NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵效率的影響

張鳴　李昂　楊彩玲　郭軍霞

摘 要 2020—2021年，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵裝置，研究NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵效率的影響，探索在確保小麥秸稈預(yù)處理效果的前提下，通過(guò)改變預(yù)處理時(shí)間來(lái)減少NaOH用量，降低二次污染風(fēng)險(xiǎn)，為小麥秸稈沼氣生產(chǎn)提供理論依據(jù)。研究采用0%、3%和6%（以秸稈干質(zhì)量計(jì)）NaOH對(duì)小麥秸稈預(yù)處理7、14、21和28 d，未預(yù)處理的小麥秸稈作對(duì)照，發(fā)酵液pH不做調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，小麥秸稈經(jīng)3%NaOH預(yù)處理7～28 d后，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的脫除率分別為5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～ ?49.2%，與6%NaOH預(yù)處理相當(dāng)，顯著高于0%NaOH預(yù)處理。在中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，3%NaOH預(yù)處理的產(chǎn)氣效果優(yōu)于相同預(yù)處理時(shí)間0%和6%NaOH預(yù)處理，在預(yù)處理7～28 d時(shí)，干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量為 ?185.5～310.5 mL·g-1，產(chǎn)氣速率為38.1～84.2 mL·d-1。最優(yōu)組合預(yù)測(cè)模型顯示，3%NaOH預(yù)處理小麥秸稈11.4 d的效果最好，86.0 d發(fā)酵完全，產(chǎn)氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量為257.6? ?mL·g-1。綜合判斷，在小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵過(guò)程中，利用3%（以秸稈干質(zhì)量計(jì)）NaOH對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理是可行的，能夠獲得良好的產(chǎn)氣效果。

關(guān)鍵詞 小麥秸稈；厭氧發(fā)酵；NaOH；預(yù)處理；產(chǎn)氣速率；累積產(chǎn)氣量

中國(guó)小麥秸稈資源非常豐富，每年的產(chǎn)出量約為1.4億t，占全國(guó)農(nóng)作物秸稈總量的 ?19.9%[1]。利用小麥秸稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是其高質(zhì)化利用方式之一，不僅可以彌補(bǔ)畜糞沼氣原料不足，而且可以減少過(guò)剩秸稈的環(huán)境污染[2-5]。但是小麥秸稈自身的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)并不適宜直接進(jìn)行沼氣生產(chǎn)[6-7]，而預(yù)處理是解決這一問(wèn)題的有效措施[8]，其中NaOH預(yù)處理是較為有效的方法，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[9-11]。王小韋[12]研究發(fā)現(xiàn)，NaOH預(yù)處理能夠有效增加小麥秸稈中可溶組分進(jìn)入水相中的速率，并在4%NaOH預(yù)處理下獲得最大值。趙楠等[13]和康佳麗等[14]的研究結(jié)果均顯示，6%是小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)最佳的NaOH預(yù)處理濃度，但是預(yù)處理時(shí)間有所差異，分別為5 d和30 d。Taherdanak等[15]研究指出，經(jīng)8%NaOH預(yù)處理1 h的小麥秸稈在25 ℃、50 ℃和75 ℃下厭氧發(fā)酵時(shí)，累積產(chǎn)氣量相比未預(yù)處理對(duì)照分別提高47.5%、40.8%和54.5%。季艷敏[16]研究認(rèn)為，小麥秸稈中溫 ?（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，10%是預(yù)處理NaOH的最佳添加量，預(yù)處理時(shí)間為7 d?？梢?jiàn)，目前的相關(guān)研究報(bào)道中，預(yù)處理NaOH的添加量普遍較高，占到了小麥秸稈干質(zhì)量的4%～10%，預(yù)處理后需要進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，容易造成二次污染，而且最佳預(yù)處理時(shí)間差異較大，1 h～30 d不等。同時(shí)有研究表明，預(yù)處理時(shí)間對(duì)農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵時(shí)的預(yù)處理效果具有明顯的調(diào)控作用[17-19]。為此，本研究選用目前報(bào)道中相對(duì)居中的6%（以秸稈干質(zhì)量計(jì)）作為NaOH預(yù)處理小麥秸稈時(shí)的最高添加量，嘗試在確保小麥秸稈預(yù)處理效果的前提下，通過(guò)改變預(yù)處理時(shí)間來(lái)減少NaOH用量，降低其二次污染風(fēng)險(xiǎn)，為小麥秸稈的中溫厭氧發(fā)酵提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于2020年8月17日—2021年1月15日在蘭州城市學(xué)院城市環(huán)境污染控制高校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。供試小麥秸稈自然風(fēng)干后進(jìn)行粉碎，過(guò)2 mm篩，有機(jī)碳481.7 g·kg-1，全氮5.8 g·kg-1，C/N 83.1，纖維素42.2%，半纖維素26.8%，木質(zhì)素10.3%，干物質(zhì)92.2%，揮發(fā)性干物質(zhì)90.1%。預(yù)處理堿液選用NaOH，添加量分別為小麥秸稈干質(zhì)量的0%、3%和6%，預(yù)處理時(shí)，先將NaOH按比例配制成溶液，然后在小麥秸稈中分別加入等質(zhì)量的配置NaOH溶液和等質(zhì)量的自來(lái)水，充分?jǐn)嚢杈鶆颍詈笾萌?0 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，分別進(jìn)行7、14、21和28 d的預(yù)處理培養(yǎng)，未預(yù)處理的小麥秸稈作為對(duì)照（0 d），試驗(yàn)共13個(gè)處理，3次重復(fù)。

厭氧發(fā)酵是在中溫（35 ℃）條件下進(jìn)行，發(fā)酵液總量為200 mL，預(yù)處理小麥秸稈的干物質(zhì)質(zhì)量為16.0 g，總固體（TS）含量為8%，C/N用尿素調(diào)節(jié)為25，接種物為50 mL正常產(chǎn)氣2個(gè)月的沼氣池沼液，發(fā)酵液的pH不做調(diào)節(jié)，發(fā)酵罐密封后放置于恒溫水浴鍋內(nèi)，連接試驗(yàn)裝置（圖1），每天21：00手動(dòng)搖勻發(fā)酵瓶，以便發(fā)酵物料充分反應(yīng)。試驗(yàn)在確定不再產(chǎn)氣時(shí)結(jié)束，發(fā)酵過(guò)程中集氣瓶按時(shí)補(bǔ)充飽和食鹽水。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1，選取凈容積為300 mL的三角瓶作為發(fā)酵罐，并配有適當(dāng)大小的橡皮塞，橡膠塞上設(shè)有出氣口，集氣裝置選用凈容積為1 000 mL裝滿飽和食鹽水的廣口瓶，同樣配有適當(dāng)大小的橡皮塞，橡膠塞上設(shè)有進(jìn)氣孔和排水孔，用乳膠管和玻璃管連接發(fā)酵罐的出氣口和集氣裝置的進(jìn)氣口。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測(cè)定：在預(yù)處理結(jié)束時(shí)，采用中性洗滌劑-酸性洗滌劑法測(cè)定小麥秸稈預(yù)處理后的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量[20]。pH在厭氧發(fā)酵啟動(dòng)前，通過(guò)pHS-3C型精密酸度計(jì)測(cè)定料液初始pH。產(chǎn)氣速率：采用排水集氣法，每天上午9：00利用量筒測(cè)量集氣瓶中排出的水量，得出日產(chǎn)氣速率。累積產(chǎn)氣量：對(duì)應(yīng)日期內(nèi)的日產(chǎn)氣量之和；干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量、發(fā)酵完成率和小麥秸稈組分（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）脫除率的計(jì)算公式如下：

干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量=累積產(chǎn)氣量/干物質(zhì) ?質(zhì)量

發(fā)酵完成率=累積產(chǎn)氣量/總產(chǎn)氣量×100%

小麥秸稈組分（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）脫除率=（未處理秸稈組分含量－預(yù)處理秸稈組分含量）/未處理秸稈組分含量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用DPS 7.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用鄧肯多重比較法，當(dāng)P<0.05時(shí)，數(shù)據(jù)之間具有顯著性差異；采用Excel 2021對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 ?作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵初始pH

從預(yù)處理7～28 d小麥秸稈在中溫厭氧發(fā)酵時(shí)料液的初始pH（圖2）可以看出，未預(yù)處理和0%NaOH預(yù)處理的料液初始pH為7.06～ ?7.20，基本處于中性條件，屬于產(chǎn)甲烷菌正常生長(zhǎng)的范圍。3%NaOH預(yù)處理的pH為8.34～ ?8.40，略高于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的臨界pH 8.3。6%NaOH預(yù)處理的初始pH相對(duì)較高，達(dá)到了9.02～9.13，遠(yuǎn)高于理想的厭氧發(fā)酵pH范圍。其中3%和6%NaOH預(yù)處理時(shí)，料液初始pH的高低主要取決于NaOH添加量的多少，而預(yù)處理時(shí)間對(duì)其的影響并不明顯（P＞0.05）。

2.2 NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈主要組分脫除率的影響

由圖3可見(jiàn)，NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中半纖維素和木質(zhì)素的脫除效果較好，對(duì)纖維素的脫除率相對(duì)較低。當(dāng)NaOH添加量一定時(shí)，三者的脫除率隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；當(dāng)預(yù)處理時(shí)間一定時(shí)，三者的脫除率隨NaOH添加量的增大而增加。其中3%NaOH預(yù)處理7～28 d時(shí)，小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的脫除率分別為5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～49.2%，與6%NaOH預(yù)處理相當(dāng)（P＞0.05），且顯著高于0%NaOH預(yù)處理（P<0.05）。

2.3 NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量的影響

2.3.1 0%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量 由圖4可見(jiàn)，在整個(gè)中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵過(guò)程中，未預(yù)處理小麥秸稈在發(fā)酵初期產(chǎn)氣4 d后進(jìn)入了20 d的產(chǎn)氣停滯期，隨后開(kāi)始2次產(chǎn)氣，在第107天時(shí)產(chǎn)氣停止，累積產(chǎn)氣 ?1 436.2 mL。利用0%NaOH（自來(lái)水）預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫厭氧發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵當(dāng)天即可正常產(chǎn)氣，在發(fā)酵的第3天前后出現(xiàn)第1次產(chǎn)氣峰值22.0、34.0、29.0和43.0? ?mL·d-1，之后在經(jīng)過(guò)一個(gè)短期的產(chǎn)氣低谷后，產(chǎn)氣速率迅速增加，在第26天、第33天、第25天和第25天時(shí)達(dá)到第2次產(chǎn)氣峰值85.0、81.5、 ?119.5和125.0 mL·d-1，之后緩慢下降，在第122天時(shí)產(chǎn)氣停止，累積產(chǎn)氣2 479.8、2 774.7、 ?3 083.0和3 226.1 mL，產(chǎn)氣速率為20.3、22.7、25.3和 ?26.4 mL·d-1?？梢?jiàn)，小麥秸稈不進(jìn)行預(yù)處理，直接進(jìn)行中溫厭氧發(fā)酵時(shí)的產(chǎn)氣效率低下，而通過(guò)0%NaOH（自來(lái)水）預(yù)處理在一定程度上可以提高小麥秸稈的發(fā)酵效率，其促進(jìn)作用隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

2.3.2 3%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量 由圖5可見(jiàn)，利用3%NaOH預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，同樣在發(fā)酵當(dāng)天開(kāi)始正常產(chǎn)氣，在發(fā)酵的第3天前后進(jìn)入第1次產(chǎn)氣高峰，峰值分別為45.5、55.0、53.0和32.0 mL·d-1，隨后產(chǎn)氣速率在短期的回落后迅速增加，分別在第27天、第25天、第25天和第28天時(shí)達(dá)到第2次產(chǎn)氣峰值108.0、271.5、91.5和73.0 mL·d-1，在第108天時(shí)產(chǎn)氣停止，累積產(chǎn)氣4 352.9、5 072.6、 ?3 595.8和3 191.6 mL，產(chǎn)氣速率分別為35.7、 ?41.6、29.5和26.2 mL·d-1?？梢?jiàn)，利用3%NaOH預(yù)處理可以提高小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，但是提高幅度并非預(yù)處理時(shí)間越長(zhǎng)越好。

2.3.3 6%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量 利用6%NaOH預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈在中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)（圖6），同樣在發(fā)酵當(dāng)天即可正常產(chǎn)氣，但是在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，只有1個(gè)明顯的產(chǎn)氣峰值，分別為108.0、102.0、70.0和36.0 mL·d-1，在第117天時(shí)產(chǎn)氣停止，累積產(chǎn)氣量分別為3 647.3、 ?3 353.2、2 118.0和1 388.9 mL，產(chǎn)氣速率分別為29.9、27.5、17.4和11.4 mL·d-1。可見(jiàn)，利用6%NaOH預(yù)處理同樣能夠提高小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，其提高幅度隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱。

2.4 NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵周期的影響

厭氧消化發(fā)酵時(shí)間的長(zhǎng)短意味著在相同時(shí)間內(nèi)消化處理廢棄物的多少，直接反映厭氧消化效率。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一般認(rèn)為累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成[21-22]。由圖7可見(jiàn)，在中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，未預(yù)處理小麥秸稈85 d發(fā)酵完成；0%NaOH預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在91、90、87和89 d時(shí)發(fā)酵完成；3%NaOH預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在86、59、80和78 d時(shí)發(fā)酵完成；6%NaOH預(yù)處理7、14、21和28 d的小麥秸稈分別在88、88、86和83 d時(shí)發(fā)酵完成。可見(jiàn)，利用NaOH預(yù)處理可以縮短小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵時(shí)的完成時(shí)間，但是并非預(yù)處理NaOH添加量越大，發(fā)酵完成時(shí)間越短，其中3%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的發(fā)酵完成時(shí)間短于0%和6%NaOH預(yù)處理。

2.5 NaOH預(yù)處理對(duì)小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵基本完成時(shí)干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速率的影響

由圖8可見(jiàn)，在厭氧發(fā)酵基本完成時(shí)（圖7），未預(yù)處理小麥秸稈的干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速率分別為81.3 mL·g-1和15.3 mL·d-1，遠(yuǎn)低于NaOH預(yù)處理。0%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速率均隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，其中28 d預(yù)處理最高，分別為181.5 mL·g-1和32.6 mL·d-1；3%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速率均為14 d預(yù)處理最高，分別為 ?310.5 mL·g-1和84.2 mL·d-1，顯著高于其他時(shí)間預(yù)處理；6%NaOH預(yù)處理小麥秸稈的干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和平均產(chǎn)氣速率均隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，其中7 d預(yù)處理最高，分別為204.2 mL·g-1和37.1 mL·d-1，顯著高于其他時(shí)間預(yù)處理。

2.6 NaOH預(yù)處理小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)累積產(chǎn)氣量與預(yù)處理時(shí)間及厭氧發(fā)酵時(shí)間之間的回歸模型

利用RSREG（Response Surface Regression）過(guò)程對(duì)各處理進(jìn)行多項(xiàng)式回歸（表1），所有回歸模型均達(dá)到了極顯著水平，而且各處理回歸方程模型中的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交叉項(xiàng)均達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），說(shuō)明方程的擬合度較好，能夠反映發(fā)酵的真實(shí)情況。

通過(guò)RSREG過(guò)程尋找回歸方程中最優(yōu)響應(yīng)曲面的穩(wěn)定點(diǎn)，結(jié)果表明（表2），在小麥秸稈中溫（35 ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，利用NaOH預(yù)處理小麥秸稈時(shí)的最佳預(yù)處理時(shí)間并不相同，隨其添加量的增大而減小，但是最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率并不隨NaOH添加量的增大而增大，這與實(shí)測(cè)值具有很好的一致性。其中0%NaOH預(yù)處理時(shí)，最佳預(yù)處理時(shí)間為28.0 d，91.0 d發(fā)酵完全，產(chǎn)氣速率為33.8 mL·d-1，最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量為192.1 mL·g-1；3%NaOH預(yù)處理時(shí)，最佳預(yù)處理時(shí)間為11.4 d，86.0 d發(fā)酵完全，產(chǎn)氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量為257.6 mL·g-1；6%NaOH預(yù)處理時(shí)，最佳預(yù)處理時(shí)間為7.0 d，88.0 d發(fā)酵完全，產(chǎn)氣速率為41.9 mL·d-1，最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量為230.5 mL·d-1。

3 討? 論

在中溫厭氧發(fā)酵時(shí)，利用NaOH對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理能夠提高秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，這與文獻(xiàn)[12-16]的研究結(jié)論相一致。小麥秸稈中的木質(zhì)素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過(guò)醚鍵、碳-碳鍵聯(lián)接而成的芳香族高分子化合物，一般微生物很難分解，纖維素和半纖維素雖然易被微生物分解，但是由于木質(zhì)素是纖維素的外圍基質(zhì)，阻礙了厭氧微生物對(duì)纖維素和半纖維素的有效利用，而小麥秸稈在NaOH預(yù)處理過(guò)程中，木質(zhì)素、纖維素和半纖維素之間的聯(lián)結(jié)鍵被NaOH中的氫氧根破壞，部分木質(zhì)素、纖維素和半纖維素得以分離或分解，而且還使細(xì)胞壁膨脹、結(jié)構(gòu)疏松，擴(kuò)大了纖維素、半纖維素與厭氧微生物的接觸面[14，23-25]，從而提高了小麥秸稈的產(chǎn)氣效率。

小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵時(shí)最佳的NaOH預(yù)處理添加量為3%，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[12-16]小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵時(shí)所推薦的NaOH預(yù)處理添加量（4%～10%）。究其原因，除預(yù)處理時(shí)間存在不同外，還與秸稈厭氧發(fā)酵初期發(fā)酵液的pH有關(guān)，因?yàn)閰捬醢l(fā)酵系統(tǒng)的pH一般情況下應(yīng)控制在 ?6.5～7.5，當(dāng)pH高于8.3就會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生消極影響[26]。趙楠等[13]和康佳麗等[14]在預(yù)處理小麥秸稈厭氧發(fā)酵前，均對(duì)發(fā)酵液的pH進(jìn)行了調(diào)節(jié)，而本研究為了降低NaOH預(yù)處理過(guò)程中二次污染風(fēng)險(xiǎn)，未對(duì)發(fā)酵液的酸度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而3%和6%NaOH預(yù)處理7～28 d小麥秸稈在厭氧發(fā)酵時(shí)的初始pH均處于堿性狀態(tài)，其中6%NaOH預(yù)處理小麥秸稈發(fā)酵初始pH相對(duì)較高，為 ?9.02～9.13，遠(yuǎn)超出了8.3的臨界值，阻礙了厭氧發(fā)酵過(guò)程中小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量，而3%NaOH預(yù)處理小麥秸稈發(fā)酵初始的pH為 ?8.34～8.40，雖然也超出了8.3這一臨界值，但是超出范圍相對(duì)較小，隨后由于NaOH預(yù)處理破壞了小麥秸稈的物化結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素被有效降解，能夠被微生物利用的纖維素和半纖維素被極大程度的釋放，這類碳水化合物經(jīng)過(guò)水解和酸化，轉(zhuǎn)化為可以被產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌和同型乙酸菌利用的酸類物質(zhì)，當(dāng)發(fā)酵液中的有機(jī)酸累積到一定程度，pH恢復(fù)到厭氧微生物的適宜范圍時(shí)，便開(kāi)始正常產(chǎn)氣[27]。

在中溫厭氧發(fā)酵時(shí)，利用3%NaOH預(yù)處理能夠提高小麥秸稈的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，但是預(yù)處理時(shí)間并非越長(zhǎng)越好。這是因?yàn)閰捬醢l(fā)酵的預(yù)處理是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，影響因素較多，且相互交織，只有適宜的預(yù)處理時(shí)間才能有效降解秸稈中的木質(zhì)纖維素，對(duì)發(fā)酵液的酸堿平衡起到良好的調(diào)節(jié)，有利于產(chǎn)甲烷菌生存；過(guò)短的預(yù)處理時(shí)間達(dá)不到應(yīng)有的處理效果，但過(guò)長(zhǎng)的預(yù)處理時(shí)間又有可能過(guò)度地破壞秸稈有效成分，形成酚類、糠醛等抑制發(fā)酵物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)氣效率降低[19，28]。

與6%NaOH預(yù)處理相比，3%NaOH預(yù)處理不僅可以對(duì)小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的脫除達(dá)到相仿效果，而且可以獲得更高的產(chǎn)氣速率和干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量。Barman等[29]研究表明，在105 ℃條件下利用2%NaOH溶液處理小麥秸稈10 min后，木質(zhì)素和半纖維素的去除率可以達(dá)到70.3%和68.2%。這也進(jìn)一步證實(shí)，在小麥秸稈厭氧發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)時(shí)間、溫度等預(yù)處理?xiàng)l件的改變來(lái)減少預(yù)處理NaOH用量是可行的?？紤]到NaOH添加量過(guò)大，將會(huì)增加后期中和難度及成本，增大其二次污染風(fēng)險(xiǎn)，所以在小麥秸稈中溫厭氧發(fā)酵時(shí)，應(yīng)選擇添加量相對(duì)較低的3%NaOH進(jìn)行預(yù)處理。那么，是否可以進(jìn)一步通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間等預(yù)處理?xiàng)l件的改變來(lái)降低預(yù)處理NaOH的添加量？還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

4 結(jié)? 論

在小麥秸稈中溫（35? ℃）厭氧發(fā)酵時(shí)，3%（以小麥秸稈干質(zhì)量計(jì)）NaOH預(yù)處理效果最好，在發(fā)酵當(dāng)天便可正常產(chǎn)氣，最佳預(yù)處理時(shí)間為11.4 d，86.0 d發(fā)酵完全，產(chǎn)氣速率為47.9 mL·d-1，最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量達(dá)257.6 mL·g-1。

參考文獻(xiàn) Reference：

［1]宋大利，侯勝鵬，王秀斌，等.中國(guó)秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量及替代化肥潛力[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2018，24（1）：1-21.

SONG D L，HOU SH P，WANG X B，et al.Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizers，2018，24（1）：1-21.

[2]張 鳴，高天鵬，常國(guó)華，等.豬糞和羊糞與麥稈不同配比中溫厭氧發(fā)酵研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（9）：2131-2134.

ZHANG M，GAO T P，CHANG G H，et al.Study on mesophilic anaerobic fermentation of different mixture of respective pig and sheep manure with wheat straw[J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2010，4（9）：2131-2134.

[3]ZHENG M X，LI X J，LI L Q，et al.Enhancing anaerobic biogasification of corn stover through wet state NaOH pretreatment[J].Bioresource Technology，2009，100（21）：5140-5145.

[4]KABEL M A，BOS G，ZEEVALKING J，et al.Effect of pretreatment severity on xylan solubility and enzymatic breakdown of the remaining cellulose from wheat straw[J].Bioresource Technology，2007，98（10）：2034-2042.

[5]黎 雪，張 彤，鄒書(shū)珍，等.不同溫度下NaOH-綠氧聯(lián)合預(yù)處理對(duì)麥稈厭氧發(fā)酵的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（9）：1812-1821.

LI X，ZHANG T，ZOU SH ZH，et al.Effect of pretreatments with NaOH-green oxygen at different temperatures on anaerobic digestion of wheat straw[J].Journal of Agro-Environment Science，2015，34（9）：1812-1821.

[6]吳 楠，孔垂雪，劉景濤，等.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)沼氣，2012，30（4）：14-20.

WU N，KONG CH X，LIU J T，et al. Research progress on crop straw biogas technology[J].China Biogas，2012， ?30（4）：14-20.

[7]張振華，呼世斌，馬 雯，等.牲畜糞便和秸稈混合厭氧發(fā)酵的試驗(yàn)研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28（6）：87-90.

ZHANG ZH H，HU SH B，MA W，et al.Experiment on co-fermentation and anaerobic fermentation of livestock manure and wheat straw[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2010，28（6）：87-90.

[8]李淑蘭，梅自力，張國(guó)治，等.秸稈厭氧消化預(yù)處理技術(shù)綜述[J].中國(guó)沼氣，2011，29（5）：29-33.

LI SH L，MEI Z L，ZHANG G ZH，et al.Review of pretreatment technology for crop straw anaerobic digestion[J].China Biogas，2011，29（5）：29-33.

[9]梁仲燕，樊夢(mèng)姣，孔 穎，等.NaOH和NaHSO3預(yù)處理對(duì)小麥秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣過(guò)程的影響[J].中國(guó)沼氣，2016，34（6）：38-41.

LIANG ZH Y，F(xiàn)AN M J，KONG Y，et al.Effects of different concentrations of NaOH and NaHSO3 pretreatment on anaerobic digestion of wheat straw[J].China Biogas，2016，34（6）：38-41.

[10]CHANDRA R，TAKEUCHI H，HASEGAWA T，et al.Improving biodegradability and biogas production of wheat straw substrates using sodium hydroxide and hydrothermal pretreatments[J].Energy，2012，43（1）：273-282.

[11]MOSET V，XAVIER C D A N，F(xiàn)eng L，et al.Combined low thermal alkali addition and mechanical pre-treatment to improve biogas yield from wheat straw[J].Journal of Cleaner Production，2018，172：1391-1398.

[12]王小韋.麥秸高濃度厭氧消化的預(yù)處理技術(shù)研究[D]. ?北京：北京化工大學(xué)，2009.

WANG X W.Experimental investigation of the straw pretreatment to enhance its high solid anaerobic digestion[D].Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2009.

[13]趙 楠，薛勝榮，楊改河，等.超聲聯(lián)合NaOH預(yù)處理小麥秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵特性[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（9）：44-54.

ZHAO N，XUE SH R，YANG G H，et al.Anaerobic co-digestion characteristics of pig manure and pretreated wheat straw with ultrasonic and NaOH[J].Journal of Northwest A ＆ F University （Natural Science Edition），2019，47（9）：44-54.

[14]康佳麗，李秀金，朱保寧，等.NaOH固態(tài)化學(xué)預(yù)處理對(duì)麥秸沼氣發(fā)酵效率的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（5）：1973-1976.

KANG J L，LI X J，ZHU B N，et al.Effect of solid state pretreatment with sodium hydroxide on biogasification efficiency of wheat straw[J].Journal of Agro-Environment Science，2007，26（5）：1973-1976.

[15]TAHERDANAK M，ZILOUEI H.Improving biogas production from wheat plant using alkaline preatreatment[J].Fuel，2014，115（1）：714-719.

[16]季艷敏.不同預(yù)處理對(duì)小麥秸稈和玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

JI Y M.Effect of different pretreatments on biogas production characteristics of anaerobic fermentation of wheat and corn straw[D].Yangling Shaanxi：Northwest A＆F University，2012.

[17]李希越，王洪波，趙玉曉，等.好氧生物預(yù)處理時(shí)間對(duì)玉米秸稈水解酸化的影響[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2022，56（1）：13-22.

LI X Y，WANG H B，ZHAO Y X，et al.Effect of aerobic biological pretreatment time on hydrolytic acidification of corn straw[J].Biomass Chemical Engineering，2022， ?56（1）：13-22.

[18]孟 艷，汪 微，葸全財(cái)，等.沼液預(yù)處理對(duì)蔬菜秸稈厭氧消化性能的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2022，24（9）：188-196.

MENG Y，WANG W，XI Q C，et al.Effect of biogas slurry pretreatment on anaerobic digestion of vegetable straws[J].Journal of Agricultural Science and Technology，2022，24（9）：188-196.

[19]張 鳴，趙國(guó)虎，李萬(wàn)江，等.不同時(shí)間NaOH預(yù)處理對(duì)玉米秸稈中溫厭氧發(fā)酵的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2017， ?26（9）：1605-1611.

ZHANG M，ZHAO G H，LI W J，et al.Effects of NaOH pretreatment at different time on anaerobic fermentation of corn straw at mesophilic temperatures[J].Ecology and Environmental Sciences，2017，26（9）：1605-1611.

[20]楊 斌，殷 引，張浩博，等.洗滌劑法測(cè)定煙草及煙草制品中中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、酸性洗滌木質(zhì)素的研究[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2012，18（3）：10-15.

YANG B，YIN Y，ZHANG H B，et al.Determination of NDF， ADF and ADL in tobacco and tobacco products with detergent method[J].Acta Tabacaria Sinica，2012，18（3）：10-15.

[21]張翠麗，楊改河，任廣鑫，等.溫度對(duì)4種不同糞便厭氧消化產(chǎn)氣效率及消化時(shí)間的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（7）：209-212.

ZHANG C L，YANG G H，REN G X，et al.Effects of temperature on biogas production efficiency and fermentation time for anaerobic digestion of four manures[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2008，24（7）：209-212.

[22]劉榮厚，郝元元，武麗娟.溫度條件對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣特性的影響[J].可再生能源，2006（5）：32-35.

LIU R H，HAO Y Y，WU L J.Effect of temperature on biogas yield and property during anaerobic fermentation process of pig dung[J].Renewable Energy，2006（5）：32-35.

[23]XIAO B，SUN X F，SUN R C.Chemical， structural， and thermal characterizations of alkali-soluble lignins and hemicelluloses， and cellulose from maize stems， rye straw， and rice straw[J].Polymer Degradation and Stability，2001，74（2）：307-319.

[24]CLARKSON W W，XIAO W.Bench-scale anaerobic bioconversion of newsprint and office paper[J].Water Science and Technology，2000，41（3）：93-100.

[25]楚莉莉，楊改河，張翠麗，等.不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（2）：190-193，199.

CHU L L，YANG G H，ZHANG C L，et al.The biogas production efficiency of crop straws at different temperature[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2008，26（2）：190-193，199.

[26]寧 平.固體廢物處理與處置[M].北京：高等教育出版社，2007：138.

NING P.Solid Waste Treatment and Disposal[M].Beijing：Higher Education Press，2007：138.

[27]楊 茜，鞠美庭，李維尊.秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（14）：232-242.

YANG Q，JU M T，LI W Z.Review of methane production from straws anaerobic digestion[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2016， ?32（14）：232-242.

[28]柳 麗，李 潔，白羿雄，等.KOH和NH3·H2O聯(lián)合固態(tài)預(yù)處理對(duì)青稞秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2022，35（8）：1966-1973.

LIU L，LI J，BAI Y X，et al.Effects of KOH and NH3·H2O combined solid state pretreatment on anaerobic fermentation performance of hulless barley straw[J].Research of Environmental Sciences，2022，35（8）：1966-1973.

[29]BARMAN D N，HAQUE M A，KANG T H，et al.Alkali pretreatment of wheat straw （Triticum aestivum） at boiling temperature for producing a bioethanol precursor[J].Bioscience Biotechnology and Biochemistry，2012， ?76（12）：2201-2207.

Effects of NaOH? Pretreatment on? Mesophilic Anaerobic Fermentation Efficiency of Wheat Straw

ZHANG MingLI Ang1， YANG Cailing2，3 and GUO Junxia1

Abstract Effects of NaOH pretreatment on anaerobic fermentation efficiency of wheat straw were studied using the “system of anaerobic fermentation technology” designed by us as mesophilic temperature from 2020 to 2021， the objective was to? reduce the amount of NaOH and the risk of secondary pollution while ensuring the pretreatment effect of wheat straw，thereby providing a theoretical basis for biogas production of wheat straw. Wheat straw samples were pretreated with 0%， 3%， and 6% （dry mass of wheat straw） NaOH for durations of 7， 14， 21， and 28 days， respectively， with unpretreated wheat straw as control. The results showed that the removal rates of cellulose， hemicellulose and lignin were 5.9%-8.3%， 38.3%-41.8%， 45.8%-49.2%， respectively， which was similar to the treatment of 6%NaOH and significantly higher than that of 0%NaOH pretreatment when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 d. The 3%NaOH treatment demonstrated the highest effectiveness compared to the control and 6%NaOH treatment for the same pretreatment duration under anaerobic fermentation of wheat straw at mesophilic temperature （35 ℃）. The cumulative biogas yields of dry matter ranged from 185.5 mL·g-1 to 310.5 mL·g-1， with a biogas production rate of 38.1 mL·d-1 to 84.2 mL·d-1 when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 days.The superior combination forecasting model showed that the treatment of 3%NaOH was the most effective， and the optimum pretreatment time was 11.4 d after 86.0 d completed fermentation， the rate of biogas production was 47.9 mL·d-1， the maximum cumulative biogas yields of dry matter was? ?257.6 mL·g-1. In conclusion， it is feasible to use 3% （dry mass of wheat straw） NaOH pretreatment wheat straw under mesophilic （35 ℃） anaerobic fermentation， which can obtain good biogas production effect.

Key words Wheat straw; Anaerobic fermentation; NaOH; Pretreatment; Biogas production rate; Cumulative biogas yields

Received2022-10-21Returned 2023-02-12

Foundation item The Natural Science Foundation of Gansu Province （No.20JR10RA283）; the Project of Higher Education Innovation Foundation of Gansu Province （No.2022B-224）.

First author ZHANG Ming， female， associate professor. Research area： environmental science and engineering. E-mail： zhangminglbl@163.com

（責(zé)任編輯：史亞歌 Responsible editor：SHI Yage）

收稿日期：2022-10-21修回日期：2023-02-12

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金（20JR10RA283）；甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金（2022B-224）。

第一作者：張 鳴，女，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)與工程方面的研究。E-mail： zhangminglbl@163.com