不同預(yù)處理方式對(duì)芒萁、商陸厭氧消化性能的影響*

魯 濤，邢 濤，孫永明，何 宇，任海偉，李金平?

（1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引 言

芒萁（Dicranopteris dichotoma）和商陸（Phytolacca americanaL）是華南地區(qū)常見(jiàn)的野生植物，對(duì)重金屬和稀土元素有較好的富集作用[1-2]，常被作為超積累植物用于礦區(qū)土壤治理修復(fù)[3-4]。富集金屬元素的植物殘?bào)w如處置不當(dāng)，不僅對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在的二次危害，還易造成生物質(zhì)資源的浪費(fèi)[5]，因此，對(duì)其進(jìn)行資源化、無(wú)害化處理非常必要。

制備生物甲烷的生物質(zhì)資源來(lái)源廣泛，具有清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)，受到社會(huì)廣泛關(guān)注。發(fā)酵法條件溫和，被認(rèn)為是制備生物甲烷最有前景的方法之一[6]。在厭氧消化過(guò)程中，木質(zhì)素與纖維素、半纖維素相互交聯(lián)，阻礙著纖維素和半纖維素的快速水解[7]，同時(shí)，纖維素的高度結(jié)晶也會(huì)減緩厭氧消化的速率[8]，因此，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理不僅能提升厭氧消化速率，也可提升原料發(fā)酵產(chǎn)氣率。生物質(zhì)常用的預(yù)處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法及物理?化學(xué)法等，其中酸、堿和水熱預(yù)處理具有操作簡(jiǎn)單、水解糖得率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[9-10]。馬興元等[11]發(fā)現(xiàn)小麥秸稈經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1% H2SO4預(yù)處理后纖維結(jié)構(gòu)變化明顯，厭氧微生物能夠接觸到更多的纖維素，而謝欣欣等[12]通過(guò)對(duì)蘆蒿秸稈酸處理后發(fā)現(xiàn)2% H2SO4處理厭氧消化性能較好；堿處理?xiàng)l件下，有文獻(xiàn)報(bào)道2% NaOH、35℃和24 h預(yù)處理?xiàng)l件下雜交狼尾草甲烷產(chǎn)率比對(duì)照組高出 21.0%[13]；水熱處理?xiàng)l件下，樊世漾[14]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈經(jīng) 180℃水熱預(yù)處理30 min后產(chǎn)氣效果最好。

本研究采用酸（1.5% H2SO4）、堿（2% NaOH）、水熱（180℃）三種方式分別對(duì)芒萁、商陸進(jìn)行預(yù)處理，研究其厭氧消化產(chǎn)氣性能。

1 材料及方法

1.1 原料與接種物

芒萁、商陸于2018年8月取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，去除根部，地上部分粉碎后 ?20℃保存。接種物取自佛山奶牛養(yǎng)殖基地，使用前經(jīng)中溫（37±1℃）馴化15 d后備用。實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料基本性質(zhì)Table 1 Properties of the experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

1.2.1 預(yù)處理

（1）酸處理。經(jīng)55℃烘干至恒重的芒萁和商陸分別取8.36 g和9.44 g，按固液比1∶10添加1.5%H2SO4，75℃處理 2 h。

（2）堿處理。以相同原料量和固液比添加 2%NaOH溶液，35℃水浴處理24 h。

（3）水熱預(yù)處理。以相同原料量和固液比添加去離子水，180℃處理30 min。升溫過(guò)程分三階段，0 ～ 90℃、90 ～ 160℃、160 ～ 180℃，各階段維持10 min，180℃保持30 min至反應(yīng)結(jié)束。

以上各處理均設(shè)置6個(gè)平行，其中3個(gè)平行用于分析物料理化性質(zhì)，3個(gè)平行用于厭氧消化。

1.2.2 厭氧消化

將預(yù)處理后的原料用去離子水定容至100 mL，并用HCl或NaOH調(diào)至中性，與700 mL菌種一起置于1 L發(fā)酵罐中；將未處理的原料和100 mL去離子水加入700 mL菌種作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前各組均通入高純氮?dú)馀懦龇磻?yīng)器頂部的空氣。因芒萁具有較高C/N比，添加2.5%的碳酸氫銨（5 g）補(bǔ)充氮源。實(shí)驗(yàn)期間每天搖勻3次，直至無(wú)明顯產(chǎn)氣為止，定時(shí)測(cè)定產(chǎn)氣量及沼氣成分；pH值、揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）第一周每天分析，之后3 d一次至反應(yīng)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)周期35 d。

1.2.3 檢測(cè)方法

總固體（total solid, TS）和揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）分別采用105℃烘干和550℃煅燒法測(cè)定[15]；pH值采用梅特勒?托利多 pH計(jì)（FE20, Mettler Toledo, 瑞士）測(cè)定；C、N含量采用元素分析儀（Vario EL, Elementar, 德國(guó)）測(cè)定；沼氣成分用高效氣相色譜（GC-2014, Shimadzu, 日本）測(cè)定，TCD檢測(cè)器（150℃），載氣為Ar（25 mL/min），Porapak Q柱（35℃）；VFAs采用高效液相色譜（model e2698, Waters, 美國(guó)）測(cè)定，Bio-RAD柱，流動(dòng)相為0.005 mol/L H2SO4（0.5 mL/min）；木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量參考美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法[16]；半纖維素、木質(zhì)素去除率見(jiàn)式（1）。

式中：M1為預(yù)處理固形物半纖維素/木質(zhì)素含量；M2為原料中半纖維素/木質(zhì)素含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，采用origin9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理對(duì)芒萁、商陸理化性質(zhì)的影響

2.1.1 預(yù)處理固形物中木質(zhì)纖維素含量分析

采用不同預(yù)處理方法的芒萁、商陸木質(zhì)纖維組分變化如表2所示。不同預(yù)處理后兩種原料纖維素含量均不同程度降低。水熱處理的半纖維素去除率最高、堿處理次之，酸處理后兩種原料的半纖維素去除率有較大差異，其中芒萁酸預(yù)處理的半纖維素去除率僅為12.59%，可見(jiàn)酸處理對(duì)芒萁半纖維素去除效果不佳。堿處理的木質(zhì)素去除率最高，酸處理次之，水熱較差。芒萁堿處理木質(zhì)素去除率最高，為 52.84%，這是由于木質(zhì)素大量溶解于堿液中，和KANG等[13]的研究結(jié)果類似；水熱處理的木質(zhì)素去除率較低，僅為4.52%，同時(shí)半纖維素去除率最高，達(dá)77.25%，這可能是由于高溫條件下水的電離程度增大，在氫離子作用下半纖維素大量逸出所致[17]。相同預(yù)處理?xiàng)l件下，商陸木質(zhì)素去除情況和芒萁類似：堿處理的木質(zhì)素去除率最高，達(dá)48.62%，水熱處理較低，僅為 5.67%，同時(shí)，水熱處理具有最高的半纖維素去除率，為56.04%。

表2 不同預(yù)處理后兩種原料木質(zhì)纖維素的變化情況Table 2 Lignocellulose variation of two materials with different pretreatment methods

2.1.2 預(yù)處理水解液成分分析

木質(zhì)纖維原料水解液含有大量酸（乙酸、葡糖醛酸、乙醇酸、甲酸）、糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）及微量醛類物質(zhì)，主要成分含量如表3所示。每千克芒萁干物質(zhì)水解產(chǎn)物中酸含量在 119.14 ～184.69 g之間，其中乙醇酸含量最高，占總酸的57.45% ～ 75.90%；每千克商陸干物質(zhì)水解產(chǎn)物中酸含量在99.36 ～ 210.38 g之間，乙醇酸含量總體較高，占總酸39.23% ～ 85.98%。KLINKE等[18]發(fā)現(xiàn)這些酸性有機(jī)物主要來(lái)自半纖維素的水解，并通過(guò)厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷。芒萁水解產(chǎn)物中糖含量在 66.99 ～105.50 g/kg之間，其中酸、堿處理的葡萄糖（葡聚糖和葡萄糖單體）含量較高，水熱處理木糖含量較高。商陸經(jīng)酸、堿處理后的變化趨勢(shì)和芒萁類似，但水熱不同，葡萄糖含量占主導(dǎo)，酸處理木糖含量占主導(dǎo)。商陸水解產(chǎn)物中糖含量在75.21 ～ 106.36 g/kg之間，其中堿處理葡萄糖含量最高，為83.47 g/kg，酸、水熱處理葡萄糖含量基本一致，分別為46.40 g/kg、45.34 g/kg。對(duì)芒萁、商陸預(yù)處理產(chǎn)物單獨(dú)分析發(fā)現(xiàn)：乙酸在酸處理?xiàng)l件下含量較低，分別為10.53 g/kg、3.18 g/kg，水熱處理含量較高，分別為52.87 g/kg、52.97 g/kg，這和TOQUERO等[19]研究結(jié)果相近，結(jié)合表2半纖維素去除情況可知，乙酸主要來(lái)自半纖維素的水解；葡糖醛酸在堿處理?xiàng)l件下含量較高，分別為21.77 g/kg、15.68 g/kg，酸處理次之，水熱處理最低；堿處理的甲酸、葡萄糖、阿拉伯糖含量也較高，水熱處理含量較低；木糖在堿處理含量較低，分別為7.89 g/kg 和6.14 g/kg，出現(xiàn)這種情況的原因可能是木糖在該條件下被進(jìn)一步降解[13]；此外，水熱處理還產(chǎn)生少量發(fā)酵抑制物羥甲基糠醛（HMF），其他處理均未檢出，這是由于半纖維素水解的單糖在高溫條件下發(fā)生了進(jìn)一步水解[20]。

表3 不同預(yù)處理后兩種原料的水解產(chǎn)物Table 3 Hydrolytic products of two materials with different pretreatment methods

2.2 預(yù)處理對(duì)厭氧消化進(jìn)程的影響

2.2.1 pH變化

厭氧消化過(guò)程中pH值變化如圖1。發(fā)酵開(kāi)始后，所有組分pH值變化趨勢(shì)基本一致，呈“下降?上升?穩(wěn)定”的趨勢(shì)，其中商陸組的 pH值波動(dòng)大于芒萁組。發(fā)酵初期，在甲烷菌和產(chǎn)酸菌的聯(lián)合作用下，芒萁、商陸中容易降解的成分快速水解并產(chǎn)生大量的揮發(fā)酸（VFAs），VFAs大量生成使得發(fā)酵液 pH值快速降低，并分別在第4、第6天降至最低，pH值分別為7.20、7.15，隨后緩慢上升，反應(yīng)結(jié)束pH分別維持在 7.80 ～ 8.20、8.00 ～ 8.40 之間?？梢钥闯觯煌A(yù)處理系統(tǒng)pH值始終處于厭氧消化適宜范圍。

圖1 厭氧消化過(guò)程中pH值變化情況Fig.1 pH value changes during the anaerobic digestion

2.2.2 堿度變化

堿度變化如圖2。

圖2 發(fā)酵液堿度IA/PA變化情況Fig.2 IA/PA changes of the fermentation liquor during the anaerobic digestion

揮發(fā)酸堿度與碳酸氫鹽堿度的比值（IA/PA）反映厭氧消化過(guò)程中系統(tǒng)緩沖能力變化情況。芒萁水熱處理第4天、酸處理第6天、堿處理第6天IA/PA值達(dá)到 1.00以上，分別為 1.52、1.78、1.08，隨后迅速降至1.00以下并最終穩(wěn)定在0.20 ～ 0.80之間。對(duì)于商陸，酸處理第5天、堿處理第6天、對(duì)照組第7天IA/PA值達(dá)到1.00以上，分別為1.58、1.32、1.43，其中酸、堿處理連續(xù)兩天IA/PA均大于1.00，隨后迅速降至1.00以下，隨著反應(yīng)進(jìn)行，水熱處理的IA/PA值維持在較低水平，在0.20 ～ 0.40之間，而其他處理穩(wěn)定在0.80左右。有研究報(bào)道，當(dāng)IA/PA高于1.00時(shí)，內(nèi)部緩沖能力較弱，系統(tǒng)不穩(wěn)定；IA/PA低于1.00時(shí)，表明系統(tǒng)緩沖能力較強(qiáng)，厭氧消化保持穩(wěn)定[21]。雖然IA/PA值短期處于較高水平，結(jié)合pH值變化情況可知，系統(tǒng)并未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

2.2.3 揮發(fā)性有機(jī)酸變化

芒萁、商陸發(fā)酵液揮發(fā)酸變化如圖3所示。發(fā)酵初期，原料迅速降解并生成乙酸、丙酸等揮發(fā)酸，且揮發(fā)酸產(chǎn)生速率高于消耗速率，致使VFAs濃度不斷上升。由圖3a1 ～ 圖3a4可知，芒萁對(duì)照、酸、堿、水熱處理VFAs最高值分別為4 527 mg/L、4 367 mg/L、4 600 mg/L、4 762 mg/L，并且主要以丙酸和乙酸形式存在，其中水熱處理丙酸含量最高，達(dá)1 212 mg/L，酸處理最低，為606 mg/L；由圖3b1 ～ 圖3b4可知，相同預(yù)處理商陸VFAs最高值分別為4 293 mg/L、4 859 mg/L、5 124 mg/L、4 830 mg/L，其中堿處理丙酸含量最高，達(dá)1 951 mg/L，水熱處理最低，為1 368 mg/L。有文獻(xiàn)報(bào)道丙酸對(duì)厭氧消化有較強(qiáng)抑制作用，甲烷菌對(duì)其耐受程度在1 000 mg/L以下[22-23]，也有研究認(rèn)為反應(yīng)器對(duì)丙酸濃度承受范圍為800 ～ 3 000 mg/L[24]。結(jié)合pH值、堿度變化情況，芒萁、商陸發(fā)酵系統(tǒng)未出現(xiàn)酸化、失穩(wěn)現(xiàn)象，在第10、第16天后丙酸大量轉(zhuǎn)化為乙酸，被厭氧菌利用，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 發(fā)酵液VFA變化情況（a、b分別代表芒萁、商陸；1 ～ 4分別代表對(duì)照、酸處理、堿處理和水熱處理）Fig.3 Changes of VFAs during anaerobic digestion

2.3 預(yù)處理對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣的影響

2.3.1 日產(chǎn)氣變化

芒萁、商陸日產(chǎn)氣變化曲線如圖4所示。不同預(yù)處理?xiàng)l件下芒萁均在第4天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，酸、堿、水熱處理最高日產(chǎn)氣分別為57.69 mL/g VS、45.44 mL/g VS、47.67 mL/g VS，隨后產(chǎn)氣迅速下降，而堿處理在第13天還存在第2個(gè)產(chǎn)氣高峰。結(jié)合表3，第1次產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)是由于預(yù)處理液中糖、酸等有機(jī)物質(zhì)被快速利用，而堿處理的木質(zhì)素去除率高于其他處理，增加了厭氧微生物對(duì)纖維素和半纖維素的可及性，因此出現(xiàn)第2次產(chǎn)氣高峰。對(duì)于商陸，各處理也在第4天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，隨后第11、第22天陸續(xù)出現(xiàn)第2、第3個(gè)產(chǎn)氣高峰，這可能是由于商陸木質(zhì)素含量?jī)H為16.89%，遠(yuǎn)低于芒萁，并且酸、水熱處理的木質(zhì)素去除率也均高于芒萁相應(yīng)預(yù)處理，使纖維素和半纖維素更易降解產(chǎn)氣。

圖4 厭氧消化日產(chǎn)氣量變化情況Fig.4 Changes of daily gas production during anaerobic digestion

2.3.2 累積產(chǎn)甲烷率

芒萁、商陸累積產(chǎn)甲烷變化曲線如圖5。芒萁堿處理的累積產(chǎn)甲烷率最高，達(dá)134.62 mL/g VS，相比未處理提升53.62%；酸、水熱處理對(duì)產(chǎn)甲烷率也有明顯的提升效果，累積產(chǎn)甲烷率分別為116.62 mL/g VS、121.47 mL/g VS，相比未處理分別提升33.08%、38.62%。商陸同樣在堿處理?xiàng)l件下獲得最高的產(chǎn)甲烷率，達(dá)到260.40 mL/g VS，相比未處理提升79.38%，而酸處理和水熱處理對(duì)甲烷的提升作用不大，其中酸處理僅提升 7.83%、水熱處理略微降低 3.42%。不同預(yù)處理方式下，堿處理對(duì)兩種原料厭氧消化效果最好，這可能由于該條件下木質(zhì)素去除率高，纖維素、半纖維素得以大量釋放。水熱處理的芒萁產(chǎn)氣明顯提升，而對(duì)商陸則基本無(wú)影響，這可能由于預(yù)處理液中酸、糖的濃度不同導(dǎo)致，芒萁水熱處理總酸、總糖含量均高于對(duì)應(yīng)商陸總酸、總糖含量，相比商陸，芒萁的水熱處理效果更好。

圖5 累計(jì)產(chǎn)甲烷量變化情況Fig.5 Cumulative methane production

3 結(jié) 論

（1）堿處理可有效去除芒萁、商陸中的木質(zhì)素，增加纖維素和半纖維素的可及性，其去除率分別為52.84%、48.62%，酸處理次之，去除率分別為23.61%、31.68%，水熱處理則遠(yuǎn)低于堿、酸處理；水熱處理主要去除半纖維素，其去除率分別為77.25%、56.04%；各預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素也不同程度降低。

（2）芒萁、商陸預(yù)處理液中含有大量酸、糖等有機(jī)物質(zhì)：每千克芒萁、商陸干物質(zhì)預(yù)處理液中酸含量范圍分別為119.14 ～ 184.69 g、99.36 ～ 210.38 g，其中乙醇酸占比最高，分別占 57.45% ～ 75.90%、39.23% ～ 85.98%；預(yù)處理液總糖含量范圍分別為66.99 ～ 105.50 g/kg、75.21 ～ 106.36 g/kg，其中葡萄糖含量最高、木糖次之、阿拉伯糖含量較少。

（3）相比于未經(jīng)預(yù)處理的對(duì)照組，堿處理可以明顯提升芒萁、商陸的厭氧消化性能。堿處理?xiàng)l件下，芒萁產(chǎn)甲烷率為134.62 mL/g VS，相比對(duì)照組提升53.62%；商陸為260.40 mL/g VS，相比對(duì)照組提升79.38%。酸、水熱處理亦可提升芒萁產(chǎn)甲烷率，但對(duì)商陸影響不大。相比芒萁，商陸具有更低的木質(zhì)素含量，同時(shí)商陸堿處理的木質(zhì)素去除效果優(yōu)于芒萁，因此商陸具有更好的產(chǎn)氣效果。