Ca（OH）2固态温和预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响

杨茜 韦良焕 候其东 黄访 鞠美庭

摘 要：为了探索绿色高效的预处理技术，该文研究了Ca（OH）2固态温和预处理对玉米秸秆溶出物组分和物理-化学结构以及厌氧消化性能的影响。结果表明：提高处理温度能降低纤维素和半纤维素含量，提高木质素含量，但对提高还原糖含量和比表面积作用不大；碱能提高纤维素含量，降低木质素和半纤维素含量，对提高还原糖含量和比表面积效果显著。经过预处理，玉米秸秆的累积沼气产量均有所增加，但不是碱含量越高越好。60℃，6% Ca（OH）2预处理条件下的产气效果最好，累积沼气产量和单位VS产气量最大，分别为3468.5mL和271.08mL/g VS。

关键词：氢氧化钙；固态温和预处理；玉米秸秆；厌氧消化

中图分类号 X712 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）06-0069-07

Abstract：In order to explore the green and efficient pretreatment technology，this study proposed the Ca（OH）2 solid pretreatment.Firstly，the effects of different pretreatments conditions on the dissolution and physical-chemical structure of CS were studied.Secondly，the effects of pretreatment on anaerobic digestibility of CS were studied.The results showed that increasing the treatment temperature can reduce the content of cellulose and hemicellulose，and increase the lignin content，but it can't improve the content of reducing sugar and the specific surface area.The alkali pretreatment can remarkly increase the content of cellulose，reducing sugar and the specific surface area，and reduce the content of lignin and hemicellulose.After the pretreatment，the loading rate of Ca（OH）2 was 6%，treatment temperature at 60℃，the cumulative biogas production and unit VS gas production were 3468.5mL and 271.08mL/g VS，respectively.

Key words：Ca（OH）2；Solid state pretreatment at mild temperature；Corn stover；Anaerobic digestion

各類作物秸秆资源丰富，是常见的厌氧消化底物[1-4]。但秸秆特殊的物化结构（纤维素、半纤维素和木质素的相互交联；外层有蜡质覆盖）使得秸秆难以水解[4]。为提高秸秆的水解速率和产气效果，预处理显得尤为重要[5-8]。

固态预处理[4，9]虽然避免了大量流动水的存在，但却需要高浓度化学药剂、大量接种物、较长的处理时间和更多氮源[10-11]，成本效益和应用受到很大局限；且报道多侧重对产气的影响，对秸秆降解机理（溶出物及物质组分的变化）的研究还不够完善。在固态预处理常用的化学试剂中，Ca（OH）2以其廉价、低腐蚀的优势备受关注[12-15]。但根据Ca（OH）2的溶解特点，预处理大多是在低温或室温条件下进行。弱碱若达到强碱的处理效果，所需的化学剂量很高，但Ca2+离子浓度过高会对微生物的生长有抑制甚至是毒性作用[16]。根据文献报道，碱处理对底物可溶性及生物甲烷产量会随着温度的升高在一定范围内（40～80℃）更显著[17-19]。但温度与碱耦合处理对秸秆的影响，目前报道较少。

基于此，借助X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外（FT-IR）等检测方法对可溶物（还原糖、SCOD、VFAs）、底物组分及结构变化进行分析，评估预处理对玉米秸厌氧消化产气性能的影响，并对预处理可行性进行分析，以研究Ca（OH）2固态温和预处理降解机理和对厌氧消化产气的影响，旨在为秸秆的预处理研究提供新的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 玉米秸秆购自天津市静海县某玉米产区（秋季）。整株秸秆风干经粉碎机粉碎后过20目标准筛，然后用去离子水洗掉泥沙等杂质，置于20℃烘箱烘至含水率≤5%，样品袋包装并于室温保存，供后续试验使用。厌氧污泥取自天津市某现运行污泥发酵罐，4℃条件下保存待用。接种物使用前于35℃预培养并脱气7d，消除背景甲烷值[20-21]。玉米秸秆及接种物的特性如表1所示。

1.2 试验装置 试验所用厌氧消化装置根据排水集气法原理制作而成，如图1所示，装置由2支500mL锥形瓶组成的发酵瓶、排水集气瓶和1支100mL量筒组成的集水瓶构成。

1.3 试验设计

1.3.1 预处理 基于前期试验结果，为了减少化学剂量、缩短处理时间，固态预处理的含水率定为80%[22]；基于M.Peces，Giuseppe Di Girolamo[23]、Fabiana Passos[24]等的报道，处理温度选择40℃、60℃和80℃。首先，将Ca（OH）2分别配成浓度为6%、8%、10%的碱溶液备用；其次，将玉米秸秆分成若干100g的小份并置于2L的塑料瓶中，将预先配好的3种浓度的Ca（OH）2溶液分别与玉米秸秆按固液比（质量比）约1∶4混合，含水率为80%（由（1）式[25]确定），玻璃棒搅拌均匀；最后，用封口膜将塑料瓶口密封，分别置于40℃、60℃和80℃的烘箱中处理12h、24h和48h。预处理过程中没有任何搅拌或震动。预处理后，预留一小部分用于溶出物和固体相关组分的测定。

1.3.2 厌氧消化 500mL发酵瓶，300mL有效體积。底物TS值设为5%。底物与接种物（按VS计）比值为1。添加定量的NH4Cl调节底物C/N为25∶1。然后用1mol/L的Ca（OH）2调节发酵初始pH值为7.7～8.0[26]。氮吹扫5min造成厌氧环境并密封，置于（37±2）℃恒温条件下发酵，逐日记录产气量。所有试验均设3个平行试验。只含接种物和水的发酵系统作为空白组用以矫正产气结果。未预处理的玉米秸秆作为对照组。数据采集从接种后的第二天开始[27]。每天手动摇瓶2次，每次10min。

1.4 分析与计算方法

1.4.1 分析方法 总固体（TS）采用（105±5℃）干燥法；挥发性固体（VS）采用550～600℃灼烧法[28]；C、N、H元素含量，元素分析仪；产气量，试验室自制发酵系统，排水法收集；秸秆组分含量测定，根据Van Soest方法，使用FOSS检测、分析[29]；秸秆纤维结晶度变化，使用XRD分析仪，仪器条件：40kV、100mA、广角2θ、扫描范围10°～80°扫描速率4°/min、步长0.02°；秸秆官能团检测，傅里叶变换红外光谱仪，根据溴化钾（KBr）压片法制备样品[30]；秸秆表面结构观察用扫描电子显微镜（S-3700N）。

1.4.2 样品的制备方法 预处理后的样品按固液比1∶10浸泡在蒸馏水中震荡摇匀，然后用20目筛子将固液分离。液体在8000r/min离心15min后过0.45μm的水系膜，最后稀释相应倍数用于测定浸出液组分（还原糖，pH和SCOD）。固体用去离子水洗净后于60℃烘干，用于组分分析（纤维素、半纤维素和木质素）。

1.4.3 计算方法 计算公式如下：

[含水率（%）=（1-玉米秸秆干物质的量原始秸秆质量+水的质量）] （1）

2 结果与分析

2.1 预处理对溶出物的影响 预处理过程中的溶出物对后续厌氧消化有影响，还原糖可被微生物降解、利用，而碱溶木质素则无法被利用，浓度过高反而会抑制厌氧消化过程[31]。因此，对固体预处理后的溶出物组分进行进一步分析很有必要。根据郑明霞[25]报道的结果，固态预处理不是随着碱含量的提高处理效果越好。为了重点考察不同处理温度对处理效果的影响，下述图2的数据主要提供不同温度对预处理的影响。由图2A可知，经不同温度预处理后的玉米秸秆，其可溶性有机物的量随着温度的提高有所上升，但上升幅度不大。分析认为SCOD值提高不明显的原因与秸秆的生长期有关。试验所用材料为田地自然风干的完熟期玉米秸秆。根据牛文娟的报道，完熟期作物秸秆可溶性糖含量最低[32]、纤维素和半纤维素含量有所上升。与a组相比，b、d、f组分别提高了12.07%、18.99%和31.65%；与b、d、f组相比，c、e、g组分别提高了20.29%、23.68%和13.79%。SCOD的结果表明，在一定范围内提高处理温度，SCOD中的纤维素和半纤维素能有所降解，这一结果与郑万里的报道结果一致[18]。添加Ca（OH）2后，碱能降解木质素及部分半纤维素[4]，与各组对照SCOD值相比，提高的部分应为溶出的碱木素及半纤维素的含量。

但SCOD是一个相对宏观的指标，微生物能降解利用的物质是还原糖或短链VFAs（如乙酸、丙酸和丁酸）。经过预处理，即使SCOD的值提高了，若还原糖的值不高，微生物没有充足的原料反应，生长、繁殖速度受到限制，仍然不利于提高整体发酵效率。由图2B可知，碱或温度分别对处理后还原糖的提高均有效果，但碱与温度联合处理的效果会随着碱含量的升高效果更明显。与对照组b、d、f组相比，添加相同碱含量的c、e、g组随着温度的升高，还原糖量逐渐上升，较之分别提高了28.67%、55.69%和53.14%。分析认为出现这种现象的原因是碱与半纤维素作用的结果。半纤维素的聚合度多在80～200，与纤维素相比聚合度很低。在碱性条件下，纤维素会发生碱性降解（分子链断裂）生成葡萄糖；半纤维素会溶解生成小分子糖类[4，14]。同时，由于秸秆中某些乙酰基组分水解产生了有机酸（如乙酸）[33]，体现在预处理后的pH值降低。而水解生成的有机酸又可以促进半纤维素水解产糖，提高底物的可生物降解性，有利于产气的进行[5]。

乙酸作为甲烷发酵的重要中间产物，量的多少决定了产甲烷菌生长、代谢的速度。为了明确碱和温度是否会对完熟期的玉米秸秆中水溶性有机酸含量产生影响，试验借助VFAs指标进行分析。由图2C可知，与对照组a相比，b-g组的VFAs值均有不同程度的提高，其中，与b、d、f组相比，c、e、g组较各自对照组分别提高了16.81%、41.21%和36.02%。

2.2 预处理对组分含量的影响 由表1可知，未处理的秸秆中三素含量分别为40.00%、18.26%和11.02%。经不同条件预处理后，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量均有不同程度的变化。由表2可知，与a组相比，b、d、f组的纤维素含量分别降低了0.28%、0.32%、0.89%。与b、d、f组相比，c、e、g组的纤维素含量分别提高了2.85%、4.23%、5.05%。与a组相比，b、d、f组的半纤维素含量分别降低了0.52%、0.97%、1.84%；与b、d、f组相比，c、e、g组的半纤维素含量分别降低了0.33%、0.60%、0.64%。与a组相比，b、d、f组的木质素含量分别降低了0.05%、0.41%、0.72%；与b、d、f组相比，c、e、g组的木质素含量分别提高了0.85%、1.76%、2.2%。结果表明，温度及碱对秸秆中三素的含量变化影响较大。以半纤维素为例，40℃与40℃加入Ca（OH）2对半纤维素含量的影响不显著；但是温度升到60℃和80℃，40℃与60℃、80℃之间的结果差异均显著。在温度达到60℃以上，加入Ca（OH）2会对结果产生显著影响；但60℃加入Ca（OH）2与80℃不加Ca（OH）2结果差异并不显著，说明升温能在一定程度上替代碱的处理效果。

2.3 预处理对表面结构的影响 结合杜静[33]的报道，试验结果表明一定温度和碱剂能提高预处理后可溶物的组分。对比预处理前后玉米秸秆的电镜图片，如图3所示。从微观形态上看，与原始秸秆对比，通过温和湿热预处理（如图e所示），玉米秸秆表面产生明显的褶皱，比表面积有所增加，但与b、d、e、f和g组添加Ca（OH）2的效果相比，仅是温和湿热预处理对提高秸秆比表面积的效果不显著。对比b、c和d组的电镜图片，在添加相同Ca（OH）2剂量时，发现随着温度的提高，玉米秸秆的比表面积明显增大，逐渐出现撕裂、褶皱和凸起，产生许多微孔，结果表明碱与温度联合预处理对提高玉米秸秆的比表面积效果显著。对比d、f和g组的电镜图，在相同含水率（80%）和处理温度条件下，增加Ca（OH）2的负荷能使玉米秸秆表面产生裸露的骨架，微孔更加明显。但通过对比f和g组的电镜图，并结合表2的试验数据，结果表明不是碱含量越高，处理效果越显著。

2.4 预处理对官能团的影响 由图4的谱图可知，几组红外谱图基本相同，在3322cm-1、2920cm-1、1362cm-1、1192cm-1处均有强吸收峰，这分别是由于纤维素O-H、C-H、C-O-C、C-OH和分子内氢键的伸缩、弯曲振动引起的；在835cm?1处的吸收峰代表了纤维素?-糖苷键的振动。这几处强吸收峰说明预处理后的秸秆依旧存在大量纤维素。在3429cm-1、1642cm-1、1730cm-1处的强吸收带是来自半纤维素上的-OH的伸缩振动的信号，说明预处理后的半纤维素也存在。从FT-IR谱图中发现，在1512cm-1和1600cm-1处发现了芳香环所特有的吸收峰出现，说明处理后的玉米秸秆中仍有木质素的存在。

2.5 预处理对结晶度的影响 借助XRD谱图可用来分析预处理前后玉米秸秆中的纤维素降解情况。由图5可知，在14.7，16.4和22.5°（2θ）处[34]发现了与纤维素谱图中衍射峰类似的峰。虽然谱图中的几组形状基本相同，但在16.4°（2θ）处却有差异，峰头变得平缓，谱图结果表明处理后的秸秆中仍有纤维素的存在，但预处理却使玉米秸秆中的纤维素形态结构发生了变化。与对照组相比，添加Ca（OH）2的3组衍射峰在测试图中的16.4°（2θ）处较为平缓，但各样品的峰位置没有发生变化。结果表明：XRD的谱图表明，经过Ca（OH）2预处理后的玉米秸秆中纤维素的无定形区和结晶区均遭到不同程度的破坏，结晶度有所降低。预处理后的玉米秸秆更有利于微生物及酶的附着、降解。

2.6 预处理对产气的影响 经不同Ca（OH）2碱含量预处理玉米秸秆的厌氧消化累积产气量变化如图6所示。由图6可知，玉米秸秆经不同温度与碱含量处理后的沼气产量差异较大。与未预处理组相比，对照组（b、c、d）的沼气产量随着处理温度的上升而上升。结合图B和C的数据，说明一定温度预处理不仅能提高溶出物中还原糖和VFAs含量，还能提高沼气产量。与对照组相比，厌氧消化30d后，3组添加Ca（OH）2预处理后的玉米秸秆累积产气量均呈明显增长趋势，其中，e和f组比对照组b分别提高了14.73%和21.99%，g和h组比对照组c分别提高了14.49%和11.27%，i和j组分别比对照组d提高了0.62%和3.91%。累积产气结果表明处理温度与碱联合预处理对提高沼气产量有益。分析认为出现这种现象的原因是由于固态预处理过程中，碱处理使部分半纤维素得到降解生成的还原糖并未流失，而是吸附在秸秆表面，加之处理后的秸秆表面出现微孔，利于微生物的吸附，且纤维素的含量提高有利于微生物的利用。由此导致3组经过预处理的累积产气量要高于对照组。对比e、g、j 3组数据，相同Ca（OH）2碱含量预处理后的玉米秸秆，随着处理温度的提高，其累积沼气产量也有所增加。对比e和f、g和h、i和j，结果表明相同处理温度条件下，随着预处理中碱含量的提高，对应的累积沼气产量有所提高，但不是预处理中碱含量越高越好，对比g和h组，g组比h组累积沼气产量提高了2.89%。分析认为出现这种现象的原因是由于在没有流动水的存在，碱试剂与玉米秸秆表面的接触面积有限，能够裸露纤维素的量有限，由此导致的累计产气量并未随碱含量的增加而增加。

为方便描述日产气结果，图7A所示为对照组与空白组的日产气结果；B为经不同温度和Ca（OH）2碱含量预处理玉米秸秆的厌氧消化日产气量。由图7A可知，与未预处理组相比，经不同温度预处理后的3组玉米秸秆在第一天出现第一个产气高峰，但产气差距不大；随后3组进入产气低谷，又在10～12d先后出现第二个产气高峰，再出现次低谷，直至产气结束。与对照组相比，每组两个产气高峰的出现时间相差不大，最大日产气量较空白组有所提高。由图7B可知，添加Ca（OH）2的6组日产气趋势基本相似，都是在第一天出现第一个产气高峰，然后进入产气低谷；在第8～10d，各组先后出现第二个产气高峰，然后进入次低谷，直至产气结束。对比2个产气高峰，第一个产气高峰相差不大，第二个产气高峰，以60℃，6% Ca（OH）2处理条件的日产气量最大，比对照组和h组分别提高了27.83%和8.70%。分析认为出现这种产气现象的原因与溶出物中还原糖含量以及纖维素的含量有关。参考图2B的结果，溶出物中还原糖的含量越高，微生物短期内可利用的底物越多，适应环境越快，产气越高，但与SCOD值相比，还原糖含量较低，所以第一个产气高峰及时间差距不大。但由于不同温度及碱含量对预处理后玉米秸秆中纤维素的含量影响较大，随着产气的进行，纤维素的含量越高，微生物可利用的底物越多，其产气量越高。根据日产气量的试验结果，以60℃，6% Ca（OH）2预处理条件下的玉米秸秆产气效果更优。

2.7 预处理对消化时间的影响 经不同温度及Ca（OH）2碱含量预处理后的玉米秸秆厌氧消化时间如表3所示。由表3可知，与未预处理组相比，经过预处理后的玉米秸秆其产气量达到总产气量50%和90%的厌氧消化时间均有所提前。与对照组（b、c、d）相比，添加Ca（OH）2的6组在T50时的厌氧消化时间差距不大，都是第10天达到；在T90时，e、f、g和h组到达总产气量90%的时间最短，为19d。但g组的产气量最高。由厌氧消化时间的结果，在60℃，6% Ca（OH）2预处理条件能有效提高玉米秸秆的产气效率，在工程上能够有效地减少水力停留时间。

2.8 预处理对单位产气量的影响 厌氧消化30d后，不同温度及碱含量对玉米秸秆单位VS产气量的影响如图8所示。由图8可知，与空白组相比，对照组（b、c、d）的单位VS产气量较之分别提高了5.68%、18.20%和19.86%；与对照组b相比，e和f组的单位VS产气量较之分别提高了14.74%和21.99%；与对照组c相比，g和h组的单位VS产气量较之分别提高了14.49%和11.27%；与对照组d相比，i和j组的单位VS产气量较之分别提高了0.35%和3.91%。对比i和j组，h和j组的结果，单位VS产气量并未随着Ca（OH）2浓度的增加而升高。综合单位VS产气量的结果，以60℃，6% Ca（OH）2预处理的单位VS产气量最好。

2.9 可行性分析

2.9.1 处理成本 以300mL发酵瓶的有效容积计算，经过处理后的玉米秸秆厌氧消化30d总产气量为3468.50mL。换算成一个8m3发酵罐，厌氧消化30d，产气92.49m3。8m3发酵罐按每年工作4个月计（只算夏季），经过该方法预处理后的玉米秸秆可产气369.96m3。消耗的玉米秸秆量为1.60t。1.60t玉米秸秆需要Ca（OH）2 96kg。其中，Ca（OH）2按350元/t[13]计，共需碱试剂33.60元。

2.9.2 能耗费用 以Ca（OH）2固态温和预处理方法计算，其能耗来源是电和水。其中，电加热部分可以用厌氧消化过程中的余热代替，暂计为0元。假设玉米秸秆含水率为0%，预处理中80%的水全部来自外源添加。处理1.60t玉米秸秆需要水费约28.16元（按天津市2017年一季度水费价格计）。

3 结论

（1）仅提高处理温度只能降低纤维素和半纤维素含量，提高木质素含量，但对提高还原糖含量和比表面积作用不大；加入Ca（OH）2后能显著提高纤维素含量，降低木质素和半纤维素含量，对提高还原糖含量和比表面积效果显著；

（2）与对照组（中温预处理）相比，添加碱后玉米秸秆的比表面积增加、结晶度有所下降；

（3）经过预处理，累积沼气产气量均有所增加，但温度与碱联合处理的效果不是碱含量越高越好。60℃，6% Ca（OH）2预处理条件最好，累积产气量和单位VS产气量分别为3468.5mL和271.08mL/g VS。

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（责编：张宏民）