不同预处理方式对芒萁、商陆厌氧消化性能的影响*

鲁 涛，邢 涛，孙永明，何 宇，任海伟，李金平†

（1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心，兰州 730050；2.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；3.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640）

0 引 言

芒萁（Dicranopteris dichotoma）和商陆（Phytolacca americanaL）是华南地区常见的野生植物，对重金属和稀土元素有较好的富集作用[1-2]，常被作为超积累植物用于矿区土壤治理修复[3-4]。富集金属元素的植物残体如处置不当，不仅对环境产生潜在的二次危害，还易造成生物质资源的浪费[5]，因此，对其进行资源化、无害化处理非常必要。

制备生物甲烷的生物质资源来源广泛，具有清洁、可再生等优点，受到社会广泛关注。发酵法条件温和，被认为是制备生物甲烷最有前景的方法之一[6]。在厌氧消化过程中，木质素与纤维素、半纤维素相互交联，阻碍着纤维素和半纤维素的快速水解[7]，同时，纤维素的高度结晶也会减缓厌氧消化的速率[8]，因此，对原料进行预处理不仅能提升厌氧消化速率，也可提升原料发酵产气率。生物质常用的预处理方法有物理法、化学法、生物法及物理−化学法等，其中酸、碱和水热预处理具有操作简单、水解糖得率高等优点而被广泛使用[9-10]。马兴元等[11]发现小麦秸秆经质量分数为 1% H2SO4预处理后纤维结构变化明显，厌氧微生物能够接触到更多的纤维素，而谢欣欣等[12]通过对芦蒿秸秆酸处理后发现2% H2SO4处理厌氧消化性能较好；碱处理条件下，有文献报道2% NaOH、35℃和24 h预处理条件下杂交狼尾草甲烷产率比对照组高出 21.0%[13]；水热处理条件下，樊世漾[14]发现玉米秸秆经 180℃水热预处理30 min后产气效果最好。

本研究采用酸（1.5% H2SO4）、碱（2% NaOH）、水热（180℃）三种方式分别对芒萁、商陆进行预处理，研究其厌氧消化产气性能。

1 材料及方法

1.1 原料与接种物

芒萁、商陆于2018年8月取自华南农业大学，去除根部，地上部分粉碎后 −20℃保存。接种物取自佛山奶牛养殖基地，使用前经中温（37±1℃）驯化15 d后备用。实验材料性质见表1。

表1 实验材料基本性质Table 1 Properties of the experimental materials

1.2 实验方法及装置

1.2.1 预处理

（1）酸处理。经55℃烘干至恒重的芒萁和商陆分别取8.36 g和9.44 g，按固液比1∶10添加1.5%H2SO4，75℃处理 2 h。

（2）碱处理。以相同原料量和固液比添加 2%NaOH溶液，35℃水浴处理24 h。

（3）水热预处理。以相同原料量和固液比添加去离子水，180℃处理30 min。升温过程分三阶段，0 ～ 90℃、90 ～ 160℃、160 ～ 180℃，各阶段维持10 min，180℃保持30 min至反应结束。

以上各处理均设置6个平行，其中3个平行用于分析物料理化性质，3个平行用于厌氧消化。

1.2.2 厌氧消化

将预处理后的原料用去离子水定容至100 mL，并用HCl或NaOH调至中性，与700 mL菌种一起置于1 L发酵罐中；将未处理的原料和100 mL去离子水加入700 mL菌种作为对照。实验开始前各组均通入高纯氮气排出反应器顶部的空气。因芒萁具有较高C/N比，添加2.5%的碳酸氢铵（5 g）补充氮源。实验期间每天摇匀3次，直至无明显产气为止，定时测定产气量及沼气成分；pH值、挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）第一周每天分析，之后3 d一次至反应结束，实验周期35 d。

1.2.3 检测方法

总固体（total solid, TS）和挥发性固体（volatile solid, VS）分别采用105℃烘干和550℃煅烧法测定[15]；pH值采用梅特勒−托利多 pH计（FE20, Mettler Toledo, 瑞士）测定；C、N含量采用元素分析仪（Vario EL, Elementar, 德国）测定；沼气成分用高效气相色谱（GC-2014, Shimadzu, 日本）测定，TCD检测器（150℃），载气为Ar（25 mL/min），Porapak Q柱（35℃）；VFAs采用高效液相色谱（model e2698, Waters, 美国）测定，Bio-RAD柱，流动相为0.005 mol/L H2SO4（0.5 mL/min）；木质素、纤维素和半纤维素含量参考美国可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）标准测定方法[16]；半纤维素、木质素去除率见式（1）。

式中：M1为预处理固形物半纤维素/木质素含量；M2为原料中半纤维素/木质素含量。

1.3 数据处理

采用 SPSS19.0对数据进行显著性分析，采用origin9.1绘图。

2 结果与分析

2.1 预处理对芒萁、商陆理化性质的影响

2.1.1 预处理固形物中木质纤维素含量分析

采用不同预处理方法的芒萁、商陆木质纤维组分变化如表2所示。不同预处理后两种原料纤维素含量均不同程度降低。水热处理的半纤维素去除率最高、碱处理次之，酸处理后两种原料的半纤维素去除率有较大差异，其中芒萁酸预处理的半纤维素去除率仅为12.59%，可见酸处理对芒萁半纤维素去除效果不佳。碱处理的木质素去除率最高，酸处理次之，水热较差。芒萁碱处理木质素去除率最高，为 52.84%，这是由于木质素大量溶解于碱液中，和KANG等[13]的研究结果类似；水热处理的木质素去除率较低，仅为4.52%，同时半纤维素去除率最高，达77.25%，这可能是由于高温条件下水的电离程度增大，在氢离子作用下半纤维素大量逸出所致[17]。相同预处理条件下，商陆木质素去除情况和芒萁类似：碱处理的木质素去除率最高，达48.62%，水热处理较低，仅为 5.67%，同时，水热处理具有最高的半纤维素去除率，为56.04%。

表2 不同预处理后两种原料木质纤维素的变化情况Table 2 Lignocellulose variation of two materials with different pretreatment methods

2.1.2 预处理水解液成分分析

木质纤维原料水解液含有大量酸（乙酸、葡糖醛酸、乙醇酸、甲酸）、糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）及微量醛类物质，主要成分含量如表3所示。每千克芒萁干物质水解产物中酸含量在 119.14 ～184.69 g之间，其中乙醇酸含量最高，占总酸的57.45% ～ 75.90%；每千克商陆干物质水解产物中酸含量在99.36 ～ 210.38 g之间，乙醇酸含量总体较高，占总酸39.23% ～ 85.98%。KLINKE等[18]发现这些酸性有机物主要来自半纤维素的水解，并通过厌氧消化转化为甲烷。芒萁水解产物中糖含量在 66.99 ～105.50 g/kg之间，其中酸、碱处理的葡萄糖（葡聚糖和葡萄糖单体）含量较高，水热处理木糖含量较高。商陆经酸、碱处理后的变化趋势和芒萁类似，但水热不同，葡萄糖含量占主导，酸处理木糖含量占主导。商陆水解产物中糖含量在75.21 ～ 106.36 g/kg之间，其中碱处理葡萄糖含量最高，为83.47 g/kg，酸、水热处理葡萄糖含量基本一致，分别为46.40 g/kg、45.34 g/kg。对芒萁、商陆预处理产物单独分析发现：乙酸在酸处理条件下含量较低，分别为10.53 g/kg、3.18 g/kg，水热处理含量较高，分别为52.87 g/kg、52.97 g/kg，这和TOQUERO等[19]研究结果相近，结合表2半纤维素去除情况可知，乙酸主要来自半纤维素的水解；葡糖醛酸在碱处理条件下含量较高，分别为21.77 g/kg、15.68 g/kg，酸处理次之，水热处理最低；碱处理的甲酸、葡萄糖、阿拉伯糖含量也较高，水热处理含量较低；木糖在碱处理含量较低，分别为7.89 g/kg 和6.14 g/kg，出现这种情况的原因可能是木糖在该条件下被进一步降解[13]；此外，水热处理还产生少量发酵抑制物羟甲基糠醛（HMF），其他处理均未检出，这是由于半纤维素水解的单糖在高温条件下发生了进一步水解[20]。

表3 不同预处理后两种原料的水解产物Table 3 Hydrolytic products of two materials with different pretreatment methods

2.2 预处理对厌氧消化进程的影响

2.2.1 pH变化

厌氧消化过程中pH值变化如图1。发酵开始后，所有组分pH值变化趋势基本一致，呈“下降−上升−稳定”的趋势，其中商陆组的 pH值波动大于芒萁组。发酵初期，在甲烷菌和产酸菌的联合作用下，芒萁、商陆中容易降解的成分快速水解并产生大量的挥发酸（VFAs），VFAs大量生成使得发酵液 pH值快速降低，并分别在第4、第6天降至最低，pH值分别为7.20、7.15，随后缓慢上升，反应结束pH分别维持在 7.80 ～ 8.20、8.00 ～ 8.40 之间。可以看出，不同预处理系统pH值始终处于厌氧消化适宜范围。

图1 厌氧消化过程中pH值变化情况Fig.1 pH value changes during the anaerobic digestion

2.2.2 碱度变化

碱度变化如图2。

图2 发酵液碱度IA/PA变化情况Fig.2 IA/PA changes of the fermentation liquor during the anaerobic digestion

挥发酸碱度与碳酸氢盐碱度的比值（IA/PA）反映厌氧消化过程中系统缓冲能力变化情况。芒萁水热处理第4天、酸处理第6天、碱处理第6天IA/PA值达到 1.00以上，分别为 1.52、1.78、1.08，随后迅速降至1.00以下并最终稳定在0.20 ～ 0.80之间。对于商陆，酸处理第5天、碱处理第6天、对照组第7天IA/PA值达到1.00以上，分别为1.58、1.32、1.43，其中酸、碱处理连续两天IA/PA均大于1.00，随后迅速降至1.00以下，随着反应进行，水热处理的IA/PA值维持在较低水平，在0.20 ～ 0.40之间，而其他处理稳定在0.80左右。有研究报道，当IA/PA高于1.00时，内部缓冲能力较弱，系统不稳定；IA/PA低于1.00时，表明系统缓冲能力较强，厌氧消化保持稳定[21]。虽然IA/PA值短期处于较高水平，结合pH值变化情况可知，系统并未出现酸化现象。

2.2.3 挥发性有机酸变化

芒萁、商陆发酵液挥发酸变化如图3所示。发酵初期，原料迅速降解并生成乙酸、丙酸等挥发酸，且挥发酸产生速率高于消耗速率，致使VFAs浓度不断上升。由图3a1 ～ 图3a4可知，芒萁对照、酸、碱、水热处理VFAs最高值分别为4 527 mg/L、4 367 mg/L、4 600 mg/L、4 762 mg/L，并且主要以丙酸和乙酸形式存在，其中水热处理丙酸含量最高，达1 212 mg/L，酸处理最低，为606 mg/L；由图3b1 ～ 图3b4可知，相同预处理商陆VFAs最高值分别为4 293 mg/L、4 859 mg/L、5 124 mg/L、4 830 mg/L，其中碱处理丙酸含量最高，达1 951 mg/L，水热处理最低，为1 368 mg/L。有文献报道丙酸对厌氧消化有较强抑制作用，甲烷菌对其耐受程度在1 000 mg/L以下[22-23]，也有研究认为反应器对丙酸浓度承受范围为800 ～ 3 000 mg/L[24]。结合pH值、碱度变化情况，芒萁、商陆发酵系统未出现酸化、失稳现象，在第10、第16天后丙酸大量转化为乙酸，被厌氧菌利用，系统稳定运行。

图3 发酵液VFA变化情况（a、b分别代表芒萁、商陆；1 ～ 4分别代表对照、酸处理、碱处理和水热处理）Fig.3 Changes of VFAs during anaerobic digestion

2.3 预处理对厌氧消化产气的影响

2.3.1 日产气变化

芒萁、商陆日产气变化曲线如图4所示。不同预处理条件下芒萁均在第4天达到产气高峰，酸、碱、水热处理最高日产气分别为57.69 mL/g VS、45.44 mL/g VS、47.67 mL/g VS，随后产气迅速下降，而碱处理在第13天还存在第2个产气高峰。结合表3，第1次产气高峰的出现是由于预处理液中糖、酸等有机物质被快速利用，而碱处理的木质素去除率高于其他处理，增加了厌氧微生物对纤维素和半纤维素的可及性，因此出现第2次产气高峰。对于商陆，各处理也在第4天达到产气高峰，随后第11、第22天陆续出现第2、第3个产气高峰，这可能是由于商陆木质素含量仅为16.89%，远低于芒萁，并且酸、水热处理的木质素去除率也均高于芒萁相应预处理，使纤维素和半纤维素更易降解产气。

图4 厌氧消化日产气量变化情况Fig.4 Changes of daily gas production during anaerobic digestion

2.3.2 累积产甲烷率

芒萁、商陆累积产甲烷变化曲线如图5。芒萁碱处理的累积产甲烷率最高，达134.62 mL/g VS，相比未处理提升53.62%；酸、水热处理对产甲烷率也有明显的提升效果，累积产甲烷率分别为116.62 mL/g VS、121.47 mL/g VS，相比未处理分别提升33.08%、38.62%。商陆同样在碱处理条件下获得最高的产甲烷率，达到260.40 mL/g VS，相比未处理提升79.38%，而酸处理和水热处理对甲烷的提升作用不大，其中酸处理仅提升 7.83%、水热处理略微降低 3.42%。不同预处理方式下，碱处理对两种原料厌氧消化效果最好，这可能由于该条件下木质素去除率高，纤维素、半纤维素得以大量释放。水热处理的芒萁产气明显提升，而对商陆则基本无影响，这可能由于预处理液中酸、糖的浓度不同导致，芒萁水热处理总酸、总糖含量均高于对应商陆总酸、总糖含量，相比商陆，芒萁的水热处理效果更好。

图5 累计产甲烷量变化情况Fig.5 Cumulative methane production

3 结 论

（1）碱处理可有效去除芒萁、商陆中的木质素，增加纤维素和半纤维素的可及性，其去除率分别为52.84%、48.62%，酸处理次之，去除率分别为23.61%、31.68%，水热处理则远低于碱、酸处理；水热处理主要去除半纤维素，其去除率分别为77.25%、56.04%；各预处理条件下纤维素也不同程度降低。

（2）芒萁、商陆预处理液中含有大量酸、糖等有机物质：每千克芒萁、商陆干物质预处理液中酸含量范围分别为119.14 ～ 184.69 g、99.36 ～ 210.38 g，其中乙醇酸占比最高，分别占 57.45% ～ 75.90%、39.23% ～ 85.98%；预处理液总糖含量范围分别为66.99 ～ 105.50 g/kg、75.21 ～ 106.36 g/kg，其中葡萄糖含量最高、木糖次之、阿拉伯糖含量较少。

（3）相比于未经预处理的对照组，碱处理可以明显提升芒萁、商陆的厌氧消化性能。碱处理条件下，芒萁产甲烷率为134.62 mL/g VS，相比对照组提升53.62%；商陆为260.40 mL/g VS，相比对照组提升79.38%。酸、水热处理亦可提升芒萁产甲烷率，但对商陆影响不大。相比芒萁，商陆具有更低的木质素含量，同时商陆碱处理的木质素去除效果优于芒萁，因此商陆具有更好的产气效果。