小麦秸秆预处理对厌氧消化性能的影响研究*

康雅茹 田光明 何 若

(1.浙江大学环境与资源学院，浙江 杭州 310058；2.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江省固体废物处理与资源化重点实验室,浙江 杭州 310012)

秸秆是一种木质纤维素生物质，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，是我国主要的农业废弃物。据统计，2017年我国秸秆的产生量为1.53亿t[1]。虽然秸秆可以用作动物饲料或用以堆肥，然而现阶段我国秸秆资源化利用并不充分，存在秸秆被丢弃或焚烧问题，这不仅浪费了宝贵资源，而且造成了严重的环境问题，如空气污染、二氧化碳排放和土壤结构恶化[2-3]。因此，发展经济有效、环境友好的秸秆处置技术是农业生产和环境保护的重要内容。

厌氧消化是在厌氧条件下微生物将有机物转化为沼气的生物化学过程，是有机物转化为可再生能源的资源化技术[4]82。厌氧消化过程通常包括4个阶段，即水解、酸化、产乙酸和产甲烷阶段。水解通常是秸秆厌氧消化的限速步骤，影响厌氧消化的沼气产量[5-6]。秸秆预处理可减少木质纤维材料的结构障碍，增加厌氧微生物对有机物的接触面积，从而提高厌氧消化产沼效能[7]。秸秆预处理技术可分为物理法、化学法和生物法。物理法主要通过研磨、蒸汽爆破、挤压和辐射等增加可接触表面积并降低纤维素的聚合度。生物法是通过酶促反应和微生物降解木质纤维素。化学法是使用硫酸、双氧水、盐酸和氢氧化钠等化学试剂进行木质素脱除或破坏木质纤维基质的键合。预处理已成为秸秆厌氧消化前的重要环节。

厌氧消化受到pH、碳氮比(C/N)、温度、水力停留时间和有机负荷率等的影响，其中，基质的C/N是调控厌氧消化稳定性和性能的关键参数[8]。厌氧消化适宜的C/N(质量比)为20～30[9]。高C/N基质(如小麦秸秆)的厌氧消化通常会经历低pH、低缓冲能力和挥发性脂肪酸(VFA)积累[10]。此外，秸秆中纤维素物质含量高、不易降解，导致厌氧消化效率低[11]。低C/N基质(如城市污泥)通常会受到氨抑制，导致沼气产量低[12]。鉴于此，本研究以城市污泥作为小麦秸秆厌氧消化共基质，对比研究了酸、碱和污泥发酵消化液预处理对小麦秸秆厌氧消化性能的影响，以期为秸秆厌氧消化处理技术的研发提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用城市污泥和小麦秸秆分别取自杭州市某污水处理厂和浙江省农业科学研究院，实验前将污泥和小麦秸秆风干，并分别磨碎过1 mm筛，实验材料的理化特性见表1。小麦秸秆采用3种不同的改性处理：1.5%(质量分数)乙酸浸泡12 h(酸预处理)；1.5%(质量分数)氢氧化钠浸泡12 h(碱预处理)；发酵10 d的污泥消化液浸泡24 h(消化液预处理)，该消化液pH为5.85，COD和氨氮分别为17 450、224 mg/L。以未处理的秸秆和城市污泥的混合物为对照。处理后小麦秸秆采用蒸馏水淋洗至出水中性，COD<89 mg/L，氨氮<17 mg/L，然后各处理小麦秸秆烘干用作实验材料。

表1 实验材料的理化特性1)

1.2 实验方法

厌氧消化反应器构建：将改性处理后的小麦秸秆和城市污泥以1∶2的质量比混合(共72 g)，加入到1 000 mL的玻璃反应器中，加水调节至固含率为9%。然后用高纯氮气(纯度99.99%)以流速200 mL/min吹洗约5 min，用橡胶塞密封，用黑色塑料包裹以避光。在橡胶塞中设置两个直径约1.5 cm采样孔用于消化液和气体取样。将玻璃反应器中的气体压力与37 ℃下的大气压力平衡约8 h后，采用改进的排水收集法测量反应器中的产气速率[13]。每个处理设置3个重复，于37 ℃的水浴中厌氧消化70 d。

1.3 分析方法

在实验过程中每天记录反应器的气体产生量，每天取气体样，采用气相色谱法分析甲烷和二氧化碳的浓度[14]。每隔一定的时间取厌氧消化液样，测定pH、总固体(TS)、挥发性固体(VS)、COD、VFA浓度和微生物群落结构。厌氧消化液pH采用pH计测定。TS和VS采用称重法测定。厌氧消化液COD和VFA浓度测定前在5 000 r/min下离心30 min以去除固态残渣，然后参照文献[15]测定COD浓度，VFA浓度采用酸性乙二醇分光光度法测定。微生物群落结构测定分析参照文献[16]。

2 结果与讨论

2.1 产气速率和产甲烷速率

由图1可以看出，反应器在第1天开始产气，但反应器初始产气量整体较少，特别是在第4～6天时，反应器产气速率<15 mL/d。可能在此阶段，反应器中有机物处于水解酸化阶段，大分子有机物如蛋白质、脂肪和木质纤维素等被微生物分解转化为小分子物质。随后，酸和消化液预处理的产气速率迅速增加，在第10天时达到了148～192 mL/d，显著高于对照和碱预处理(27～47 mL/d)。考虑实验后小麦秸秆淋洗出水COD和氨氮浓度较低，预处理过程增加的碳氮量相对较少。这可能是由于酸和消化液预处理溶解和破坏了秸秆中半纤维素与木质纤维素的结构[4]83-88，从而加速了秸秆的降解和产气。在第13、15天时，对照和碱预处理的产气速率也分别达到100 mL/d以上，并总体维持在100 mL/d以上的产气量至第40天左右。此后，反应器产气速率均逐渐下降，第64天起基本保持在10 mL/d以下。

图1 反应器的产气和产甲烷速率

在第1～3天时反应器尽管有产气，但并无甲烷产生。这主要由于在初始阶段秸秆和污泥携带有少许氧气，反应器中有机物发生了好氧降解，产生二氧化碳。随着反应器中氧气的消耗，有机物在厌氧条件下主要通过水解、酸化、产乙酸和产甲烷等阶段转化为甲烷、二氧化碳和水[17-18]。酸和消化液预处理均在第4天测得甲烷，而对照和碱预处理分别在第5、6天测得甲烷，这表明酸和消化液预处理能加速秸秆的厌氧降解，迅速进入产甲烷阶段。随着有机物在反应器中的降解，产甲烷速率逐渐增大，酸和消化液预处理分别在第27、28天时达到最大值(184、238 mL/d)。碱预处理在第29天时达到最大值(288 mL/d)，对照在第22天达到最大值(242 mL/d)。此后，产甲烷速率逐渐下降，在第59 d时对照和碱预处理中产甲烷速率<10 mL/d，消化液和酸预处理均在第64天时产甲烷速率<10 mL/d，迟于对照和碱预处理。这表明消化液和酸预处理可以使秸秆厌氧消化维持在一个较长时间的高产甲烷阶段，从而提高秸秆厌氧消化产甲烷效率。

2.2 累积产气量和累积产甲烷量

从图2可以看出，反应器产气量可分为3个阶段：在初始阶段有机物主要发生水解酸化，产气量相对较少；从第10天左右开始，反应器的累积产气量出现急速增长；在第40天左右基本达到稳定。与对照相比，酸、消化液和碱预处理分别可使秸秆和污泥共消化体系的累积产气量提高13.7%、12.0%和9.2%。这表明消化液和酸预处理可加速秸秆的降解和产气，这可能是由于半纤维素的溶解和木质纤维素结构的破坏[4]83-88。AMELIA等[19]也发现盐酸预处理可使蔗渣和椰子纤维的沼气产量分别提高31%和74%。

图2 反应器的累积产气量和累积产甲烷量

反应器累积产甲烷量与累积产气量具有相似的变化趋势。酸和消化液预处理在第9天时累积产甲烷量出现急速增长，对照在第13天时累积产甲烷量出现急速增长，而碱预处理的累积产甲烷量出现急速增长相对较迟。到实验结束时，4个反应器中消化液预处理的累积产甲烷量最多，其次为酸和碱预处理，对照最少。与对照相比，酸、消化液和碱预处理分别可使秸秆和污泥共消化体系的累积产甲烷量提高7.4%、9.5%和5.2%，这表明消化液预处理可以提高秸秆厌氧消化产甲烷速率和产量，且无需添加化学药剂，大大降低了处理成本，是一种优良的秸秆厌氧消化预处理技术。在实验的4个处理中，最终产甲烷量占总产气量的53%～57%，与文献报道的厌氧消化甲烷含量相一致[20]。

技术消化时间(T80)指厌氧消化产气达到最大产气量80%时所需的时间，可用于评价厌氧消化性能[21]。在本研究中，以实验结束时的累积产气量视为最大产气量，用于计算T80。在实验的4个处理中，消化液预处理的T80为36 d，早于酸、碱预处理和对照。这进一步说明消化液预处理可以促进秸秆厌氧消化，缩短厌氧消化时间。

2.3 累积产气量和累积产甲烷量的模拟

采用修正的Gompertz方程[22]模拟实验中4个处理的产气和产甲烷情况，拟合系数均在0.99以上(见表2)。这表明修正的Gompertz方程可以较好地拟合该反应器产气和产甲烷情况。酸和消化液预处理的产气滞留时间分别为10.0、11.5 d，均小于对照(14.0 d)和碱预处理(16.6 d)，并且酸和消化液预处理的模拟产气和产甲烷潜力均高于对照和碱预处理，这表明酸和消化液预处理可以加速秸秆的降解，提高产气和产甲烷量。碱预处理可以促进木质素碳水化合物的皂化和键断裂[23]。在本研究中，碱预处理可以提高厌氧消化产气量和产甲烷量，但其厌氧消化滞留时间比对照长。

表2 反应器累积产气和产甲烷模拟参数1)

2.4 TS和VS的变化

随着反应器中有机物的降解，TS和VS含量均出现了下降(见图3)。酸和消化液预处理反应器的TS含量下降最快。到实验结束时，TS降至4.69%～5.22%，占初始TS的52.2%～58.0%。VS的变化趋势同TS一致，到实验结束时，VS降为36.4%～41.8%。与对照相比，消化液和酸预处理能加速复杂木质纤维物质降解为简单的可溶性化合物，易于微生物利用，提高降解速率。

注：图3(a)中数据为TS在固相中的质量分数，图3(b)中数据为VS在TS中的质量分数。

2.5 消化液pH、COD和VFA浓度的变化

在厌氧消化过程中，pH是一个非常重要的参数，直接影响厌氧消化系统的性能[24]。由图4可以看出，在第7天时实验厌氧消化液的pH均低于6，这说明反应器中有机物的降解处于水解酸化阶段，不溶性大分子有机物(如脂类、多糖、蛋白质等)降解为可溶性有机物(如氨基酸、脂肪酸)。在第14天时酸和消化液预处理的pH提高到7.5以上，而对照和碱预处理的pH分别为6.32和5.23。这说明酸和消化液预处理的秸秆降解速度较快，这与反应器产气量的结果一致。在第26～46天时厌氧消化液的pH稳定在7.60～7.95，有利于产甲烷菌的生长和代谢[25]。随着有机物的降解，到实验结束时，厌氧消化液pH为8.38～8.71，呈弱碱性，这可能是由于厌氧消化过程中氨氮的累积[26]。

图4 厌氧消化液pH的变化

厌氧消化液COD和VFA浓度可以间接反映其中有机物的降解和稳定化程度。在第7天时随着大分子有机物降解转化为小分子有机物等，反应器中厌氧消化液COD和VFA较高，分别为14 533～15 642、3 710～6 168 mg/L(见图5)。随着有机物的降解，消化液COD和VFA浓度呈下降趋势，但在第14天时碱预处理的厌氧消化液COD和VFA浓度有所增加，这说明碱预处理的秸秆降解相对较慢。到实验结束时，厌氧消化液COD和VFA分别为1 839～2 238、241～417 mg/L，VFA/COD为0.13～0.19。这说明消化液中有机物的生物可降解性较差，反应器中有机物的降解基本已达到稳定化。

图5 厌氧消化液COD和VFA变化

2.6 微生物群落结构的变化

反应器厌氧消化液中微生物群落结构分析结果见表3和表4。厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门、蓝细菌门、绿弯菌门和放线菌门是反应器中主要微生物。厚壁菌门是反应器中最主要的门，主要包括己酸菌属、乙醇生孢产氢菌属、瘤胃梭菌属、罗伊氏乳杆菌属和Ruminiclostridium_1属等。在实验初期(第7天)，己酸菌属是厌氧消化液中主要的微生物，相对丰度为8.6%～32.7%。随着有机物的降解，己酸菌属的相对丰度总体逐渐降低，到实验结束时己酸菌属在厌氧消化液中的相对丰度为0～0.9%。己酸菌属可以通过糖酵解将葡萄糖转化为VFA和氢气，与厌氧消化的酸化阶段密切相关[27]。这表明小麦秸秆预处理可加速水解产酸过程，提高厌氧消化性能。乙醇生孢产氢菌属在碳水化合物的厌氧消化及制氢中具有重要的作用[28-29]。在实验初期，有机物主要以大分子形式存在，小分子糖类浓度较低。在前14天内，乙醇生孢产氢菌属的相对丰度不超过0.1%。随着有机物的降解，乙醇生孢产氢菌属的相对丰度逐渐增加，到实验结束时，厌氧消化液中乙醇生孢产氢菌属的相对丰度达到19.3%～23.5%。在反应器中己酸菌属相对丰度的变化与乙醇生孢产氢菌属相反，两者都可以作为小麦秸秆和污泥共消化的指标。瘤胃梭菌属是一种厌氧细菌，能够产生胞外纤维素酶以分解纤维素和多糖[30]。与对照和碱预处理组相比，酸和消化液预处理组在第7天的厌氧消化液中瘤胃梭菌属的相对丰度较高，这说明酸和消化液预处理能促进小麦秸秆纤维素和多糖的降解。

表3 碱、酸预处理厌氧消化液中微生物群落的相对丰度变化

表4 消化液预处理与对照厌氧消化液中微生物群落的相对丰度变化

3 结 论

(1) 酸和消化液预处理可以加速小麦秸秆水解酸化、提高厌氧消化产气和产甲烷量，而碱预处理会延滞小麦秸秆厌氧消化产甲烷阶段。

(2) 与酸预处理相比，消化液预处理小麦秸秆无需添加化学药剂，降低了处理成本，是一种优良的提高小麦秸秆厌氧消化性能的方法。

(3) 修正的Gompertz方程能够较好地拟合产气和产甲烷量，对累积产气量和产甲烷量的拟合系数均在0.99以上。

(4) 厚壁菌门是反应器中最主要的门，主要包括己酸菌属、乙醇生孢产氢菌属、瘤胃梭菌属、罗伊氏乳杆菌属和Ruminiclostridium_1属等，其中己酸菌属和乙醇生孢产氢菌属可以作为小麦秸秆和污泥共消化的监测指标，在厌氧消化前期反应器微生物主要为己酸菌属，而后期主要为乙醇生孢产氢菌属。