有机溶剂预处理对麦秆厌氧发酵产气的影响

黎　雪，周　莎，王晓娇，韩新辉，杨改河

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌　712100；2.陕西省循环农业工程技术研究中心,陕西 杨凌　712100)



有机溶剂预处理对麦秆厌氧发酵产气的影响

黎雪1,2，周莎1,2，王晓娇1,2，韩新辉1,2，杨改河1,2

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌712100；2.陕西省循环农业工程技术研究中心,陕西 杨凌712100)

摘要：目前，通过对秸秆进行化学预处理后产沼气的研究越来越多，其中以酸碱作为预处理试剂最为常见，但酸碱试剂对设备腐蚀较严重且对环境造成二次污染，故试验选择在厌氧发酵过程中可以被微生物分解的有机溶剂甲醇、丙酮进行预处理。为此，利用自行设计的可控性恒温发酵装置，以小麦秸秆为发酵原料，通过pH值、VFA、甲烷含量、还原糖等指标分析了秸秆经不同浓度的甲醇、丙酮处理后其厌氧发酵产气效率的变化。结果表明：浓度为3%、4%、5%的甲醇、丙酮预处理后的秸秆的累积产气量较对照组均有所提高。其中，5%丙酮处理秸秆后的发酵效果最好，较对照产气量增加了81%；经5%甲醇处理组的秸秆甲烷含量达到68%。

关键词：小麦秸秆；厌氧发酵；预处理；甲醇；丙酮

0引言

随着城镇化的发展，以畜禽粪便为主要原料的沼气工程发展受到限制[1]。我国秸秆资源丰富，秸秆产量近8亿t。其中，小麦秸秆产量为10 718.95万t，占全国秸秆总产量的12.73%[2]。麦秆中含有纤维素35%～40%，半纤维素20%～30%，木质素8%～15%。秸秆是符合可持续发展要求的可再生资源[3]，其处理后得到的纤维素、半纤维素、木质素片段有很多潜在的用途。纤维素可作为糖类来源为化工产品和生物燃料提供原料，半纤维素分解得到的糖能够作为厌氧发酵的基质[4]。因此，利用小麦秸秆作为原料产沼气有良好的发展前景。但秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素形成了高结晶度和聚合度的晶体结构，在自然条件下晶体很难被打破，限制了微生物对秸秆的利用，导致秸秆发酵启动慢、产气率低等问题[5]。针对其这一特性，在利用秸秆进行厌氧发酵之前有必要对秸秆进行预处理来打破其坚固的结构，使纤维素中的碳水化合物聚合物更容易被酶转换为可发酵的糖[6]。预处理方法包括物理法、化学法和生物法：物理法操作简单，但降解速度及发酵速率不高，且能耗较大，成本较高；生物法反应温和、能耗较低、无污染，但目前所用的微生物大多处理周期较长，占地面积大，需要高效的生物菌剂；化学法因具有耗时短、效果好等特点而被广泛使用。宋籽霖[7]用8%的Ca(OH)2对水稻秸秆进行预处理，处理的秸秆进行厌氧发酵后产气量比对照高出100.91%。覃国栋[8]用6%的H2SO4处理水稻秸秆后，甲烷含量最高可达44.3%，单位总固体产气率为150mg/L,比对照组高出99.8%。但发酵中的化学试剂易造成沼液沼渣的二次污染，且酸处理易造成设备腐蚀，碱处理后会使部分纤维素被溶解，致使原料易发酵成分损失太多，降低产气率。此外，酸碱处理还存在试剂的回收、中和及洗涤等问题，而采用有机溶剂处理则可避免上面的问题。

有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其水溶液对木质纤维素原料进行预处理的方法。其原理为：有机溶剂预处理可以脱除木质素和半纤维素，增加原料孔隙率及纤维素与纤维素酶的可接触面积，可以提高纤维素的酶解性能[4]。同时，有机溶剂预处理具有容易蒸馏回收重复利用的特点，且可得到木质素及多聚木糖等化工原料。岳军等[9]用乙醇处理木糖渣，在固液(质量/体积)比1:8、处理液中乙醇浓度50%(体积)、预处理温度210℃、预处理时间60min时，木素脱除率为53.26%，预处理后木糖渣在酶解72h时的纤维素转化率达到84.42%。目前，有机溶剂预处理中使用的有机溶剂主要有甲醇、乙醇、丙酮、苯酚、甲酸、乙酸和甘油等[10]。Araque等[11]研究有机溶剂丙酮和水以体积比1:1对松蓼进行预处理，得到最大乙醇产量为理论产量的99.5%。Sun等[12]用70%(w/w)甘油有机溶剂预处理小麦秸秆，在温度220℃条件下反应3h，然后可使纤维素的酶解率达到90%，且可回收70%的甘油有机溶剂。根据厌氧发酵四阶段理论[13]，在产氢产乙酸阶段、水解阶段的产物，除了甲烷菌可以直接利用甲酸、乙酸、甲醇、甲基氨类外，三碳及三碳以上的直链脂肪酸，以及二碳及二碳以上的醇、酮、芳香族有机酸都不能被直接利用，但其最终可被产氢产乙酸菌群分解成氢气和乙酸。这说明，在厌氧发酵过程完成中，有机溶剂会被微生物所利用，在提高产气率的同时可以缩短发酵周期，避免发酵后的二次处理，减少环境污染，但关于有机溶剂(甲醇、丙酮)预处理麦秆后发酵产沼气的研究还未深入。因此，本试验利用丙酮、甲醇对小麦秸秆进行预处理，研究丙酮、甲醇对麦秆进行预处理后对厌氧发酵产沼气的影响，以便为通过秸秆预处理来提高沼气产量及沼气工程研究的发展提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料为风干的小麦秸秆，用切割机将麦秆切碎成2～3cm的小段，取自西北农林科技大学试验田。取西北农林科技大学附近沼气示范村正常厌氧发酵池中的沼液作为接种物，原料和接种物基本性状如表1所示。

表1　原料和接种物基本性状

1.2试验方法

1.2.1试验装置和试验方案

试验所用装置为陕西省循环农业工程技术研究中心自行设计的可控型恒温厌氧发酵装置，如图1所示[14]。其主要由发酵装置、集气装置及控温装置3部分组成，各装置间用玻璃管和橡胶管连接。控温装置以温控仪和继电器来显示和控制发酵温度，温度波动范围±1℃。发酵装置为橡胶塞密封的1L三角瓶，橡胶塞上带有导气孔。集气装置是由两个1L的三角瓶连接而成，一个作为集气瓶(用带有进气孔和导水孔的橡胶塞密封)，另一个作为集水瓶(图中1的量筒以三角瓶代替)。

1.温控仪　2.加热丝　3.温度探头

将甲醇、丙酮分别配制成质量分数为3%、4%、5%的溶液。将小麦秸秆分成若干300g的小份，置于小塑料桶中,固液比为1:10(g:ml)，秸秆拌匀后盖上塑料桶盖，在室温下预处理7天，每天搅拌一次。为阐述方便，将3%、4%、5%甲醇预处理的样分别记为A、B、C，3%、4%、5%丙酮预处理的样分别记为D、E、F，未做预处理的样记为CK。预处理后的秸秆在35℃条件下进行厌氧发酵试验，在发酵瓶中装入预处理后的秸秆和水的混合物500g，保持总的固体浓度为8%，接种物200g，每组试验设3个重复。以下试验所作分析均已减掉甲醇、丙酮作为直接底物单独发酵产沼气的量。

1.2.2测定项目

1)产气量：采用排水集气法，待所产气体点燃呈淡蓝色火焰后，每天早上10:00测量水的体积。

2)总碱度：溴甲酚绿一甲基红指示剂滴定法。

3)挥发性脂肪酸(VFA)含量：采用比色法测定。

4)pH：智能pH计(pHS-3CT 型 )。

5)氨态氮：蒸馏滴定法测定。

6)甲烷成分：沼气分析仪测定(Gasboard-3200L)。

7)还原糖：DNS比色法测定。

8)干物质(TS)、挥发性干物质(VS)：TS为烘干法，VS为马弗炉焚烧法。

9)总碳：K2Cr2O7—外热源法。

10)总氮：凯氏定氮法。

1.2.3测定项目

所得数据采用EXCEL2010整理，SPSS17.0 分析。

2结果与分析

2.1预处理后秸秆基本指标的变化

由表2可知：各处理组中秸秆的C、N含量较CK都降低；A、B、C、D、E、F的碳含量分别较CK降低26%、28%、29%、37%、39%、45%，F的C含量降低最多；各处理组碳含量和CK之间均有显著性差异(P<0.05)。氮含量分别较CK降低3%、6%、29%、52%、47%、42%，各处理组氮含量和CK之间也有显著性差异(P<0.05)。丙酮和甲醇预处理间有显著性差异(P<0.05)；各处理组的TS和对照间均有显著性差异(P<0.05)，但是各处理组内的差异性不显著(P>0.05)。各处理组的VS除B、C和对照没有显著性差异以外，其余各组和对照间均有显著性差异，各处理组之间除B和C、D和E、E和F间没有显著性差异外，其余各组间均有显著性差异(P<0.05)。

表2　各处理组的基本性状

不同字母表示不同处理各指标之间差异性显著(P<0.05)。

2.2甲醇、丙酮不同浓度处理下的日产气量和累积产气量的变化

由图2可知：不同浓度的甲醇对麦秆的厌氧发酵的影响不同。3个处理均在第2天到达第1个产气高峰，峰值分别为440、620、690mL/d。其中，A的产气量在产气高峰后迅速降低至0；B的日产气量最高，总体趋势呈现3个产气高峰，分别为770、270mL/d；C的日产气量不稳定，在第3天产气高峰后迅速下降，在第13天才到达第2个产气高峰为425mL/d,后期产气波动很大，产气极不稳定。因此，B的处理效果为最好。

图2　不同浓度甲醇处理下的日产气量

图3是不同丙酮浓度处理下的日产气量的变化趋势图。由图3可知：D、E、F分别在第8天、第9天、第7天到达产气高峰，最大日产气量分别为400、380、500mL/d；D、E、F的产气规律大致相同，均在达到第1个产气高峰后，产气量先是迅速下降，再经过一段缓冲期后达到第2个产气高峰期。方差分析表明：F的产气效果较D和E有显著提高(P<0.05)。这说明，F的处理效果最好。

图3　不同浓度丙酮处理下的日产气量

各处理秸秆累积产气量如图4所示。

图4　各处理秸秆累积产气量

如图4可知：在不同浓度甲醇处理下，秸秆的累积产气量顺序为B>C>A；不同丙酮浓度处理下，秸秆的累积产气量顺序为F>D>E。其中，在3%的处理浓度下，丙酮的产气量是6 293mL，甲醇第3天后停止产气；在4%的处理浓度下，甲醇的累积产气量是丙酮的1.2倍，甲醇的产气量为7 293mL；在5%的处理浓度下，丙酮的累积产气量是甲醇的1.5倍，丙酮的产气量为7 455mL。以上结果说明：不同的试剂在相同的浓度处理下的处理效果之间有差异(P<0.05)。

由图3可知：F的累积产气量最大，为7 455mL，其后依次为B、D、E、C、CK、A，累积产气量分别为7 293、6 293、6 220、5 080、1 373、580mL。A累积产气量为580mL，较CK降低了58%；B、C累积产气量较CK有显著提高(P<0.05),较CK分别提高了81%、73%；丙酮处理组累积产气量均较CK有显著提高(P<0.05)，D、E、F较CK分别提高了78%、77%、97%。由图3可知：B的VS产气量最大，为144.94mL/g，其后依次为E、F、D、C、CK、A，VS产气量分别为138.04、116.92、116.17、102.03、27.55、12.21mL/g；甲醇处理组中，除A的VS产气量较CK减少56%外，B、C均较CK有显著性提高(P<0.05)，B、C较CK分别分别提高了81%、73%；丙酮处理组中的VS产气量均较CK有显著性提高，D、E、F较CK分别提高76%、84%、80%。

2.3不同预处理厌氧发酵中甲烷含量的变化

图5为各处理组甲烷含量的变化图。由图5可知：各处理组甲烷含量在发酵初期均能有所提高；而CK的甲烷含量一直处于较低水平，主要是由于对照组在发酵过程中产气较少，所以甲烷含量一直较低；除A到后期不产气以外，其余各处理组的甲烷含量均较CK有所增加；B和C的甲烷含量峰值分别为60.2%、68%；D、E和F的甲烷含量峰值分别为53.2%、67.9%和67.2%。

图5　各处理甲烷变化

2.4不同预处理厌氧发酵中pH、VFA、碱度、还原糖的变化

2.4.1不同预处理厌氧发酵中pH、VFA的变化

图6为各处理组pH值VFA的变化图。由图6可知：发酵初期，pH值都在9.0左右；经过5天的发酵，各处理的pH值迅速降低到6.5～7.5之间，说明发酵的前5天产生了大量的酸，使得pH值下降；在酸化阶段后，A和CK的pH值一直低于6.8，其余各组的pH值均升高到8.0左右。本试验发酵过程中，发酵前期pH值过低,而VFA含量有所升高。这是由于甲烷菌活性被抑制，在沼气发酵前期，微生物厌氧发酵降解秸秆产生大量有机酸,发酵液pH值较低；随着氨化细菌逐渐增多，产生的氨中和了部分酸，更主要的是有机酸被转化，使得pH 值回升。

整个发酵过程中，两种试剂处理组VFA含量呈下降趋势，主要是由于VFA是产甲烷的重要前体，发酵过程中甲烷的不断产生，使得VFA的量也有所下降。其中，B、C和D、E、F在发酵过程中的VFA含量变化趋势大致相同；而CK和A的VFA和pH值一直变化不大，pH值一直处在6.8以下，VFA的含量变化也不大，这可能是由于大量有机酸的积累导致pH值过低，影响甲烷菌的活性，最终导致A和CK的产气效果不佳。

图6　各处理pH 值和VFA的变化

2.4.2不同浓度下碱度的变化

碱度是指发酵液结合氢离子的能力，主要由碳酸盐、重碳酸盐及氢氧化物所组成。其对发酵过程中出现的过酸过碱物质，能起到一定的缓冲作用，碱度越高，发酵液的缓冲能力越强[15]。图7为各处理碱度的变化。由图7可知：在整个发酵过程中，除了A以外，其余各处理的总碱度都在3 000mg/L以上，且均在3 000～7 000mg/L之间变化，在发酵前期和中期有较小的波动，随后趋于平稳；A的碱度波动较大，且在10～15d期间碱度降至3 000mg/L以下，碱度处于较低水平，说明该处理下的发酵液的缓冲能力较弱，这可能是造成沼气产量较低的原因。

2.4.3不同浓度下还原糖的变化

图8为不同处理的还原糖变化。由图8可知：发酵过程中各处理组的还原糖含量变化总体幅度不大，各预处理的还原糖含量均在0.1～0.2g/L范围内，各处理组的还原糖含量均低于CK。这是因为本试验的预处理时间是7d，处理过程中糖化作用在前期较短的时间内完成，后期则以发酵为主。高凤芹等[16]利用化学试剂对4种牧草进行预处理，在4种牧草发酵液中，葡萄糖含量在24 h时达到最高峰，48h后较低，后期基本不变。即在发酵24h内以糖化作用为主，24h后以发酵作用为主，这与本实验的结果一致。CK未经化学预处理，其还原糖含量高，而预处理样的还原糖含量在7d后均有所下降。这说明：在预处理期间，部分还原糖被发酵细菌所利用转化成VFA、醇类及有机酸等物质。

图7　各处理碱度的变化

图8　不同处理的还原糖变化

3结论和讨论

3.1讨论

1)厌氧发酵过程中pH值、VFA、碱度的变化。在整个发酵过程中，除A和CK以外，各处理组pH值均呈先下降后升高的趋势，而CK和A组的pH值在酸化阶段后一直在6.8以下。钱玉婷等[17]研究发现：有机溶剂预处理的前期的pH值在6.4左右，是因为有机溶剂预处理去除了秸秆表层的蜡质；而蜡质的组成成分中含有显酸性的脂肪酸等，导致pH下降，但在96h后pH最大会达到9.0。费辉盈等[18]研究发现：大部分纤维素降解后，可使pH稳定在8.5左右。本试验的预处理时间是7d,初始时的pH值在9.0左右与之前的研究一致。在发酵过程中，除A以外,其余各处理组的pH值均在7.0以上；但在酸化阶段，可看到各处理组的pH值均明显下降，是因为初期发酵系统产生大量的有机酸，致使发酵液pH值较低，甲烷菌活性被抑制，产气量低；酸化阶段后，各处理组的pH升高到8.0左右后趋于稳定，因为中期有机酸被逐步转化，pH值缓慢回升，产气量也随之升高；而A和CK的pH值在酸化阶段后一直低于6.5，这可能是因为在酸化阶段中大量的有机酸积累，导致pH值降低，甲烷菌活性受到抑制,使A和CK产气停止。

发酵过程中除A和CK外，各处理组的VFA均是呈先升高后降低的趋势。这是因为VFA是甲烷菌利用的主要中间产物，随发酵进行，VFA被逐步消耗，其浓度总体呈降低趋势；而A、CK组VFA浓度始终较高，而pH值始终在6.5以下，甲烷菌活性受到抑制，影响产气。以发酵效果最好的F为例，其VFA值呈下降趋势；与此同时，pH值呈现上升趋势，产气量也迅速增加；随后VFA浓度缓慢下降最终趋于平稳，pH值和产气量也呈现相应的变化趋势。利用SPSS17.0对各处理组(由于A不产气，不对其做相关性分析)的pH值、VFA、累积产气量做相关性分析发现：各处理组的pH值与累积产气量均呈正相关。其中，B的累积产气量与pH值呈显著性正相关(r=0.840*,P<0.05),其余各处理的相关性不显著。各处理组的VFA和累积产气量呈显著性负相关。其中，B的VFA和累积产气量达到极显著水平(r=-0.905**,P<0.01)；各处理组的pH值和VFA均呈负相关，但相关性不显著。邢杰等[19]研究了35℃羊粪和麦秆不同配比的厌氧发酵特性，通过对VFA、pH值和日产气量作相关性分析，表明日产气量与VFA呈负相关，与pH值呈正相关。尹冬雪等[20]研究了35℃恒温条件下光照强度对猪粪、牛粪的厌氧发酵的影响，并对其VFA、pH值与累积产气量的关系做了进一步探讨，同样得到累积产气量与VFA呈负相关、与pH值呈正相关的结论。

当总碱度为3 000～8 500mg/L且与VFA含量之比在2:1以上时，沼气发酵产气比较稳定，碱度可以预示发酵体系的稳定性和揭示厌氧发酵潜在失败的可能性。在整个发酵过程中，B、C、D、E、F的总碱度与VFA之比均大于2:1，说明几个处理在发酵过程中的缓冲能力较强，能中和发酵过程中产生的VFA，使得pH值保持平稳状态，产气也比较稳定。A和CK的总碱度与VFA之比却低于2:1，说明其发酵液的缓冲能力较低，这可能也是造成A和CK产气量低的原因之一。同时，对各处理组的碱度和累积产气量进行相关性分析，发现二者呈负相关，且相关性均不显著(P>0.01)。

2)有机溶剂预处理对厌氧发酵的影响。根据预处理后所测C、N的数据可知：各处理组的碳、氮均较CK有所降低，可能是因为试验中所测定的碳、氮含量均是预处理后的烘干样，预处理后麦秆中的有机质转化为可溶性物质，导致碳、氮含量的降低。其中，甲醇和丙酮各浓度处理组的碳、氮含量均较CK有显著性降低(P<0.05)。李碧琼等[21]的研究表明：含水率是影响秸秆堆腐降解的重要物理因素，因为水是微生物的生长繁殖、有机物的分解不可缺少的条件。本试验预处理秸秆时的含水率为90%，水分可参与微生物的新陈代谢，所以秸秆的有机物更易于溶解，含水率可能是促进碳、氮含量的下降的因素之一。

孙麟等[22]利用丙酮、乙醇、甲醇对高粱杆进行预处理效果都较好。其中，丙酮的效果最好，丙酮处理样在30min内每0.1g秸秆粉末可以产生还原糖4.373 6mg，而在处理过程中易被微生物降解的有机碳源主要是可溶性糖、有机酸及淀粉等[23]。由于试验中碳、氮均较CK有显著性降低，可能是由于甲醇、丙酮预处理后水解得到的可溶性糖等物质被微生物降解，导致碳、氮含量的下降。另外，本试验所测定不同发酵时期的还原糖含量不高，且还原糖含量变化不大。高凤芹等[12]利用化学试剂对4种牧草进行预处理，在4种牧草发酵液中，葡萄糖含量在24h时达到最高峰，48h后较低，后期基本不变。即在发酵24h内以糖化作用为主，24h后以发酵作用为主，这与本试验的结果一致；而水解得到的还原糖在预处理过程中所转换成何种有机物质，还有待后面进行更深入的研究。同时，根据不同浓度的有机溶剂处理结果可知：A的效果最差,其累积产气量比对照低58%，而B的累积产气量CK高出81%。这说明，两个浓度处理下效果具有显著差异(P<0.05)。在后期的研究中有必要在3%～4%浓度之间将处理浓度再细化，最终探究更为合理的甲醇预处理浓度。

3.2结论

1)甲醇和丙酮对小麦秸秆的预处理组中，5%的丙酮预处理效果最好，累积产气量达到7 455mL，比对照高97%；而经3%甲醇预处理的效果最差，累积产气量比对照低58%。

2)通过对经甲醇、丙酮处理的各试验组在发酵过程中的pH值、VFA、碱度、累积产气量进行相关性分析得到：VFA和累积产气量呈显著性负相关；pH值与累积产气量呈正相关；pH值与VFA呈负相关，累积产气量与碱度呈负相关，但相关性不显著。

3)甲醇和丙酮预处理后的秸秆的碳、氮含量均有所降低，发酵过程中的还原糖含量一直在0.1～0.2g/L范围内变化。

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Effect of Organic Solvents Pretreatment on Biogas Production of Anaerobic Fermentation of Wheat Straw

Li Xue1，2, Zhou Sha1，2, Wang Xiaojiao1，2, Han Xinhui1，2, Yang Gaihe1，2

(1.College of Agronomy，Northwest A&F University,Yangling 712100, China; 2.The Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China)

Abstract：Recently, studies on biogas generated by chemical pretreatment of straw are increasing, varieties of pretreatment reagents, including the most widly used acid and alkaline, have showed up. Those two, however, show heavy corrosion of equipment and cause secondary pollution to the whole environment. On the base of this, organic solvents which can be broken down by microorganisms in the anaerobic fermentation process, such as methanol and acetone, are selected in this study.With the raw material of wheat straw, anaerobic fermentation gas rate in different concentrations of methanol and acetone was analyzed through indicators such as pH, VFA, methane content and reducing sugar, by using an own-designed controllable thermostat fermentation equipment. The results indicated that straw cumulative gas production under pretreatments of methanol and acetone in the concentration of 3%, 4% and 5% were higher than the control group, the best was found in pretreatment of the 5% acetone which produced 81% gas more than control group did, and the methane content under 5% methanol reached 68% at the same time. Thus, the pretreatment of organic solvents has a significant promotion on anaerobic fermentation biogas.

Key words：wheat straw; anaerobic fermentation; pretreatment; methanol; acetone

文章编号：1003-188X(2016)02-0228-07

中图分类号：S216.4

文献标识码：A

作者简介：黎雪(1990-)，女，贵州遵义人，硕士研究生，(E-mail)540257900@qq.com。通讯作者：杨改河(1969-)，男，陕西铜川人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)ygh@nwsuaf.edu.cn。

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目(2014KTCL02-12)；西北农林科技大学博士科研启动基金项目(Z109021403)；中央高校基本科研业务费项目(QM2012002)

收稿日期：2015-02-09