微需氧生物預(yù)處理對稻草秸稈厭氧消化的影響

汪楚喬, 洪 鋒, 曾學(xué)良,李先寧, 黃 飛

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

隨著我國社會主義新農(nóng)村建設(shè)的大規(guī)模開展，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的之間的矛盾日益深化，對環(huán)境可持續(xù)的清潔新能源的需求也日益增加。隨著糧食產(chǎn)量的連年增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中會產(chǎn)生大量以農(nóng)作物秸稈為主的有機(jī)固體廢棄物，每年產(chǎn)生的秸稈總量可達(dá)8億多噸[1]，其可以視為一種潛力巨大的可再生能源，但絕大部分秸稈都被直接燃燒或者在田間隨意堆棄，不僅污染了水體和大氣，還浪費(fèi)了寶貴的資源。

眾所周知，厭氧消化是一種在農(nóng)村地區(qū)廣泛推廣且經(jīng)濟(jì)效益高的工藝，可以在簡單的設(shè)備條件下將農(nóng)作物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高熱值的沼氣，既能解決秸稈帶來的環(huán)境污染，還能緩和農(nóng)村地區(qū)能源的供需矛盾。秸稈是一種主要成分為木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)，其含有的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素相互交聯(lián)纏繞，形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制了厭氧微生物對其降解和利用。在厭氧消化的過程中，難降解固體有機(jī)物的水解階段是其限速階段，所以在秸稈水解之前對其進(jìn)行預(yù)處理非常關(guān)鍵。國內(nèi)外對秸稈的預(yù)處理做了眾多研究[2]，其中條件溫和且不產(chǎn)生二次污染的生物預(yù)處理方法逐漸成為熱點(diǎn)[3-4]，但這些方法中菌種、水解酶的成本問題會限制這類方法在農(nóng)村地區(qū)推廣使用。農(nóng)家堆漚技術(shù)將秸稈等有機(jī)物堆在一起，并噴灑沼液進(jìn)行預(yù)處理，作為傳統(tǒng)方法在農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，但對一些關(guān)鍵條件如：需氧量、預(yù)處理時(shí)間等缺乏系統(tǒng)研究[5]。目前有很多研究采用微需氧方法對餐廚垃圾[6]、淀粉[7]等進(jìn)行預(yù)處理，以提高在其厭氧發(fā)酵中甲烷的產(chǎn)量，但對難降解的農(nóng)作物秸稈預(yù)處理的研究較少。兩相厭氧發(fā)酵水解酸化階段產(chǎn)生的水解發(fā)酵液不僅有發(fā)酵過程中產(chǎn)生的大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有豐富的水解微生物菌群，本研究用其對秸稈進(jìn)行微需氧生物預(yù)處理，意在通過水解液中的微生物在微需氧條件下改變秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)，破壞秸稈的空間結(jié)構(gòu)，并打破部分木質(zhì)素與纖維素、半纖維素之間的化學(xué)鍵，將秸稈中難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物，以達(dá)到提高秸稈在厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)氣速率，降低預(yù)處理成本的目的，同時(shí)希望構(gòu)建一種成本低廉、操作簡單，能在農(nóng)村地區(qū)推廣適用的預(yù)處理方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原料性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中所用稻草秸稈來源于安徽省馬鞍山市和縣姥長中心村周邊水稻田，于2015年9月收集后置于晾曬場自然風(fēng)干(含水率低于10%)，去除殘留在秸稈上的谷粒后放入粉碎機(jī)中粉碎，取過20目不銹鋼篩網(wǎng)，不能過30目篩的顆粒。其C含量，N含量，TS,VSS,纖維素,半纖維素及木質(zhì)素含量分別為44.51%，0.88%，91.21%，86.63%S,39.81%S,24.21%和11.33%。預(yù)處理所用厭氧水解液來自于實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的兩相厭氧反應(yīng)器的水解酸化反應(yīng)器(80 L)，底物為秸稈、餐廚和雞糞干物質(zhì)比為2∶1∶1的混合物，有機(jī)酸濃度為4.5 g·L-1。接種污泥來自于實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷反應(yīng)器(40 L)中厭氧消化污泥，TS和VS含量分別為6.68%和2.93%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水解液生物預(yù)處理

稱取35 g稻草秸稈放入500 mL具塞廣口瓶中，加入水解酸化反應(yīng)器中水解酸化液使得物料含水率為60%并攪拌均勻，預(yù)處理時(shí)間為10天。廣口瓶塞上開孔并插入玻璃管，采用微型空氣泵(1 L·min-1)向插入瓶底的玻璃管中充氣，充氣間隔分別為不充氣、8、2.7和0.9小時(shí)，對應(yīng)的空氣負(fù)荷分別為0，95，285和571 mL· g-1VS·d-1。為考察水解酸化液中微生物和揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)的在預(yù)處理過程中的作用，對水解酸化液進(jìn)行如下處理：將水解酸化液通過0.22 μm微孔濾膜；乙酸溶液，濃度為4.5 g·L-1。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 秸稈生物預(yù)處理的操作條件

1.2.2 秸稈的BMP(生物甲烷勢)實(shí)驗(yàn)

為研究水解酸化液生物預(yù)處理對秸稈厭氧消化特性的影響，本研究中采用BMP實(shí)驗(yàn)對預(yù)處理前后秸稈的產(chǎn)氣特性進(jìn)行評估。稱取5 g(以TS計(jì))預(yù)處理后的秸稈置于250 mL的西林瓶中，加入?yún)捬跷勰嘧鳛榻臃N物，物料與接種物比(S/I)為1，用超純水加到200 mL刻度線，用氮?dú)庀蚱恐写?分鐘后用鋁塑蓋密封，充分混勻后置于35℃的恒溫震蕩水浴箱中，最后在橡膠塞上插入連接有刻度的玻璃注射器，每日記錄產(chǎn)氣量，設(shè)置只加入接種污泥的實(shí)驗(yàn)組作為對照組，最終產(chǎn)氣量扣除對照組的產(chǎn)氣量。

1.3 分析方法

秸稈經(jīng)預(yù)處理后在65℃烘箱中烘干，置于5℃冰箱中密封保存，用作測定各項(xiàng)指標(biāo)的原料。C和N元素含量用元素分析儀(CHN-O-Rapid，Heraeus，德國)測定，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量采用范式法[8]，VS和TS采用烘干法測定[9]，VFAs濃度采用安裝FID檢測器的氣相色譜儀(GC-2001，Shimadzu，日本)進(jìn)行測試。

1.4 微生物貢獻(xiàn)率

為證明水解液對秸稈預(yù)處理過程中微生物起到的重要作用，并量化微生物在預(yù)處理過程中的貢獻(xiàn)程度，水解液中微生物貢獻(xiàn)率計(jì)算方法如下：

貢獻(xiàn)率=

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣供應(yīng)量對秸稈預(yù)處理的影響

很多研究表明，適量的空氣可以提高秸稈的水解效率，但不影響產(chǎn)甲烷效率[10-11]。所以預(yù)處理過程中空氣供應(yīng)量的多少會直接影響后續(xù)厭氧消化的沼氣產(chǎn)量，由于過量的氧氣會使得底物中部分有機(jī)物被直接氧化，導(dǎo)致預(yù)處理過后的秸稈可利用的成分降低，所以需要對水解液預(yù)處理過程中空氣的供應(yīng)量進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及干物質(zhì)變化

TS和VS是衡量秸稈中可供厭氧發(fā)酵菌群利用的干物質(zhì)量的重要指標(biāo)，稻草秸稈在預(yù)處理前后的TS和VS質(zhì)量及降解率的變化如圖1所示?？梢钥闯?，未處理秸稈的TS和VS質(zhì)量分別為31.92和30.31 g，經(jīng)預(yù)處理后分別降低了6.6%～15.4%和7.8%～17.78%，TS與VS的降解率都隨空氣供應(yīng)量的升高而提高。秸稈中的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素(下文稱作“三素”)占秸稈質(zhì)量的70%以上，其中纖維素和半纖維素是厭氧發(fā)酵中可被生物轉(zhuǎn)化成甲烷的主要物質(zhì)，秸稈在預(yù)處理前后的“三素”質(zhì)量和降解率如圖2所示。從圖中可以看出，三素的降解率都隨著空氣負(fù)荷的增加而提高，這主要是由于空氣供應(yīng)量的增多會使體系中的兼性厭氧菌群和好氧菌群更加活躍消耗更多的有機(jī)物。預(yù)處理過程中對木質(zhì)素的降解促進(jìn)作用最為明顯，當(dāng)空氣負(fù)荷為571 mL·g-1VS·d-1時(shí)對木質(zhì)素的降解率達(dá)到23.90%，而對纖維素和半纖維素的降解率最高分為17.62%和16.05%，主要是由于秸稈中大部分半纖維素和纖維素被木質(zhì)素包裹，而當(dāng)木質(zhì)素在預(yù)處理過程中降解過后則會增加包裹在內(nèi)部半纖維素、纖維素與微生物接觸的機(jī)會，這與方文杰[5]等在用沼液處理稻草秸稈后對“三素”降解結(jié)果一致。

圖1 預(yù)處理對秸稈中TS和VS量及其降解率影響

圖2 預(yù)處理對秸稈中三素質(zhì)量及其降解率影響

2.1.2 日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量

生物甲烷勢(BMP)試驗(yàn)可以評價(jià)有機(jī)物在厭氧發(fā)酵過程中可被降解的有機(jī)物多少，實(shí)驗(yàn)將經(jīng)過生物預(yù)處理和未處理的秸稈投入BMP裝置中進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)氣時(shí)間為30 d。30天后不同氧氣負(fù)荷預(yù)處理后的秸稈的沼氣日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量見圖3和圖4。未經(jīng)處理的稻草秸稈在第3天達(dá)到產(chǎn)氣高峰但在之后的3天中迅速下降，相反的，經(jīng)過預(yù)處理的秸稈在第3天之后仍然在繼續(xù)升高，直到第5～7天才達(dá)到峰值后下降。未經(jīng)預(yù)處理的秸稈最高日產(chǎn)氣量為17.65 mL·g-1TS·d-1(未處理組)，而預(yù)處理過后的秸稈最高日產(chǎn)氣量為21.78～39.56 mL·g-1TS·d-1，比未處理的秸稈提高了1.2～2.2倍。從圖4可以看出，95 mL·g-1TS·d-1空氣負(fù)荷條件下預(yù)處理秸稈(A2組)的累積產(chǎn)氣量最高，為384.9 mL·g-1TS，比未處理組提高了83.0%，比無空氣供應(yīng)條件下的秸稈(A1組)提高了40.5%。但總產(chǎn)氣量并不隨空氣供應(yīng)量增大而進(jìn)一步提高，當(dāng)空氣負(fù)荷超過95 mL·g-1TS·d-1時(shí)，生物預(yù)處理過后的秸稈總產(chǎn)氣量反而會下降，當(dāng)空氣負(fù)荷為571 mL·g-1TS·d-1時(shí)，秸稈的累積產(chǎn)氣量最低，為261 mL·g-1TS，比無空氣組秸稈的累積產(chǎn)氣量還低4.5%。這主要是由于空氣的供應(yīng)量在一定范圍內(nèi)，會提高預(yù)處理過程中好氧和兼性厭氧微生物菌群的活性[10]，使得秸稈中有機(jī)物部分降解，其中一部分未完全氧化而是轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、還原糖等中間產(chǎn)物，這亦是預(yù)處理過后的秸稈在厭氧發(fā)酵前期日產(chǎn)氣量更高的原因；當(dāng)空氣供應(yīng)量進(jìn)一步提高，累積產(chǎn)氣量的下降是由于秸稈中有機(jī)物，尤其是三素，在空氣供應(yīng)量提高后被完全氧化的量增大，可供厭氧發(fā)酵過程中利用的有機(jī)物則會隨之減少。

圖3 不同空氣負(fù)荷預(yù)處理對秸稈日產(chǎn)氣量影響

圖4 不同空氣負(fù)荷預(yù)處理對秸稈單位質(zhì)量累計(jì)產(chǎn)氣量影響

本文選取動力學(xué)方程對不同空氣負(fù)荷預(yù)處理?xiàng)l件下的稻草秸稈產(chǎn)氣量進(jìn)行描述。

動力學(xué)方程微分形式為：

積分后表達(dá)式為：

ln(Gmax-Gt)=-kt×t+a

當(dāng)t=0時(shí)，a=lnGmax,

式中：Gmax表示最終累計(jì)產(chǎn)氣量，mL·g-1TS；kt為斜率表示產(chǎn)氣速率常數(shù)；t表示厭氧消化進(jìn)行的時(shí)間，d；Gt表示t時(shí)間時(shí)的氣體累積量，mL·g-1TS。通過上式動力學(xué)表達(dá)式，用最小二乘法擬合并計(jì)算出不同空氣負(fù)荷條件下的產(chǎn)氣速率常數(shù)，用以評價(jià)不同預(yù)處理?xiàng)l件秸稈的產(chǎn)氣速率，如表2所示。從表2中可以看出，各組的相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.97，結(jié)合圖4，可以看出，秸稈經(jīng)過預(yù)處理后的產(chǎn)氣速率都高于未經(jīng)處理秸稈的產(chǎn)氣速率，當(dāng)有空氣存在會提高水解液生物預(yù)處理的產(chǎn)氣速率，且當(dāng)空氣負(fù)荷為95 mL·g-1TS·d-1時(shí)，預(yù)處理過后的秸稈產(chǎn)氣速率最大；而當(dāng)空氣負(fù)荷進(jìn)一步提高時(shí)，秸稈的產(chǎn)氣速率會隨之降低，但仍高于無空氣供應(yīng)條件下秸稈的產(chǎn)氣速率。

表2 不同預(yù)處理時(shí)間下秸稈的反應(yīng)速率

2.2 水解液中有機(jī)酸及微生物作用

一些研究指出，揮發(fā)性有機(jī)酸可以提高木質(zhì)纖維素中的半纖維素溶解率，如高濃度的乙酸在添加硝酸且在100℃條件下可以去除部分木質(zhì)素，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究中水解液中微生物和有機(jī)酸在預(yù)處理過程中的影響，除菌水解液(Aa)、乙酸溶液(Ab)與未處理水解液(A2)在微需氧條件下對秸稈預(yù)處理后“三素”，TS，VS影響見圖5。

圖5 不同預(yù)處理液條件下秸稈VS和TS及三素降解率

由圖5可見，稻草秸稈經(jīng)除菌水解液(Aa組)處理后TS和VS分別降解了3.84%和3.25%，較未處理水解液(A2)組降低了47.2%和57.2%，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解率較A2組也大幅下降(p﹤0.05)，這能說明水解液中可以水解秸稈中“三素”及其他有機(jī)物質(zhì)的微生物菌群被去除后，會大幅降低微需氧預(yù)處理過程中對有機(jī)質(zhì)(TS，VS)和“三素”的降解能力。通過1.4中公式可以得出A2組中微生物對于纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解貢獻(xiàn)率分別為59.3%，50.2%，73.2%，顯然水解液中的微生物在預(yù)處理過程中起到了關(guān)鍵的作用。

乙酸溶液(Ab組)預(yù)處理稻草秸稈后，VS，TS和木質(zhì)素的水解率只有1.03%～1.23%，纖維素和半纖維素水解率分別為2.54%和5.32%，這與何品晶等人用乙酸溶解預(yù)處理木質(zhì)纖維素時(shí)，水解的半纖維素及纖維素量明顯高于去除木質(zhì)素量的結(jié)果一致[12]，這主要是由于乙酸在常溫條件下不能破壞木質(zhì)素單元之間的醚鍵，但能水解部分半纖維素和纖維素[12]。對比除菌組Aa與乙酸組Ab可以發(fā)現(xiàn)，除菌組后的水解液對秸稈中TS和VS及“三素”的水解率均高于乙酸組，主要是由于除菌后的水解液中除乙酸之外還有丙酸、丁酸、戊酸等有機(jī)酸，有研究證明丙酸等有機(jī)酸能在常壓溫和的條件下去除秸稈中的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素[13]。而且水解液經(jīng)除菌處理后，其中仍然含有金屬離子，這些金屬陽離子可以充當(dāng)催化劑的作用，提高了各種有機(jī)酸對秸稈中“三素”的水解作用。

3 結(jié)論

(1)空氣的供應(yīng)量對水解液預(yù)處理稻草秸稈有較大影響，隨空氣供應(yīng)量的增加，秸稈中VS和TS及“三素”降解率都隨之升高，當(dāng)空氣供應(yīng)量為571 mL·g-1VS·d-1時(shí)對木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解率分別達(dá)到23.90%，17.62%和16.05%。

(2)空氣供應(yīng)量為95 mL·g-1VS·d-1時(shí)，也就是微需氧條件下預(yù)處理過后的稻草秸稈累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率常數(shù)最高，分別為384.9 mL·g-1TS和0.1132 d-1，總產(chǎn)氣量比未處理的秸稈提高了83.0%。

(3)在微需氧預(yù)處理過程中，水解液中的微生物菌群起到了關(guān)鍵作用，其對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解貢獻(xiàn)率分別為59.3%，50.2%和73.2%。

(4)乙酸溶液對秸稈中成分的降解作用不明顯，水解液中除微生物以外還有其他有機(jī)酸等可以提高對秸稈的降解程度。