小麥秸稈預(yù)處理對(duì)厭氧消化性能的影響研究*

康雅茹 田光明 何 若

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江省固體廢物處理與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012)

秸稈是一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，是我國主要的農(nóng)業(yè)廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國秸稈的產(chǎn)生量為1.53億t[1]。雖然秸稈可以用作動(dòng)物飼料或用以堆肥，然而現(xiàn)階段我國秸稈資源化利用并不充分，存在秸稈被丟棄或焚燒問題，這不僅浪費(fèi)了寶貴資源，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，如空氣污染、二氧化碳排放和土壤結(jié)構(gòu)惡化[2-3]。因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好的秸稈處置技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容。

厭氧消化是在厭氧條件下微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣的生物化學(xué)過程，是有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可再生能源的資源化技術(shù)[4]82。厭氧消化過程通常包括4個(gè)階段，即水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段。水解通常是秸稈厭氧消化的限速步驟，影響厭氧消化的沼氣產(chǎn)量[5-6]。秸稈預(yù)處理可減少木質(zhì)纖維材料的結(jié)構(gòu)障礙，增加厭氧微生物對(duì)有機(jī)物的接觸面積，從而提高厭氧消化產(chǎn)沼效能[7]。秸稈預(yù)處理技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要通過研磨、蒸汽爆破、擠壓和輻射等增加可接觸表面積并降低纖維素的聚合度。生物法是通過酶促反應(yīng)和微生物降解木質(zhì)纖維素。化學(xué)法是使用硫酸、雙氧水、鹽酸和氫氧化鈉等化學(xué)試劑進(jìn)行木質(zhì)素脫除或破壞木質(zhì)纖維基質(zhì)的鍵合。預(yù)處理已成為秸稈厭氧消化前的重要環(huán)節(jié)。

厭氧消化受到pH、碳氮比(C/N)、溫度、水力停留時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷率等的影響，其中，基質(zhì)的C/N是調(diào)控厭氧消化穩(wěn)定性和性能的關(guān)鍵參數(shù)[8]。厭氧消化適宜的C/N(質(zhì)量比)為20～30[9]。高C/N基質(zhì)(如小麥秸稈)的厭氧消化通常會(huì)經(jīng)歷低pH、低緩沖能力和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)積累[10]。此外，秸稈中纖維素物質(zhì)含量高、不易降解，導(dǎo)致厭氧消化效率低[11]。低C/N基質(zhì)(如城市污泥)通常會(huì)受到氨抑制，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量低[12]。鑒于此，本研究以城市污泥作為小麥秸稈厭氧消化共基質(zhì)，對(duì)比研究了酸、堿和污泥發(fā)酵消化液預(yù)處理對(duì)小麥秸稈厭氧消化性能的影響，以期為秸稈厭氧消化處理技術(shù)的研發(fā)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用城市污泥和小麥秸稈分別取自杭州市某污水處理廠和浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，實(shí)驗(yàn)前將污泥和小麥秸稈風(fēng)干，并分別磨碎過1 mm篩，實(shí)驗(yàn)材料的理化特性見表1。小麥秸稈采用3種不同的改性處理：1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))乙酸浸泡12 h(酸預(yù)處理)；1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫氧化鈉浸泡12 h(堿預(yù)處理)；發(fā)酵10 d的污泥消化液浸泡24 h(消化液預(yù)處理)，該消化液pH為5.85，COD和氨氮分別為17 450、224 mg/L。以未處理的秸稈和城市污泥的混合物為對(duì)照。處理后小麥秸稈采用蒸餾水淋洗至出水中性，COD<89 mg/L，氨氮<17 mg/L，然后各處理小麥秸稈烘干用作實(shí)驗(yàn)材料。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的理化特性1)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

厭氧消化反應(yīng)器構(gòu)建：將改性處理后的小麥秸稈和城市污泥以1∶2的質(zhì)量比混合(共72 g)，加入到1 000 mL的玻璃反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)至固含率為9%。然后用高純氮?dú)?純度99.99%)以流速200 mL/min吹洗約5 min，用橡膠塞密封，用黑色塑料包裹以避光。在橡膠塞中設(shè)置兩個(gè)直徑約1.5 cm采樣孔用于消化液和氣體取樣。將玻璃反應(yīng)器中的氣體壓力與37 ℃下的大氣壓力平衡約8 h后，采用改進(jìn)的排水收集法測(cè)量反應(yīng)器中的產(chǎn)氣速率[13]。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，于37 ℃的水浴中厭氧消化70 d。

1.3 分析方法

在實(shí)驗(yàn)過程中每天記錄反應(yīng)器的氣體產(chǎn)生量，每天取氣體樣，采用氣相色譜法分析甲烷和二氧化碳的濃度[14]。每隔一定的時(shí)間取厭氧消化液樣，測(cè)定pH、總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)、COD、VFA濃度和微生物群落結(jié)構(gòu)。厭氧消化液pH采用pH計(jì)測(cè)定。TS和VS采用稱重法測(cè)定。厭氧消化液COD和VFA濃度測(cè)定前在5 000 r/min下離心30 min以去除固態(tài)殘?jiān)?，然后參照文獻(xiàn)[15]測(cè)定COD濃度，VFA濃度采用酸性乙二醇分光光度法測(cè)定。微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定分析參照文獻(xiàn)[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣速率和產(chǎn)甲烷速率

由圖1可以看出，反應(yīng)器在第1天開始產(chǎn)氣，但反應(yīng)器初始產(chǎn)氣量整體較少，特別是在第4～6天時(shí)，反應(yīng)器產(chǎn)氣速率<15 mL/d?？赡茉诖穗A段，反應(yīng)器中有機(jī)物處于水解酸化階段，大分子有機(jī)物如蛋白質(zhì)、脂肪和木質(zhì)纖維素等被微生物分解轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)。隨后，酸和消化液預(yù)處理的產(chǎn)氣速率迅速增加，在第10天時(shí)達(dá)到了148～192 mL/d，顯著高于對(duì)照和堿預(yù)處理(27～47 mL/d)?？紤]實(shí)驗(yàn)后小麥秸稈淋洗出水COD和氨氮濃度較低，預(yù)處理過程增加的碳氮量相對(duì)較少。這可能是由于酸和消化液預(yù)處理溶解和破壞了秸稈中半纖維素與木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)[4]83-88，從而加速了秸稈的降解和產(chǎn)氣。在第13、15天時(shí)，對(duì)照和堿預(yù)處理的產(chǎn)氣速率也分別達(dá)到100 mL/d以上，并總體維持在100 mL/d以上的產(chǎn)氣量至第40天左右。此后，反應(yīng)器產(chǎn)氣速率均逐漸下降，第64天起基本保持在10 mL/d以下。

圖1 反應(yīng)器的產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷速率

在第1～3天時(shí)反應(yīng)器盡管有產(chǎn)氣，但并無甲烷產(chǎn)生。這主要由于在初始階段秸稈和污泥攜帶有少許氧氣，反應(yīng)器中有機(jī)物發(fā)生了好氧降解，產(chǎn)生二氧化碳。隨著反應(yīng)器中氧氣的消耗，有機(jī)物在厭氧條件下主要通過水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷等階段轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和水[17-18]。酸和消化液預(yù)處理均在第4天測(cè)得甲烷，而對(duì)照和堿預(yù)處理分別在第5、6天測(cè)得甲烷，這表明酸和消化液預(yù)處理能加速秸稈的厭氧降解，迅速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。隨著有機(jī)物在反應(yīng)器中的降解，產(chǎn)甲烷速率逐漸增大，酸和消化液預(yù)處理分別在第27、28天時(shí)達(dá)到最大值(184、238 mL/d)。堿預(yù)處理在第29天時(shí)達(dá)到最大值(288 mL/d)，對(duì)照在第22天達(dá)到最大值(242 mL/d)。此后，產(chǎn)甲烷速率逐漸下降，在第59 d時(shí)對(duì)照和堿預(yù)處理中產(chǎn)甲烷速率<10 mL/d，消化液和酸預(yù)處理均在第64天時(shí)產(chǎn)甲烷速率<10 mL/d，遲于對(duì)照和堿預(yù)處理。這表明消化液和酸預(yù)處理可以使秸稈厭氧消化維持在一個(gè)較長時(shí)間的高產(chǎn)甲烷階段，從而提高秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷效率。

2.2 累積產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)甲烷量

從圖2可以看出，反應(yīng)器產(chǎn)氣量可分為3個(gè)階段：在初始階段有機(jī)物主要發(fā)生水解酸化，產(chǎn)氣量相對(duì)較少；從第10天左右開始，反應(yīng)器的累積產(chǎn)氣量出現(xiàn)急速增長；在第40天左右基本達(dá)到穩(wěn)定。與對(duì)照相比，酸、消化液和堿預(yù)處理分別可使秸稈和污泥共消化體系的累積產(chǎn)氣量提高13.7%、12.0%和9.2%。這表明消化液和酸預(yù)處理可加速秸稈的降解和產(chǎn)氣，這可能是由于半纖維素的溶解和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞[4]83-88。AMELIA等[19]也發(fā)現(xiàn)鹽酸預(yù)處理可使蔗渣和椰子纖維的沼氣產(chǎn)量分別提高31%和74%。

圖2 反應(yīng)器的累積產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)甲烷量

反應(yīng)器累積產(chǎn)甲烷量與累積產(chǎn)氣量具有相似的變化趨勢(shì)。酸和消化液預(yù)處理在第9天時(shí)累積產(chǎn)甲烷量出現(xiàn)急速增長，對(duì)照在第13天時(shí)累積產(chǎn)甲烷量出現(xiàn)急速增長，而堿預(yù)處理的累積產(chǎn)甲烷量出現(xiàn)急速增長相對(duì)較遲。到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，4個(gè)反應(yīng)器中消化液預(yù)處理的累積產(chǎn)甲烷量最多，其次為酸和堿預(yù)處理，對(duì)照最少。與對(duì)照相比，酸、消化液和堿預(yù)處理分別可使秸稈和污泥共消化體系的累積產(chǎn)甲烷量提高7.4%、9.5%和5.2%，這表明消化液預(yù)處理可以提高秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷速率和產(chǎn)量，且無需添加化學(xué)藥劑，大大降低了處理成本，是一種優(yōu)良的秸稈厭氧消化預(yù)處理技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)的4個(gè)處理中，最終產(chǎn)甲烷量占總產(chǎn)氣量的53%～57%，與文獻(xiàn)報(bào)道的厭氧消化甲烷含量相一致[20]。

技術(shù)消化時(shí)間(T80)指厭氧消化產(chǎn)氣達(dá)到最大產(chǎn)氣量80%時(shí)所需的時(shí)間，可用于評(píng)價(jià)厭氧消化性能[21]。在本研究中，以實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的累積產(chǎn)氣量視為最大產(chǎn)氣量，用于計(jì)算T80。在實(shí)驗(yàn)的4個(gè)處理中，消化液預(yù)處理的T80為36 d，早于酸、堿預(yù)處理和對(duì)照。這進(jìn)一步說明消化液預(yù)處理可以促進(jìn)秸稈厭氧消化，縮短厭氧消化時(shí)間。

2.3 累積產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)甲烷量的模擬

采用修正的Gompertz方程[22]模擬實(shí)驗(yàn)中4個(gè)處理的產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷情況，擬合系數(shù)均在0.99以上(見表2)。這表明修正的Gompertz方程可以較好地?cái)M合該反應(yīng)器產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷情況。酸和消化液預(yù)處理的產(chǎn)氣滯留時(shí)間分別為10.0、11.5 d，均小于對(duì)照(14.0 d)和堿預(yù)處理(16.6 d)，并且酸和消化液預(yù)處理的模擬產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷潛力均高于對(duì)照和堿預(yù)處理，這表明酸和消化液預(yù)處理可以加速秸稈的降解，提高產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷量。堿預(yù)處理可以促進(jìn)木質(zhì)素碳水化合物的皂化和鍵斷裂[23]。在本研究中，堿預(yù)處理可以提高厭氧消化產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量，但其厭氧消化滯留時(shí)間比對(duì)照長。

表2 反應(yīng)器累積產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷模擬參數(shù)1)

2.4 TS和VS的變化

隨著反應(yīng)器中有機(jī)物的降解，TS和VS含量均出現(xiàn)了下降(見圖3)。酸和消化液預(yù)處理反應(yīng)器的TS含量下降最快。到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，TS降至4.69%～5.22%，占初始TS的52.2%～58.0%。VS的變化趨勢(shì)同TS一致，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，VS降為36.4%～41.8%。與對(duì)照相比，消化液和酸預(yù)處理能加速復(fù)雜木質(zhì)纖維物質(zhì)降解為簡單的可溶性化合物，易于微生物利用，提高降解速率。

注：圖3(a)中數(shù)據(jù)為TS在固相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，圖3(b)中數(shù)據(jù)為VS在TS中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.5 消化液pH、COD和VFA濃度的變化

在厭氧消化過程中，pH是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響厭氧消化系統(tǒng)的性能[24]。由圖4可以看出，在第7天時(shí)實(shí)驗(yàn)厭氧消化液的pH均低于6，這說明反應(yīng)器中有機(jī)物的降解處于水解酸化階段，不溶性大分子有機(jī)物(如脂類、多糖、蛋白質(zhì)等)降解為可溶性有機(jī)物(如氨基酸、脂肪酸)。在第14天時(shí)酸和消化液預(yù)處理的pH提高到7.5以上，而對(duì)照和堿預(yù)處理的pH分別為6.32和5.23。這說明酸和消化液預(yù)處理的秸稈降解速度較快，這與反應(yīng)器產(chǎn)氣量的結(jié)果一致。在第26～46天時(shí)厭氧消化液的pH穩(wěn)定在7.60～7.95，有利于產(chǎn)甲烷菌的生長和代謝[25]。隨著有機(jī)物的降解，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，厭氧消化液pH為8.38～8.71，呈弱堿性，這可能是由于厭氧消化過程中氨氮的累積[26]。

圖4 厭氧消化液pH的變化

厭氧消化液COD和VFA濃度可以間接反映其中有機(jī)物的降解和穩(wěn)定化程度。在第7天時(shí)隨著大分子有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物等，反應(yīng)器中厭氧消化液COD和VFA較高，分別為14 533～15 642、3 710～6 168 mg/L(見圖5)。隨著有機(jī)物的降解，消化液COD和VFA濃度呈下降趨勢(shì)，但在第14天時(shí)堿預(yù)處理的厭氧消化液COD和VFA濃度有所增加，這說明堿預(yù)處理的秸稈降解相對(duì)較慢。到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，厭氧消化液COD和VFA分別為1 839～2 238、241～417 mg/L，VFA/COD為0.13～0.19。這說明消化液中有機(jī)物的生物可降解性較差，反應(yīng)器中有機(jī)物的降解基本已達(dá)到穩(wěn)定化。

圖5 厭氧消化液COD和VFA變化

2.6 微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

反應(yīng)器厭氧消化液中微生物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表3和表4。厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門、藍(lán)細(xì)菌門、綠彎菌門和放線菌門是反應(yīng)器中主要微生物。厚壁菌門是反應(yīng)器中最主要的門，主要包括己酸菌屬、乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬、瘤胃梭菌屬、羅伊氏乳桿菌屬和Ruminiclostridium_1屬等。在實(shí)驗(yàn)初期(第7天)，己酸菌屬是厭氧消化液中主要的微生物，相對(duì)豐度為8.6%～32.7%。隨著有機(jī)物的降解，己酸菌屬的相對(duì)豐度總體逐漸降低，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)己酸菌屬在厭氧消化液中的相對(duì)豐度為0～0.9%。己酸菌屬可以通過糖酵解將葡萄糖轉(zhuǎn)化為VFA和氫氣，與厭氧消化的酸化階段密切相關(guān)[27]。這表明小麥秸稈預(yù)處理可加速水解產(chǎn)酸過程，提高厭氧消化性能。乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬在碳水化合物的厭氧消化及制氫中具有重要的作用[28-29]。在實(shí)驗(yàn)初期，有機(jī)物主要以大分子形式存在，小分子糖類濃度較低。在前14天內(nèi)，乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬的相對(duì)豐度不超過0.1%。隨著有機(jī)物的降解，乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬的相對(duì)豐度逐漸增加，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，厭氧消化液中乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬的相對(duì)豐度達(dá)到19.3%～23.5%。在反應(yīng)器中己酸菌屬相對(duì)豐度的變化與乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬相反，兩者都可以作為小麥秸稈和污泥共消化的指標(biāo)。瘤胃梭菌屬是一種厭氧細(xì)菌，能夠產(chǎn)生胞外纖維素酶以分解纖維素和多糖[30]。與對(duì)照和堿預(yù)處理組相比，酸和消化液預(yù)處理組在第7天的厭氧消化液中瘤胃梭菌屬的相對(duì)豐度較高，這說明酸和消化液預(yù)處理能促進(jìn)小麥秸稈纖維素和多糖的降解。

表3 堿、酸預(yù)處理厭氧消化液中微生物群落的相對(duì)豐度變化

表4 消化液預(yù)處理與對(duì)照厭氧消化液中微生物群落的相對(duì)豐度變化

3 結(jié) 論

(1) 酸和消化液預(yù)處理可以加速小麥秸稈水解酸化、提高厭氧消化產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷量，而堿預(yù)處理會(huì)延滯小麥秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷階段。

(2) 與酸預(yù)處理相比，消化液預(yù)處理小麥秸稈無需添加化學(xué)藥劑，降低了處理成本，是一種優(yōu)良的提高小麥秸稈厭氧消化性能的方法。

(3) 修正的Gompertz方程能夠較好地?cái)M合產(chǎn)氣和產(chǎn)甲烷量，對(duì)累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量的擬合系數(shù)均在0.99以上。

(4) 厚壁菌門是反應(yīng)器中最主要的門，主要包括己酸菌屬、乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬、瘤胃梭菌屬、羅伊氏乳桿菌屬和Ruminiclostridium_1屬等，其中己酸菌屬和乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬可以作為小麥秸稈和污泥共消化的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在厭氧消化前期反應(yīng)器微生物主要為己酸菌屬，而后期主要為乙醇生孢產(chǎn)氫菌屬。