堿預處理稻稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵特性研究

付嘉琦，夏 嵩，陳小平，付尹宣，晏 恒，吳九九

（江西省科學院能源研究所，南昌 330096）

能源消費需求持續(xù)加大導致化石燃料消耗和環(huán)境污染加劇，人們需要尋求可代替的再生能源和清潔能源。厭氧發(fā)酵可以通過厭氧微生物的新陳代謝作用將動物糞便、農(nóng)作物秸稈以及其他農(nóng)業(yè)有機廢棄物轉(zhuǎn)化為沼氣，實現(xiàn)廢物資源化和無害化，因此受到越來越多的關注。以豬糞為底物的厭氧發(fā)酵沼氣工程已成為農(nóng)村畜禽糞便處理及資源化利用的主要途徑之一[1]。

然而，自2013年起我國生豬存欄量總體延續(xù)下行趨勢，并且豬糞原料集中于規(guī)?；B(yǎng)殖場，豬糞供應量無法確保。此外，豬糞本身的營養(yǎng)特性和結(jié)構(gòu)具有一定局限性，限制了單一豬糞厭氧發(fā)酵制沼氣工程的運行和推廣[2]。農(nóng)作物秸稈是另一種重要的有機廢物，其中稻草秸稈是我國南方主要的農(nóng)副產(chǎn)物，具有豐富的儲量，容易獲得且價格便宜。稻稈通常被用作動物飼料、炊火材料等，但絕大部分稻稈未經(jīng)使用便被露天焚燒從而引發(fā)嚴重的環(huán)境問題。將動物糞便和農(nóng)作物秸稈進行混合厭氧發(fā)酵，可以彌補單一原料發(fā)酵的不足，平衡發(fā)酵底物的營養(yǎng)配比，獲得更好的產(chǎn)沼氣效能，同時實現(xiàn)兩者的無害化處理和資源化利用[3-4]。

稻稈作為一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這3種自然有機聚合物構(gòu)成，不同地區(qū)的稻草成分稍有不同[5]。由于木質(zhì)纖維素難溶于水且具有復雜的化學結(jié)構(gòu)，被酶解成簡單化合物的效率比較低，影響了微生物的利用效率。為了提高甲烷的產(chǎn)量，稻稈在用于厭氧發(fā)酵前需要進行一定的預處理[6-7]。常用的預處理方法包括熱處理[8-9]、化學處理[10]、生物處理[11]、物理處理[12]以及多種預處理方法聯(lián)用[13]，其中堿預處理通常對溫度條件和專業(yè)儀器的需求較低，運行的投入較小。朱益志等[14]和Zhang等[15]分別利用4.0%和3.0%的NaOH對稻稈進行預處理發(fā)酵產(chǎn)甲烷，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)處理的稻稈相比，均能夠提高發(fā)酵時的甲烷產(chǎn)量，然而，對于堿處理稻草的作用機制并未進行研究。

本試驗旨在探究堿預處理對稻稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響，并通過光譜學和熱力學分析闡明堿處理稻稈的作用機制。研究采用不同濃度的NaOH對稻稈進行預處理，借助掃描電鏡比較表觀形貌變化，利用紅外光譜研究化學鍵及官能團，采用熱重分析儀了解熱解特性。利用堿預處理后的稻稈與豬糞進行混合厭氧發(fā)酵，探討了發(fā)酵產(chǎn)甲烷的效能，為豬糞和稻稈無害化、資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種物

稻草秸稈取自江西省萬年縣。稻稈在自然條件下風干后經(jīng)粉碎機粉碎后篩分，取40目的稻稈待用。豬糞取自江西省萬年縣某豬場，接種污泥取自運行良好的豬場中溫厭氧發(fā)酵罐。各發(fā)酵材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 厭氧發(fā)酵材料的基本性質(zhì)Table1 Basic properties of anaerobic digestion materials

1.2 設備與儀器

1.2.1 發(fā)酵試驗設備

發(fā)酵試驗采用瑞典Bioprocess Control公司的全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)（AMPTS II）（圖1），配備有15組分辨率為10 mL的微量氣體流量計組陣，能夠在整個發(fā)酵周期連續(xù)自動地批量采集實驗數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的溫度及壓力傳感器自動校正數(shù)據(jù)，獲取精確的實驗數(shù)據(jù)。

圖1 全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)Figure1 Automatic methane potential test systemⅡ

1.2.2 試驗與測試儀器

試驗及測試的主要儀器包括上海三發(fā)科學儀器公司DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱、湖南三德科技公司SDAF 2000d灰熔融性測試儀、奧豪斯儀器公司AR224CN電子天平、上海雷磁儀器廠PHS-3C pH計、湖南三德科技公司SDCHN435碳氫氮元素分析儀、北京博醫(yī)康公司FD-1E-50冷凍干燥機、日本日立公司S-3400N掃描電子顯微鏡、德國NETZSCH公司STA449 F3同步熱分析儀、德國Bruker公司TEN－SORⅡ研究型傅里葉變換紅外光譜儀。

1.3 分析與試驗方法

1.3.1 稻稈預處理

配制質(zhì)量分數(shù)分別為0.2%、0.75%、1.5%、3.0%（W/V）的NaOH溶液，按1∶10的固液比（W/V）向一定量粉碎后的稻稈加入NaOH溶液，混合均勻后常溫常壓下浸泡72 h，用去離子水洗滌至中性后冷凍干燥至恒質(zhì)量。空白對照組為常溫常壓下，稻稈粉末用去離子水浸泡72 h后冷凍干燥至恒質(zhì)量。

1.3.2 分析方法

厭氧發(fā)酵材料總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）通過重量法測定，pH值采用pH計測定，總碳（TC）和總氮（TN）通過元素分析儀測定。稻草堿處理后的還原糖含量采用二硝基水楊酸法測定。預處理前后的稻稈樣品鍍金后利用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察分析。

預處理后稻稈的熱重分析（TGA）采用同步熱分析儀測定。稱取5 mg試樣置入TGA專用坩堝，通入60 mL·min-1高純氮氣，加熱爐以10 K·min-1的升溫速率從初始溫度（40℃）升至加熱終溫（800℃），對試樣質(zhì)量變化（TG曲線）進行記錄。

紅外光譜特性利用傅里葉變換紅外光譜儀進行測定，將1 mg經(jīng)冰凍干燥后的稻草樣品與400 mg干燥的光譜純KBr置于瑪瑙研缽中，在紅外燈照射環(huán)境下磨細混勻。在10 MPa壓強下壓成薄片并維持1 min后測定并記錄光譜。

1.3.3 發(fā)酵試驗方法

發(fā)酵采用500 mL標準批式進料反應器，通過水浴控制為中溫（37℃），反應體系總量設為400 g，按污泥和接種物料的揮發(fā)性固體質(zhì)量分數(shù)比為2∶1接種，豬糞與稻稈進行一定配比使得接種物料碳氮比為25∶1，反應體系總固體質(zhì)量分數(shù)為8%，攪拌通過電機自動控制，攪拌間隔為5 min。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗至少3組平行，試驗結(jié)果為平均值±標準誤差。采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，利用Turkey HSD法進行多重比較，P＜0.05即表示差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿預處理對稻稈質(zhì)量和酶解糖化的影響

不同濃度NaOH預處理后稻稈質(zhì)量損失情況和酶解糖化的效果如圖2所示。隨著NaOH濃度的增加，稻稈的質(zhì)量損失率急劇升高。預處理后的稻稈經(jīng)酶解產(chǎn)生的還原糖質(zhì)量分數(shù)隨著NaOH濃度的增加而增大，當NaOH濃度為1.5%時達到71.6 mg·g-1稻稈，是對照組的2.96倍（P＜0.01）。在植物體內(nèi)，木質(zhì)素通過各種化學鍵與半纖維素相連，繼而包裹在纖維素四周，形成木質(zhì)纖維素，大部分分子規(guī)律性地排列形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，只有部分分子規(guī)律性差形成無定形區(qū)，而纖維素酶只能作用于稻稈的非結(jié)晶區(qū)[7]。結(jié)果表明堿液預處理可能脫去了稻稈中的木質(zhì)素并改變了木質(zhì)纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使得更多的纖維素暴露于纖維素酶的作用下，促進了酶解糖化效果[16]。當預處理堿濃度為3.0%時，生成的還原糖質(zhì)量分數(shù)略有下降，可能是由于高濃度堿環(huán)境使還原糖轉(zhuǎn)化為其他副產(chǎn)物[10]。因此，濃度為1.5%的NaOH預處理稻稈的效果最佳。

圖2 堿預處理對稻稈質(zhì)量（A）和酶解糖化（B）的影響Figure2 Effect of alkali pretreatment on mass and enzymatic hydrolysis saccharification of rice straw

2.2 稻稈的掃描電鏡分析

稻稈經(jīng)1.5%NaOH預處理前后的掃面電鏡結(jié)果如圖3所示。圖3A1～圖3A3分別是未處理稻稈放大100、500、1000倍的電鏡照片，稻稈大部分呈塊狀，表面較平滑且高度有序，微觀上呈纖維束狀結(jié)構(gòu)，這是因為其表面存在果膠和蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)[17]。圖3B1～圖3B3分別是經(jīng)1.5%NaOH處理后的稻稈放大100、500、1000倍的電鏡照片，經(jīng)堿處理后的稻稈呈撕開狀的纖維織物形態(tài)，表面形態(tài)發(fā)生了很大變化，整體變得粗糙不平，纖維發(fā)生潤脹。NaOH溶液可能削弱了纖維素與半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素與木質(zhì)素之間的酯鍵，從而破壞了稻稈表層的果膠和蠟質(zhì)層，使內(nèi)部纖維素組分充分暴露出來，放大觀察發(fā)現(xiàn)堿處理后的稻稈髓腔薄壁細胞外露且其中的物質(zhì)基本失去[18]。因而，NaOH溶液可以有效改變稻稈的結(jié)構(gòu)，使其在酶解時具有更大的有效比表面積，從而提高酶解效果。

圖3 1.5%NaOH預處理前后稻稈掃描電鏡圖Figure3 SEM of untreated and 1.5%NaOH pretreated rice straw

2.3 稻稈處理前后紅外分析

稻稈經(jīng)1.5%NaOH處理前后的紅外圖譜如圖4所示。1.5%NaOH預處理前后的稻稈的紅外光譜峰形狀基本一致，但全波段的透過率和吸收強度均有所不同，表明NaOH預處理使稻稈的分子內(nèi)鍵、分子間鍵發(fā)生了變化[19]。

波數(shù)3450 cm-1附近很強很寬的譜帶是羥基的O-H伸縮振動[20]，預處理后強度變小表明NaOH預處理使分子間氫鍵強度減小。2991 cm-1附近處的吸收峰是蠟質(zhì)成分里亞甲基中的C-H伸縮振動[21]，經(jīng)堿預處理后，該處的吸收峰強度略有減小，說明堿處理促進了稻稈表面蠟質(zhì)層的去除。1612 cm-1附近處的吸收峰為吸收的O-H和分子間或分子內(nèi)形成氫鍵的羧酸中的共軛C-O伸縮振動峰，后者是木質(zhì)素所含的苯環(huán)特征峰，經(jīng)堿處理后吸收強度減小，說明木質(zhì)素含量有所下降。1484 cm-1附近處的吸收峰代表了碳水化合物和脂肪族類化合物中甲基和亞甲基的彎曲振動，堿處理后強度明顯減小，說明稻稈中含有的大量碳水化合物發(fā)生了分解。經(jīng)堿處理后，1265 cm-1附近處表征愈創(chuàng)木基環(huán)甲氧基伸縮振動的吸收峰和1177 cm-1附近處表征酯鍵中C-O伸縮的振動峰均發(fā)生了改變，表明預處理使稻稈中的木質(zhì)素發(fā)生了一定改變。1058 cm-1處代表C-O振動的吸收峰，經(jīng)處理后強度增加，說明木質(zhì)纖維素聚合物發(fā)生了解聚，晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞[22]。899 cm-1處是β-糖苷鍵的特征峰[23]，堿處理后的吸收峰增強，可能是由于蠟質(zhì)層和木質(zhì)素的剝離使得更多的纖維素暴露導致[16]。

圖4 1.5%NaOH處理前后稻稈紅外圖譜Figure4 FTIR of untreated and 1.5%NaOH pretreated rice straw

圖5 稻稈預處理前后TG曲線Figure5 TG curves of untreated and 1.5%NaOH pretreated rice straw

2.4 稻稈處理前后熱重分析

稻稈經(jīng)1.5%NaOH預處理前后的熱重（TG）曲線如圖5所示。未處理稻稈熱解過程可大致劃分為3個階段：第Ⅰ階段從室溫到200℃左右，屬于濕度損失階段[24]，失重為稻稈物理吸附水的解吸過程，稻稈里的水分受熱蒸發(fā)汽化逸出；第Ⅱ階段在200～360℃左右，生物質(zhì)快速熱解揮發(fā)析出，是主要的失重階段；第Ⅲ階段是從360℃至終溫，最后的階段是一個殘余物慢速降解階段，對應的TG曲線基本趨于直線。經(jīng)1.5%NaOH預處理后的稻稈熱解過程如未處理組，同樣可劃分為上述3個階段：第Ⅰ階段從室溫到200℃左右，第Ⅱ階段在200～500℃左右，第Ⅲ階段是從500℃至終溫。

圖6為稻稈預處理前后的DTG曲線。在110℃左右出現(xiàn)了一個明顯的肩狀峰，是生物質(zhì)自由水揮發(fā)且結(jié)合水解析脫水所致[25]。在TG曲線第Ⅱ階段對應的DTG曲線上稻稈預處理前后均出現(xiàn)了尖銳的失重速率峰，分別是溫度為325℃時的最大失重速率-7.18%·min-1（未處理）和溫度為295℃時的最大失重速率-4.58%·min-1（1.5%NaOH預處理）。堿預處理使稻稈主要失重階段的最大失重速率降低，說明堿處理增加了稻稈的熱穩(wěn)定性，可能是由于堿溶液在溶解部分纖維素和半纖維素的同時，生成了具有一定黏性的糖類、單寧等物質(zhì)，降低了熱解速率[26-27]。對照組DTG曲線在285℃時出現(xiàn)的肩峰為半纖維素熱解產(chǎn)生，而堿處理后稻稈在該溫度附近的DTG曲線較光滑，可能是因為堿處理后的稻稈半纖維素含量更低，原本分離的兩個DTG峰合并成了一個光滑的DTG峰[28]。

圖6 稻稈預處理前后DTG曲線Figure6 DTG curves of untreated and 1.5%NaOH pretreated rice straw

圖7 單一原料發(fā)酵產(chǎn)甲烷情況Figure7 Methane production of anaerobic digestion with single material

2.5 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷結(jié)果分析

未處理稻稈、經(jīng)1.5%NaOH預處理稻稈和豬糞單一原料的中溫厭氧發(fā)酵結(jié)果見圖7。各發(fā)酵原料均能在較短時間內(nèi)開始正常產(chǎn)氣，在3 d左右即達到產(chǎn)氣高峰，隨后產(chǎn)氣率開始逐漸下降，至14～17 d趨于穩(wěn)定。其中經(jīng)1.5%NaOH預處理稻稈產(chǎn)氣出現(xiàn)三峰特性，在第3 d、第6 d和第15 d出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，日甲烷產(chǎn)量分別達到 51.74、45.89、15.50 mL·g-1VS，而未處理的稻稈產(chǎn)氣在第3 d和第11 d出現(xiàn)雙峰，相應的日甲烷產(chǎn)量分別為30.79、16.93 mL·g-1VS。經(jīng)過26 d的中溫厭氧發(fā)酵，經(jīng)1.5%NaOH預處理的稻稈獲得了最高的累積甲烷產(chǎn)量，達到了327.10 mL·g-1VS，高于未處理稻稈的 244.67 mL·g-1VS（P＜0.01）和豬糞的237.07 mL·g-1VS（P＜0.01）。稻稈處理前、處理后和豬糞三組單一原料發(fā)酵期間的總產(chǎn)氣率分別為9.41、12.58 mL·g-1VS·d-1和9.12 mL·g-1VS·d-1。Zhang 等[15]、Gu 等[29]、Dehghani等[30]分別采用 NaOH、Ca（OH）2和Na2CO3預處理稻稈進行厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量均得到顯著提升。這是由于堿處理后稻稈中被木質(zhì)素包裹的纖維素組分暴露出來，更多微生物易利用成分溶出，厭氧菌養(yǎng)料增加，同時在堿處理過程中也可能生成易被酶作用的有機酸和糖類，因而堿預處理后的稻稈厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)氣率高于未處理的稻稈[31]。

預處理前后的稻稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過1.5%NaOH預處理的稻稈與豬糞混合發(fā)酵的產(chǎn)氣啟動速度和持續(xù)時間都高于未處理稻稈混合組。堿預處理稻稈混合組的產(chǎn)甲烷速率變化趨勢同單一堿預處理稻稈發(fā)酵，在發(fā)酵產(chǎn)氣階段出現(xiàn)3個高峰。經(jīng)1.5%NaOH預處理的稻稈與豬糞混合發(fā)酵的累積甲烷產(chǎn)量達到了340.95 mL·g-1VS，比未處理稻稈混合組的272.23 mL·g-1VS提高了25.24%（P＜0.01），比單一經(jīng)堿預處理后的稻稈發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量提高了4.23%（P＜0.05）。稻稈處理前混合組和處理后混合組發(fā)酵期間總產(chǎn)氣率分別為10.47 mL·g-1VS·d-1和 13.11 mL·g-1VS·d-1。由于動物糞便 C/N 比較低，為提高厭氧發(fā)酵效果，不少研究加入富碳木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)進行混合厭氧發(fā)酵。吳笛[32]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯皮渣和牛糞混合厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量高于單一原料，說明稻稈和豬糞混合發(fā)酵過程中的協(xié)同作用能夠提高甲烷產(chǎn)量。Romero-Güiza等[33]利用經(jīng)KOH預處理后的小麥秸稈和豬糞進行中溫混合厭氧發(fā)酵，甲烷產(chǎn)量比未處理組的混合發(fā)酵產(chǎn)量提高了128%，說明堿處理能促進混合發(fā)酵中物料的協(xié)同作用。

圖8 混合原料發(fā)酵產(chǎn)甲烷情況Figure8 Methane production of anaerobic co-digestion with rice straw and pig manure

3 結(jié)論

（1）堿處理可以改變稻稈的水解性能和結(jié)構(gòu)特征。當NaOH濃度為1.5%時，預處理稻稈產(chǎn)生的還原糖遠高于對照組，稻稈的水解性能提高；掃描電鏡發(fā)現(xiàn)預處理后稻稈結(jié)構(gòu)松散，細胞壁松弛，外壁比表面積增大，生物可利用性增加；紅外和熱重分析均發(fā)現(xiàn)，NaOH預處理改變了稻稈的結(jié)構(gòu)特征，木質(zhì)素和半纖維素含量發(fā)生了變化。

（2）堿預處理能顯著提高稻稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵效率。堿預處理通過改變稻稈的組分及結(jié)構(gòu)，增加了厭氧發(fā)酵中可供厭氧菌利用的有效養(yǎng)分，堿預處理后稻稈的甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)氣率大幅提高，預處理后的稻稈與豬糞進行混合發(fā)酵，累積產(chǎn)甲烷量達到了340.95 mL·g-1VS，總產(chǎn)氣率為 13.11mL·g-1VS·d-1，均高于單一原料發(fā)酵以及未處理稻草與豬糞混合發(fā)酵的產(chǎn)量和產(chǎn)氣率。

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