微需氧生物预处理对稻草秸秆厌氧消化的影响

汪楚乔, 洪 锋, 曾学良,李先宁, 黄 飞

(东南大学 能源与环境学院， 江苏 南京 210096)

随着我国社会主义新农村建设的大规模开展，农村地区经济增长与环境保护的之间的矛盾日益深化，对环境可持续的清洁新能源的需求也日益增加。随着粮食产量的连年增长，农业生产过程当中会产生大量以农作物秸秆为主的有机固体废弃物，每年产生的秸秆总量可达8亿多吨[1]，其可以视为一种潜力巨大的可再生能源，但绝大部分秸秆都被直接燃烧或者在田间随意堆弃，不仅污染了水体和大气，还浪费了宝贵的资源。

众所周知，厌氧消化是一种在农村地区广泛推广且经济效益高的工艺，可以在简单的设备条件下将农作物生物质转化成高热值的沼气，既能解决秸秆带来的环境污染，还能缓和农村地区能源的供需矛盾。秸秆是一种主要成分为木质纤维素的生物质，其含有的木质素、纤维素、半纤维素相互交联缠绕，形成的复杂结构限制了厌氧微生物对其降解和利用。在厌氧消化的过程中，难降解固体有机物的水解阶段是其限速阶段，所以在秸秆水解之前对其进行预处理非常关键。国内外对秸秆的预处理做了众多研究[2]，其中条件温和且不产生二次污染的生物预处理方法逐渐成为热点[3-4]，但这些方法中菌种、水解酶的成本问题会限制这类方法在农村地区推广使用。农家堆沤技术将秸秆等有机物堆在一起，并喷洒沼液进行预处理，作为传统方法在农村地区已经有了较为广泛的应用，但对一些关键条件如：需氧量、预处理时间等缺乏系统研究[5]。目前有很多研究采用微需氧方法对餐厨垃圾[6]、淀粉[7]等进行预处理，以提高在其厌氧发酵中甲烷的产量，但对难降解的农作物秸秆预处理的研究较少。两相厌氧发酵水解酸化阶段产生的水解发酵液不仅有发酵过程中产生的大量氮、磷等营养物质，还含有丰富的水解微生物菌群，本研究用其对秸秆进行微需氧生物预处理，意在通过水解液中的微生物在微需氧条件下改变秸秆内部结构，破坏秸秆的空间结构，并打破部分木质素与纤维素、半纤维素之间的化学键，将秸秆中难降解有机物转化成小分子有机物，以达到提高秸秆在厌氧发酵过程的产气速率，降低预处理成本的目的，同时希望构建一种成本低廉、操作简单，能在农村地区推广适用的预处理方法。

1 实验材料与方法

1.1 原料性质

实验中所用稻草秸秆来源于安徽省马鞍山市和县姥长中心村周边水稻田，于2015年9月收集后置于晾晒场自然风干(含水率低于10%)，去除残留在秸秆上的谷粒后放入粉碎机中粉碎，取过20目不锈钢筛网，不能过30目筛的颗粒。其C含量，N含量，TS,VSS,纤维素,半纤维素及木质素含量分别为44.51%，0.88%，91.21%，86.63%S,39.81%S,24.21%和11.33%。预处理所用厌氧水解液来自于实验室正常运行的两相厌氧反应器的水解酸化反应器(80 L)，底物为秸秆、餐厨和鸡粪干物质比为2∶1∶1的混合物，有机酸浓度为4.5 g·L-1。接种污泥来自于实验室正常运行的厌氧反应器中产甲烷反应器(40 L)中厌氧消化污泥，TS和VS含量分别为6.68%和2.93%。

1.2 实验方法

1.2.1 水解液生物预处理

称取35 g稻草秸秆放入500 mL具塞广口瓶中，加入水解酸化反应器中水解酸化液使得物料含水率为60%并搅拌均匀，预处理时间为10天。广口瓶塞上开孔并插入玻璃管，采用微型空气泵(1 L·min-1)向插入瓶底的玻璃管中充气，充气间隔分别为不充气、8、2.7和0.9小时，对应的空气负荷分别为0，95，285和571 mL· g-1VS·d-1。为考察水解酸化液中微生物和挥发性有机酸(VFAs)的在预处理过程中的作用，对水解酸化液进行如下处理：将水解酸化液通过0.22 μm微孔滤膜；乙酸溶液，浓度为4.5 g·L-1。具体实验设计见表1。

表1 秸秆生物预处理的操作条件

1.2.2 秸秆的BMP(生物甲烷势)实验

为研究水解酸化液生物预处理对秸秆厌氧消化特性的影响，本研究中采用BMP实验对预处理前后秸秆的产气特性进行评估。称取5 g(以TS计)预处理后的秸秆置于250 mL的西林瓶中，加入厌氧污泥作为接种物，物料与接种物比(S/I)为1，用超纯水加到200 mL刻度线，用氮气向瓶中吹1分钟后用铝塑盖密封，充分混匀后置于35℃的恒温震荡水浴箱中，最后在橡胶塞上插入连接有刻度的玻璃注射器，每日记录产气量，设置只加入接种污泥的实验组作为对照组，最终产气量扣除对照组的产气量。

1.3 分析方法

秸秆经预处理后在65℃烘箱中烘干，置于5℃冰箱中密封保存，用作测定各项指标的原料。C和N元素含量用元素分析仪(CHN-O-Rapid，Heraeus，德国)测定，半纤维素、纤维素、木质素含量采用范式法[8]，VS和TS采用烘干法测定[9]，VFAs浓度采用安装FID检测器的气相色谱仪(GC-2001，Shimadzu，日本)进行测试。

1.4 微生物贡献率

为证明水解液对秸秆预处理过程中微生物起到的重要作用，并量化微生物在预处理过程中的贡献程度，水解液中微生物贡献率计算方法如下：

贡献率=

2 结果与讨论

2.1 空气供应量对秸秆预处理的影响

很多研究表明，适量的空气可以提高秸秆的水解效率，但不影响产甲烷效率[10-11]。所以预处理过程中空气供应量的多少会直接影响后续厌氧消化的沼气产量，由于过量的氧气会使得底物中部分有机物被直接氧化，导致预处理过后的秸秆可利用的成分降低，所以需要对水解液预处理过程中空气的供应量进行优化。

2.1.1 纤维素、半纤维素、木质素及干物质变化

TS和VS是衡量秸秆中可供厌氧发酵菌群利用的干物质量的重要指标，稻草秸秆在预处理前后的TS和VS质量及降解率的变化如图1所示。可以看出，未处理秸秆的TS和VS质量分别为31.92和30.31 g，经预处理后分别降低了6.6%～15.4%和7.8%～17.78%，TS与VS的降解率都随空气供应量的升高而提高。秸秆中的半纤维素、纤维素、木质素(下文称作“三素”)占秸秆质量的70%以上，其中纤维素和半纤维素是厌氧发酵中可被生物转化成甲烷的主要物质，秸秆在预处理前后的“三素”质量和降解率如图2所示。从图中可以看出，三素的降解率都随着空气负荷的增加而提高，这主要是由于空气供应量的增多会使体系中的兼性厌氧菌群和好氧菌群更加活跃消耗更多的有机物。预处理过程中对木质素的降解促进作用最为明显，当空气负荷为571 mL·g-1VS·d-1时对木质素的降解率达到23.90%，而对纤维素和半纤维素的降解率最高分为17.62%和16.05%，主要是由于秸秆中大部分半纤维素和纤维素被木质素包裹，而当木质素在预处理过程中降解过后则会增加包裹在内部半纤维素、纤维素与微生物接触的机会，这与方文杰[5]等在用沼液处理稻草秸秆后对“三素”降解结果一致。

图1 预处理对秸秆中TS和VS量及其降解率影响

图2 预处理对秸秆中三素质量及其降解率影响

2.1.2 日产气量和累积产气量

生物甲烷势(BMP)试验可以评价有机物在厌氧发酵过程中可被降解的有机物多少，实验将经过生物预处理和未处理的秸秆投入BMP装置中进行厌氧发酵实验，产气时间为30 d。30天后不同氧气负荷预处理后的秸秆的沼气日产气量和累积产气量见图3和图4。未经处理的稻草秸秆在第3天达到产气高峰但在之后的3天中迅速下降，相反的，经过预处理的秸秆在第3天之后仍然在继续升高，直到第5～7天才达到峰值后下降。未经预处理的秸秆最高日产气量为17.65 mL·g-1TS·d-1(未处理组)，而预处理过后的秸秆最高日产气量为21.78～39.56 mL·g-1TS·d-1，比未处理的秸秆提高了1.2～2.2倍。从图4可以看出，95 mL·g-1TS·d-1空气负荷条件下预处理秸秆(A2组)的累积产气量最高，为384.9 mL·g-1TS，比未处理组提高了83.0%，比无空气供应条件下的秸秆(A1组)提高了40.5%。但总产气量并不随空气供应量增大而进一步提高，当空气负荷超过95 mL·g-1TS·d-1时，生物预处理过后的秸秆总产气量反而会下降，当空气负荷为571 mL·g-1TS·d-1时，秸秆的累积产气量最低，为261 mL·g-1TS，比无空气组秸秆的累积产气量还低4.5%。这主要是由于空气的供应量在一定范围内，会提高预处理过程中好氧和兼性厌氧微生物菌群的活性[10]，使得秸秆中有机物部分降解，其中一部分未完全氧化而是转化为有机酸、还原糖等中间产物，这亦是预处理过后的秸秆在厌氧发酵前期日产气量更高的原因；当空气供应量进一步提高，累积产气量的下降是由于秸秆中有机物，尤其是三素，在空气供应量提高后被完全氧化的量增大，可供厌氧发酵过程中利用的有机物则会随之减少。

图3 不同空气负荷预处理对秸秆日产气量影响

图4 不同空气负荷预处理对秸秆单位质量累计产气量影响

本文选取动力学方程对不同空气负荷预处理条件下的稻草秸秆产气量进行描述。

动力学方程微分形式为：

积分后表达式为：

ln(Gmax-Gt)=-kt×t+a

当t=0时，a=lnGmax,

式中：Gmax表示最终累计产气量，mL·g-1TS；kt为斜率表示产气速率常数；t表示厌氧消化进行的时间，d；Gt表示t时间时的气体累积量，mL·g-1TS。通过上式动力学表达式，用最小二乘法拟合并计算出不同空气负荷条件下的产气速率常数，用以评价不同预处理条件秸秆的产气速率，如表2所示。从表2中可以看出，各组的相关系数(R2)均大于0.97，结合图4，可以看出，秸秆经过预处理后的产气速率都高于未经处理秸秆的产气速率，当有空气存在会提高水解液生物预处理的产气速率，且当空气负荷为95 mL·g-1TS·d-1时，预处理过后的秸秆产气速率最大；而当空气负荷进一步提高时，秸秆的产气速率会随之降低，但仍高于无空气供应条件下秸秆的产气速率。

表2 不同预处理时间下秸秆的反应速率

2.2 水解液中有机酸及微生物作用

一些研究指出，挥发性有机酸可以提高木质纤维素中的半纤维素溶解率，如高浓度的乙酸在添加硝酸且在100℃条件下可以去除部分木质素，为了进一步验证本研究中水解液中微生物和有机酸在预处理过程中的影响，除菌水解液(Aa)、乙酸溶液(Ab)与未处理水解液(A2)在微需氧条件下对秸秆预处理后“三素”，TS，VS影响见图5。

图5 不同预处理液条件下秸秆VS和TS及三素降解率

由图5可见，稻草秸秆经除菌水解液(Aa组)处理后TS和VS分别降解了3.84%和3.25%，较未处理水解液(A2)组降低了47.2%和57.2%，纤维素、半纤维素和木质素降解率较A2组也大幅下降(p﹤0.05)，这能说明水解液中可以水解秸秆中“三素”及其他有机物质的微生物菌群被去除后，会大幅降低微需氧预处理过程中对有机质(TS，VS)和“三素”的降解能力。通过1.4中公式可以得出A2组中微生物对于纤维素、半纤维素、木质素的降解贡献率分别为59.3%，50.2%，73.2%，显然水解液中的微生物在预处理过程中起到了关键的作用。

乙酸溶液(Ab组)预处理稻草秸秆后，VS，TS和木质素的水解率只有1.03%～1.23%，纤维素和半纤维素水解率分别为2.54%和5.32%，这与何品晶等人用乙酸溶解预处理木质纤维素时，水解的半纤维素及纤维素量明显高于去除木质素量的结果一致[12]，这主要是由于乙酸在常温条件下不能破坏木质素单元之间的醚键，但能水解部分半纤维素和纤维素[12]。对比除菌组Aa与乙酸组Ab可以发现，除菌组后的水解液对秸秆中TS和VS及“三素”的水解率均高于乙酸组，主要是由于除菌后的水解液中除乙酸之外还有丙酸、丁酸、戊酸等有机酸，有研究证明丙酸等有机酸能在常压温和的条件下去除秸秆中的木质素、半纤维素和纤维素[13]。而且水解液经除菌处理后，其中仍然含有金属离子，这些金属阳离子可以充当催化剂的作用，提高了各种有机酸对秸秆中“三素”的水解作用。

3 结论

(1)空气的供应量对水解液预处理稻草秸秆有较大影响，随空气供应量的增加，秸秆中VS和TS及“三素”降解率都随之升高，当空气供应量为571 mL·g-1VS·d-1时对木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别达到23.90%，17.62%和16.05%。

(2)空气供应量为95 mL·g-1VS·d-1时，也就是微需氧条件下预处理过后的稻草秸秆累积产气量和产气速率常数最高，分别为384.9 mL·g-1TS和0.1132 d-1，总产气量比未处理的秸秆提高了83.0%。

(3)在微需氧预处理过程中，水解液中的微生物菌群起到了关键作用，其对纤维素、半纤维素和木质素的降解贡献率分别为59.3%，50.2%和73.2%。

(4)乙酸溶液对秸秆中成分的降解作用不明显，水解液中除微生物以外还有其他有机酸等可以提高对秸秆的降解程度。