理的固液比設定為1∶6。

批式厭氧消化實驗的上料負荷為50 gTS·L-1(根據預處理前的TS計算)，接種物添加量為20 gTS·L-1，調節pH值至7.5～8.0，加入自來水至反應器總體積的80%，封蓋后中溫厭氧消化35℃±1℃ 30 d。在相同條件下設置未預處理組和只添加接種物的對照組，每組設置3個平行樣。

1.4 分析方法

通過SP-2100氣相色譜儀每天檢測氣體成分。通過元素分析儀(Vario EL/cube，Germany)分析C,H,O,N元素的百分含量。TS和VS含量采用國標法[20]測定。用pH計(CHN868，Thermo Electron，USA)測量每個反應器的pH值。利用GC-2014氣相色譜儀分析VFAs。使用DNS法檢測還原糖含量[21]。木質纖維素成分使用纖維分析儀(ANKOM，A2000i，USA)測定[22]。玉米秸稈表觀形態通過Hitachi S-4700型號掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。

(1)

式中：t為反應時間，min；T為反應溫度，℃。不同預處理條件下的logR0見表1。

表1 不同預處理條件下的logR0

主成分分析(PCA)使用SPSS軟件(版本17.0)進行。本文中的圖表是使用Excel 2010和Canoco 5軟件繪制。

2 結果與討論

2.1 水熱預處理玉米秸稈作用機理分析

2.1.1 pH 值和乙酸變化

在預處理過程中，添加到玉米秸稈中的水由于產生H+而自身離子化，在高溫下起酸催化劑的作用，從而將pH值降低到酸性水平[1]。目前，許多研究根據pH值變化來確定預處理效果[24]，因此，pH值是評估預處理效果的關鍵指標[25]。預處理后的pH值顯示出不同程度的變化(見圖3)。當預處理強度1.09≤logR0≤3.09時，pH值在6.02～8.88之間波動；當3.47≤logR0≤7.27時，pH值隨預處理強度logR0的增加而減小(pH值從6.61降到3.64)。在6.81≤logR0≤7.27時，pH值下降到3.83～3.64，這可能與較高的乙酸含量有關[26]。乙酸是有機物生產甲烷的主要中間體[27-28]，玉米秸稈經不同強度處理后的乙酸濃度1.35～9.10 g·L-1，都明顯高于未預處理組，是未預處理組乙酸濃度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。當6.81≤logR0≤7.27時，預處理組的乙酸濃度是未預處理組的11.23～22.87倍，雖然揮發性有機酸是有機材料生產甲烷的主要中間體[27]，但是過量濃度的揮發性有機酸會導致非常低的甲烷總量，因此，適當濃度的揮發性有機酸對隨后的厭氧消化非常重要[26]。

圖3 pH值和乙酸濃度隨預處理強度的變化

2.1.2 元素變化

不同logR0下玉米秸稈中的元素含量如表2所示。隨著預處理強度logR0的增大，N元素的相對含量在逐漸增加。logR0分別為2.45，2.59，3.97和7.01時，N元素的含量分別為0.87%，0.89%，0.94%和1.01%，分別比原料的N元素含量提高了19.18%，21.92%，28.77%和38.36%；并且隨著logR0的增大，N元素含量提高的速率也在逐漸增加。預處理后玉米秸稈中的C元素含量均高于未預處理組，比其提高了3.95%～15.24%。預處理后玉米秸稈中的H元素含量均低于未預處理組。O元素的含量隨logR0的增大而減小，不同logR0下的O元素的含量比原料的O元素含量降低了1.37%～14.62%。這說明水熱預處理后，玉米秸稈中部分的H和O被溶解進入液體中，因而致使N和C元素相對含量增加。有研究稱高O/C表示多糖類化合物含量較高，而低O/C表示木質素類物質含量多[29]。從表2可以看出，O/C隨logR0的增大而減小，logR0分別為2.45，2.59，3.97和7.01的條件下，O/C分別為1.01，0.99，0.97和0.79。玉米秸稈中纖維素和半纖維素大分子逐漸降解成較小的分子，因而出現O/C減小的現象。同時隨著預處理強度的增加，玉米秸稈中的大分子重新聚合生成了類木質素物質，致使O/C更小。

表2 不同logR0下玉米秸稈中的元素含量

2.1.3 表觀結構變化

掃描電鏡是用于研究木質纖維素原料表面結構最有力的工具之一[30]。通過掃描電鏡可以觀察到玉米秸稈的表面結構變化，從而判斷預處理的效果。圖4～圖8表示不同預處理條件下的玉米秸稈的SEM圖像。未經預處理的玉米秸稈表面光滑(見圖8))，結構沒有遭到破壞。預處理后的玉米秸稈，不論預處理強度的大小，玉米秸稈結構均遭到一定程度上的破壞，表面粗糙，有的斷裂成小碎片。Ciesielski[31]發現隨著水解的增強，預處理后的玉米秸稈“SEM粗糙度”得到增加。在logR0為7.01的預處理條件下，玉米秸稈的內部結構被暴露(見圖7)。這表明不同強度的預處理可以破壞玉米秸稈的表皮結構。

圖4 logR0 2.45玉米秸稈電鏡掃描圖

圖5 logR0 2.59玉米秸稈電鏡掃描圖

圖6 logR0 3.97玉米秸稈電鏡掃描圖

圖7 logR0 7.01玉米秸稈電鏡掃描圖

圖8 未預處理玉米秸稈電鏡掃描圖

2.1.4 化學組分變化

不同logR0下玉米秸稈的化學組分變化如圖9所示。

圖9 化學組分變化與logR0之間的關系

整體來看玉米秸稈中的木質素含量隨預處理強度logR0的增加而增大，Aguilar[32]得到了類似的結論。水熱預處理條件下，玉米秸稈中的木質素含量從5.09%增加到9.86%(logR0為1.09～7.27)；加氨水熱預處理后，玉米秸稈中的木質素含量從5.97%增加到13.71%(logR0為2.58～7.12)。Ko[33]報道稱logR0在8.25～12.51之間時，木質素含量從29.3%增加到40.3%。Nitsos[34]在預處理強度為4.69的條件下，處理櫸木發現：木質素含量增加了26%～35%。預處理后木質素的相對含量得到提高，這主要是因為木聚糖的溶解，而木質素保留在了預處理后回收的固體中[33]。除logR0為2.45，3.56，4.35的預處理強度外，其他條件下的半纖維素含量均得到降低。尤其是在logR0為6.81～7.27時，半纖維素含量降到了1.53%～4.06%(未預處理組為28.36%)。

2.2 厭氧消化特性分析

2.2.1 VS甲烷產率

VS甲烷產率與logR0之間的關系如圖10所示。未預處理組的VS甲烷產率為112.82 mL·g-1VS。水熱預處理條件下，預處理強度logR0為1.09～2.45時，VS甲烷產率隨logR0的增加而增大；預處理強度logR0為2.45～7.27時，VS甲烷產率隨logR0的增加而減小。logR0為2.45時，玉米秸稈獲得最高VS甲烷產率，為158.07 mL·g-1VS，比未預處理組的112.82 mL·g-1VS提高了40.11%；其次是logR0為1.98時，玉米秸稈的VS甲烷產率為151.54 mL·g-1VS。加氨水熱預處理時，玉米秸稈的VS甲烷產率隨logR0的增大而減小(logR0為2.59～7.12)；logR0為2.59時，玉米秸稈的VS甲烷產率較高，為148.19 mL·g-1VS，比未預處理組的112.82 mL·g-1VS提高了31.35%。在logR0為6.81～7.27之間時，玉米秸稈的VS甲烷產率僅為87.55～0.14 mL·g-1VS，這種現象是由于糠醛和5-羥甲基糠醛等物質的形成而導致的，這些物質會抑制厭氧消化過程[35,36-39]。因此，控制預處理強度非常重要，這可以避免形成一些抑制劑[38]。

圖10 VS甲烷產率與logR0之間的關系

2.2.2 有機組分，pH值，logR0以及VS甲烷產率之間的關系

通過主成分分析(PCA)研究了VFAs、還原糖、木質纖維素組合物含量，pH值，logR0以及VS甲烷產率之間的相關性(見圖11)。PCA中的主要成分1(PC1)和主要成分2(PC2)分別占55.79%和16.54%。預處理后的pH值和半纖維素與甲烷產率有很強的正相關性而與logR0呈負相關。VFAs、木質素和還原糖與預處理強度logR0呈正相關。這表明較高的預處理強度能有效去除半纖維素，這樣可以獲得更好的酶促可及性，從而增強VFAs和還原糖的量[4]。此外，VS甲烷產率與logR0和木質素含量間呈明顯的負相關。Monlau[40]等也發現，木質素含量與木質纖維素底物的產甲烷潛力呈負相關。類似地，Buffiere[41]等表明木質素的含量與厭氧生物降解性存在負相關關系。預處理過程中纖維素和木質素經歷了各種化學反應，釋放出VFAs、低聚糖、木質素衍生的酚類、糠醛和HMF的化合物[42]。在較高的logR0下，木質素含量的增加導致總甲烷產率的降低[11]。

圖11 有機組分,pH值,logR0以及VS甲烷產率之間的相關性

3 結論

玉米秸稈經不同強度的水熱預處理后發現：

(1)一定強度的預處理能夠增大玉米秸稈的產甲烷性能。logR0為2.45時，玉米秸稈獲得了最高VS產甲烷率，為158.07 mL·g-1VS，比未預處理組的VS產甲烷率112.82 mL·g-1VS提高了40.12%。

(2)水熱預處理可以增大玉米秸稈的水解程度，使玉米秸稈預處理后的乙酸濃度1.35～9.10 g·L-1得到明顯提高，是未預處理組乙酸濃度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。

(3)水熱處理后玉米秸稈的元素組成、表觀結構發生了不同程度的變化：隨預處理強度的增大，玉米秸稈的O/C得到了不同程度的降低，有類木質素物質生成。不論預處理強度的大小，玉米秸稈表面結構均遭到一定程度的破壞，并且隨著logR0的增大，表面粗糙度也在增加。

(4)水熱預處理也能夠改變玉米秸稈的木質纖維素組分。在logR0為6.81～7.27時，半纖維素相對含量降到了1.53%～4.06%(未預處理組為28.36%)。水熱預處理條件下，玉米秸稈中的木質素相對含量從5.09%增加到13.71%。主要是因為木聚糖發生溶解，而木質素保留在了預處理后回收的固體中。