KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理秸稈過程中化學(xué)組分及木質(zhì)纖維素形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

羅 娟， 李南錕， 袁海榮， 左曉宇， 劉研萍， 鄒德勛， 李秀金

（1.北京化工大學(xué) 北京高校環(huán)境污染控制與資源化工程研究中心， 北京 100029； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心， 北京 100012）

0 前言

我國是農(nóng)業(yè)大國， 秸稈資源豐富，2018 年秸稈總產(chǎn)量約為8.04 億t[1]。利用厭氧消化技術(shù)將秸稈轉(zhuǎn)化為清潔能源——沼氣，是利用農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)可再生能源的有效途徑。 然而，秸稈自身復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)阻礙了厭氧微生物對秸稈的分解利用，導(dǎo)致厭氧消化效率低而限制了秸稈在沼氣生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。

在厭氧消化前對秸稈進(jìn)行預(yù)處理是提高其厭氧消化產(chǎn)氣性能和產(chǎn)氣率的有效方法[2]。 氨預(yù)處理可以增加厭氧消化體系中所需要的氮源，提高厭氧消化能力。 孟穎發(fā)現(xiàn)氨預(yù)處理可以提高秸稈的氮含量，降低秸稈中纖維素、半纖維素含量[3]。 Yuan 采用4%氨水對麥秸進(jìn)行預(yù)處理，單位VS 產(chǎn)氣量達(dá)到427.1 mL/g ， 比未處理提高了26.7%[4]。 Jaffar 用6%KOH 預(yù)處理麥秸，累積甲烷產(chǎn)量提高41%，同時(shí)也增加了沼渣沼液中的鉀含量而提高其肥效[5]。 本文提出了KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理的新方法， 并對預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行了優(yōu)化[6]。 KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理不僅能為厭氧消化體系提供氮源，還能增加厭氧消化沼渣、沼液的鉀含量，使其成為具有利用價(jià)值的鉀肥。

前期研究發(fā)現(xiàn)，KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理可使稻草的厭氧消化產(chǎn)甲烷量比未處理工藝提高40%以上， 比等劑量的單試劑KOH，NH3·H2O 預(yù)處理提高16%以上[6]。 但是，該方法的原理一直尚不清晰，國內(nèi)外也都未見相關(guān)報(bào)道。本文對預(yù)處理過程中化學(xué)組分的變化進(jìn)行了分析； 利用傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、X-射線衍射（XRD）等測試技術(shù)，研究KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理過程中，稻草木質(zhì)纖維素形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化； 為進(jìn)一步了解KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理對提高厭氧產(chǎn)氣量的內(nèi)在原因，以期為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料

將自然風(fēng)干的稻草用粉碎機(jī)粉碎， 過20 目篩，常溫密封保存。

預(yù)處理所用試劑為NH3·H2O （質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%）、KOH，均為分析純。

稻草的理化性質(zhì)如表1 所示。 表1 中，總固體TS 量、揮發(fā)性固體VS 量以濕重計(jì)算；纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以干重計(jì)算。

表1 稻草的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of rice straw %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理

前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)1%KOH+1%NH3·H2O，6 倍水，30 ℃預(yù)處理2 d 后的稻草，厭氧消化產(chǎn)氣量高于2%KOH，2%NH3·H2O 單試劑預(yù)處理。 因此，本實(shí)驗(yàn)中KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理的KOH，NH3·H2O 添加量均為稻草干重的1%，并以相對于稻草干重2%的KOH，相對于稻草干重2%的NH3·H2O 預(yù)處理的稻草作為對照。按照表2 配制各實(shí)驗(yàn)組的預(yù)處理溶液，每組稻草添加量為30 g TS，混和均勻后分別裝入密封袋中置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中， 放置6，12，18，24，36，48 h。將不同預(yù)處理試劑、不同預(yù)處理時(shí)間的稻草混合均勻后取出一部分，測定其TS，VS 和灰分；其余部分先測定pH，后將其固液分離。液體部分用于VFAs、還原糖、可溶性化學(xué)耗氧量（SCOD）的測定；固體部分放入烘箱后烘至恒重，測定其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。

表2 不同預(yù)處理溶液的配制Table 2 Preparation of different pretreatment solutions

1.2.2 分析方法

稻草預(yù)處理前后的TS，VS 含量采用重量法測定[7]。 pH 采用pH 計(jì)測定；還原糖采用DNS 法測定[8]；SCOD 采用重鉻酸鉀法（GB11914-89）測定；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素采用Van Soest 法測定[9]。

預(yù)處理前后稻草的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)采用Hitachi S-4700 型號電鏡掃描儀在樣品鍍金后進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察。 稻草的官能團(tuán)變化用傅里葉紅外光譜儀分析。 利用X-射線衍射儀從0～90 °對樣品進(jìn)行掃描分析。 采用式（1）對纖維素結(jié)晶度進(jìn)行計(jì)算[10]：

式中：I002為002 面衍射強(qiáng)度；I18.0°為衍射角2θ=18.0°的衍射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理過程中pH 的變化

隨著預(yù)處理反應(yīng)的進(jìn)行，pH 不斷降低。 預(yù)處理液的pH 間接反映了堿預(yù)處理劑的消耗情況和預(yù)處理系統(tǒng)狀態(tài)[11]。 圖1 所示為預(yù)處理過程中pH隨時(shí)間的變化情況。 由圖1 可知，1K+1N，2K，2N預(yù)處理的初始pH 分別為9.98，10.24，9.99； 隨著時(shí)間的延長，3 種預(yù)處理方式的pH 變化都呈現(xiàn)降低的趨勢， 但是降低的速率不同。 2K 預(yù)處理pH在6～12 h 下降最快，從8.84 降至5.7，之后下降得比較平緩，48 h 后pH 下降至4.34。1K+1N 預(yù)處理在18-24 h 時(shí)顯著下降，從8.9 降至5.57，之后平穩(wěn)下降，48 h 后pH 為4.66。2N 預(yù)處理的pH 顯著下降時(shí)間發(fā)生在30～36 h，但下降幅度小于1K+1N 和2K 預(yù)處理，48 h 后pH 仍為6.19。這是因?yàn)镵OH 的堿性比NH3·H2O 強(qiáng)， 能更加快速地與底物作用生成小分子酸，導(dǎo)致pH 更加快速下降。

圖1 不同預(yù)處理液中pH 的變化Fig.1 Changes of pH in hydrolysates with different pretreatments

2.2 預(yù)處理過程中主要化學(xué)組分的變化

2.2.1 還原糖

在秸稈預(yù)處理過程中， 木質(zhì)纖維素的降解可以產(chǎn)生還原糖， 部分木質(zhì)纖維素也可被分解形成VFAs、可溶性氮磷物質(zhì)、可溶性碳和還原性糖等可溶性物質(zhì)[12]。 3 種預(yù)處理的還原糖濃度隨時(shí)間變化如圖2 所示。 由圖2 可見，2K 預(yù)處理還原糖含量在6 h 時(shí)最先達(dá)到峰值5 803 mg/L，然后快速下降；1K+1N 預(yù)處理的還原糖含量在18 h 時(shí)達(dá)到最高值4 931 mg/L， 隨后快速下降；2N 預(yù)處理還原糖含量在30 h 時(shí)最高，為4 786 mg/L；3 種預(yù)處理的還原糖變化趨勢一致，均是先增加后降低。這是由于糖類物質(zhì)逐漸向酸轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換過程體現(xiàn)在pH 值的變化上。 從圖1 和圖2 可以看出，還原糖達(dá)到最大峰值后快速下降的過程， 對應(yīng)pH 值下降幅度最大的時(shí)間， 這說明預(yù)處理過程中還原糖含量的變化同樣與預(yù)處理試劑有關(guān)。

圖2 不同預(yù)處理液中還原糖濃度的變化Fig.2 Changes of reducing sugar concentration in hydrolysate with different pretreatments

2.2.2 VFAs

根據(jù)厭氧消化的三階段理論， 在預(yù)水解過程中，秸稈的木質(zhì)纖維素被一定程度地水解，必然伴隨著小分子酸以及乙醇 （VFAs） 的產(chǎn)生和溶出。VFAs 也是產(chǎn)甲烷菌所能直接利用的重要底物，在預(yù)水解過程中產(chǎn)生VFAs 有助于提高后續(xù)厭氧消化效率。 各實(shí)驗(yàn)組在預(yù)水解過程中產(chǎn)生VFAs 的情況如圖3 所示。在預(yù)水解初期，稻草中易降解的組分（半纖維素、非結(jié)晶區(qū)的纖維素等）首先被水解，使VFAs 的溶出量快速增加，在6 h 時(shí)均超過1 500 mg/L；隨后，均呈現(xiàn)隨時(shí)間延長而增長的趨勢，但3 種預(yù)處理快速累積的時(shí)間段各不同。1K+1N 預(yù)處理的VFAs 快速累積時(shí)間在第18～24 h，2K 預(yù)處理在第6～12 h，2N 預(yù)處理在第30～36 h。總VFAs 快速累積的時(shí)間與pH 值大幅度下降時(shí)間相對應(yīng)。第48 h 后，1K+1N 預(yù)處理、2K 預(yù)處理、2N 預(yù)處理的總VFAs 濃度分別為3 463 ，2 847，3 388 mg/L。

圖3 不同預(yù)處理水解液中VFAs 的變化Fig.3 Changes of VFAs in hydrolysate with different pretreatments

2.2.3 SCOD

圖4 所示為SCOD 濃度在預(yù)處理過程中的變化。 從圖4 可以看出，3 組預(yù)處理的SCOD 濃度都隨預(yù)處理時(shí)間而增大。 預(yù)處理48 h 后，1K+1N 預(yù)處理SCOD 濃度最高，為16 340 mg/L；其次是2N 預(yù)處理為15 718 mg/L；2K 預(yù)處理最低為13 756 mg/L。SCOD 值越高， 表示適合產(chǎn)甲烷菌利用的可揮發(fā)性或可消耗的物質(zhì)越多[13]。

圖4 不同預(yù)處理水解液中SCOD 的變化Fig.4 Changes of SCOD in hydrolysate with different pretreatments

2.3 預(yù)處理前后稻草形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

2.3.1 預(yù)處理前后稻草微觀結(jié)構(gòu)的變化

為了更好地觀察稻草的微觀結(jié)構(gòu)變化，用掃描電鏡（SEM）對未預(yù)處理以及3 種不同預(yù)處理方式預(yù)水解48 h 后的稻草進(jìn)行了掃描（圖5）。 從圖5（a）可以看出，未預(yù)處理的稻草纖維結(jié)構(gòu)完整且緊密，排列有序，表明光滑，無明顯的破壞。 這些纖維層阻礙了后續(xù)厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物對稻草的利用，使其厭氧消化反應(yīng)速率慢，產(chǎn)氣率低。 從圖5（b），（c），（d）可見，經(jīng)過預(yù)水解后的稻草，結(jié)構(gòu)發(fā)生很明顯的變化，表面破碎且疏松粗糙，1K+1N 預(yù)處理的破壞程度最明顯。這是由于在堿以及氨水的氨化作用下，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接鍵遭到破壞，使得稻草表皮細(xì)胞的孔隙率及比表面積顯著增大，進(jìn)而增強(qiáng)厭氧菌對可生物降解組分的可及度。

圖5 不同預(yù)處理稻草的SEM 圖Fig.5 SEM figures of rice straw with different pretreatment

2.3.2 預(yù)處理前后稻草XRD 分析

高分子聚合物通常具有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)（或稱無定形區(qū)）。 結(jié)晶區(qū)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)在X 射線的照射下能夠形成具有特性的衍射圖，可以通過這個(gè)方法來研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 稻草的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)是纖維素產(chǎn)生的。 稻草預(yù)處理前后的XRD 比對見圖6。 如圖6 所示，稻草在預(yù)處理前后的衍射圖均在22.0°附近和18.0°附近出現(xiàn)兩個(gè)特征峰，且峰形基本一致。 22.0°峰（主要峰）為結(jié)晶區(qū)特征峰；18.0°峰（次要峰）為非結(jié)晶區(qū)特征峰。 由圖可見，經(jīng)過KOH 或NH3·H2O 預(yù)處理后，對稻草的晶體類型沒有顯著影響，仍為結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)共存。

圖6 不同預(yù)處理稻草的XRD 衍射圖Fig.6 XRD images of rice straw with different pretreatment

在預(yù)處理前后， 稻草中纖維素的結(jié)晶度見表3。 1K+1N 組的結(jié)晶度為43.8%，2K 組為42.2%，2N 組為41.8%。總體來看，與未改性稻草（33.0%）相比，經(jīng)過預(yù)處理后的結(jié)晶度均有所提高。這說明KOH，NH3·H2O 在30 ℃改性2 d 的過程中， 主要破壞稻草纖維素的非結(jié)晶區(qū)。 結(jié)晶度的比較：1K+1N＞2K＞2N。這說明經(jīng)過KOH 和NH3·H2O 復(fù)合改性后， 稻草纖維素的破壞程度大于KOH 或NH3·H2O 單試劑改性組。 NH3·H2O 單試劑預(yù)處理后的結(jié)晶度略小于KOH 單試劑預(yù)處理后的結(jié)晶度。這是由于NH3能與稻草中的有機(jī)物發(fā)生氨解作用的結(jié)果。 氨分子滲透到結(jié)晶區(qū)與纖維素發(fā)生作用，形成氨纖維復(fù)合體，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使纖維素的結(jié)晶度發(fā)生變化， 繼而形成了木質(zhì)纖維素的降解。這也是與一元強(qiáng)堿KOH 改性稻草作用機(jī)理不同的地方。

表3 不同預(yù)處理稻草的結(jié)晶度指數(shù)Table 3 Crystallinity index of rice straw with different pretreatment

2.3.3 預(yù)處理前后稻草FTIR 特征分析

由于稻草中主要官能團(tuán)和化學(xué)鍵在紅外光譜中的特定頻率都是已知， 因此通過紅外光譜可以判斷預(yù)處理對稻草結(jié)構(gòu)的影響。 圖7 對3 種不同預(yù)處理前后稻草的紅外光譜特征進(jìn)行了比較。

圖7 不同預(yù)處理稻草的FTIR 特征圖Fig.7 FTIR spectra of rice straw with different pretreatment

從圖7 可以看出， 稻草預(yù)處理前后其紅外光譜特征吸收峰形狀基本相同， 但一些特征峰不同程度的減弱或消失， 能夠明顯地表征預(yù)處理改變了稻草的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 其中，在波數(shù)1 732 cm-1處表征非共軛羰基C=O 伸縮振動(dòng)的吸收峰在預(yù)處理后明顯減弱或消失， 該官能團(tuán)表征苯乙烯酸與木素或多糖之間的酯鍵或者蠟質(zhì)表皮層的角質(zhì)。 此官能團(tuán)吸收峰強(qiáng)度：1K+1N＜2N＜2K＜未預(yù)處理，這是由于羰基C=O 可與氨水發(fā)生親核加成，形成亞胺；且OH-能與酯鍵發(fā)生皂化反應(yīng)，使得木質(zhì)素與纖維素、半纖維素間的結(jié)構(gòu)被打開，乙酸和酚類物質(zhì)被釋放出來， 從而有效地提高了稻草的可生物降解性[14]。

在1 107 cm-1，1 324 cm-1處分別表征紫丁香環(huán)伸縮振動(dòng)強(qiáng)度和愈創(chuàng)木基環(huán)甲氧基的伸縮振動(dòng)強(qiáng)度，吸收峰在預(yù)水解后都減弱。 在1 248 cm-1處表征酚類中C-O 伸縮振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度經(jīng)預(yù)水解后都有所下降， 表明木質(zhì)素在預(yù)水解過程中發(fā)生部分溶解，且吸收峰強(qiáng)度2N＞2K，1K+1N 與2K 差不多， 表明KOH 對木質(zhì)素的降解效果比NH3·H2O 對木質(zhì)素的降解效果更明顯。 這與前面的木質(zhì)纖維素含量分析結(jié)果中KOH 預(yù)處理木質(zhì)素含量低于NH3·H2O 組相一致。 此外，在1 428 cm-1處表征木質(zhì)素和脂肪族化合物之間的連接峰強(qiáng)度也有所減弱，且3 種預(yù)處理的吸收峰強(qiáng)度相差不大。這表明氨水雖然對木質(zhì)素直接作用效果不明顯，但是能夠使木素與碳水化合物之間酯鍵的斷裂，使纖維素從木素的包裹中釋放出來， 從而提高秸稈的厭氧消化產(chǎn)氣性能。

在2 919 cm-1，2 852 cm-1，1 463 cm-1，1 378 cm-1處表征-CH3，-CH2，-CH 基團(tuán)的C-H 的反對稱伸縮振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度明顯減弱， 表明稻草中甲基和次亞甲基含量降低， 脂肪族化合物在預(yù)處理過程得到一定程度的降解， 且3 種預(yù)處理后的吸收峰強(qiáng)度差不多，說明KOH 和NH3·H2O 對甲基、次亞甲基的分解能力差不多。 在3 421 cm-1處表征分子內(nèi)羥基O-H 鍵的伸縮振動(dòng)； 在1 639 cm-1處是表征吸附水H-O-H 彎曲振動(dòng)的吸收峰；在1 052 cm-1，1 162 cm-1處表征部分纖維素半纖維素的特征峰強(qiáng)度都明顯減弱， 吸收峰強(qiáng)度依次為1K+1N＜2K＜2N＜未預(yù)處理。此外，在898 cm-1處表征糖單元之間的β-糖苷鍵特征吸收峰強(qiáng)度也發(fā)生了減弱現(xiàn)象。 此鍵的斷裂進(jìn)一步表明KOH,NH3·H2O 都對分子內(nèi)氫鍵具有一定的破壞作用，從而導(dǎo)致纖維素對厭氧菌的反應(yīng)能力加強(qiáng)， 且吸收峰強(qiáng)度2N＜2K， 說明NH3·H2O 對β-糖苷鍵的破壞能力大于KOH[15]。 這些特征峰的減弱表明稻草的纖維素、 半纖維素結(jié)構(gòu)以及脂肪族化合物在預(yù)處理后得到一定程度的降解，且1K+1N 復(fù)合預(yù)處理組的降解程度大于單試劑預(yù)處理組。

2.4 預(yù)處理過程中木質(zhì)纖維素含量的變化

預(yù)水解48 h 后，對不同預(yù)處理稻草的木質(zhì)纖維素含量進(jìn)行了比較（表4）。 木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，也是厭氧微生物生長以及其厭氧消化產(chǎn)甲烷的主要碳源來源[16]。 經(jīng)過不同堿預(yù)處理后，木質(zhì)纖維素都發(fā)生了部分降解，木質(zhì)素含量為4.12%～4.20%， 纖維素含量為26.70%～28.96%， 半纖維素含量為18.63%～20.52%。 其中， 半纖維素含量降低了19.8%～27.2%，纖維素降低了16.4%～22.9%，木質(zhì)素降低了13.5%～17.3%。 預(yù)處理后主要組分含量降低，主要是因?yàn)榈静葜械哪举|(zhì)纖維素組分轉(zhuǎn)化為小分子化合物，這些小分子更容易被厭氧菌消化吸收，從而提高稻草的厭氧消化性能。 木質(zhì)纖維素去除率最高的是1K+1N 預(yù)處理，為24.0%；2N 預(yù)處理去除率為17.8%；2K 預(yù)處理去除率為22.4%。 1K+1N 預(yù)處理的木質(zhì)纖維素去除率分別比2N，2K 預(yù)處理提高了7.2%，34.8%。 這說明1K+1N 預(yù)處理的木質(zhì)纖維素降解效果優(yōu)于等劑量的單試劑預(yù)處理。

表4 不同預(yù)處理稻草的木質(zhì)纖維素含量Table 4 Lignocellulosic content of rice straw with different pretreatment %

3 結(jié)論

①KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理能促進(jìn)秸稈中可溶性物質(zhì)的溶出。

②KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理明顯促進(jìn)木質(zhì)素中部分官能團(tuán)、 纖維素的氫鍵和糖苷鍵以及木質(zhì)素與纖維素、半纖維之間的連接鍵的斷裂，使包裹在木素中的纖維素更好地釋放出來被溶脹降解，并破壞其晶體結(jié)構(gòu)。稻草的這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是提高稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能的重要原因。

③KOH/NH3·H2O 復(fù)合預(yù)處理組木質(zhì)纖維素的去除率為24.0%， 比KOH 和NH3·H2O 單試劑預(yù)處理組提高了7.2%～34.8%。這些變化使得稻草更容易被厭氧微生物利用， 從而有效地提高了稻草的厭氧消化性能。