HCl和NaOH预处理对菊芋秸秆产甲烷潜力的影响

孟 艳，李 屹，陈来生，杜中平，韩 睿

（青海大学 农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016）

0 引言

木质纤维素类生物质是世界上最丰富的可再生资源，利用该类物质通过生物转化生产环境友好型清洁能源是目前的研究热点[1]。成本低且供应充足的农作物秸秆是我国农林废弃物类生物质中主要的木质纤维素类生物质资源，菊芋秸秆就是其中的佼佼者。菊芋是一种经济性很强的能源作物，具有耐旱、耐寒、耐盐碱、抗病虫害以及保持水土等诸多特点，可在荒漠地、盐碱地和滩涂地等非耕地种植，种植菊芋不仅能有效解决“与粮争地”的矛盾，还具备一定的生态效力[2]。同时，菊芋的生物质产量较高，其块茎亩产量约为2t，秸秆亩产量可达4～5t。目前，关于菊芋的研究主要集中在对其块茎的加工和食用等方面，而对其秸秆利用的研究相对较少，菊芋秸秆大多被废弃，没有得到有效利用。菊芋秸秆的纤维素含量是玉米秸秆、稻草、甘蔗渣和小麦秸秆的两倍以上，被认为是进行生物炼制的可行原料[3]。

木质纤维素类生物质在生产可再生能源方面存在巨大潜力，但因其原料结构的特殊性，当其通过发酵转化为甲烷时，可能会受到化学键和强化学结构的阻碍[4]。在木质纤维素类生物质厌氧消化之前对其进行预处理，可以破坏木质纤维素结构，降低结晶度，增加微生物和酶的可及性，从而增加其生物降解性，提高甲烷产量[5]。化学法是较为常见且高效的预处理方法，其中酸碱预处理被用于处理各种木质纤维素类材料[6]。

为了提高菊芋秸秆的降解率，本研究采用稀HCl和稀NaOH溶液对菊芋秸秆进行预处理，研究不同浓度的HCl和NaOH预处理对菊芋秸秆厌氧消化产甲烷特性的影响，并采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术分析其结构的变化，探讨提高菊芋秸秆甲烷产量的预处理条件，以期为提高菊芋秸秆资源的综合利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

表1列出了菊芋秸秆和接种污泥的基本性质。菊芋秸秆取自青海大学农林科学院园艺创新基地，待其自然风干后，粉碎至粒径为1～2cm，然后用自封袋密封保存备用。接种污泥取自以牛粪为原料且稳定运行的农用沼气池 （青海知源特色农 业 有 限 责 任 公 司），污 泥 取 回 后 在 中 温[（35±0.5）℃）]厌氧条件下培养7d以减小背景产甲烷量。

表1 菊芋秸秆和接种污泥的基本特性Table1 Characteristics of Jerusalem artichoke straw and inoculated sludge

1.2 实验方法

1.2.1 NaOH和HCl预处理

将 配 制 好 的0.2，0.4，0.6，0.8mol/L的NaOH和HCl溶液分别添加到菊芋秸秆中，调节含水率为70%，充分搅拌使菊芋秸秆均匀浸润，之后将混合物放入发酵瓶内，置于（25±0.5）℃的环境中处理12h。处理完后用去离子水冲洗至中性，置于（40±1）℃的 烘 箱 中 烘 干 备 用（分 别 记 为0.2NaOH，0.4NaOH，0.6NaOH，0.8NaOH以 及0.2HCl，0.4HCl，0.6HCl，0.8HCl）。另设置未处理的菊芋秸秆作为对照组，记为CK。

1.2.2 批式厌氧消化实验

在批式厌氧消化实验中，每个发酵瓶的容积为500mL，有效体积为400mL，瓶中添加的接种污泥和菊芋秸秆的总质量为400g，其VS质量比为2。发酵瓶密封放置在（35±0.5）℃的恒温水浴锅中，通过电机自动搅拌（搅拌速率为50r/min，时间间隔为3min），并通过MultiTalent203型全自动甲烷潜力测试仪自动记录每日的甲烷产量。每组实验设置3个重复，另设置只添加接种物的空白组，实验结果均为扣除空白组甲烷产量后的结果。

1.2.3 测定方法

采用烘干法测定TS含量（105℃烘6h），采用灼烧法测定VS含量（575℃灼烧2h)；采用固体溴化钾压片法进行傅里叶变换红外光谱分析；采用国标法NY/T1459-2007，GB/T20806-2006和GB/T20805-2006测定木质纤维素含量。

1.2.4 分析方法

采用修正的Gompertz模型对甲烷产量数据进行拟合处理：

式中：Bt为发酵期间某一时间的甲烷产量，mL/g（以单位质量的VS计）；Pm为产甲烷潜力，mL/g；Rm为 最 大 产 甲 烷 速 率，mL/（g·d）；e为 常 数，e=2.718282；λ为 迟 滞 时 间，d；t为 厌 氧 发 酵 时 间，d。

2 结果与分析

2.1 酸碱处理后菊芋秸秆的组分变化

不同处理菊芋秸秆的木质纤维素含量见表2。

表2 NaOH和HCl处理后菊芋秸秆的木质纤维素含量Table2 Lignocellulose content of Jerusalem artichoke straw after NaOH and HCl pretreatment

由表2可以看出：与CK相比，酸碱处理后，菊芋秸秆的木质素和半纤维素含量均下降；HCl处理后，半纤维素的降解率最大，为17.26%～31.75%；NaOH处理后，木质素的降解效果最好，降解率为6.87%～16.87%；酸碱处理后，纤维素含量均上升。木质素与纤维素的比值（L/C）可用来评估原料的生物降解性，L/C越低，表明原料越容易降解[7]。从表2可以看出，相比于CK，酸碱处理后的菊芋秸秆的L/C均降低，说明酸碱处理后的菊芋秸秆能够打破木质素和半纤维素对纤维素的包裹与束缚，提高厌氧微生物对纤维素的可及性，从而提高其厌氧消化性能[8]。

2.2 傅里叶变换红外光谱分析

酸碱处理后，菊芋秸秆内部发生了相应的化学变化，通过分析傅里叶变换红外光谱中各个官能团吸收强度的变化，可以进一步判断酸碱处理对菊芋秸秆结构的影响。在木质纤维类原料的红外 光 谱 图 中：3407，2917，1054cm-1和896cm-1附 近 的 峰 分 别 表 示O-H，C-H，C-OH和 β-（1，4）-糖苷键的伸缩振动，均为纤维素吸收峰；1733cm-1附近的峰表示乙酰基和羰基中的C=O键的伸缩振动，与木质素和半纤维素有关；1506cm-1附近的峰则表示芳香环骨架的振动，为木质素的特征吸 收 峰[9]，[10]。

图1为不同处理菊芋秸秆的红外光谱图。从图1中可以看出：相较于CK，酸碱处理组在3407，2917，1054cm-1附近的吸收峰强度无明显变化，而在896cm-1附近的吸收峰强度明显增强，这说明酸碱处理后菊芋秸秆内部的大部分纤维素被暴露出来；在1733cm-1处，CK的吸收峰较为明显，而酸碱处理组的吸收峰强度有不同程度的减弱，表明酸碱处理对木质素和半纤维素均有一定的去除作用；1635cm-1附近的吸收峰是表征吸附水的伸展振动[11]，酸碱处理组在该处的吸收峰均较为明显，说明酸碱处理后菊芋秸秆的纤维素得到润胀，对水的可及度增加，纤维素的润胀对提高菊芋秸秆的可消化性起着重要作用；相较于CK，酸碱处理组在1506cm-1附近的特征峰减弱，说明菊芋秸秆的木质素结构被破坏，木质素含量降低。

图1 不同处理菊芋秸秆的傅里叶变换红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of Jerusalem artichoke straw with different NaOH and HCl pretreatment

2.3 产甲烷潜力测试结果分析

2.3.1 甲烷日产量

图2显示了不同预处理菊芋秸秆厌氧消化时甲烷日产量的情况。由图2可以看出：在整个厌氧消化过程中，各组的甲烷日产量均呈现出先升高后降低的变化趋势，且均在第2～3天出现产气高峰；在前6d，碱处理组的甲烷日产量高于酸处理组和CK，其中，0.8NaOH组的甲烷日产量最高，为138.21mL；CK的甲烷日产量自产气高峰后逐渐降低，到第33天停止产气；碱处理组的甲烷日产量自产气高峰后迅速降低，且降低速度比CK更快，从第30天开始停止产气；相较于CK，酸处理组的甲烷日产量虽逐渐降低，但降低速度缓慢，第7～16天的平均甲烷日产量仍有23mL左右，第18～22天仍有13mL左右，且第37天仍在产气。

图2 不同处理菊芋秸秆的甲烷日产量Fig.2 Daily methane production of Jerusalem artichoke straw with different pretreatment

2.3.2 累积甲烷产量

不同处理菊芋秸秆的累积甲烷产量如图3所示。由图3可以看出：与CK相比，酸碱处理组的累积甲烷产量均有所增加，说明酸碱处理后的菊芋秸秆中可被利用的有机物成分增多，产甲烷性能提高；0.4HCl组的累积甲烷产量最大，为（229.57±13.77）mL/g，较CK提 高 了71.17%。随着酸浓度的增加，各HCl处理组的累积甲烷产量呈现出先升高后降低的变化趋势，说明酸处理有助于菊芋秸秆中纤维素的溶出，从而提高甲烷产量；但是，过高浓度的酸对菊芋秸秆的破坏力增强，在溶出纤维素的同时，会使菊芋秸秆中的糖类等有机物大量溶解，从而导致甲烷产量的降低[12]。随着碱浓度的增加，各NaOH处理组的累积甲烷产量逐渐升高，说明碱处理能够充分暴露菊芋秸秆中可以被微生物分解利用的物质，从而增加甲烷产量[13]，但要获得更大的甲烷产量，可能需要更高浓度的NaOH对菊芋秸秆进行处理。

图3 不同处理菊芋秸秆的累积甲烷产量Fig.3 Cumulative methane production of Jerusalem artichoke straw with different pretreatment

2.3.3 厌氧消化时间

厌氧消化底物的消化时间是反映厌氧消化效率的较为直观的指标之一。根据菊芋秸秆的累积甲烷产量可以计算出50%，80%和90%的累积甲烷产量的数值，以及相应的厌氧消化时间（分别用T50，T80和T90表 示），结 果 见 表3。由 表3可 知：与CK相比，酸碱处理后的菊芋秸秆在反应各阶段的消化时间均缩短，其中HCl处理组的T50缩短了2～4d，T80缩 短 了2～5d，T90缩 短 了2～4d；NaOH处 理 组 的T50缩 短 了5～6d，T80缩 短 了9～14 d，T90缩 短 了5～11d。相 较 于CK和HCl处 理，NaOH处理更能缩短菊芋秸秆的厌氧消化周期。

表3 不同处理菊芋秸秆的厌氧消化时间Table3 Anaerobic digestion time of Jerusalem artichoke straw under different pretreatment conditions d

2.4 动力学分析

动力学特性在分析厌氧消化机制、预测消化性能和改进消化过程等方面具有重要意义。不同处理菊芋秸秆厌氧消化时的累积甲烷产量与修正的Gompertz方程拟合曲线如图4所示。表4显示了不同处理菊芋秸秆甲烷产量的拟合结果。由表4可知：各处理拟合出的甲烷产量（产甲烷潜力Pm）和实际甲烷产量很接近；HCl处理组的R2为0.98～0.99，NaOH处 理 组 的R2为0.96～0.98，说 明HCl处理组的拟合效果优于NaOH处理组；NaOH处理组的Rm值均高于HCl处理组和CK，说明NaOH处理菊芋秸秆更容易提高其厌氧消化的水解速率；NaOH处理组的 λ较CK有不同程度的增加，其最长滞后时间为0.88d。

图4 不同处理菊芋秸秆累积甲烷产量的拟合曲线Fig.4 Cumulative methane production fitting curves of Jerusalem artichoke straw with different pretreatment

表4 不同处理菊芋秸秆甲烷产量的拟合结果Table4 Fitting model parameters of methane production of Jerusalem artichoke straw under different pretreatment

在前人的研究中，多为碱处理组的产甲烷性能优于酸处理组[11]，[14]。但本研究中HCl处理后菊芋秸秆的产甲烷潜力更大，这可能是因为菊芋秸秆中的纤维素含量远高于木质素，而经HCl处理后，纤维素含量进一步提高；NaOH处理后，菊芋秸秆中的木质素虽有所降解，但其降解程度较小，从而导致HCl处理后菊芋秸秆的甲烷产量更大。尽管NaOH处理能够有效缩短菊芋秸秆的厌氧消化周期，但在实际应用中，考虑到经济效益和对环境的污染等因素，低浓度的HCl更适于菊芋秸秆厌氧消化的预处理。

3 结论

①NaOH和HCl处理均能够有效打开菊芋秸秆的内部结构。其中，HCl处理后，半纤维素的降解效果最好，降解率为17.26%～31.75%；NaOH处理后，木质素的降解效果最好，降解率为6.86%～16.87%。

②0.4mol/L的HCl处理菊芋秸秆可获得最大 的 累 积 甲 烷 产 量，为（229.57±13.77）mL/g，高 于大多数木质纤维素类废弃物的产甲烷潜力，且T50，T80和T90分 别 缩 短 了3，4，4d。NaOH处 理 可以明显缩短菊芋秸秆的厌氧消化周期，其中，经0.8mol/L的NaOH处 理 后，T50，T80和T90分 别 缩 短 了6，14，11d。

和HCl处理相比，NaOH处理更能缩短菊芋秸秆的厌氧消化周期，但要获得更大的甲烷产量可能需要更高浓度的NaOH进行预处理。在实际应用中，综合考虑经济效益和对环境的污染等因素，采用低浓度的HCl预处理菊芋秸秆是更优的选择。