宋曉聰， 趙 慈， 王 琛， 沈 鵬, 陳 忱

(中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012)

隨著環(huán)境惡化和能源危機兩個問題的日益突出，沼氣作為世界第四大能源被認(rèn)為是化石燃料最有前途的替代品之一[1～2]。通過厭氧消化技術(shù)可將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為沼氣，但是由于其復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)限制厭氧微生物的降解[3]。因此，需要通過預(yù)處理來改善木質(zhì)纖維素的生物降解性。在各種預(yù)處理方法中，水熱預(yù)處理被認(rèn)為是生態(tài)友好且經(jīng)濟可行的一種預(yù)處理方法[4]。水熱預(yù)處理是一個非常復(fù)雜的過程，因預(yù)處理溫度和時間的不同，水熱預(yù)處理效果存在差別。

Reza[5]探討了木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化為褐煤狀生物炭的熱化學(xué)過程。在200℃，230℃和260℃的條件下，處理火炬松5～30 min，通過衰減全反射(ATR)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、元素分析和氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)來分析水熱碳化后的生物炭產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)水解和脫羧是水熱碳化的主要反應(yīng)，但也會發(fā)生縮合、聚合以及芳構(gòu)化。Liu[6]利用水熱法對玉米秸稈進(jìn)行改性處理，以改善玉米秸稈載體微生物固定的物理化學(xué)性質(zhì)。他發(fā)現(xiàn)預(yù)處理可溶解玉米秸稈的部分組分以達(dá)到降解木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的目的。最佳改性條件(200℃處理20 min)下，玉米秸稈的比表面積和孔隙率分別比未處理的提高了1倍。改性載體系統(tǒng)中的乙醇產(chǎn)量增加了57%。這些發(fā)現(xiàn)證實了水熱處理能有效地改善木質(zhì)纖維素載體的性質(zhì)，實現(xiàn)了更好的固定化和發(fā)酵性能，從而有益于木質(zhì)纖維素廢物的資源化利用。Chandra[7]等發(fā)現(xiàn)在200℃水熱處理稻草10 min時，獲得的甲烷產(chǎn)率比未預(yù)處理的提高了222%。Wang[8]在180℃下預(yù)處理稻草產(chǎn)甲烷總量提高9.5%。Raheem[9]等發(fā)現(xiàn)170℃的熱或熱化學(xué)預(yù)處理對廢活性污泥更有效。Lin[10]在135℃下對葡萄糖和甘氨酸的混合物處理15 min，獲得184.9 g·mL-1的甲烷產(chǎn)量。Fernández[11]在25℃，100℃，150℃和200℃水熱處理條件下，研究了葵花籽油餅的生物甲烷潛力，發(fā)現(xiàn)在100℃時獲得向日葵油餅的最大甲烷產(chǎn)率。還有研究發(fā)現(xiàn)，對于200℃以內(nèi)的預(yù)處理溫度，最佳水熱時間在10～30 min范圍內(nèi)，同時這適用于處理一些水果、蔬菜、秸稈和甘蔗渣類原料[1, 11]。另一方面，一些研究人員認(rèn)為水熱預(yù)處理對木質(zhì)纖維素原料的甲烷產(chǎn)量沒有影響甚至有負(fù)面影響。

在較低溫度(120℃和150℃)下處理芒草，產(chǎn)甲烷沒有得到明顯增強，而在200℃水熱條件下，消化時間的最佳條件比原料節(jié)省50%[12]。Wang[8]等發(fā)現(xiàn)雖然稻草經(jīng)水熱預(yù)處理后增加了可溶性組分，但是其厭氧消化性能卻沒有大幅提高，并且最大沼氣產(chǎn)量提高率僅為3%。20℃，70℃，85℃和120℃的熱預(yù)處理以及160℃的酸或蘇打預(yù)處理對Ppalmata藻類的甲烷潛力沒有顯著影響。甚至在高溫預(yù)處理(180℃ ～200℃)后，Ppalmata藻類的甲烷潛力反而被抑制了[13]。Razavi[14]發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，在預(yù)處理強度達(dá)到一定范圍后，甲烷產(chǎn)量隨預(yù)處理溫度的增大而降低。

基于上述，針對不同的木質(zhì)纖維素原料，水熱預(yù)處理的最優(yōu)溫度、時間等條件沒有一致性結(jié)論，甚至出現(xiàn)截然相反的觀點。因此本研究引入預(yù)處理強度logR0這一概念，通過綜合考慮預(yù)處理時間、溫度以及pH值等因素來更精確地比較不同預(yù)處理條件對木質(zhì)纖維素原料厭氧消化的影響，進(jìn)而獲得最優(yōu)預(yù)處理工藝。具體而言，本研究通過分析玉米秸稈在不同水熱預(yù)處理條件下理化特性變化以及厭氧消化后的產(chǎn)甲烷性能，來探究不同強度水熱預(yù)處理提高農(nóng)業(yè)廢物厭氧產(chǎn)沼氣的機理以及最優(yōu)預(yù)處理工藝，以期為農(nóng)業(yè)廢物資源化提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米秸稈取自北京市延慶郊區(qū)。玉米秸稈的總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)含量分別為95.29%和86.85%。接種物取自順義區(qū)東華山村沼氣站。接種物的TS和VS含量分別為14.74%和8.92%，pH值為7.50。

1.2 實驗裝置

本實驗的預(yù)處理裝置是WZC型高壓反應(yīng)釜(見圖1)，厭氧消化實驗采用批式厭氧消化裝置(見圖2)，由2個500 mL的藍(lán)蓋瓶和玻璃水槽組成，并且由乳膠管連接。其中1個藍(lán)蓋瓶作為厭氧消化反應(yīng)器，有效體積為400 mL，另1個藍(lán)蓋瓶作為集氣瓶。35℃±1℃的恒溫水浴反應(yīng)器保證中溫厭氧消化。

圖1 預(yù)處理實驗裝置[15]

圖2 批式實驗裝置

1.3 實驗方法

根據(jù)預(yù)處理溫度越高，所需反應(yīng)時間越短的規(guī)律及文獻(xiàn)報道的相關(guān)研究結(jié)果[8, 16-19]，設(shè)定如下預(yù)處理條件：50℃時預(yù)處理時間為1440～4320 min,100℃為5～30 min,150℃為5～20 min和200℃為5～10 min；實驗分兩組進(jìn)行，一組單獨水熱預(yù)處理，另外一組同時添加玉米秸稈干重2%的NH3·H2O；預(yù)處理的固液比設(shè)定為1∶6。

批式厭氧消化實驗的上料負(fù)荷為50 gTS·L-1(根據(jù)預(yù)處理前的TS計算)，接種物添加量為20 gTS·L-1，調(diào)節(jié)pH值至7.5～8.0，加入自來水至反應(yīng)器總體積的80%，封蓋后中溫厭氧消化35℃±1℃ 30 d。在相同條件下設(shè)置未預(yù)處理組和只添加接種物的對照組，每組設(shè)置3個平行樣。

1.4 分析方法

通過SP-2100氣相色譜儀每天檢測氣體成分。通過元素分析儀(Vario EL/cube，Germany)分析C,H,O,N元素的百分含量。TS和VS含量采用國標(biāo)法[20]測定。用pH計(CHN868，Thermo Electron，USA)測量每個反應(yīng)器的pH值。利用GC-2014氣相色譜儀分析VFAs。使用DNS法檢測還原糖含量[21]。木質(zhì)纖維素成分使用纖維分析儀(ANKOM，A2000i，USA)測定[22]。玉米秸稈表觀形態(tài)通過Hitachi S-4700型號掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。

(1)

式中：t為反應(yīng)時間，min；T為反應(yīng)溫度，℃。不同預(yù)處理條件下的logR0見表1。

表1 不同預(yù)處理條件下的logR0

主成分分析(PCA)使用SPSS軟件(版本17.0)進(jìn)行。本文中的圖表是使用Excel 2010和Canoco 5軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 水熱預(yù)處理玉米秸稈作用機理分析

2.1.1 pH 值和乙酸變化

在預(yù)處理過程中，添加到玉米秸稈中的水由于產(chǎn)生H+而自身離子化，在高溫下起酸催化劑的作用，從而將pH值降低到酸性水平[1]。目前，許多研究根據(jù)pH值變化來確定預(yù)處理效果[24]，因此，pH值是評估預(yù)處理效果的關(guān)鍵指標(biāo)[25]。預(yù)處理后的pH值顯示出不同程度的變化(見圖3)。當(dāng)預(yù)處理強度1.09≤logR0≤3.09時，pH值在6.02～8.88之間波動；當(dāng)3.47≤logR0≤7.27時，pH值隨預(yù)處理強度logR0的增加而減小(pH值從6.61降到3.64)。在6.81≤logR0≤7.27時，pH值下降到3.83～3.64，這可能與較高的乙酸含量有關(guān)[26]。乙酸是有機物生產(chǎn)甲烷的主要中間體[27-28]，玉米秸稈經(jīng)不同強度處理后的乙酸濃度1.35～9.10 g·L-1，都明顯高于未預(yù)處理組，是未預(yù)處理組乙酸濃度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。當(dāng)6.81≤logR0≤7.27時，預(yù)處理組的乙酸濃度是未預(yù)處理組的11.23～22.87倍，雖然揮發(fā)性有機酸是有機材料生產(chǎn)甲烷的主要中間體[27]，但是過量濃度的揮發(fā)性有機酸會導(dǎo)致非常低的甲烷總量，因此，適當(dāng)濃度的揮發(fā)性有機酸對隨后的厭氧消化非常重要[26]。

圖3 pH值和乙酸濃度隨預(yù)處理強度的變化

2.1.2 元素變化

不同logR0下玉米秸稈中的元素含量如表2所示。隨著預(yù)處理強度logR0的增大，N元素的相對含量在逐漸增加。logR0分別為2.45，2.59，3.97和7.01時，N元素的含量分別為0.87%，0.89%，0.94%和1.01%，分別比原料的N元素含量提高了19.18%，21.92%，28.77%和38.36%；并且隨著logR0的增大，N元素含量提高的速率也在逐漸增加。預(yù)處理后玉米秸稈中的C元素含量均高于未預(yù)處理組，比其提高了3.95%～15.24%。預(yù)處理后玉米秸稈中的H元素含量均低于未預(yù)處理組。O元素的含量隨logR0的增大而減小，不同logR0下的O元素的含量比原料的O元素含量降低了1.37%～14.62%。這說明水熱預(yù)處理后，玉米秸稈中部分的H和O被溶解進(jìn)入液體中，因而致使N和C元素相對含量增加。有研究稱高O/C表示多糖類化合物含量較高，而低O/C表示木質(zhì)素類物質(zhì)含量多[29]。從表2可以看出，O/C隨logR0的增大而減小，logR0分別為2.45，2.59，3.97和7.01的條件下，O/C分別為1.01，0.99，0.97和0.79。玉米秸稈中纖維素和半纖維素大分子逐漸降解成較小的分子，因而出現(xiàn)O/C減小的現(xiàn)象。同時隨著預(yù)處理強度的增加，玉米秸稈中的大分子重新聚合生成了類木質(zhì)素物質(zhì)，致使O/C更小。

表2 不同logR0下玉米秸稈中的元素含量

2.1.3 表觀結(jié)構(gòu)變化

掃描電鏡是用于研究木質(zhì)纖維素原料表面結(jié)構(gòu)最有力的工具之一[30]。通過掃描電鏡可以觀察到玉米秸稈的表面結(jié)構(gòu)變化，從而判斷預(yù)處理的效果。圖4～圖8表示不同預(yù)處理條件下的玉米秸稈的SEM圖像。未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈表面光滑(見圖8))，結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞。預(yù)處理后的玉米秸稈，不論預(yù)處理強度的大小，玉米秸稈結(jié)構(gòu)均遭到一定程度上的破壞，表面粗糙，有的斷裂成小碎片。Ciesielski[31]發(fā)現(xiàn)隨著水解的增強，預(yù)處理后的玉米秸稈“SEM粗糙度”得到增加。在logR0為7.01的預(yù)處理條件下，玉米秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被暴露(見圖7)。這表明不同強度的預(yù)處理可以破壞玉米秸稈的表皮結(jié)構(gòu)。

圖4 logR0 2.45玉米秸稈電鏡掃描圖

圖5 logR0 2.59玉米秸稈電鏡掃描圖

圖6 logR0 3.97玉米秸稈電鏡掃描圖

圖7 logR0 7.01玉米秸稈電鏡掃描圖

圖8 未預(yù)處理玉米秸稈電鏡掃描圖

2.1.4 化學(xué)組分變化

不同logR0下玉米秸稈的化學(xué)組分變化如圖9所示。

圖9 化學(xué)組分變化與logR0之間的關(guān)系

整體來看玉米秸稈中的木質(zhì)素含量隨預(yù)處理強度logR0的增加而增大，Aguilar[32]得到了類似的結(jié)論。水熱預(yù)處理條件下，玉米秸稈中的木質(zhì)素含量從5.09%增加到9.86%(logR0為1.09～7.27)；加氨水熱預(yù)處理后，玉米秸稈中的木質(zhì)素含量從5.97%增加到13.71%(logR0為2.58～7.12)。Ko[33]報道稱logR0在8.25～12.51之間時，木質(zhì)素含量從29.3%增加到40.3%。Nitsos[34]在預(yù)處理強度為4.69的條件下，處理櫸木發(fā)現(xiàn)：木質(zhì)素含量增加了26%～35%。預(yù)處理后木質(zhì)素的相對含量得到提高，這主要是因為木聚糖的溶解，而木質(zhì)素保留在了預(yù)處理后回收的固體中[33]。除logR0為2.45，3.56，4.35的預(yù)處理強度外，其他條件下的半纖維素含量均得到降低。尤其是在logR0為6.81～7.27時，半纖維素含量降到了1.53%～4.06%(未預(yù)處理組為28.36%)。

2.2 厭氧消化特性分析

2.2.1 VS甲烷產(chǎn)率

VS甲烷產(chǎn)率與logR0之間的關(guān)系如圖10所示。未預(yù)處理組的VS甲烷產(chǎn)率為112.82 mL·g-1VS。水熱預(yù)處理條件下，預(yù)處理強度logR0為1.09～2.45時，VS甲烷產(chǎn)率隨logR0的增加而增大；預(yù)處理強度logR0為2.45～7.27時，VS甲烷產(chǎn)率隨logR0的增加而減小。logR0為2.45時，玉米秸稈獲得最高VS甲烷產(chǎn)率，為158.07 mL·g-1VS，比未預(yù)處理組的112.82 mL·g-1VS提高了40.11%；其次是logR0為1.98時，玉米秸稈的VS甲烷產(chǎn)率為151.54 mL·g-1VS。加氨水熱預(yù)處理時，玉米秸稈的VS甲烷產(chǎn)率隨logR0的增大而減小(logR0為2.59～7.12)；logR0為2.59時，玉米秸稈的VS甲烷產(chǎn)率較高，為148.19 mL·g-1VS，比未預(yù)處理組的112.82 mL·g-1VS提高了31.35%。在logR0為6.81～7.27之間時，玉米秸稈的VS甲烷產(chǎn)率僅為87.55～0.14 mL·g-1VS，這種現(xiàn)象是由于糠醛和5-羥甲基糠醛等物質(zhì)的形成而導(dǎo)致的，這些物質(zhì)會抑制厭氧消化過程[35,36-39]。因此，控制預(yù)處理強度非常重要，這可以避免形成一些抑制劑[38]。

圖10 VS甲烷產(chǎn)率與logR0之間的關(guān)系

2.2.2 有機組分，pH值，logR0以及VS甲烷產(chǎn)率之間的關(guān)系

通過主成分分析(PCA)研究了VFAs、還原糖、木質(zhì)纖維素組合物含量，pH值，logR0以及VS甲烷產(chǎn)率之間的相關(guān)性(見圖11)。PCA中的主要成分1(PC1)和主要成分2(PC2)分別占55.79%和16.54%。預(yù)處理后的pH值和半纖維素與甲烷產(chǎn)率有很強的正相關(guān)性而與logR0呈負(fù)相關(guān)。VFAs、木質(zhì)素和還原糖與預(yù)處理強度logR0呈正相關(guān)。這表明較高的預(yù)處理強度能有效去除半纖維素，這樣可以獲得更好的酶促可及性，從而增強VFAs和還原糖的量[4]。此外，VS甲烷產(chǎn)率與logR0和木質(zhì)素含量間呈明顯的負(fù)相關(guān)。Monlau[40]等也發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量與木質(zhì)纖維素底物的產(chǎn)甲烷潛力呈負(fù)相關(guān)。類似地，Buffiere[41]等表明木質(zhì)素的含量與厭氧生物降解性存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。預(yù)處理過程中纖維素和木質(zhì)素經(jīng)歷了各種化學(xué)反應(yīng)，釋放出VFAs、低聚糖、木質(zhì)素衍生的酚類、糠醛和HMF的化合物[42]。在較高的logR0下，木質(zhì)素含量的增加導(dǎo)致總甲烷產(chǎn)率的降低[11]。

圖11 有機組分,pH值,logR0以及VS甲烷產(chǎn)率之間的相關(guān)性

3 結(jié)論

玉米秸稈經(jīng)不同強度的水熱預(yù)處理后發(fā)現(xiàn)：

(1)一定強度的預(yù)處理能夠增大玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能。logR0為2.45時，玉米秸稈獲得了最高VS產(chǎn)甲烷率，為158.07 mL·g-1VS，比未預(yù)處理組的VS產(chǎn)甲烷率112.82 mL·g-1VS提高了40.12%。

(2)水熱預(yù)處理可以增大玉米秸稈的水解程度，使玉米秸稈預(yù)處理后的乙酸濃度1.35～9.10 g·L-1得到明顯提高，是未預(yù)處理組乙酸濃度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。

(3)水熱處理后玉米秸稈的元素組成、表觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化：隨預(yù)處理強度的增大，玉米秸稈的O/C得到了不同程度的降低，有類木質(zhì)素物質(zhì)生成。不論預(yù)處理強度的大小，玉米秸稈表面結(jié)構(gòu)均遭到一定程度的破壞，并且隨著logR0的增大，表面粗糙度也在增加。

(4)水熱預(yù)處理也能夠改變玉米秸稈的木質(zhì)纖維素組分。在logR0為6.81～7.27時，半纖維素相對含量降到了1.53%～4.06%(未預(yù)處理組為28.36%)。水熱預(yù)處理條件下，玉米秸稈中的木質(zhì)素相對含量從5.09%增加到13.71%。主要是因為木聚糖發(fā)生溶解，而木質(zhì)素保留在了預(yù)處理后回收的固體中。