尿素氨化预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响

2018-01-29丁绍兰张敏娜黄振侠吁安张咪龚贵金

生态环境学报 2018年1期

丁绍兰，张敏娜，黄振侠，吁安，张咪，龚贵金

1. 陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安 710021；2. 江西省农村能源管理站，江西南昌 330000；3. 西省农业科学院农业应用微生物研究所，江西南昌 330200；4. 正合环保工程有限公司，江西南昌 330030

中国是一个农业大国，秸秆作为农业生产中主要的副产物，种类丰富、分布广泛。据不完全统计，我国2016年生产的农作物秸秆约7.9×108t（Li et al.，2016；Gu et al.，2015），农作物秸秆的热值大约相当于标准煤的 1/2，其中稻类热值约为 12560 KJ∙kg-1；此外，秸秆中除了绝大部分碳之外，还含有氮、磷、钾、钙、镁、硅等多种可被利用的矿质元素，具有较高的回收利用价值（曹稳根等，2007；焦贵枝等，2003；王宜民等，2001）。然而，每年有多达33%的秸秆被直接燃烧或废弃，这些不合理的处理方式不仅破坏了生态环境，而且也造成了生物质资源的浪费（严妍等，2010）。

近年来，将农作物秸秆进行厌氧发酵产沼气（Li et al.，2010；Cui et al.，2011），已成为国内外学者研究生物质固废处理的热点之一，也是中国目前大力倡导发展的技术之一（吴楠等，2012；李步青等，2015；宋籽霖等，2013）。然而，秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，三者相互缠绕，构成致密的空间结构，若不进行预处理而直接投入沼气池进行厌氧发酵，会造成发酵效率低、产气量少等问题，无法大面积推广应用。Zhang et al.（2015）指出预处理是木质纤维素生物质转化为甲烷的关键步骤。秸秆经过预处理可以破坏其致密结构，提高秸秆的降解率。目前普遍采用的方法主要有物理法、化学法、生物法等（Demirbas，2001；Yang et al.，2003；Müller et al.，1986）。赵静等（2016）采用不同质量分数的尿素对水稻秸秆进行氨化预处理，均不同程度地对水稻秸秆的组分造成了破坏，且提高了其厌氧消化产沼气的潜力，使得厌氧消化时间相对缩短，发现在尿素质量分数为 6%时预处理效果最佳。杨懂艳等（2013）使用氨水在不同的含水率下对小麦秸秆进行预处理，发现经氨化预处理的麦秸纤维素、半纤维素均有所降低，秸秆厌氧消化时间比未处理的缩短了24%。罗立娜等（2015）利用不同质量分数尿素对水稻秸秆进行氨化预处理，预处理后稻秸的累计产气量比对照组提高了20.67%～38.20%，尿素质量分数为4%时效果较好。Kim et al.（2001）等利用氨水浸泡预处理秸秆，发现在 60 ℃，w=15%的氨水，体积固液比为 1∶6情况下浸泡秸秆12 h，木质素去除率达到62%。刘琪（2012）使用尿素对小麦秸秆进行预处理，在尿素添加量为 4.5%，猪粪与秸秆的质量比为 1∶2，污泥的接种量为发酵总量45%时，秸秆厌氧发酵产气量和产气速率达到最佳。这些研究结果表明利用尿素对秸秆进行预处理，可以提高秸秆降解率和产气率。虽然目前国内外学者对秸秆预处理厌氧发酵的研究非常广泛，但均集中于对预处理中单一因素的研究，对影响预处理的不同因素在何种组合下能够达到最佳发酵效果的研究甚少，本研究选用尿素对稻秆进行预处理，考察不同质量分数尿素预处理对稻秆厌氧消化性能的影响，为后续研究不同因素组合下最优条件的获取提供理论和技术支撑，以期为实际沼气工程应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

供试原料为水稻秸秆，取自江西省新余市罗坊。将自然风干的稻秆经粉碎机粉碎，粉碎后粒径为1～2 cm，过35目筛（0.5 mm）备用。接种物为沼液，取自江西省新余市罗坊沼气站一期一级厌氧发酵灌。稻秆和接种沼液理化性质如表1所示（各指标均以质量分数计）。

表1 稻秆和接种沼液的特性Table 1 Characteristics of rice straw and biogas slurry

1.2 实验方法

1.2.1 氨化预处理

选用尿素对稻秆进行预处理，试验条件：预处理温度为(20±1) ℃，按质量分数分别为3%、4.5%、6%（相对于稻秆的干质量）的添加量称取尿素，配制成尿素溶液。将尿素水溶液加入到粉碎好的稻秆中，使之充分混合均匀，密封后预处理 7 d。同时用清水处理作为对照组。预处理后的稻秆留一部分样品进行分析，另一部分经晾晒后与接种物混合进行厌氧发酵试验。

1.2.2 厌氧发酵试验

厌氧发酵装置如图1所示。试验装置主要由锥形瓶、广口瓶和量筒组成，各装置间使用橡皮管与玻璃管连接。锥形瓶作为厌氧发酵反应器，广口瓶和量筒是排水集气装置。将预处理后的稻秆添加到1 L锥形瓶中，进料负荷为65 g∙L-1，接种物质量分数为30%，各发酵瓶中固体浓度（TS）质量分数为8%，将反应器置于 35 ℃恒温装置中进行厌氧发酵，并与对照组作对比试验，每个处理做3次重复。

1.3 测定项目

试验过程中记录日产气量，采用排水法测定，并计算相应的累积产气量；沼气中甲烷含量用沼气甲烷成分测量仪检测；pH值测定使用pH数显酸度计；采用碘量滴定法测定稻秆中纤维素，木质素含量按照GB/T 2677.8—1994测定；分别采用烘干法和灼烧法测定TS和VS（挥发性固体）质量分数；采用FEI Q45型环境扫描电镜观察（SEM）稻秆的微观结构；采用视频光学接触角测量仪（OCA20）测定稻秆的接触角。

2 结果与讨论

2.1 尿素氨化预处理对水稻秸秆主要组分及形态结构的影响

2.1.1 尿素氨化预处理对水稻秸秆主要组分的影响

水稻秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，三者相互缠绕构成致密结构，通过预处理能够破坏其细胞结构，增加纤维素与微生物的接触面积，从而提高稻秆的降解率。不同质量分数尿素预处理前后的稻秆成分变化如表2所示。由表2可知，氨化预处理后的稻秆纤维素的变化较小，主要归因于纤维素分子具有高结晶度，难以降解。而随着尿素添加量的增加，各预处理组的木质素均呈下降趋势，其降解率分别为 10.91%、

图1 试验装置示意图Fig. 1 Scheme of test device

表2 尿素氨化预处理对稻秆主要组分的影响Table 2 Effect of urea ammoniation pretreatment on main components of rice straw

17.19 %和27.02%。对预处理前后稻秆的色泽进行观察，发现预处理后的稻秆均失去光泽，由未处理时的亮黄色变为暗黄色，未经预处理的稻秆用手触摸会有明显的刺感，而处理后的稻秆均变得柔软蓬松。这主要是由于尿素的氨化作用改变了稻秆表层的化学结构，使得连接纤维素和木质素的官能团发生断裂，稻秆中相互缠绕的木质素与纤维素发生分离，稻秆中木质素含量降低。木质素含量的降低有利于厌氧发酵的进行（Zheng et al.，2008），从而提高稻秆后续厌氧发酵的产气性能。

2.1.2 尿素氨化预处理对水稻秸秆形态结构的影响

采用环境扫描电镜对未处理与经尿素预处理后稻秆的微观结构进行观察，其纵切面电镜扫描结果如图2所示。稻秆的细胞壁是非水溶性三维立体木质纤维素结构，由纤维素、半纤维素和具有三维网状结构的木质素大分子共同构建（Kuijk et al.，2015）。图2(a)是未经处理的稻秆扫描电镜图，从图中可看出，未经尿素处理的稻秆结构紧密，限制了微生物作用的比表面积，使得产气效率难以提升；稻秆结构变形为扁平状，这主要是在粉碎剪切稻秆时，其表面组织受到圧缩力产生的。图2(b～d)分别是经3%、4.5%、6%尿素预处理后的稻秆纵切面扫描电镜图，从图中可以看出，稻秆结构发生膨胀，稻秆细胞壁结构由原来的紧密状变得较为疏松，形成许多孔洞。这是由于尿素水解后产生氨，电离出OH-和NH4+，OH-打破了纤维素和木质素之间的化学键，破坏了稻秆的致密结构，使纤维素发生水解，继而膨胀，增大了微生物作用的比表面积。同时，NH4+与稻秆中的有机物结合形成铵盐，为后续的厌氧发酵提供了充足的氮源，从而提高了厌氧发酵的效率，保证了发酵系统的稳定运行。

2.1.3 尿素氨化预处理对稻秆表面亲水性的影响

图2 未处理与尿素预处理后稻秆结构形态Fig. 2 Morphological structure of rice straw before and after urea pretreatment

水稻秸秆表面存在蜡质层，属于疏水性物质，在厌氧发酵过程中影响微生物对稻秆的降解利用，从而降低了产气效率。通常采用接触角对物质的润湿程度进行度量，它是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角，以 θ表示，若 θ＜90°，则该物质表面属于亲水性的，角度越小，表示润湿性越好；若θ＞90°，则固体表面属于疏水性的（马兴元等，2011）。采用视频光学接触角测量仪对预处理前后的稻秆进行观察，其表面接触角的外形图像如图3所示。图3(a)为未处理稻秆的接触角，经测定为96.5°，润湿性相对较差，为疏水性表面；图3(b～d)分别为3%、4.5%、6%尿素预处理后的稻秆接触角，分别为 86.3°、79.2°、72.3°，润湿性随尿素质量分数升高而变好，逐渐变为亲水性表面，使得稻秆更易被微生物充分利用，有助于后续厌氧发酵，提高产气效率。

2.2 氨化预处理对水稻稻秆厌氧发酵产气特性的影响

2.2.1 预处理对厌氧发酵日产气量的影响

不同质量分数尿素预处理稻秆后日产气量变化如图4所示。

由图4可知，经氨化预处理组的稻秆日产气量明显高于对照组。不同质量分数尿素处理和对照组的稻秆均在反应初期出现第一个高峰值，随后出现下降，达到低谷后又逐渐上升，如此往复，整个厌氧发酵过程出现了3～4个产气峰。其原因在于反应初期，稻秆中的有机物易被厌氧菌利用，产气量迅速增加，随着厌氧发酵的进行，稻秆中高分子有机物被降解利用的程度不同，使得产气量出现波动。4.5%尿素氨化预处理产气系统从第 10天开始进入稳定期，产气量一直维持在630 mL左右，6%尿素氨化预处理发酵组达到厌氧系统稳定期的时间较4.5%尿素氨化预处理的晚，产气量亦低于4.5%尿素氨化预处理发酵系统，这可能是由于较高质量分数的尿素抑制了稻秆中脲酶的活性，不利于尿素的水解（罗立娜等，2015）。3%和6%尿素氨化预处理的水稻稻秆在第 10天时出现第二个产气高峰，而对照组处理组的第二个高峰值出现在第 15天，说明尿素氨化预处理可以使厌氧发酵的产气高峰提前。与尿素氨化预处理组相比，对照组在出现产气高峰后，产气量一直较低，这是由于厌氧发酵产酸使发酵液pH不断下降，产甲烷菌生长代谢受到抑制，产气量较低，而氨化处理的发酵组因预处理中生成的游离态氨对发酵液起到了中和作用，防止了发酵系统酸化，使其能够恢复产甲烷菌的活性，产气量得以提高。

图4 不同质量分数尿素预处理对日产气量的影响Fig. 4 Effect of urea pretreatment with different concentration on daily production n=3，下同

图3 未处理与尿素预处理后稻秆接触角Fig. 3 Contact angle of rice straw before and after urea pretreatment

2.2.2 预处理对累积产气量以及产气周期T90的影响

不同质量分数尿素预处理稻秆累积产气量如图5所示。

由图5可知，氨化预处理稻秆厌氧发酵累积产气量均高于对照组。4.5%尿素氨化预处理稻秆厌氧发酵累积产气量最高，达到了17053 mL，未进行尿素氨化预处理的稻秆产气速率增长较小，累积产气量仅为8412 mL，尿素氨化预处理组比对照组提高了50.67%。其原因主要是氨化预处理破坏了稻秆表面纤维素、半纤维素和木质素互相缠绕的致密结构，使得微生物可有效利用稻秆进行厌氧发酵，从而不断提高产气量。通过计算各处理组的单位TS、VS产气速率得知，尿素氨化预处理各组的TS、VS产气速率均高于对照组，其中，4.5%尿素氨化预处理的TS、VS产气速率最高，分别为427.25 mL∙g-1、478.16 mL∙g-1，对照组仅为 211.78 mL∙g-1和 227.40 mL∙g-1，分别比对照组高出50.43%和52.44%。沼气由微生物降解纤维素等成分产生，单位TS、VS产气速率是衡量厌氧发酵系统产气效率的重要参数（张亚甜，2013）。单位VS产气率反映了稻秆的生物可降解性，单位VS产气量越高，生物可降解性就越好，产气效果越好。实际生产中，一般以产气量达到总产气量的 90%作为厌氧发酵产气周期的标准，用 T90表示（刘荣厚等，2009）。4.5%尿素氨化预处理条件下的产气周期最短，比其他预处理的稻秆更早结束产气。可见，尿素氨化预处理破坏了稻秆的物质结构，提高了生物可降解性，从而提高了产气量，缩短了厌氧发酵周期。

2.2.3 预处理对甲烷含量的影响

氨化预处理水稻秸秆厌氧发酵的甲烷含量变化趋势如图6所示。由图6可知，不同质量分数尿素预处理发酵系统中甲烷体积分数变化趋势相同，均为先上升后趋于平稳。氨化预处理稻秆在厌氧发酵第 2～3天甲烷体积分数迅速增加到 30%～40%以上，而对照组处理稻秆甲烷体积分数到第7天才达到 30%以上，随后其甲烷体积分数一直维持在30%～46%之间，增长幅度不大。4.5%尿素预处理发酵组在第2天甲烷体积分数就达到40%以上，并在随后几天内稳步增长到45%以上，第10天增长到60%以上，相比对照组增幅明显。

图6 不同预处理稻秆厌氧发酵的甲烷含量变化趋势Fig. 6 The changing trend of methane content during anaerobic digestion with different pretreatments

3 结论

通过尿素氨化预处理能够提高稻秆厌氧发酵产气效率，其结构的变化是提高产气效率的内在原因。预处理后的稻秆木质素含量降低，感官品质得以改善，由亮黄色、有刺感变得更加柔软蓬松。SEM及接触角图像表明，水稻秸秆纤维素、木质素互相缠绕的致密结构及其表面蜡质层均被尿素破坏，表层由疏水性变为亲水性，更容易被厌氧微生物利用。不同质量分数尿素氨化预处理的产气效率均比对照组高，最佳的尿素质量分数为4.5%，其累积产气量为17053 mL，比对照组提高了50.67%；TS、VS产气速率比对照组分别高出50.43%和52.44%，并相对缩短了产气周期。

CUI Z F, SHI J, LI Y. 2011. Solid-state anaerobic digestion of spent wheat straw from horse stal [J]. Bioresource Technology,102(20): 9432-9437.

DEMIRBAS A. 2001. Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals [J]. Energy Conversion and Management, 42(11): 1357-1378.

GU Y, ZHANG Y L, ZHOU X F. 2015. Effect of Ca(OH)2pretreatment on extruded rice straw anaerobic digestion [J]. Bioresource Technology,196: 116-122.

KIM J S, LEE Y Y, ROBERT W. 2001. Torget Cellulose hydrolysis under extremely low sulfuric acid and hightemperature conditions [J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 91/93(1-9): 331-340.

KIM J S, PARK C H, KIM T H, et al. 2003. Effects of various pretreatment for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge [J].Journal of Bioscience and Bioengineering, 95(3): 271-275.

KUIJK S J A V, SONNENBERG A S M, BAARS J J P, et al. 2015. Fungal treated ligno-cellulosic biomass as ruminant feed ingredient: A review[J]. Biotechnology Advances, 33(1): 191-202.

LI K, LIU R H, SUN C. 2016. A review of methane production from agricultural residues in China [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 54: 857-865.

LI L H, LI D, SUN Y M, et al. 2010. Effect of temperature and solid concentration on anaerobic digestion of rice straw in South China [J].International Journal of Hydrogen Energy, 35(13): 7261-7266.

MÜLLER H W, TRÖSCH W. 1986. Screening of white-rot fungi for biological pretreatment wheat straw for biogas production. Appl Microbiol Biotechnol [J]. Applied Microbiology & Biotechnology,24(2): 180-185.

YANG D Y, LI X J. 2003. Improving biogas production of corn stalk through chemical and biological pretreatment: a preliminary comparison study [J]. Transactions of the CASE, 19(5): 209-212.

ZHANG Y L, CHEN X H, GU Y, et al. 2015. A physicochemical method for increasing methane production from rice straw: Extrusion combined with alkali pretreatment [J]. Applied Energy, 160: 39-48.

ZHENG M X, LI X J, LI L Q. 2008. Boosting biogas production of corn stover pretreated with sodium hydroxide in the wet solid state [J]. International Conference on Biomass Energy Technologies, 3(5): 468-474.

曹稳根, 高贵珍, 方雪梅, 等. 2007. 我国农作物秸秆资源及其利用现状[J]. 宿州学院学报, 22(6): 110-112, 126.

焦贵枝, 马照民. 2003. 农作物秸秆的综合利用[J]. 中国资源综合利用,(1): 19-21.

李步青, 代学猛, 代永志, 等. 2015. 农作物秸秆厌氧发酵制沼气工程设计研究[J]. 安徽农业科学, 43(9): 268-270.

刘琪. 2012. 小麦秸秆的厌氧生物降解性能和降解机理研究[D]. 西安:陕西科技大学.

刘荣厚, 王远远, 孙辰. 2009. 温度对蔬菜废弃物沼气发酵产气特性的影响[J]. 农业机械学报, 40(9): 116-121.

罗立娜, 丁清华, 公维佳, 等. 2015. 尿素氨化预处理改善稻秸干法厌氧发酵特性[J]. 农业工程学报, 31(19): 234-239.

马兴元, 刘琪, 马君. 2011. 氨化预处理对生物质秸秆厌氧发酵的影响[J]. 生态环境学报, 20(10): 1503-1506.

宋籽霖. 2013. 秸秆沼气厌氧发酵的预处理工艺优化及经济实用性分析[D]. 杨凌: 西北农林科技大学.

王宜民, 范家友, 高红武, 等. 2001. 秸秆综合利用探析[J]. 昆明冶金高等专科学校学报, 17(4): 15-18.

吴楠, 孔垂雪, 刘景涛, 等. 2012. 农作物秸秆产沼气技术研究进展[J].中国沼气, 30(4): 14-20

严妍, 接梅梅, 韩姗珊. 2010. 农作物秸秆综合利用方法浅析[J]. 污染防治技术, 23(4): 87-88.

杨懂艳, 李秀金, 庞云芝, 等. 2013. 氨化预处理参数对麦秸厌氧消化产气性能的影响[J]. 农业环境科学学报, 32(1): 185-190.