小麥秸稈預處理對厭氧消化性能的影響研究*

康雅茹 田光明 何 若

(1.浙江大學環境與資源學院，浙江 杭州 310058；2.浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室,浙江 杭州 310012)

秸稈是一種木質纖維素生物質，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，是我國主要的農業廢棄物。據統計，2017年我國秸稈的產生量為1.53億t[1]。雖然秸稈可以用作動物飼料或用以堆肥，然而現階段我國秸稈資源化利用并不充分，存在秸稈被丟棄或焚燒問題，這不僅浪費了寶貴資源，而且造成了嚴重的環境問題，如空氣污染、二氧化碳排放和土壤結構惡化[2-3]。因此，發展經濟有效、環境友好的秸稈處置技術是農業生產和環境保護的重要內容。

厭氧消化是在厭氧條件下微生物將有機物轉化為沼氣的生物化學過程，是有機物轉化為可再生能源的資源化技術[4]82。厭氧消化過程通常包括4個階段，即水解、酸化、產乙酸和產甲烷階段。水解通常是秸稈厭氧消化的限速步驟，影響厭氧消化的沼氣產量[5-6]。秸稈預處理可減少木質纖維材料的結構障礙，增加厭氧微生物對有機物的接觸面積，從而提高厭氧消化產沼效能[7]。秸稈預處理技術可分為物理法、化學法和生物法。物理法主要通過研磨、蒸汽爆破、擠壓和輻射等增加可接觸表面積并降低纖維素的聚合度。生物法是通過酶促反應和微生物降解木質纖維素。化學法是使用硫酸、雙氧水、鹽酸和氫氧化鈉等化學試劑進行木質素脫除或破壞木質纖維基質的鍵合。預處理已成為秸稈厭氧消化前的重要環節。

厭氧消化受到pH、碳氮比(C/N)、溫度、水力停留時間和有機負荷率等的影響，其中，基質的C/N是調控厭氧消化穩定性和性能的關鍵參數[8]。厭氧消化適宜的C/N(質量比)為20～30[9]。高C/N基質(如小麥秸稈)的厭氧消化通常會經歷低pH、低緩沖能力和揮發性脂肪酸(VFA)積累[10]。此外，秸稈中纖維素物質含量高、不易降解，導致厭氧消化效率低[11]。低C/N基質(如城市污泥)通常會受到氨抑制，導致沼氣產量低[12]。鑒于此，本研究以城市污泥作為小麥秸稈厭氧消化共基質，對比研究了酸、堿和污泥發酵消化液預處理對小麥秸稈厭氧消化性能的影響，以期為秸稈厭氧消化處理技術的研發提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用城市污泥和小麥秸稈分別取自杭州市某污水處理廠和浙江省農業科學研究院，實驗前將污泥和小麥秸稈風干，并分別磨碎過1 mm篩，實驗材料的理化特性見表1。小麥秸稈采用3種不同的改性處理：1.5%(質量分數)乙酸浸泡12 h(酸預處理)；1.5%(質量分數)氫氧化鈉浸泡12 h(堿預處理)；發酵10 d的污泥消化液浸泡24 h(消化液預處理)，該消化液pH為5.85，COD和氨氮分別為17 450、224 mg/L。以未處理的秸稈和城市污泥的混合物為對照。處理后小麥秸稈采用蒸餾水淋洗至出水中性，COD<89 mg/L，氨氮<17 mg/L，然后各處理小麥秸稈烘干用作實驗材料。

表1 實驗材料的理化特性1)

1.2 實驗方法

厭氧消化反應器構建：將改性處理后的小麥秸稈和城市污泥以1∶2的質量比混合(共72 g)，加入到1 000 mL的玻璃反應器中，加水調節至固含率為9%。然后用高純氮氣(純度99.99%)以流速200 mL/min吹洗約5 min，用橡膠塞密封，用黑色塑料包裹以避光。在橡膠塞中設置兩個直徑約1.5 cm采樣孔用于消化液和氣體取樣。將玻璃反應器中的氣體壓力與37 ℃下的大氣壓力平衡約8 h后，采用改進的排水收集法測量反應器中的產氣速率[13]。每個處理設置3個重復，于37 ℃的水浴中厭氧消化70 d。

1.3 分析方法

在實驗過程中每天記錄反應器的氣體產生量，每天取氣體樣，采用氣相色譜法分析甲烷和二氧化碳的濃度[14]。每隔一定的時間取厭氧消化液樣，測定pH、總固體(TS)、揮發性固體(VS)、COD、VFA濃度和微生物群落結構。厭氧消化液pH采用pH計測定。TS和VS采用稱重法測定。厭氧消化液COD和VFA濃度測定前在5 000 r/min下離心30 min以去除固態殘渣，然后參照文獻[15]測定COD濃度，VFA濃度采用酸性乙二醇分光光度法測定。微生物群落結構測定分析參照文獻[16]。

2 結果與討論

2.1 產氣速率和產甲烷速率

由圖1可以看出，反應器在第1天開始產氣，但反應器初始產氣量整體較少，特別是在第4～6天時，反應器產氣速率<15 mL/d。可能在此階段，反應器中有機物處于水解酸化階段，大分子有機物如蛋白質、脂肪和木質纖維素等被微生物分解轉化為小分子物質。隨后，酸和消化液預處理的產氣速率迅速增加，在第10天時達到了148～192 mL/d，顯著高于對照和堿預處理(27～47 mL/d)。考慮實驗后小麥秸稈淋洗出水COD和氨氮濃度較低，預處理過程增加的碳氮量相對較少。這可能是由于酸和消化液預處理溶解和破壞了秸稈中半纖維素與木質纖維素的結構[4]83-88，從而加速了秸稈的降解和產氣。在第13、15天時，對照和堿預處理的產氣速率也分別達到100 mL/d以上，并總體維持在100 mL/d以上的產氣量至第40天左右。此后，反應器產氣速率均逐漸下降，第64天起基本保持在10 mL/d以下。

圖1 反應器的產氣和產甲烷速率

在第1～3天時反應器盡管有產氣，但并無甲烷產生。這主要由于在初始階段秸稈和污泥攜帶有少許氧氣，反應器中有機物發生了好氧降解，產生二氧化碳。隨著反應器中氧氣的消耗，有機物在厭氧條件下主要通過水解、酸化、產乙酸和產甲烷等階段轉化為甲烷、二氧化碳和水[17-18]。酸和消化液預處理均在第4天測得甲烷，而對照和堿預處理分別在第5、6天測得甲烷，這表明酸和消化液預處理能加速秸稈的厭氧降解，迅速進入產甲烷階段。隨著有機物在反應器中的降解，產甲烷速率逐漸增大，酸和消化液預處理分別在第27、28天時達到最大值(184、238 mL/d)。堿預處理在第29天時達到最大值(288 mL/d)，對照在第22天達到最大值(242 mL/d)。此后，產甲烷速率逐漸下降，在第59 d時對照和堿預處理中產甲烷速率<10 mL/d，消化液和酸預處理均在第64天時產甲烷速率<10 mL/d，遲于對照和堿預處理。這表明消化液和酸預處理可以使秸稈厭氧消化維持在一個較長時間的高產甲烷階段，從而提高秸稈厭氧消化產甲烷效率。

2.2 累積產氣量和累積產甲烷量

從圖2可以看出，反應器產氣量可分為3個階段：在初始階段有機物主要發生水解酸化，產氣量相對較少；從第10天左右開始，反應器的累積產氣量出現急速增長；在第40天左右基本達到穩定。與對照相比，酸、消化液和堿預處理分別可使秸稈和污泥共消化體系的累積產氣量提高13.7%、12.0%和9.2%。這表明消化液和酸預處理可加速秸稈的降解和產氣，這可能是由于半纖維素的溶解和木質纖維素結構的破壞[4]83-88。AMELIA等[19]也發現鹽酸預處理可使蔗渣和椰子纖維的沼氣產量分別提高31%和74%。

圖2 反應器的累積產氣量和累積產甲烷量

反應器累積產甲烷量與累積產氣量具有相似的變化趨勢。酸和消化液預處理在第9天時累積產甲烷量出現急速增長，對照在第13天時累積產甲烷量出現急速增長，而堿預處理的累積產甲烷量出現急速增長相對較遲。到實驗結束時，4個反應器中消化液預處理的累積產甲烷量最多，其次為酸和堿預處理，對照最少。與對照相比，酸、消化液和堿預處理分別可使秸稈和污泥共消化體系的累積產甲烷量提高7.4%、9.5%和5.2%，這表明消化液預處理可以提高秸稈厭氧消化產甲烷速率和產量，且無需添加化學藥劑，大大降低了處理成本，是一種優良的秸稈厭氧消化預處理技術。在實驗的4個處理中，最終產甲烷量占總產氣量的53%～57%，與文獻報道的厭氧消化甲烷含量相一致[20]。

技術消化時間(T80)指厭氧消化產氣達到最大產氣量80%時所需的時間，可用于評價厭氧消化性能[21]。在本研究中，以實驗結束時的累積產氣量視為最大產氣量，用于計算T80。在實驗的4個處理中，消化液預處理的T80為36 d，早于酸、堿預處理和對照。這進一步說明消化液預處理可以促進秸稈厭氧消化，縮短厭氧消化時間。

2.3 累積產氣量和累積產甲烷量的模擬

采用修正的Gompertz方程[22]模擬實驗中4個處理的產氣和產甲烷情況，擬合系數均在0.99以上(見表2)。這表明修正的Gompertz方程可以較好地擬合該反應器產氣和產甲烷情況。酸和消化液預處理的產氣滯留時間分別為10.0、11.5 d，均小于對照(14.0 d)和堿預處理(16.6 d)，并且酸和消化液預處理的模擬產氣和產甲烷潛力均高于對照和堿預處理，這表明酸和消化液預處理可以加速秸稈的降解，提高產氣和產甲烷量。堿預處理可以促進木質素碳水化合物的皂化和鍵斷裂[23]。在本研究中，堿預處理可以提高厭氧消化產氣量和產甲烷量，但其厭氧消化滯留時間比對照長。

表2 反應器累積產氣和產甲烷模擬參數1)

2.4 TS和VS的變化

隨著反應器中有機物的降解，TS和VS含量均出現了下降(見圖3)。酸和消化液預處理反應器的TS含量下降最快。到實驗結束時，TS降至4.69%～5.22%，占初始TS的52.2%～58.0%。VS的變化趨勢同TS一致，到實驗結束時，VS降為36.4%～41.8%。與對照相比，消化液和酸預處理能加速復雜木質纖維物質降解為簡單的可溶性化合物，易于微生物利用，提高降解速率。

注：圖3(a)中數據為TS在固相中的質量分數，圖3(b)中數據為VS在TS中的質量分數。

2.5 消化液pH、COD和VFA濃度的變化

在厭氧消化過程中，pH是一個非常重要的參數，直接影響厭氧消化系統的性能[24]。由圖4可以看出，在第7天時實驗厭氧消化液的pH均低于6，這說明反應器中有機物的降解處于水解酸化階段，不溶性大分子有機物(如脂類、多糖、蛋白質等)降解為可溶性有機物(如氨基酸、脂肪酸)。在第14天時酸和消化液預處理的pH提高到7.5以上，而對照和堿預處理的pH分別為6.32和5.23。這說明酸和消化液預處理的秸稈降解速度較快，這與反應器產氣量的結果一致。在第26～46天時厭氧消化液的pH穩定在7.60～7.95，有利于產甲烷菌的生長和代謝[25]。隨著有機物的降解，到實驗結束時，厭氧消化液pH為8.38～8.71，呈弱堿性，這可能是由于厭氧消化過程中氨氮的累積[26]。

圖4 厭氧消化液pH的變化

厭氧消化液COD和VFA濃度可以間接反映其中有機物的降解和穩定化程度。在第7天時隨著大分子有機物降解轉化為小分子有機物等，反應器中厭氧消化液COD和VFA較高，分別為14 533～15 642、3 710～6 168 mg/L(見圖5)。隨著有機物的降解，消化液COD和VFA濃度呈下降趨勢，但在第14天時堿預處理的厭氧消化液COD和VFA濃度有所增加，這說明堿預處理的秸稈降解相對較慢。到實驗結束時，厭氧消化液COD和VFA分別為1 839～2 238、241～417 mg/L，VFA/COD為0.13～0.19。這說明消化液中有機物的生物可降解性較差，反應器中有機物的降解基本已達到穩定化。

圖5 厭氧消化液COD和VFA變化

2.6 微生物群落結構的變化

反應器厭氧消化液中微生物群落結構分析結果見表3和表4。厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門、藍細菌門、綠彎菌門和放線菌門是反應器中主要微生物。厚壁菌門是反應器中最主要的門，主要包括己酸菌屬、乙醇生孢產氫菌屬、瘤胃梭菌屬、羅伊氏乳桿菌屬和Ruminiclostridium_1屬等。在實驗初期(第7天)，己酸菌屬是厭氧消化液中主要的微生物，相對豐度為8.6%～32.7%。隨著有機物的降解，己酸菌屬的相對豐度總體逐漸降低，到實驗結束時己酸菌屬在厭氧消化液中的相對豐度為0～0.9%。己酸菌屬可以通過糖酵解將葡萄糖轉化為VFA和氫氣，與厭氧消化的酸化階段密切相關[27]。這表明小麥秸稈預處理可加速水解產酸過程，提高厭氧消化性能。乙醇生孢產氫菌屬在碳水化合物的厭氧消化及制氫中具有重要的作用[28-29]。在實驗初期，有機物主要以大分子形式存在，小分子糖類濃度較低。在前14天內，乙醇生孢產氫菌屬的相對豐度不超過0.1%。隨著有機物的降解，乙醇生孢產氫菌屬的相對豐度逐漸增加，到實驗結束時，厭氧消化液中乙醇生孢產氫菌屬的相對豐度達到19.3%～23.5%。在反應器中己酸菌屬相對豐度的變化與乙醇生孢產氫菌屬相反，兩者都可以作為小麥秸稈和污泥共消化的指標。瘤胃梭菌屬是一種厭氧細菌，能夠產生胞外纖維素酶以分解纖維素和多糖[30]。與對照和堿預處理組相比，酸和消化液預處理組在第7天的厭氧消化液中瘤胃梭菌屬的相對豐度較高，這說明酸和消化液預處理能促進小麥秸稈纖維素和多糖的降解。

表3 堿、酸預處理厭氧消化液中微生物群落的相對豐度變化

表4 消化液預處理與對照厭氧消化液中微生物群落的相對豐度變化

3 結 論

(1) 酸和消化液預處理可以加速小麥秸稈水解酸化、提高厭氧消化產氣和產甲烷量，而堿預處理會延滯小麥秸稈厭氧消化產甲烷階段。

(2) 與酸預處理相比，消化液預處理小麥秸稈無需添加化學藥劑，降低了處理成本，是一種優良的提高小麥秸稈厭氧消化性能的方法。

(3) 修正的Gompertz方程能夠較好地擬合產氣和產甲烷量，對累積產氣量和產甲烷量的擬合系數均在0.99以上。

(4) 厚壁菌門是反應器中最主要的門，主要包括己酸菌屬、乙醇生孢產氫菌屬、瘤胃梭菌屬、羅伊氏乳桿菌屬和Ruminiclostridium_1屬等，其中己酸菌屬和乙醇生孢產氫菌屬可以作為小麥秸稈和污泥共消化的監測指標，在厭氧消化前期反應器微生物主要為己酸菌屬，而后期主要為乙醇生孢產氫菌屬。