NaOH預處理對小麥秸稈中溫厭氧發酵效率的影響

張鳴　李昂　楊彩玲　郭軍霞

摘 要 2020—2021年，通過自行設計的厭氧發酵裝置，研究NaOH預處理對小麥秸稈中溫厭氧發酵效率的影響，探索在確保小麥秸稈預處理效果的前提下，通過改變預處理時間來減少NaOH用量，降低二次污染風險，為小麥秸稈沼氣生產提供理論依據。研究采用0%、3%和6%（以秸稈干質量計）NaOH對小麥秸稈預處理7、14、21和28 d，未預處理的小麥秸稈作對照，發酵液pH不做調節。結果表明，小麥秸稈經3%NaOH預處理7～28 d后，纖維素、半纖維素和木質素的脫除率分別為5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～ ?49.2%，與6%NaOH預處理相當，顯著高于0%NaOH預處理。在中溫（35 ℃）厭氧發酵時，3%NaOH預處理的產氣效果優于相同預處理時間0%和6%NaOH預處理，在預處理7～28 d時，干物質累積產氣量為 ?185.5～310.5 mL·g-1，產氣速率為38.1～84.2 mL·d-1。最優組合預測模型顯示，3%NaOH預處理小麥秸稈11.4 d的效果最好，86.0 d發酵完全，產氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質累積產氣量為257.6? ?mL·g-1。綜合判斷，在小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵過程中，利用3%（以秸稈干質量計）NaOH對其進行預處理是可行的，能夠獲得良好的產氣效果。

關鍵詞 小麥秸稈；厭氧發酵；NaOH；預處理；產氣速率；累積產氣量

中國小麥秸稈資源非常豐富，每年的產出量約為1.4億t，占全國農作物秸稈總量的 ?19.9%[1]。利用小麥秸稈厭氧發酵生產沼氣是其高質化利用方式之一，不僅可以彌補畜糞沼氣原料不足，而且可以減少過剩秸稈的環境污染[2-5]。但是小麥秸稈自身的物理化學結構并不適宜直接進行沼氣生產[6-7]，而預處理是解決這一問題的有效措施[8]，其中NaOH預處理是較為有效的方法，受到國內外廣泛關注[9-11]。王小韋[12]研究發現，NaOH預處理能夠有效增加小麥秸稈中可溶組分進入水相中的速率，并在4%NaOH預處理下獲得最大值。趙楠等[13]和康佳麗等[14]的研究結果均顯示，6%是小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵時最佳的NaOH預處理濃度，但是預處理時間有所差異，分別為5 d和30 d。Taherdanak等[15]研究指出，經8%NaOH預處理1 h的小麥秸稈在25 ℃、50 ℃和75 ℃下厭氧發酵時，累積產氣量相比未預處理對照分別提高47.5%、40.8%和54.5%。季艷敏[16]研究認為，小麥秸稈中溫 ?（35 ℃）厭氧發酵時，10%是預處理NaOH的最佳添加量，預處理時間為7 d。可見，目前的相關研究報道中，預處理NaOH的添加量普遍較高，占到了小麥秸稈干質量的4%～10%，預處理后需要進行pH調節，容易造成二次污染，而且最佳預處理時間差異較大，1 h～30 d不等。同時有研究表明，預處理時間對農作物秸稈厭氧發酵時的預處理效果具有明顯的調控作用[17-19]。為此，本研究選用目前報道中相對居中的6%（以秸稈干質量計）作為NaOH預處理小麥秸稈時的最高添加量，嘗試在確保小麥秸稈預處理效果的前提下，通過改變預處理時間來減少NaOH用量，降低其二次污染風險，為小麥秸稈的中溫厭氧發酵提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與方法

試驗于2020年8月17日—2021年1月15日在蘭州城市學院城市環境污染控制高校省級重點實驗室內進行。供試小麥秸稈自然風干后進行粉碎，過2 mm篩，有機碳481.7 g·kg-1，全氮5.8 g·kg-1，C/N 83.1，纖維素42.2%，半纖維素26.8%，木質素10.3%，干物質92.2%，揮發性干物質90.1%。預處理堿液選用NaOH，添加量分別為小麥秸稈干質量的0%、3%和6%，預處理時，先將NaOH按比例配制成溶液，然后在小麥秸稈中分別加入等質量的配置NaOH溶液和等質量的自來水，充分攪拌均勻，最后置入20 ℃的恒溫培養箱中，分別進行7、14、21和28 d的預處理培養，未預處理的小麥秸稈作為對照（0 d），試驗共13個處理，3次重復。

厭氧發酵是在中溫（35 ℃）條件下進行，發酵液總量為200 mL，預處理小麥秸稈的干物質質量為16.0 g，總固體（TS）含量為8%，C/N用尿素調節為25，接種物為50 mL正常產氣2個月的沼氣池沼液，發酵液的pH不做調節，發酵罐密封后放置于恒溫水浴鍋內，連接試驗裝置（圖1），每天21：00手動搖勻發酵瓶，以便發酵物料充分反應。試驗在確定不再產氣時結束，發酵過程中集氣瓶按時補充飽和食鹽水。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1，選取凈容積為300 mL的三角瓶作為發酵罐，并配有適當大小的橡皮塞，橡膠塞上設有出氣口，集氣裝置選用凈容積為1 000 mL裝滿飽和食鹽水的廣口瓶，同樣配有適當大小的橡皮塞，橡膠塞上設有進氣孔和排水孔，用乳膠管和玻璃管連接發酵罐的出氣口和集氣裝置的進氣口。

1.3 測定指標及方法

纖維素、半纖維素和木質素含量測定：在預處理結束時，采用中性洗滌劑-酸性洗滌劑法測定小麥秸稈預處理后的纖維素、半纖維素和木質素含量[20]。pH在厭氧發酵啟動前，通過pHS-3C型精密酸度計測定料液初始pH。產氣速率：采用排水集氣法，每天上午9：00利用量筒測量集氣瓶中排出的水量，得出日產氣速率。累積產氣量：對應日期內的日產氣量之和；干物質累積產氣量、發酵完成率和小麥秸稈組分（木質素、纖維素和半纖維素）脫除率的計算公式如下：

干物質累積產氣量=累積產氣量/干物質 ?質量

發酵完成率=累積產氣量/總產氣量×100%

小麥秸稈組分（木質素、纖維素和半纖維素）脫除率=（未處理秸稈組分含量－預處理秸稈組分含量）/未處理秸稈組分含量×100%

1.4 數據處理

利用DPS 7.5軟件對數據進行統計分析，采用鄧肯多重比較法，當P<0.05時，數據之間具有顯著性差異；采用Excel 2021對數據進行 ?作圖。

2 結果與分析

2.1 厭氧發酵初始pH

從預處理7～28 d小麥秸稈在中溫厭氧發酵時料液的初始pH（圖2）可以看出，未預處理和0%NaOH預處理的料液初始pH為7.06～ ?7.20，基本處于中性條件，屬于產甲烷菌正常生長的范圍。3%NaOH預處理的pH為8.34～ ?8.40，略高于傳統厭氧發酵系統的臨界pH 8.3。6%NaOH預處理的初始pH相對較高，達到了9.02～9.13，遠高于理想的厭氧發酵pH范圍。其中3%和6%NaOH預處理時，料液初始pH的高低主要取決于NaOH添加量的多少，而預處理時間對其的影響并不明顯（P＞0.05）。

2.2 NaOH預處理對小麥秸稈主要組分脫除率的影響

由圖3可見，NaOH預處理對小麥秸稈中半纖維素和木質素的脫除效果較好，對纖維素的脫除率相對較低。當NaOH添加量一定時，三者的脫除率隨預處理時間的延長而增大；當預處理時間一定時，三者的脫除率隨NaOH添加量的增大而增加。其中3%NaOH預處理7～28 d時，小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質素的脫除率分別為5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～49.2%，與6%NaOH預處理相當（P＞0.05），且顯著高于0%NaOH預處理（P<0.05）。

2.3 NaOH預處理對小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵時產氣速率和累積產氣量的影響

2.3.1 0%NaOH預處理小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量 由圖4可見，在整個中溫（35 ℃）厭氧發酵過程中，未預處理小麥秸稈在發酵初期產氣4 d后進入了20 d的產氣停滯期，隨后開始2次產氣，在第107天時產氣停止，累積產氣 ?1 436.2 mL。利用0%NaOH（自來水）預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫厭氧發酵時，發酵當天即可正常產氣，在發酵的第3天前后出現第1次產氣峰值22.0、34.0、29.0和43.0? ?mL·d-1，之后在經過一個短期的產氣低谷后，產氣速率迅速增加，在第26天、第33天、第25天和第25天時達到第2次產氣峰值85.0、81.5、 ?119.5和125.0 mL·d-1，之后緩慢下降，在第122天時產氣停止，累積產氣2 479.8、2 774.7、 ?3 083.0和3 226.1 mL，產氣速率為20.3、22.7、25.3和 ?26.4 mL·d-1。可見，小麥秸稈不進行預處理，直接進行中溫厭氧發酵時的產氣效率低下，而通過0%NaOH（自來水）預處理在一定程度上可以提高小麥秸稈的發酵效率，其促進作用隨預處理時間的延長而增加。

2.3.2 3%NaOH預處理小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量 由圖5可見，利用3%NaOH預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫（35 ℃）厭氧發酵時，同樣在發酵當天開始正常產氣，在發酵的第3天前后進入第1次產氣高峰，峰值分別為45.5、55.0、53.0和32.0 mL·d-1，隨后產氣速率在短期的回落后迅速增加，分別在第27天、第25天、第25天和第28天時達到第2次產氣峰值108.0、271.5、91.5和73.0 mL·d-1，在第108天時產氣停止，累積產氣4 352.9、5 072.6、 ?3 595.8和3 191.6 mL，產氣速率分別為35.7、 ?41.6、29.5和26.2 mL·d-1。可見，利用3%NaOH預處理可以提高小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量，但是提高幅度并非預處理時間越長越好。

2.3.3 6%NaOH預處理小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量 利用6%NaOH預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫（35 ℃）厭氧發酵時（圖6），同樣在發酵當天即可正常產氣，但是在整個發酵過程中，只有1個明顯的產氣峰值，分別為108.0、102.0、70.0和36.0 mL·d-1，在第117天時產氣停止，累積產氣量分別為3 647.3、 ?3 353.2、2 118.0和1 388.9 mL，產氣速率分別為29.9、27.5、17.4和11.4 mL·d-1。可見，利用6%NaOH預處理同樣能夠提高小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量，其提高幅度隨預處理時間的延長而減弱。

2.4 NaOH預處理對小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵周期的影響

厭氧消化發酵時間的長短意味著在相同時間內消化處理廢棄物的多少，直接反映厭氧消化效率。在實際生產過程中，一般認為累積產氣量達到總產氣量的90%以上即可認為發酵基本完成[21-22]。由圖7可見，在中溫（35 ℃）厭氧發酵時，未預處理小麥秸稈85 d發酵完成；0%NaOH預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在91、90、87和89 d時發酵完成；3%NaOH預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在86、59、80和78 d時發酵完成；6%NaOH預處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在88、88、86和83 d時發酵完成。可見，利用NaOH預處理可以縮短小麥秸稈中溫厭氧發酵時的完成時間，但是并非預處理NaOH添加量越大，發酵完成時間越短，其中3%NaOH預處理小麥秸稈的發酵完成時間短于0%和6%NaOH預處理。

2.5 NaOH預處理對小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵基本完成時干物質累積產氣量和平均產氣速率的影響

由圖8可見，在厭氧發酵基本完成時（圖7），未預處理小麥秸稈的干物質累積產氣量和平均產氣速率分別為81.3 mL·g-1和15.3 mL·d-1，遠低于NaOH預處理。0%NaOH預處理小麥秸稈的干物質累積產氣量和平均產氣速率均隨預處理時間的延長而增加，其中28 d預處理最高，分別為181.5 mL·g-1和32.6 mL·d-1；3%NaOH預處理小麥秸稈的干物質累積產氣量和平均產氣速率均為14 d預處理最高，分別為 ?310.5 mL·g-1和84.2 mL·d-1，顯著高于其他時間預處理；6%NaOH預處理小麥秸稈的干物質累積產氣量和平均產氣速率均隨預處理時間的延長而降低，其中7 d預處理最高，分別為204.2 mL·g-1和37.1 mL·d-1，顯著高于其他時間預處理。

2.6 NaOH預處理小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵時累積產氣量與預處理時間及厭氧發酵時間之間的回歸模型

利用RSREG（Response Surface Regression）過程對各處理進行多項式回歸（表1），所有回歸模型均達到了極顯著水平，而且各處理回歸方程模型中的一次項、二次項和交叉項均達到了極顯著水平（P＜0.01），說明方程的擬合度較好，能夠反映發酵的真實情況。

通過RSREG過程尋找回歸方程中最優響應曲面的穩定點，結果表明（表2），在小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發酵時，利用NaOH預處理小麥秸稈時的最佳預處理時間并不相同，隨其添加量的增大而減小，但是最大干物質累積產氣量和產氣速率并不隨NaOH添加量的增大而增大，這與實測值具有很好的一致性。其中0%NaOH預處理時，最佳預處理時間為28.0 d，91.0 d發酵完全，產氣速率為33.8 mL·d-1，最大干物質累積產氣量為192.1 mL·g-1；3%NaOH預處理時，最佳預處理時間為11.4 d，86.0 d發酵完全，產氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質累積產氣量為257.6 mL·g-1；6%NaOH預處理時，最佳預處理時間為7.0 d，88.0 d發酵完全，產氣速率為41.9 mL·d-1，最大干物質累積產氣量為230.5 mL·d-1。

3 討? 論

在中溫厭氧發酵時，利用NaOH對小麥秸稈進行預處理能夠提高秸稈的產氣速率和累積產氣量，這與文獻[12-16]的研究結論相一致。小麥秸稈中的木質素是由苯基丙烷結構單元通過醚鍵、碳-碳鍵聯接而成的芳香族高分子化合物，一般微生物很難分解，纖維素和半纖維素雖然易被微生物分解，但是由于木質素是纖維素的外圍基質，阻礙了厭氧微生物對纖維素和半纖維素的有效利用，而小麥秸稈在NaOH預處理過程中，木質素、纖維素和半纖維素之間的聯結鍵被NaOH中的氫氧根破壞，部分木質素、纖維素和半纖維素得以分離或分解，而且還使細胞壁膨脹、結構疏松，擴大了纖維素、半纖維素與厭氧微生物的接觸面[14，23-25]，從而提高了小麥秸稈的產氣效率。

小麥秸稈中溫厭氧發酵時最佳的NaOH預處理添加量為3%，遠低于文獻[12-16]小麥秸稈中溫厭氧發酵時所推薦的NaOH預處理添加量（4%～10%）。究其原因，除預處理時間存在不同外，還與秸稈厭氧發酵初期發酵液的pH有關，因為厭氧發酵系統的pH一般情況下應控制在 ?6.5～7.5，當pH高于8.3就會對厭氧發酵產生消極影響[26]。趙楠等[13]和康佳麗等[14]在預處理小麥秸稈厭氧發酵前，均對發酵液的pH進行了調節，而本研究為了降低NaOH預處理過程中二次污染風險，未對發酵液的酸度進行調節，從而3%和6%NaOH預處理7～28 d小麥秸稈在厭氧發酵時的初始pH均處于堿性狀態，其中6%NaOH預處理小麥秸稈發酵初始pH相對較高，為 ?9.02～9.13，遠超出了8.3的臨界值，阻礙了厭氧發酵過程中小麥秸稈的產氣速率和產氣量，而3%NaOH預處理小麥秸稈發酵初始的pH為 ?8.34～8.40，雖然也超出了8.3這一臨界值，但是超出范圍相對較小，隨后由于NaOH預處理破壞了小麥秸稈的物化結構，木質素被有效降解，能夠被微生物利用的纖維素和半纖維素被極大程度的釋放，這類碳水化合物經過水解和酸化，轉化為可以被產氫、產乙酸菌和同型乙酸菌利用的酸類物質，當發酵液中的有機酸累積到一定程度，pH恢復到厭氧微生物的適宜范圍時，便開始正常產氣[27]。

在中溫厭氧發酵時，利用3%NaOH預處理能夠提高小麥秸稈的產氣速率和累積產氣量，但是預處理時間并非越長越好。這是因為厭氧發酵的預處理是一個復雜的生物化學過程，影響因素較多，且相互交織，只有適宜的預處理時間才能有效降解秸稈中的木質纖維素，對發酵液的酸堿平衡起到良好的調節，有利于產甲烷菌生存；過短的預處理時間達不到應有的處理效果，但過長的預處理時間又有可能過度地破壞秸稈有效成分，形成酚類、糠醛等抑制發酵物質，進而導致產氣效率降低[19，28]。

與6%NaOH預處理相比，3%NaOH預處理不僅可以對小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質素的脫除達到相仿效果，而且可以獲得更高的產氣速率和干物質累積產氣量。Barman等[29]研究表明，在105 ℃條件下利用2%NaOH溶液處理小麥秸稈10 min后，木質素和半纖維素的去除率可以達到70.3%和68.2%。這也進一步證實，在小麥秸稈厭氧發酵過程中，通過時間、溫度等預處理條件的改變來減少預處理NaOH用量是可行的。考慮到NaOH添加量過大，將會增加后期中和難度及成本，增大其二次污染風險，所以在小麥秸稈中溫厭氧發酵時，應選擇添加量相對較低的3%NaOH進行預處理。那么，是否可以進一步通過延長時間等預處理條件的改變來降低預處理NaOH的添加量？還需要進一步研究驗證。

4 結? 論

在小麥秸稈中溫（35? ℃）厭氧發酵時，3%（以小麥秸稈干質量計）NaOH預處理效果最好，在發酵當天便可正常產氣，最佳預處理時間為11.4 d，86.0 d發酵完全，產氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質累積產氣量達257.6 mL·g-1。

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Effects of NaOH? Pretreatment on? Mesophilic Anaerobic Fermentation Efficiency of Wheat Straw

ZHANG MingLI Ang1， YANG Cailing2，3 and GUO Junxia1

Abstract Effects of NaOH pretreatment on anaerobic fermentation efficiency of wheat straw were studied using the “system of anaerobic fermentation technology” designed by us as mesophilic temperature from 2020 to 2021， the objective was to? reduce the amount of NaOH and the risk of secondary pollution while ensuring the pretreatment effect of wheat straw，thereby providing a theoretical basis for biogas production of wheat straw. Wheat straw samples were pretreated with 0%， 3%， and 6% （dry mass of wheat straw） NaOH for durations of 7， 14， 21， and 28 days， respectively， with unpretreated wheat straw as control. The results showed that the removal rates of cellulose， hemicellulose and lignin were 5.9%-8.3%， 38.3%-41.8%， 45.8%-49.2%， respectively， which was similar to the treatment of 6%NaOH and significantly higher than that of 0%NaOH pretreatment when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 d. The 3%NaOH treatment demonstrated the highest effectiveness compared to the control and 6%NaOH treatment for the same pretreatment duration under anaerobic fermentation of wheat straw at mesophilic temperature （35 ℃）. The cumulative biogas yields of dry matter ranged from 185.5 mL·g-1 to 310.5 mL·g-1， with a biogas production rate of 38.1 mL·d-1 to 84.2 mL·d-1 when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 days.The superior combination forecasting model showed that the treatment of 3%NaOH was the most effective， and the optimum pretreatment time was 11.4 d after 86.0 d completed fermentation， the rate of biogas production was 47.9 mL·d-1， the maximum cumulative biogas yields of dry matter was? ?257.6 mL·g-1. In conclusion， it is feasible to use 3% （dry mass of wheat straw） NaOH pretreatment wheat straw under mesophilic （35 ℃） anaerobic fermentation， which can obtain good biogas production effect.

Key words Wheat straw; Anaerobic fermentation; NaOH; Pretreatment; Biogas production rate; Cumulative biogas yields

Received2022-10-21Returned 2023-02-12

Foundation item The Natural Science Foundation of Gansu Province （No.20JR10RA283）; the Project of Higher Education Innovation Foundation of Gansu Province （No.2022B-224）.

First author ZHANG Ming， female， associate professor. Research area： environmental science and engineering. E-mail： zhangminglbl@163.com

（責任編輯：史亞歌 Responsible editor：SHI Yage）

收稿日期：2022-10-21修回日期：2023-02-12

基金項目：甘肅省自然科學基金（20JR10RA283）；甘肅省高等學校創新基金（2022B-224）。

第一作者：張 鳴，女，副教授，主要從事環境科學與工程方面的研究。E-mail： zhangminglbl@163.com