不同预处理条件对水稻秸秆厌氧消化产气性能的影响

赵 静, 刘文娟, 戴本林, 邓媛方, 杨文澜

(1.江苏省工程咨询中心，江苏 南京 210003; 2.淮阴师范学院 化学化工学院江苏省生物质能与酶技术重点实验室, 江苏 淮安 223300; 3.河海大学环境学院, 江苏 南京 210098; 4.淮阴师范学院 江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心, 江苏 淮安 223300)

不同预处理条件对水稻秸秆厌氧消化产气性能的影响

赵 静1, 刘文娟2, 3, 戴本林2, 4, 邓媛方2, 杨文澜2

(1.江苏省工程咨询中心，江苏 南京 210003; 2.淮阴师范学院 化学化工学院江苏省生物质能与酶技术重点实验室, 江苏 淮安 223300; 3.河海大学环境学院, 江苏 南京 210098; 4.淮阴师范学院 江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心, 江苏 淮安 223300)

为探索合理的预处理方法以实现水稻秸秆的高效厌氧消化，笔者研究了NaOH,H2SO4与纤维素酶处理3种预处理方法对水稻秸秆厌氧消化产气性能的影响。将经预处理的60 g干物质的水稻秸秆放入发酵瓶中，在恒温(35℃±1℃)下进行沼气发酵试验。比较不同质量分数的NaOH，H2SO4，不同投加量纤维素酶预处理水稻秸秆的厌氧发酵效果，综合原料分解程度、总产气量、气体组分含量变化等指标，得出6% NaOH，2% H2SO4，纤维素酶添加量为40 U·g-1TS的预处理效果要分别优于同一组中其余质量分数的NaOH，H2SO4和不同添加量的纤维素酶；对比不同处理方法预处理水稻秸秆厌氧发酵产沼气的效果，经过纤维素酶预处理的单位固体发酵产气量、底物分解率、甲烷体积百分数总体表现优于对照组、NaOH以及H2SO4预处理组。因此，生物预处理可能成为今后水稻秸秆沼气工程较理想的预处理方法。

预处理； 沼气； NaOH； H2SO4； 纤维素酶； 水稻秸秆

中国农作物资源丰富，居世界首位，主要的秸秆类作物有近20种，每年秸秆总产量大概有7亿t[1-3]，其中水稻、小麦和玉米秆这3种秸秆占到70%以上，但目前我国农作物秸秆的利用率却较低，有一半被大量丢弃或焚烧，这不仅浪费了资源，而且对环境造成了严重的污染。通过将秸秆通过厌氧发酵技术转化为沼气，可以有效缓解农村地区能源紧张和环境污染的局面[4]。

然而秸秆作为沼气原料时，因其本身含有80%的半纤维素、纤维素和木质素等致密物质，而其中难以降解的木质素与半纤维素、纤维素相互交联，使得厌氧微生物无法快速对其进行分解和利用[5-6]，从而在消化过程中会存在发酵启动慢、降解率低、产气率低等问题。基于此，一般可通过预处理破坏秸秆的物理化学结构，使其降解成简单化合物，从而提高其厌氧消化效率和产气量。目前常用的预处理方法主要有物理法[7]、化学法[8-10]以及生物法[11-13]等。如Zhang[4]在用破碎、研磨和高温加热(60℃，90℃，110℃)对水稻秸秆进行预处理发酵产沼气时，发现这3种预处理方法在一定程度上都能够促进秸秆的产气效率；崔凤杰[14]等采用5.0% NaOH溶液预处理玉米秸秆，发现其挥发性物质(Volatile substance，VS)产气率较未经处理样品提高了38.5%；宋籽霖[15]等用NaOH预处理玉米秸秆后，发现其甲烷产率最大可提高至84.2%；而Chandra[16]等采用3% NaOH溶液预处理水稻秸秆，发现其VS甲烷产气率提高了123.9%；Zheng[17]等通过查阅大量文献总结出NaOH对秸秆甲烷产气率的促进作用在3.2%～230%之间，而采用生物预处理这一比率可提高至15%～500%之间。卞永存[18]采用稀硫酸对玉米秸秆进行预处理，结果表面半纤维素的去除率最高可达74%。此外，杨立[19]发现金属离子对秸秆厌氧发酵产气有明显的促进作用。添加金属离子组的产气量比对照组提高了41.7%。何荣玉[20]等利用复合菌剂处理玉米秸秆，产气量可提高29.54%，甲烷含量高达 68.33%。黄如一[21]等利用绿秸灵、腐秆灵等复合菌预处理的秸秆进行厌氧发酵试验，产气量可分别提高33.65%和38.32%。基于此，发现前人的研究多关注于研究采用哪种预处理方法的效果较好，而对多种预处理方法处理效果进行比较分析的研究还较少，尤其是对于添加纤维素酶的生物预处理的研究。

因此，考虑到现有研究的不足，文章以水稻秸秆为对象，对比研究了稀碱、稀酸以及生物酶解预处理等3种不同方法对秸秆出峰时间、峰值、日产气量、甲烷体积分数等方面的影响。同时筛选出各预处理方法的最佳方案，通过对其pH值，物能转化率、秸秆成分变化的相关讨论，从而可为探索出一条经济、环保、能耗低的秸秆预处理方式提供参考借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

文章选取自然条件下风干的水稻秸秆作为试验材料，取自淮安市淮阴区王营镇周围村庄，将其用剪刀切成约2～3 cm的小段，粉碎机粉碎，并测定其理化指标。本试验的接种物来源于淮安市淮阴区王营镇丁集村户用沼气池中的沼液。试验材料的理化性质见表1。

表1 试验材料的理化性质 (%)

1.2 试验装置

试验装置为淮阴师范学院生物质能与酶技术重点实验室自行设计的室内沼气发酵试验装置，主要由温控仪(WMZK-01型，控制范围10℃～100℃)、传感器、地热线(800 W)、恒温水箱、发酵瓶、集气瓶、集水瓶等部分组成(见图1)。各部分之间由橡皮塞、玻璃管和乳胶管相连，加凡士林密闭。地热线均匀分布于水箱底部，无交叉重叠，地热线间距1 cm 左右，使水箱内传热均匀。发酵瓶为2 L 的玻璃瓶，集气瓶为1000 mL 锥形瓶。发酵瓶处设有发酵料液取样口和气体采样口，定期取样进行料液pH值和沼气气体成分的测定。

1.温控仪； 2.传感器； 3.地热线； 4.恒温水箱； 5.取样口； 6.导气管； 7.发酵瓶； 8.集气瓶； 9.取气口； 10.导水管； 11.集水瓶图1 厌氧消化装置组成

1.3 试验设计

试验的整个过程分为预处理阶段、预试验阶段和正式厌氧发酵产沼气阶段，3个阶段在同一个装置内进行。预处理阶段在常温厌氧条件下进行，玻璃瓶用盖子密封。预试验和正式厌氧发酵产沼气阶段采用中温发酵，试验温度设为(35℃±1℃)。发酵装置固定在恒温水池中，池温由温控仪、传感器和地热线控制在恒定温度。

预试验设4个质量百分数处理水平：分别为2%，4%，6%，8%(NaOH，H2SO4)；酶处理法是先用4% NaOH预处理稻草秸秆，再加H3PO4调节pH值到5左右，最后分别加入10，20，30，40 U·g-1TS的纤维素酶；同时设置一个对照组(不加预处理试剂)。正式试验产沼气阶段是在上述预试验结果的基础上，选取每种预处理方法中效果最优的一组，再次重复预试验的步骤，进行厌氧发酵产沼气试验。以上所有处理样品均放置于25 ℃恒温培养箱中，7 d后装入发酵罐中然后发酵，稻草秸秆与牛粪一比一配比，干物质各取60 g，加接种沼液定容到2 L装罐。置于35℃±1℃恒温水箱中进行发酵，每日记下发酵料液pH值、所产气体各组分含量和日产气量。

1.4 测定项目

总固体质量百分数(TS)：烘干法(电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏，DHG-9030A)中105℃下烘4～6 h)；VS 测定：烘干法(马弗炉中550℃下烘1 h)；含水率：烘干法(电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏，DHG-9030A)中105℃下烘4～6 h)；pH 值：通过精密pH 计(上海雷磁，PHS-3C)测定；产气量：采用排水集气法收集气体，每天定时用量筒测量集水瓶中排出的水量，并做以记录；气体成分：采用气体分析仪(英国Geotechnical Instruments公司，Geotech GEM5000)测定；灰分测定按 GB/T 2677.3-1993；酸不溶木素的测定按照 GB/T 2677.8-1994；聚戊糖的测定按照 GB/T 2677.9-1994；纤维素测定采用硝酸-乙醇法。

2 结果与讨论

笔者探讨了目前秸秆沼气工程预处理研究中较为常用的3种方法：稀碱、稀酸以及生物酶解预处理。根据预试验各处理组的日产气量、甲烷产量以及预处理药品用量，选择空白处理、处理效果最优的6% NaOH预处理、2% H2SO4预处理以及40 U·g-1TS纤维素酶的生物预处理，进行pH值，产气量，CH4及H2含量、物能转化率、秸秆纤维成分变化的相关讨论。

2.1 厌氧发酵过程中pH值变化的对比分析

pH值是沼气发酵反应过程中的一个重要指标，沼气微生物发酵所需的pH值必须在4.0～8.5 之间，最适pH值则在7.0左右[22]。图2是不同预处理方法厌氧发酵过程中pH值的变化。

从图2可看出，不同预处理方法在发酵初期pH值是呈下降趋势，到发酵的第5天和6天，pH值降到最低点，然后逐渐上升，到发酵的第29天，pH值达到最高。pH变化的总体趋势与厌氧消化的三阶段理论相符，分别是水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段以及产甲烷阶段。pH值总体变化趋势在5.5～8.0之间，这与发酵过程中微生物的活动密切相关。在预处理阶段，大分子状态存在的木质素、半纤维素、纤维素已完成水解过程，在厌氧发酵阶段，产氢产乙酸菌将已完成预处理的产物转化为乙酸，H2，、CO2，使得pH值下降。然后，再到产甲烷阶段，通过两组生理上不同的产甲烷菌作用，一组将上一阶段产生的H2和CO2转化为CH4，或利用其他细菌产生的甲酸生成CH4；另一组对乙酸脱羧产生CH4，从而导致pH值升高。

图2 不同预处理方法厌氧消化过程中pH值的变化

综上所述，通过比较3种不同方法预处理水稻秸秆厌氧发酵的pH值，得出6% NaOH预处理组厌氧发酵阶段pH值在5.5～8.0之间波动，2% H2SO4预处理组pH值在5.09～7.52之间波动，而40 U·g-1TS纤维素酶预处理组pH值则在5.99～7.36之间波动。3种方法pH值的总体变化趋势相似相同，都在发酵的第3～5天到达低谷，然后是上升过程直至反应期末，这与厌氧发酵三阶段理论基本符合；3种方法各有特点，碱法对于符合厌氧发酵三阶段理论更明显，而酸法pH值较其他两种方法偏低；纤维素酶生物法预处理分解较为完全，淡化了第一阶段过程，再加上缓冲作用pH值的降低不是非常显著。

2.2 不同预处理对稻秸厌氧发酵产气量的影响

从图3可看出，各个预处理组很快地就进入了厌氧发酵产气的高峰期，而对照组基本上没有出现明显的产气高峰期。其中，6% NaOH预处理组的最高日产气量出现在第16 d，产气量为1369 mL；2% H2SO4溶液预处理组的第一个小高峰出现在第4天，且产气量为458 mL；随后进入波谷期，在第13天产气量最小，为54 mL；后又上升至高峰期，在第20天达到最大产气量，为1180 mL；40 U·g-1TS纤维素酶的处理组在发酵第2～3天也到达第一个小高峰，日产气量分别为610 mL和980 mL，然后在第4天到达低谷，然后再进入第二个高峰期，第11天达到最高点，日产气量分别为1204 mL和1342 mL，并持续到反应期末。从图4可看出，各个预处理组的甲烷体积百分数从发酵开始阶段就开始很快增加，且在第14天均达到30%以上，并在此基础上继续增加。而对照组甲烷含量很低，一直持续在10%～20%之间，其中6% NaOH预处理组甲烷含量最高可达到41.6%；2% H2SO4预处理组的高峰期有些滞后，但其甲烷含量最高能达到59.9%；纤维素酶生物预处理组在第8天达到30%以上，并分别在此基础上继续增加。40 U·g-1TS纤维素酶预处理组的甲烷含量最高可达到66.8%。由此可见，各预处理组均能稳定并大幅提高甲烷含量，这是因为有更多的可溶性有机物可供产甲烷菌利用[23]。

图3 各预处理厌氧消化过程中日产气量变化

图4 各预处理厌氧消化过程中CH4含量的变化

总的来说，以上结果是因为经过预处理后，水稻秸秆组分被分解，发酵液中的产酸菌和产甲烷菌能很容易的利用底物来生长繁殖，产生大量的气体。随着反应的进行，这些组分被大量的消耗而减少，产酸菌和产甲烷菌的生长繁殖减慢，产气量下降，直到最后产气停止。从整个过程来看，其中6% NaOH溶液预处理的日产气量峰值最大，40 U·g-1TS纤维素酶预处理的甲烷体积分数最高。且各预处理都不同程度的缩短了反应启动时间。

2.3 不同预处理对稻秸厌氧发酵氢气产量的影响

从图5可看出，对照组的H2含量均在200 ppm以内，总体偏低；2% H2SO4预处理的H2含量在100～250 ppm之间，含量不高；6% NaOH预处理的H2含量在100～350 ppm之间，含量较高；40 U·g-1TS纤维素酶预处理的H2含量在150～500之间，其含量最高。另外，从图4中也可看出H2产出的波动较大，其主要原因是水稻秸秆厌氧消化产生的气体中，H2只有很微量的一部分。一开始H2浓度高，是因为水稻秸秆里面的物质被分解，产生H2，之后主要就是沼气中含有的微量H2。

图5 各预处理厌氧消化过程中H2含量的变化

2.4 转化效率的对比分析

各预处理都不同程度的破坏了水稻秸秆的纤维结构，这有助于微生物对可发酵物质的利用和酶解的进行，提高秸秆的厌氧发酵转化速率[6, 24]，因此峰值及出峰时间较对照组均有所改善。与对照组相比，3种预处理均不同程度的缩短了发酵产气周期，提高了原料的生物降解速率。在物能转化率方面，对照组的TS产气率为52.6 mL·g-1，TS产甲烷率为7.5 mL·g-1。而经过预处理后的TS产气率和TS产甲烷率均有较大提高，其中6% NaOH，2% H2SO4，40 U·g-1TS纤维素酶预处理组的累积产气量分别可达18720、9498、20433 mL，较对照组分别提高了492.8%，200.8%，547.0%。可见，TS 产甲烷率：生物处理>NaOH处理>H2SO4处理>对照；累积产气量：生物处理>NaOH处理>H2SO4处理>对照。

表2 不同预处理条件下秸秆产气情况比较

2.5 厌氧发酵前后各组分变化对比分析

从图6可看出，水稻秸秆各组分中以纤维素的质量百分数为最高，其次为半纤维素，木质素的最低。而经过6% NaOH预处理后，秸秆中的纤维素含量没有减少，反而较对照组有所增加，木质素和半纤维素含量有明显降低；经2% H2SO4预处理后，木质素含量没有减少，反而较对照组有所增加，而半纤维素和纤维素含量均有降低；经纤维素酶生物预处理后，木质素、纤维素和半纤维素的含量均有所降低，这与有关文献中所描述的基本一致[25]。

综上所述，从上述3组实验对比可以得出，对于水稻秸秆，碱预处理方法对木质素的去除效果最好，高达41.5%；纤维素酶生物预处理方法对半纤维素和纤维素的去除效果最好，半纤维素去除率高达53.4%，纤维素的去除率则高达14.9%。

图6 不同预处理后各处理组组分质量百分数变化

3 结论

(1)与对照组相比，3种预处理方法物能转化率均有所提高，其中纤维素酶生物预处理的转化效率最高，其次是NaOH预处理，最后是H2SO4预处理。

(2)对于水稻秸秆，碱预处理方法对纤维素的去除效果最好，高达41.5%；纤维素酶生物预处理方法对半纤维素和木质素的去除效果最好，半纤维素去除率高达53.4%，木质素的去除率则高达14.9%。在实践中，可针对水稻秸秆组分的组成及预处理目的有效选择预处理方法。

(3)对比不同处理方法预处理水稻秸秆厌氧消化产沼气过程，经过纤维素酶预处理的pH 值、单位固体发酵产气量、底物分解率以及甲烷体积百分数总体表现要优于对照组，NaOH预处理组以及H2SO4预处理组。总的来说，添加40 U·g-1TS纤维素酶的生物预处理的效果最好，其次是NaOH预处理，最后是H2SO4预处理。

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Effect of Different Pretreatment on Biogas Production Characteristics of Rice Stalk /

ZHAO Jing1, LIU Wen-juan2, 3, DAI Ben-lin2, 4, DENG Yuan-fang2, YANG Wen-lan2/

(1.Jiangsu Engineering Consulting Center, Nanjing 210003, China; 2.Jiangsu Key Laboratory for Biomass-based Energy and Enzyme Technology, School of Chemistry and Chemical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China; 3.College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Regional Modern Agriculture & Environmental Protection, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China)

In order to explore a reasonable pretreatment method to realize the high efficient anaerobic digestion for rice straw, the effects of NaOH, H2SO4and cellulase treatment on the anaerobic digestion of rice straw were investigated. The pretreated 60 g dry matter of rice straw was put into the fermentation bottle under the constant temperature of 35℃±1℃. Comparison of anaerobic efficient, decomposition degree of material, total gas production, and biogas components under different dosage of NaOH, H2SO4, cellulase pretreatment were made. It was showed that 6% of NaOH, 2% of H2SO4, and cellulase of 40 U·g-1TS were the best dosage for their individual pretreatment.Comparing among the different methods, pretreatment with cellulase obtained the better biogas production rate, total biogas production, substrate decomposition and methane content than those pretreated with NaOH or H2SO4.

pretreatment; biogas; NaOH; H2SO4; cellulase; rice straw

2016-07-20

2016-08-30

项目来源： 国家自然科学青年基金项目(51508221); 江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心科技专项资助项目(HSXT312, HSXT227); 江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJD480001)

赵 静 (1981-)，女，硕士，主要从事工程项目咨询、节能评估、工程设计等方面的研究工作，E-mail: coldzj@163.com 通信作者： 戴本林， E-mail: benlindai@163.com

S216.4； X712

A

1000-1166(2017)01-0043-06