玉米秸秆水热预处理作用机理和厌氧消化特性研究

宋晓聪， 赵 慈， 王 琛， 沈 鹏, 陈 忱

(中国环境科学研究院， 北京 100012)

随着环境恶化和能源危机两个问题的日益突出，沼气作为世界第四大能源被认为是化石燃料最有前途的替代品之一[1～2]。通过厌氧消化技术可将农作物秸秆转化为沼气，但是由于其复杂的木质纤维素结构限制厌氧微生物的降解[3]。因此，需要通过预处理来改善木质纤维素的生物降解性。在各种预处理方法中，水热预处理被认为是生态友好且经济可行的一种预处理方法[4]。水热预处理是一个非常复杂的过程，因预处理温度和时间的不同，水热预处理效果存在差别。

Reza[5]探讨了木质纤维素原料转化为褐煤状生物炭的热化学过程。在200℃，230℃和260℃的条件下，处理火炬松5～30 min，通过衰减全反射(ATR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、元素分析和气质联用(GC-MS)来分析水热碳化后的生物炭产品，发现水解和脱羧是水热碳化的主要反应，但也会发生缩合、聚合以及芳构化。Liu[6]利用水热法对玉米秸秆进行改性处理，以改善玉米秸秆载体微生物固定的物理化学性质。他发现预处理可溶解玉米秸秆的部分组分以达到降解木质纤维素结构的目的。最佳改性条件(200℃处理20 min)下，玉米秸秆的比表面积和孔隙率分别比未处理的提高了1倍。改性载体系统中的乙醇产量增加了57%。这些发现证实了水热处理能有效地改善木质纤维素载体的性质，实现了更好的固定化和发酵性能，从而有益于木质纤维素废物的资源化利用。Chandra[7]等发现在200℃水热处理稻草10 min时，获得的甲烷产率比未预处理的提高了222%。Wang[8]在180℃下预处理稻草产甲烷总量提高9.5%。Raheem[9]等发现170℃的热或热化学预处理对废活性污泥更有效。Lin[10]在135℃下对葡萄糖和甘氨酸的混合物处理15 min，获得184.9 g·mL-1的甲烷产量。Fernández[11]在25℃，100℃，150℃和200℃水热处理条件下，研究了葵花籽油饼的生物甲烷潜力，发现在100℃时获得向日葵油饼的最大甲烷产率。还有研究发现，对于200℃以内的预处理温度，最佳水热时间在10～30 min范围内，同时这适用于处理一些水果、蔬菜、秸秆和甘蔗渣类原料[1, 11]。另一方面，一些研究人员认为水热预处理对木质纤维素原料的甲烷产量没有影响甚至有负面影响。

在较低温度(120℃和150℃)下处理芒草，产甲烷没有得到明显增强，而在200℃水热条件下，消化时间的最佳条件比原料节省50%[12]。Wang[8]等发现虽然稻草经水热预处理后增加了可溶性组分，但是其厌氧消化性能却没有大幅提高，并且最大沼气产量提高率仅为3%。20℃，70℃，85℃和120℃的热预处理以及160℃的酸或苏打预处理对Ppalmata藻类的甲烷潜力没有显著影响。甚至在高温预处理(180℃ ～200℃)后，Ppalmata藻类的甲烷潜力反而被抑制了[13]。Razavi[14]发现类似的结果，在预处理强度达到一定范围后，甲烷产量随预处理温度的增大而降低。

基于上述，针对不同的木质纤维素原料，水热预处理的最优温度、时间等条件没有一致性结论，甚至出现截然相反的观点。因此本研究引入预处理强度logR0这一概念，通过综合考虑预处理时间、温度以及pH值等因素来更精确地比较不同预处理条件对木质纤维素原料厌氧消化的影响，进而获得最优预处理工艺。具体而言，本研究通过分析玉米秸秆在不同水热预处理条件下理化特性变化以及厌氧消化后的产甲烷性能，来探究不同强度水热预处理提高农业废物厌氧产沼气的机理以及最优预处理工艺，以期为农业废物资源化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

玉米秸秆取自北京市延庆郊区。玉米秸秆的总固体(TS)和挥发性固体(VS)含量分别为95.29%和86.85%。接种物取自顺义区东华山村沼气站。接种物的TS和VS含量分别为14.74%和8.92%，pH值为7.50。

1.2 实验装置

本实验的预处理装置是WZC型高压反应釜(见图1)，厌氧消化实验采用批式厌氧消化装置(见图2)，由2个500 mL的蓝盖瓶和玻璃水槽组成，并且由乳胶管连接。其中1个蓝盖瓶作为厌氧消化反应器，有效体积为400 mL，另1个蓝盖瓶作为集气瓶。35℃±1℃的恒温水浴反应器保证中温厌氧消化。

图1 预处理实验装置[15]

图2 批式实验装置

1.3 实验方法

根据预处理温度越高，所需反应时间越短的规律及文献报道的相关研究结果[8, 16-19]，设定如下预处理条件：50℃时预处理时间为1440～4320 min,100℃为5～30 min,150℃为5～20 min和200℃为5～10 min；实验分两组进行，一组单独水热预处理，另外一组同时添加玉米秸秆干重2%的NH3·H2O；预处理的固液比设定为1∶6。

批式厌氧消化实验的上料负荷为50 gTS·L-1(根据预处理前的TS计算)，接种物添加量为20 gTS·L-1，调节pH值至7.5～8.0，加入自来水至反应器总体积的80%，封盖后中温厌氧消化35℃±1℃ 30 d。在相同条件下设置未预处理组和只添加接种物的对照组，每组设置3个平行样。

1.4 分析方法

通过SP-2100气相色谱仪每天检测气体成分。通过元素分析仪(Vario EL/cube，Germany)分析C,H,O,N元素的百分含量。TS和VS含量采用国标法[20]测定。用pH计(CHN868，Thermo Electron，USA)测量每个反应器的pH值。利用GC-2014气相色谱仪分析VFAs。使用DNS法检测还原糖含量[21]。木质纤维素成分使用纤维分析仪(ANKOM，A2000i，USA)测定[22]。玉米秸秆表观形态通过Hitachi S-4700型号扫描电子显微镜(SEM)观察。

(1)

式中：t为反应时间，min；T为反应温度，℃。不同预处理条件下的logR0见表1。

表1 不同预处理条件下的logR0

主成分分析(PCA)使用SPSS软件(版本17.0)进行。本文中的图表是使用Excel 2010和Canoco 5软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 水热预处理玉米秸秆作用机理分析

2.1.1 pH 值和乙酸变化

在预处理过程中，添加到玉米秸秆中的水由于产生H+而自身离子化，在高温下起酸催化剂的作用，从而将pH值降低到酸性水平[1]。目前，许多研究根据pH值变化来确定预处理效果[24]，因此，pH值是评估预处理效果的关键指标[25]。预处理后的pH值显示出不同程度的变化(见图3)。当预处理强度1.09≤logR0≤3.09时，pH值在6.02～8.88之间波动；当3.47≤logR0≤7.27时，pH值随预处理强度logR0的增加而减小(pH值从6.61降到3.64)。在6.81≤logR0≤7.27时，pH值下降到3.83～3.64，这可能与较高的乙酸含量有关[26]。乙酸是有机物生产甲烷的主要中间体[27-28]，玉米秸秆经不同强度处理后的乙酸浓度1.35～9.10 g·L-1，都明显高于未预处理组，是未预处理组乙酸浓度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。当6.81≤logR0≤7.27时，预处理组的乙酸浓度是未预处理组的11.23～22.87倍，虽然挥发性有机酸是有机材料生产甲烷的主要中间体[27]，但是过量浓度的挥发性有机酸会导致非常低的甲烷总量，因此，适当浓度的挥发性有机酸对随后的厌氧消化非常重要[26]。

图3 pH值和乙酸浓度随预处理强度的变化

2.1.2 元素变化

不同logR0下玉米秸秆中的元素含量如表2所示。随着预处理强度logR0的增大，N元素的相对含量在逐渐增加。logR0分别为2.45，2.59，3.97和7.01时，N元素的含量分别为0.87%，0.89%，0.94%和1.01%，分别比原料的N元素含量提高了19.18%，21.92%，28.77%和38.36%；并且随着logR0的增大，N元素含量提高的速率也在逐渐增加。预处理后玉米秸秆中的C元素含量均高于未预处理组，比其提高了3.95%～15.24%。预处理后玉米秸秆中的H元素含量均低于未预处理组。O元素的含量随logR0的增大而减小，不同logR0下的O元素的含量比原料的O元素含量降低了1.37%～14.62%。这说明水热预处理后，玉米秸秆中部分的H和O被溶解进入液体中，因而致使N和C元素相对含量增加。有研究称高O/C表示多糖类化合物含量较高，而低O/C表示木质素类物质含量多[29]。从表2可以看出，O/C随logR0的增大而减小，logR0分别为2.45，2.59，3.97和7.01的条件下，O/C分别为1.01，0.99，0.97和0.79。玉米秸秆中纤维素和半纤维素大分子逐渐降解成较小的分子，因而出现O/C减小的现象。同时随着预处理强度的增加，玉米秸秆中的大分子重新聚合生成了类木质素物质，致使O/C更小。

表2 不同logR0下玉米秸秆中的元素含量

2.1.3 表观结构变化

扫描电镜是用于研究木质纤维素原料表面结构最有力的工具之一[30]。通过扫描电镜可以观察到玉米秸秆的表面结构变化，从而判断预处理的效果。图4～图8表示不同预处理条件下的玉米秸秆的SEM图像。未经预处理的玉米秸秆表面光滑(见图8))，结构没有遭到破坏。预处理后的玉米秸秆，不论预处理强度的大小，玉米秸秆结构均遭到一定程度上的破坏，表面粗糙，有的断裂成小碎片。Ciesielski[31]发现随着水解的增强，预处理后的玉米秸秆“SEM粗糙度”得到增加。在logR0为7.01的预处理条件下，玉米秸秆的内部结构被暴露(见图7)。这表明不同强度的预处理可以破坏玉米秸秆的表皮结构。

图4 logR0 2.45玉米秸秆电镜扫描图

图5 logR0 2.59玉米秸秆电镜扫描图

图6 logR0 3.97玉米秸秆电镜扫描图

图7 logR0 7.01玉米秸秆电镜扫描图

图8 未预处理玉米秸秆电镜扫描图

2.1.4 化学组分变化

不同logR0下玉米秸秆的化学组分变化如图9所示。

图9 化学组分变化与logR0之间的关系

整体来看玉米秸秆中的木质素含量随预处理强度logR0的增加而增大，Aguilar[32]得到了类似的结论。水热预处理条件下，玉米秸秆中的木质素含量从5.09%增加到9.86%(logR0为1.09～7.27)；加氨水热预处理后，玉米秸秆中的木质素含量从5.97%增加到13.71%(logR0为2.58～7.12)。Ko[33]报道称logR0在8.25～12.51之间时，木质素含量从29.3%增加到40.3%。Nitsos[34]在预处理强度为4.69的条件下，处理榉木发现：木质素含量增加了26%～35%。预处理后木质素的相对含量得到提高，这主要是因为木聚糖的溶解，而木质素保留在了预处理后回收的固体中[33]。除logR0为2.45，3.56，4.35的预处理强度外，其他条件下的半纤维素含量均得到降低。尤其是在logR0为6.81～7.27时，半纤维素含量降到了1.53%～4.06%(未预处理组为28.36%)。

2.2 厌氧消化特性分析

2.2.1 VS甲烷产率

VS甲烷产率与logR0之间的关系如图10所示。未预处理组的VS甲烷产率为112.82 mL·g-1VS。水热预处理条件下，预处理强度logR0为1.09～2.45时，VS甲烷产率随logR0的增加而增大；预处理强度logR0为2.45～7.27时，VS甲烷产率随logR0的增加而减小。logR0为2.45时，玉米秸秆获得最高VS甲烷产率，为158.07 mL·g-1VS，比未预处理组的112.82 mL·g-1VS提高了40.11%；其次是logR0为1.98时，玉米秸秆的VS甲烷产率为151.54 mL·g-1VS。加氨水热预处理时，玉米秸秆的VS甲烷产率随logR0的增大而减小(logR0为2.59～7.12)；logR0为2.59时，玉米秸秆的VS甲烷产率较高，为148.19 mL·g-1VS，比未预处理组的112.82 mL·g-1VS提高了31.35%。在logR0为6.81～7.27之间时，玉米秸秆的VS甲烷产率仅为87.55～0.14 mL·g-1VS，这种现象是由于糠醛和5-羟甲基糠醛等物质的形成而导致的，这些物质会抑制厌氧消化过程[35,36-39]。因此，控制预处理强度非常重要，这可以避免形成一些抑制剂[38]。

图10 VS甲烷产率与logR0之间的关系

2.2.2 有机组分，pH值，logR0以及VS甲烷产率之间的关系

通过主成分分析(PCA)研究了VFAs、还原糖、木质纤维素组合物含量，pH值，logR0以及VS甲烷产率之间的相关性(见图11)。PCA中的主要成分1(PC1)和主要成分2(PC2)分别占55.79%和16.54%。预处理后的pH值和半纤维素与甲烷产率有很强的正相关性而与logR0呈负相关。VFAs、木质素和还原糖与预处理强度logR0呈正相关。这表明较高的预处理强度能有效去除半纤维素，这样可以获得更好的酶促可及性，从而增强VFAs和还原糖的量[4]。此外，VS甲烷产率与logR0和木质素含量间呈明显的负相关。Monlau[40]等也发现，木质素含量与木质纤维素底物的产甲烷潜力呈负相关。类似地，Buffiere[41]等表明木质素的含量与厌氧生物降解性存在负相关关系。预处理过程中纤维素和木质素经历了各种化学反应，释放出VFAs、低聚糖、木质素衍生的酚类、糠醛和HMF的化合物[42]。在较高的logR0下，木质素含量的增加导致总甲烷产率的降低[11]。

图11 有机组分,pH值,logR0以及VS甲烷产率之间的相关性

3 结论

玉米秸秆经不同强度的水热预处理后发现：

(1)一定强度的预处理能够增大玉米秸秆的产甲烷性能。logR0为2.45时，玉米秸秆获得了最高VS产甲烷率，为158.07 mL·g-1VS，比未预处理组的VS产甲烷率112.82 mL·g-1VS提高了40.12%。

(2)水热预处理可以增大玉米秸秆的水解程度，使玉米秸秆预处理后的乙酸浓度1.35～9.10 g·L-1得到明显提高，是未预处理组乙酸浓度0.40 g·L-1的3.38～22.87倍。

(3)水热处理后玉米秸秆的元素组成、表观结构发生了不同程度的变化：随预处理强度的增大，玉米秸秆的O/C得到了不同程度的降低，有类木质素物质生成。不论预处理强度的大小，玉米秸秆表面结构均遭到一定程度的破坏，并且随着logR0的增大，表面粗糙度也在增加。

(4)水热预处理也能够改变玉米秸秆的木质纤维素组分。在logR0为6.81～7.27时，半纤维素相对含量降到了1.53%～4.06%(未预处理组为28.36%)。水热预处理条件下，玉米秸秆中的木质素相对含量从5.09%增加到13.71%。主要是因为木聚糖发生溶解，而木质素保留在了预处理后回收的固体中。