NaOH預(yù)處理對青稞秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響

柳麗, 杜中平, 李屹, 陳來生, 韓睿

（青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院, 青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室, 西寧 810016）

青稞是我國青藏高原的特色優(yōu)良作物, 具有適應(yīng)性強、抗逆性強和易栽培等優(yōu)點, 在高寒地區(qū)的糧食種植中占據(jù)重要地位, 現(xiàn)已成為青藏高原農(nóng)牧民的主要糧食和經(jīng)濟(jì)來源[1]。目前, 青藏高原常年種植青稞面積已達(dá)300多萬hm2, 并且逐年增加[2]。隨著青稞種植面積的擴(kuò)增, 其收獲后的廢棄秸稈也在不斷增多, 僅青海省的秸稈年產(chǎn)量就達(dá)30萬t, 秸稈資源量十分豐富。青稞秸稈中富含氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì), 具有較高的再利用價值[3]。然而, 目前除部分用作飼料外, 更多的卻未得到有效利用, 就地填埋、隨意焚燒的現(xiàn)象仍普遍存在, 造成極大的資源浪費和環(huán)境污染。

厭氧發(fā)酵是秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效技術(shù)手段, 不僅能夠有效解決廢棄物堆棄問題, 還能生產(chǎn)出沼氣等能源物質(zhì)。然而秸稈中緊密的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)嚴(yán)重阻礙了厭氧發(fā)酵底物的消化分解, 導(dǎo)致秸稈的生物可降解性不高[4]。因此, 有必要對青稞秸稈進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在眾多對秸稈的化學(xué)預(yù)處理方法中, NaOH是一種常見、廉價且效果顯著的預(yù)處理試劑, 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種秸稈厭氧發(fā)酵的預(yù)處理[5-7]。覃國棟等[8]研究發(fā)現(xiàn), NaOH預(yù)處理可以降解稻草中半纖維素組分, 顯著提高甲烷產(chǎn)量。Zhu等[9]發(fā)現(xiàn)5%NaOH固態(tài)預(yù)處理玉米秸稈的產(chǎn)氣量最高, 為372.4 L·kg-1, 較對照提高了37%。Liang等[10]和Rezaei等[11]分別發(fā)現(xiàn)4% NaOH和1% NaOH預(yù)處理對玫瑰莖稈和黑麥秸稈厭氧消化效果較好, 產(chǎn)氣量分別達(dá)到了117.7和121 mL·g-1。現(xiàn)階段, 我國關(guān)于秸稈厭氧消化的研究大多集中在糧食作物秸稈上, 特別是對小麥[12]、玉米[13]和水稻[14]等作物的秸稈研究較多, 青稞秸稈諸多理化性質(zhì)類似于小麥秸稈, 卻鮮有報道。因此, 本文以廢棄的青稞秸稈作為發(fā)酵底物, 研究不同NaOH預(yù)處理條件對青稞秸稈厭氧發(fā)酵性能的影響, 以期探討NaOH在青稞秸稈厭氧發(fā)酵應(yīng)用中的可行性, 為青藏地區(qū)青稞秸稈資源化利用提供新的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

青稞秸稈取自青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院實驗地。自然條件下風(fēng)干后, 用粉碎機(jī)粉碎至粒徑2 cm左右, 于陰涼通風(fēng)處保存?zhèn)溆谩＝臃N物取自青海知源特色農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司以牛糞為原料發(fā)酵穩(wěn)定的農(nóng)用沼氣池。發(fā)酵原料和接種物的特性見表1。

表1 原料與接種物特性Table 1 Characteristics of raw materials and inoculum

1.2 試驗方法

1.2.1 青稞秸稈NaOH預(yù)處理 試驗設(shè)置4種不同NaOH水平(1%、3%、5%和7%)和3個處理時間(6、12、24 h)。將不同水平梯度的NaOH溶液分別添加到青稞秸稈中(控制物料含水率為70%左右), 充分?jǐn)嚢杌靹蚝蠓湃霃V口瓶內(nèi), 密封并置于室溫下處理。處理完成后用去離子水沖洗至中性, 60℃烘干備用。同時采用未經(jīng)任何處理的青稞秸稈作為對照（CK）。

1.2.2 批式厭氧消化試驗 厭氧發(fā)酵試驗采用碧普華瑞環(huán)境技術(shù)(北京)有限公司的全自動甲烷潛力測試儀MultiTalent 203。每個發(fā)酵瓶內(nèi)按設(shè)計好的比例(2∶1)分別加入青稞秸稈和接種物, 并設(shè)置只添加接種物污泥的空白對照, 各處理組總量為400 g。每組設(shè)置3個重復(fù)。全部添加后, 將發(fā)酵瓶密封并置于恒溫(35±0.5)℃水浴鍋中。每間隔3 min攪拌1次, 每次攪拌時長為0.5 min。從發(fā)酵24 h開始, 每4 d采集1次發(fā)酵液樣品用以測定pH、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)和化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)。

1.3 測定項目及方法

總固體(total solid, TS)和揮發(fā)性固體(volatile solid, VS)采用烘干法測定, 其中, 總固體于烘箱105℃烘24 h, 揮發(fā)性固體于馬弗爐550℃灼燒3 h；pH用pH計(pHS-2F型)測定；氨氮采用苯酚次氯酸鈉比色法測定[15]；揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用分光光度法測定[16]；化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)采用快速消解分光光度法測定[17]；木質(zhì)纖維素含量由纖維洗滌劑法測定[18]；傅里葉紅外光譜(frustrated total internal reflection,FTIR)采用固體溴化鉀壓片法進(jìn)行分析[19]。

1.4 動力學(xué)分析

采用修正的Gompertz動力學(xué)模型對不同預(yù)處理青稞秸稈發(fā)酵過程的甲烷產(chǎn)量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[16]。

式中,P為累積甲烷產(chǎn)量(mL·g-1)；Pmax為產(chǎn)甲烷潛力(mL·g-1)；Rmax為最大產(chǎn)甲烷速率(mL·g-1·d-1)；t為發(fā)酵時間(d)；λ為產(chǎn)甲烷延滯期(d)；e是常數(shù), exp(1)=2.718 3。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件分析數(shù)據(jù), 采用鄧肯多重比較法, 當(dāng)P＜0.05時, 數(shù)據(jù)之間具有顯著性差異；使用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對青稞秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響

2.1.1 日產(chǎn)甲烷量與累積甲烷產(chǎn)量 不同處理組日產(chǎn)甲烷量變化如圖1所示。在35 d厭氧發(fā)酵過程中, 不同處理組的日產(chǎn)甲烷量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 并出現(xiàn)1~2個產(chǎn)甲烷高峰, 均集中在前7 d。其中, 3% NaOH-24 h處理組日產(chǎn)甲烷量最大, 達(dá)到了143.73 mL·d-1；其次是1% NaOH-24 h處理組, 為130.53 mL·d-1。同時, 發(fā)酵前期CK產(chǎn)氣緩慢, 日產(chǎn)甲烷量低于所有NaOH處理組, 說明NaOH預(yù)處理能夠加快厭氧發(fā)酵的啟動速率。

圖1 不同處理組的日產(chǎn)甲烷量Fig.1 Daily methane production in different treatments

由圖2可知, 與CK相比, 各NaOH處理組累積甲烷產(chǎn)量均顯著增加(P＜0.05), 說明NaOH預(yù)處理可以提高青稞秸稈厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷能力。同一時間段內(nèi), 各處理組的累積甲烷產(chǎn)量均隨著NaOH水平的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 5%NaOH處理組高于其他3個NaOH處理組。相同NaOH水平下, 青稞秸稈預(yù)處理12 h的累積甲烷產(chǎn)量均高于預(yù)處理時間為6和24 h的累積甲烷產(chǎn)量。其中, 5%NaOH-12 h處理組獲得了最高累積甲烷產(chǎn)量, 達(dá)到250.03 mL·g-1, 較CK顯著提高了67.92%；其次是5%NaOH-24 h和5%NaOH-6 h組, 累積甲烷產(chǎn)量分別為242.13和240.85 mL·g-1, 分別較CK顯著提高了62.61%和61.75%。T90表示物料累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到總甲烷產(chǎn)量90%時需要的時間。由表2可知, CK的T90為22 d, 各NaOH處理組的T90均在13~17 d之間, 說明NaOH預(yù)處理能夠縮短青稞秸稈的發(fā)酵周期, 提高發(fā)酵效率。

圖2 不同處理組的累積甲烷產(chǎn)量Fig.2 Cumulative methane production in different treatments

2.1.2動力學(xué)分析 不同處理組累積甲烷產(chǎn)量的Gompertz方程擬合曲線和擬合結(jié)果如表2所示。R2可以衡量動力學(xué)方程的擬合度, 當(dāng)R2大于0.990時, 擬合結(jié)果較好。由表2可知, 各處理組的R2均大于0.990, 說明擬合效果較好, 并且NaOH預(yù)處理組的產(chǎn)甲烷潛力和最大產(chǎn)甲烷速率均大于CK, 說明NaOH預(yù)處理能夠提高青稞秸稈的產(chǎn)甲烷潛力和速率。所有NaOH預(yù)處理組的產(chǎn)甲烷延滯期均小于CK, 說明NaOH預(yù)處理可以加快發(fā)酵的啟動。

表2 不同處理組的消化時間T90及Gompertz模型的動力學(xué)參數(shù)Table 2 Digestion time T90 and kinetic parameters of Gompertz model in different treatments

2.2 不同處理發(fā)酵液pH、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸和化學(xué)需氧量的變化

由 圖3可 知, CK的pH在7.58~7.78之 間, NaOH處理組的pH在7.17~8.01之間, 均屬于產(chǎn)甲烷菌正常生長的范圍。相比CK, NaOH處理組pH變化波動更大, 這表明NaOH處理組的有機(jī)酸產(chǎn)生和消耗更快。整體而言, 1~5 d內(nèi), 各處理組的pH明顯下降, 均在第5天出現(xiàn)最低值, 說明發(fā)酵系統(tǒng)正處于水解酸化的啟動階段, 有機(jī)酸大量產(chǎn)生；第5天后, pH又迅速上升并逐漸趨于穩(wěn)定, 表明產(chǎn)甲烷菌開始活躍, 大量消耗發(fā)酵前期的酸性物質(zhì)產(chǎn)生甲烷。

圖3 不同處理組pH變化Fig.3 Changes of pH value in different treatments

由圖4可知, CK的氨氮含量在714.27~877.40 mg·L-1范圍內(nèi), NaOH處理組的氨氮含量在717.33~972.80 mg·L-1范圍內(nèi), 高于CK處理組。說明NaOH處理組的有機(jī)物分解更快, 但各處理組的氨氮含量均未超過1 000 mg·L-1, 未對體系造成氨抑制。同一時間段內(nèi), 水平較低(1%、3%)的NaOH處理組氨氮含量峰值高于水平較高(5%、7%)的NaOH處理組, 但各處理組的氨氮含量整體變化趨勢相差不大, 均呈現(xiàn)先上升再降低后趨于平穩(wěn)的趨勢, 且峰值均出現(xiàn)在13 d之前, 說明該時期微生物對底物的降解最快。

圖4 不同處理組的氨氮含量變化Fig.4 Changes of ammonia nitrogen concentration in different treatments

由圖5可知, CK的VFAs含量 在1 781.15~3 075.84 mg·L-1范圍內(nèi), NaOH處理組的VFAs含量在1 102.77~4 973.54 mg·L-1范圍內(nèi), 均沒有對體系產(chǎn)生抑制作用。其中, 預(yù)處理時間長的NaOH處理組(12、24 h)VFAs含量峰值高于預(yù)處理時間短的NaOH處理組(6 h), 說明預(yù)處理時間長的處理組在發(fā)酵前期能產(chǎn)生更多的有機(jī)酸。但在整個發(fā)酵周期中, 所有處理組的VFAs含量變化趨勢卻無明顯區(qū)別, 均在發(fā)酵第5天達(dá)到最大值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這說明發(fā)酵前期主要是產(chǎn)酸階段, 發(fā)酵后期則表現(xiàn)為有機(jī)酸的產(chǎn)生和消耗達(dá)到平衡。

圖5 不同處理組的揮發(fā)性脂肪酸含量變化Fig.5 Changes of VFAs concentration in different treatments

不同處理組發(fā)酵過程中COD的變化情況如圖6所示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行, 各處理組的COD均整體呈現(xiàn)先升高再降低后趨于穩(wěn)定的趨勢, 與氨氮含量和VFAs含量變化趨勢相似。此外, 各處理組的COD峰值均集中在5~9 d。結(jié)合圖2可知, 累積甲烷產(chǎn)量較高的處理組COD峰值也相對較高, 同一時間段內(nèi), 3%、5% NaOH處理組的累積甲烷產(chǎn)量要高于其他處理組, 而COD峰值也相對較高；其中, 5% NaOH-12 h處理組最高, 為9 695.42 mg·L-1, 該處理組累積甲烷產(chǎn)量也最高, 為250.03 mL·g-1。

圖6 不同處理組的化學(xué)需氧量變化Fig.6 Changes of COD in different treatments

2.3 不同處理青稞秸稈傅里葉紅外光譜圖分析

為更好地了解預(yù)處理前后青稞秸稈木質(zhì)纖維素組分的變化情況, 對各處理組進(jìn)行傅里葉紅外光譜圖(FTIR）分析。由圖7可知, 預(yù)處理前后的紅外光譜圖形狀大致相同, 說明NaOH預(yù)處理并未改變青稞秸稈的官能團(tuán)及化學(xué)鍵種類, 而是改變了其木質(zhì)纖維素的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)在某些峰吸收強度的不同。表3呈現(xiàn)了紅外光譜中不同波長對應(yīng)的基團(tuán)種類及青稞秸稈木質(zhì)纖維組分變化情況, 波數(shù)3 330 cm-1附近強而寬的吸收峰主要來自羥基(O-H)的拉伸振動, 是木質(zhì)素吸收光譜峰[20]。相比CK, 各處理該吸收峰強度明顯降低, 說明NaOH預(yù)處理可降解青稞秸稈中的木質(zhì)素, 導(dǎo)致秸稈基質(zhì)孔隙度增加。波數(shù)2 854和2 910 cm-1附近較強而尖銳的吸收峰是由于C-H中甲基和亞甲基對稱和反對稱拉伸振動引起的, 該峰代表纖維素的吸收強度[21]。各預(yù)處理后該吸收峰相比CK明顯增強, 說明NaOH預(yù)處理增加了纖維素含量。在1 621 cm-1附近出現(xiàn)的是羰基鍵和苯環(huán)的吸收峰, 該峰代表半纖維素和木質(zhì)素的吸收強度。處理后峰強度減弱, 表明青稞秸稈中半纖維素和木質(zhì)素得到有效去除[22]。

圖7 不同處理組青稞秸稈的紅外光譜Fig.7 Infrared spectra of hulless barley straw treated in different treatments

表3 不同波長對應(yīng)的基團(tuán)種類及纖維組分變化情況Table 3 Changes of group types and fiber components corresponding to different wavelengths

2.4 不同處理青稞秸稈組分含量變化

不同處理組青稞秸稈中的木質(zhì)纖維素變化情況如表4所示。與CK相比, 大多數(shù)NaOH處理組的木質(zhì)素和半纖維素含量均顯著降低(P＜0.05), 二者降解率分別為12.83%~64.34%和0.96%~30.30%, 木質(zhì)素降解率高于半纖維素。同一時間段內(nèi), 7%NaOH處理后的木質(zhì)素降解率均高于其他處理組。其中, 7%NaOH-6 h的木質(zhì)素降解率最高, 達(dá)到64.34%, 但7% NaOH各處理的累積甲烷產(chǎn)量卻低于5%NaOH各處理(圖2), 說明過高的堿含量會影響體系的產(chǎn)甲烷能力。與木質(zhì)素和半纖維素被降解結(jié)果不同, 各NaOH處理組的纖維素含量均顯著提高(P＜0.05), 相比CK提高了13.37%~39.31%。綜上, NaOH預(yù)處理增加了青稞秸稈中纖維素含量, 并有效降解了木質(zhì)素和半纖維素, 其中對木質(zhì)素的降解效果更好。表明NaOH預(yù)處理可以在一定程度上提高青稞秸稈的生物降解率。

表4 不同處理組青稞秸稈木質(zhì)纖維素含量Table 4 Lignocellulose content of hulless barley straw in different treatments （%）

3 討論

NaOH是一種常見且價格低廉的化學(xué)預(yù)處理試劑, 能夠提升玉米[9]、稻草[8]、黑麥[11]、蘆葦[23]、甘蔗葉[6]和玫瑰莖稈[10]等多種木質(zhì)纖維素類廢棄物的厭氧發(fā)酵效率。本研究中, NaOH預(yù)處理對青稞秸稈厭氧發(fā)酵也發(fā)揮了較好的作用, 顯著提高了其產(chǎn)甲烷性能(P＜0.05)。相比CK, 各NaOH處理組的累積甲烷產(chǎn)量提高了14.59%~67.92%, 其中5% NaOH處理12 h獲得了最高累積甲烷產(chǎn)量, 為250.03 mL·g-1。有研究表明, 蘆葦經(jīng)過不同含量NaOH預(yù)處理后的最高累積甲烷產(chǎn)量為237 mL·g-1[23]；麥糠經(jīng)過6% NaOH處理獲得的最大產(chǎn)甲烷潛力為199.5 mL·g-1[24]；玫瑰莖稈經(jīng)過NaOH預(yù)處理后的累積甲烷產(chǎn)量在81.8~117.7 mL·g-1[10]。說明青稞秸稈的發(fā)酵潛力高于多數(shù)木質(zhì)纖維素類廢棄物, 是良好的發(fā)酵原料。同時, 各NaOH處理組達(dá)到T90的時間相比CK均縮短, 并且對于表示產(chǎn)氣延滯期的λ值, 各NaOH處理組也均小于CK。說明NaOH能夠縮短青稞秸稈厭氧發(fā)酵周期, 加快發(fā)酵系統(tǒng)的啟動。已有研究也能夠證實NaOH的這一作用, 李桃等[25]研究表明NaOH預(yù)處理能夠縮短廢棄香蕉秸稈厭氧發(fā)酵的啟動時間；羅娟等[6]和Ivo等[23]發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理能夠?qū)⒏收崛~和蘆葦?shù)腡90分別縮短3~5和13 d。

本研究發(fā)現(xiàn), NaOH預(yù)處理能夠有效降解青稞秸稈木質(zhì)素和半纖維素, 尤其是對木質(zhì)素的降解效果較好, 這與前人的研究結(jié)果一致[6,9,13,26]。可能是因為NaOH堿性較強, 能夠迅速破壞木質(zhì)素與多糖之間的化學(xué)鍵, 促使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)斷裂, 從而達(dá)到降解的目的[20]。同時, NaOH預(yù)處理增加了青稞秸稈中纖維素含量, 由于堿預(yù)處理能夠引起木質(zhì)纖維素聚合物發(fā)生解聚, 使得更多被木質(zhì)素和半纖維素包裹的纖維素暴露, 從而造成纖維素含量增加[27-28]。

研究還發(fā)現(xiàn), NaOH預(yù)處理能夠維持發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常來講, pH、氨氮和VFAs均是衡量發(fā)酵系統(tǒng)是否穩(wěn)定的指標(biāo)。pH在6.8~7.8之間最適合發(fā)酵, 過高(＞8.5)或過低(＜6.4)均會抑制發(fā)酵微生物活性[29]；適量的氨氮可以為發(fā)酵體系提供氮源, 緩解酸抑制現(xiàn)象, 含量過高則會抑制產(chǎn)甲烷菌的生長, 影響發(fā)酵效果[15,30]；VFAs可以被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲烷, 但VFAs累積過多(＞5 000 mg·L-1)會造成系統(tǒng)酸化[7,31]。本研究中, 所有NaOH處理組的pH、氨氮和VFAs含量值均保持在發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍內(nèi), 沒有產(chǎn)生抑制現(xiàn)象。此外, COD主要包括水解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)和未能被利用的VFAs等。一般來說, COD水平越高越有利于微生物的生存和繁殖[17,32], 本研究中COD水平高的處理組對應(yīng)的累積甲烷產(chǎn)量也較高, 符合上述規(guī)律。綜上所述, 適宜水平的NaOH預(yù)處理不僅能夠增加青稞秸稈的甲烷產(chǎn)率、縮短發(fā)酵周期、維持發(fā)酵的穩(wěn)定性, 還能夠節(jié)約預(yù)處理試劑的成本, 是青稞秸稈等木質(zhì)纖維素類廢棄物厭氧發(fā)酵的有效預(yù)處理手段。