NaOH预处理对小麦秸秆中温厌氧发酵效率的影响

张鸣　李昂　杨彩玲　郭军霞

摘 要 2020—2021年，通过自行设计的厌氧发酵装置，研究NaOH预处理对小麦秸秆中温厌氧发酵效率的影响，探索在确保小麦秸秆预处理效果的前提下，通过改变预处理时间来减少NaOH用量，降低二次污染风险，为小麦秸秆沼气生产提供理论依据。研究采用0%、3%和6%（以秸秆干质量计）NaOH对小麦秸秆预处理7、14、21和28 d，未预处理的小麦秸秆作对照，发酵液pH不做调节。结果表明，小麦秸秆经3%NaOH预处理7～28 d后，纤维素、半纤维素和木质素的脱除率分别为5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～  49.2%，与6%NaOH预处理相当，显著高于0%NaOH预处理。在中温（35 ℃）厌氧发酵时，3%NaOH预处理的产气效果优于相同预处理时间0%和6%NaOH预处理，在预处理7～28 d时，干物质累积产气量为  185.5～310.5 mL·g-1，产气速率为38.1～84.2 mL·d-1。最优组合预测模型显示，3%NaOH预处理小麦秸秆11.4 d的效果最好，86.0 d发酵完全，产气速率为47.9 mL·d-1，最大干物质累积产气量为257.6   mL·g-1。综合判断，在小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵过程中，利用3%（以秸秆干质量计）NaOH对其进行预处理是可行的，能够获得良好的产气效果。

关键词 小麦秸秆；厌氧发酵；NaOH；预处理；产气速率；累积产气量

中国小麦秸秆资源非常丰富，每年的产出量约为1.4亿t，占全国农作物秸秆总量的  19.9%[1]。利用小麦秸秆厌氧发酵生产沼气是其高质化利用方式之一，不仅可以弥补畜粪沼气原料不足，而且可以减少过剩秸秆的环境污染[2-5]。但是小麦秸秆自身的物理化学结构并不适宜直接进行沼气生产[6-7]，而预处理是解决这一问题的有效措施[8]，其中NaOH预处理是较为有效的方法，受到国内外广泛关注[9-11]。王小韦[12]研究发现，NaOH预处理能够有效增加小麦秸秆中可溶组分进入水相中的速率，并在4%NaOH预处理下获得最大值。赵楠等[13]和康佳丽等[14]的研究结果均显示，6%是小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵时最佳的NaOH预处理浓度，但是预处理时间有所差异，分别为5 d和30 d。Taherdanak等[15]研究指出，经8%NaOH预处理1 h的小麦秸秆在25 ℃、50 ℃和75 ℃下厌氧发酵时，累积产气量相比未预处理对照分别提高47.5%、40.8%和54.5%。季艳敏[16]研究认为，小麦秸秆中温  （35 ℃）厌氧发酵时，10%是预处理NaOH的最佳添加量，预处理时间为7 d。可见，目前的相关研究报道中，预处理NaOH的添加量普遍较高，占到了小麦秸秆干质量的4%～10%，预处理后需要进行pH调节，容易造成二次污染，而且最佳预处理时间差异较大，1 h～30 d不等。同时有研究表明，预处理时间对农作物秸秆厌氧发酵时的预处理效果具有明显的调控作用[17-19]。为此，本研究选用目前报道中相对居中的6%（以秸秆干质量计）作为NaOH预处理小麦秸秆时的最高添加量，尝试在确保小麦秸秆预处理效果的前提下，通过改变预处理时间来减少NaOH用量，降低其二次污染风险，为小麦秸秆的中温厌氧发酵提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计与方法

试验于2020年8月17日—2021年1月15日在兰州城市学院城市环境污染控制高校省级重点实验室内进行。供试小麦秸秆自然风干后进行粉碎，过2 mm筛，有机碳481.7 g·kg-1，全氮5.8 g·kg-1，C/N 83.1，纤维素42.2%，半纤维素26.8%，木质素10.3%，干物质92.2%，挥发性干物质90.1%。预处理碱液选用NaOH，添加量分别为小麦秸秆干质量的0%、3%和6%，预处理时，先将NaOH按比例配制成溶液，然后在小麦秸秆中分别加入等质量的配置NaOH溶液和等质量的自来水，充分搅拌均匀，最后置入20 ℃的恒温培养箱中，分别进行7、14、21和28 d的预处理培养，未预处理的小麦秸秆作为对照（0 d），试验共13个处理，3次重复。

厌氧发酵是在中温（35 ℃）条件下进行，发酵液总量为200 mL，预处理小麦秸秆的干物质质量为16.0 g，总固体（TS）含量为8%，C/N用尿素调节为25，接种物为50 mL正常产气2个月的沼气池沼液，发酵液的pH不做调节，发酵罐密封后放置于恒温水浴锅内，连接试验装置（图1），每天21：00手动摇匀发酵瓶，以便发酵物料充分反应。试验在确定不再产气时结束，发酵过程中集气瓶按时补充饱和食盐水。

1.2 试验装置

试验装置如图1，选取净容积为300 mL的三角瓶作为发酵罐，并配有适当大小的橡皮塞，橡胶塞上设有出气口，集气装置选用净容积为1 000 mL装满饱和食盐水的广口瓶，同样配有适当大小的橡皮塞，橡胶塞上设有进气孔和排水孔，用乳胶管和玻璃管连接发酵罐的出气口和集气装置的进气口。

1.3 测定指标及方法

纤维素、半纤维素和木质素含量测定：在预处理结束时，采用中性洗涤剂-酸性洗涤剂法测定小麦秸秆预处理后的纤维素、半纤维素和木质素含量[20]。pH在厌氧发酵启动前，通过pHS-3C型精密酸度计测定料液初始pH。产气速率：采用排水集气法，每天上午9：00利用量筒测量集气瓶中排出的水量，得出日产气速率。累积产气量：对应日期内的日产气量之和；干物质累积产气量、发酵完成率和小麦秸秆组分（木质素、纤维素和半纤维素）脱除率的计算公式如下：

干物质累积产气量=累积产气量/干物质  质量

發酵完成率=累积产气量/总产气量×100%

小麦秸秆组分（木质素、纤维素和半纤维素）脱除率=（未处理秸秆组分含量－预处理秸秆组分含量）/未处理秸秆组分含量×100%

1.4 数据处理

利用DPS 7.5软件对数据进行统计分析，采用邓肯多重比较法，当P<0.05时，数据之间具有显著性差异；采用Excel 2021对数据进行  作图。

2 结果与分析

2.1 厌氧发酵初始pH

从预处理7～28 d小麦秸秆在中温厌氧发酵时料液的初始pH（图2）可以看出，未预处理和0%NaOH预处理的料液初始pH为7.06～  7.20，基本处于中性条件，属于产甲烷菌正常生长的范围。3%NaOH预处理的pH为8.34～  8.40，略高于传统厌氧发酵系统的临界pH 8.3。6%NaOH预处理的初始pH相对较高，达到了9.02～9.13，远高于理想的厌氧发酵pH范圍。其中3%和6%NaOH预处理时，料液初始pH的高低主要取决于NaOH添加量的多少，而预处理时间对其的影响并不明显（P＞0.05）。

2.2 NaOH预处理对小麦秸秆主要组分脱除率的影响

由图3可见，NaOH预处理对小麦秸秆中半纤维素和木质素的脱除效果较好，对纤维素的脱除率相对较低。当NaOH添加量一定时，三者的脱除率随预处理时间的延长而增大；当预处理时间一定时，三者的脱除率随NaOH添加量的增大而增加。其中3%NaOH预处理7～28 d时，小麦秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的脱除率分别为5.9%～8.3%、38.3%～41.8%和45.8%～49.2%，与6%NaOH预处理相当（P＞0.05），且显著高于0%NaOH预处理（P<0.05）。

2.3 NaOH预处理对小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵时产气速率和累积产气量的影响

2.3.1 0%NaOH预处理小麦秸秆的产气速率和累积产气量 由图4可见，在整个中温（35 ℃）厌氧发酵过程中，未预处理小麦秸秆在发酵初期产气4 d后进入了20 d的产气停滞期，随后开始2次产气，在第107天时产气停止，累积产气  1 436.2 mL。利用0%NaOH（自来水）预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆在中温厌氧发酵时，发酵当天即可正常产气，在发酵的第3天前后出现第1次产气峰值22.0、34.0、29.0和43.0   mL·d-1，之后在经过一个短期的产气低谷后，产气速率迅速增加，在第26天、第33天、第25天和第25天时达到第2次产气峰值85.0、81.5、  119.5和125.0 mL·d-1，之后缓慢下降，在第122天时产气停止，累积产气2 479.8、2 774.7、  3 083.0和3 226.1 mL，产气速率为20.3、22.7、25.3和  26.4 mL·d-1。可见，小麦秸秆不进行预处理，直接进行中温厌氧发酵时的产气效率低下，而通过0%NaOH（自来水）预处理在一定程度上可以提高小麦秸秆的发酵效率，其促进作用随预处理时间的延长而增加。

2.3.2 3%NaOH预处理小麦秸秆的产气速率和累积产气量 由图5可见，利用3%NaOH预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆在中温（35 ℃）厌氧发酵时，同样在发酵当天开始正常产气，在发酵的第3天前后进入第1次产气高峰，峰值分别为45.5、55.0、53.0和32.0 mL·d-1，随后产气速率在短期的回落后迅速增加，分别在第27天、第25天、第25天和第28天时达到第2次产气峰值108.0、271.5、91.5和73.0 mL·d-1，在第108天时产气停止，累积产气4 352.9、5 072.6、  3 595.8和3 191.6 mL，产气速率分别为35.7、  41.6、29.5和26.2 mL·d-1。可见，利用3%NaOH预处理可以提高小麦秸秆的产气速率和累积产气量，但是提高幅度并非预处理时间越长越好。

2.3.3 6%NaOH预处理小麦秸秆的产气速率和累积产气量 利用6%NaOH预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆在中温（35 ℃）厌氧发酵时（图6），同样在发酵当天即可正常产气，但是在整个发酵过程中，只有1个明显的产气峰值，分别为108.0、102.0、70.0和36.0 mL·d-1，在第117天时产气停止，累积产气量分别为3 647.3、  3 353.2、2 118.0和1 388.9 mL，产气速率分别为29.9、27.5、17.4和11.4 mL·d-1。可见，利用6%NaOH预处理同样能够提高小麦秸秆的产气速率和累积产气量，其提高幅度随预处理时间的延长而减弱。

2.4 NaOH预处理对小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵周期的影响

厌氧消化发酵时间的长短意味着在相同时间内消化处理废弃物的多少，直接反映厌氧消化效率。在实际生产过程中，一般认为累积产气量达到总产气量的90%以上即可认为发酵基本完成[21-22]。由图7可见，在中温（35 ℃）厌氧发酵时，未预处理小麦秸秆85 d发酵完成；0%NaOH预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆分别在91、90、87和89 d时发酵完成；3%NaOH预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆分别在86、59、80和78 d时发酵完成；6%NaOH预处理7、14、21和28 d的小麦秸秆分别在88、88、86和83 d时发酵完成。可见，利用NaOH预处理可以缩短小麦秸秆中温厌氧发酵时的完成时间，但是并非预处理NaOH添加量越大，发酵完成时间越短，其中3%NaOH预处理小麦秸秆的发酵完成时间短于0%和6%NaOH预处理。

2.5 NaOH预处理对小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵基本完成时干物质累积产气量和平均产气速率的影响

由图8可见，在厌氧发酵基本完成时（图7），未预处理小麦秸秆的干物质累积产气量和平均产气速率分别为81.3 mL·g-1和15.3 mL·d-1，远低于NaOH预处理。0%NaOH预处理小麦秸秆的干物质累积产气量和平均产气速率均随预处理时间的延长而增加，其中28 d预处理最高，分别为181.5 mL·g-1和32.6 mL·d-1；3%NaOH预处理小麦秸秆的干物质累积产气量和平均产气速率均为14 d预处理最高，分别为  310.5 mL·g-1和84.2 mL·d-1，显著高于其他时间预处理；6%NaOH预处理小麦秸秆的干物质累积产气量和平均产气速率均随预处理时间的延长而降低，其中7 d预处理最高，分别为204.2 mL·g-1和37.1 mL·d-1，显著高于其他时间预处理。

2.6 NaOH预处理小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵时累积产气量与预处理时间及厌氧发酵时间之间的回归模型

利用RSREG（Response Surface Regression）过程对各处理进行多项式回归（表1），所有回归模型均达到了极显著水平，而且各处理回归方程模型中的一次项、二次项和交叉项均达到了极显著水平（P＜0.01），说明方程的拟合度较好，能够反映发酵的真实情况。

通过RSREG过程寻找回归方程中最优响应曲面的稳定点，结果表明（表2），在小麦秸秆中温（35 ℃）厌氧发酵时，利用NaOH预处理小麦秸秆时的最佳预处理时间并不相同，随其添加量的增大而减小，但是最大干物質累积产气量和产气速率并不随NaOH添加量的增大而增大，这与实测值具有很好的一致性。其中0%NaOH预处理时，最佳预处理时间为28.0 d，91.0 d发酵完全，产气速率为33.8 mL·d-1，最大干物质累积产气量为192.1 mL·g-1；3%NaOH预处理时，最佳预处理时间为11.4 d，86.0 d发酵完全，产气速率为47.9 mL·d-1，最大干物质累积产气量为257.6 mL·g-1；6%NaOH预处理时，最佳预处理时间为7.0 d，88.0 d发酵完全，产气速率为41.9 mL·d-1，最大干物质累积产气量为230.5 mL·d-1。

3 讨  论

在中温厌氧发酵时，利用NaOH对小麦秸秆进行预处理能够提高秸秆的产气速率和累积产气量，这与文献[12-16]的研究结论相一致。小麦秸秆中的木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键、碳-碳键联接而成的芳香族高分子化合物，一般微生物很难分解，纤维素和半纤维素虽然易被微生物分解，但是由于木质素是纤维素的外围基质，阻碍了厌氧微生物对纤维素和半纤维素的有效利用，而小麦秸秆在NaOH预处理过程中，木质素、纤维素和半纤维素之间的联结键被NaOH中的氢氧根破坏，部分木质素、纤维素和半纤维素得以分离或分解，而且还使细胞壁膨胀、结构疏松，扩大了纤维素、半纤维素与厌氧微生物的接触面[14，23-25]，从而提高了小麦秸秆的产气效率。

小麦秸秆中温厌氧发酵时最佳的NaOH预处理添加量为3%，远低于文献[12-16]小麦秸秆中温厌氧发酵时所推荐的NaOH预处理添加量（4%～10%）。究其原因，除预处理时间存在不同外，还与秸秆厌氧发酵初期发酵液的pH有关，因为厌氧发酵系统的pH一般情况下应控制在  6.5～7.5，当pH高于8.3就会对厌氧发酵产生消极影响[26]。赵楠等[13]和康佳丽等[14]在预处理小麦秸秆厌氧发酵前，均对发酵液的pH进行了调节，而本研究为了降低NaOH预处理过程中二次污染风险，未对发酵液的酸度进行调节，从而3%和6%NaOH预处理7～28 d小麦秸秆在厌氧发酵时的初始pH均处于碱性状态，其中6%NaOH预处理小麦秸秆发酵初始pH相对较高，为  9.02～9.13，远超出了8.3的临界值，阻碍了厌氧发酵过程中小麦秸秆的产气速率和产气量，而3%NaOH预处理小麦秸秆发酵初始的pH为  8.34～8.40，虽然也超出了8.3这一临界值，但是超出范围相对较小，随后由于NaOH预处理破坏了小麦秸秆的物化结构，木质素被有效降解，能够被微生物利用的纤维素和半纤维素被极大程度的释放，这类碳水化合物经过水解和酸化，转化为可以被产氢、产乙酸菌和同型乙酸菌利用的酸类物质，当发酵液中的有机酸累积到一定程度，pH恢复到厌氧微生物的适宜范围时，便开始正常产气[27]。

在中温厌氧发酵时，利用3%NaOH预处理能够提高小麦秸秆的产气速率和累积产气量，但是预处理时间并非越长越好。这是因为厌氧发酵的预处理是一个复杂的生物化学过程，影响因素较多，且相互交织，只有适宜的预处理时间才能有效降解秸秆中的木质纤维素，对发酵液的酸碱平衡起到良好的调节，有利于产甲烷菌生存；过短的预处理时间达不到应有的处理效果，但过长的预处理时间又有可能过度地破坏秸秆有效成分，形成酚类、糠醛等抑制发酵物质，进而导致产气效率降低[19，28]。

与6%NaOH预处理相比，3%NaOH预处理不仅可以对小麦秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的脱除达到相仿效果，而且可以获得更高的产气速率和干物质累积产气量。Barman等[29]研究表明，在105 ℃条件下利用2%NaOH溶液处理小麦秸秆10 min后，木质素和半纤维素的去除率可以达到70.3%和68.2%。这也进一步证实，在小麦秸秆厌氧发酵过程中，通过时间、温度等预处理条件的改变来减少预处理NaOH用量是可行的。考虑到NaOH添加量过大，将会增加后期中和难度及成本，增大其二次污染风险，所以在小麦秸秆中温厌氧发酵时，应选择添加量相对较低的3%NaOH进行预处理。那么，是否可以进一步通过延长时间等预处理条件的改变来降低预处理NaOH的添加量？还需要进一步研究验证。

4 结  论

在小麦秸秆中温（35  ℃）厌氧发酵时，3%（以小麦秸秆干质量计）NaOH预处理效果最好，在发酵当天便可正常产气，最佳预处理时间为11.4 d，86.0 d发酵完全，产气速率为47.9 mL·d-1，最大干物质累积产气量达257.6 mL·g-1。

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Effects of NaOH  Pretreatment on  Mesophilic Anaerobic Fermentation Efficiency of Wheat Straw

ZHANG MingLI Ang1， YANG Cailing2，3 and GUO Junxia1

Abstract Effects of NaOH pretreatment on anaerobic fermentation efficiency of wheat straw were studied using the “system of anaerobic fermentation technology” designed by us as mesophilic temperature from 2020 to 2021， the objective was to  reduce the amount of NaOH and the risk of secondary pollution while ensuring the pretreatment effect of wheat straw，thereby providing a theoretical basis for biogas production of wheat straw. Wheat straw samples were pretreated with 0%， 3%， and 6% （dry mass of wheat straw） NaOH for durations of 7， 14， 21， and 28 days， respectively， with unpretreated wheat straw as control. The results showed that the removal rates of cellulose， hemicellulose and lignin were 5.9%-8.3%， 38.3%-41.8%， 45.8%-49.2%， respectively， which was similar to the treatment of 6%NaOH and significantly higher than that of 0%NaOH pretreatment when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 d. The 3%NaOH treatment demonstrated the highest effectiveness compared to the control and 6%NaOH treatment for the same pretreatment duration under anaerobic fermentation of wheat straw at mesophilic temperature （35 ℃）. The cumulative biogas yields of dry matter ranged from 185.5 mL·g-1 to 310.5 mL·g-1， with a biogas production rate of 38.1 mL·d-1 to 84.2 mL·d-1 when wheat straw was pretreated with 3%NaOH for 7-28 days.The superior combination forecasting model showed that the treatment of 3%NaOH was the most effective， and the optimum pretreatment time was 11.4 d after 86.0 d completed fermentation， the rate of biogas production was 47.9 mL·d-1， the maximum cumulative biogas yields of dry matter was   257.6 mL·g-1. In conclusion， it is feasible to use 3% （dry mass of wheat straw） NaOH pretreatment wheat straw under mesophilic （35 ℃） anaerobic fermentation， which can obtain good biogas production effect.

Key words Wheat straw; Anaerobic fermentation; NaOH; Pretreatment; Biogas production rate; Cumulative biogas yields

Received2022-10-21Returned 2023-02-12

Foundation item The Natural Science Foundation of Gansu Province （No.20JR10RA283）; the Project of Higher Education Innovation Foundation of Gansu Province （No.2022B-224）.

First author ZHANG Ming， female， associate professor. Research area： environmental science and engineering. E-mail： zhangminglbl@163.com

（責任编辑：史亚歌 Responsible editor：SHI Yage）

收稿日期：2022-10-21修回日期：2023-02-12

基金项目：甘肃省自然科学基金（20JR10RA283）；甘肃省高等学校创新基金（2022B-224）。

第一作者：张 鸣，女，副教授，主要从事环境科学与工程方面的研究。E-mail： zhangminglbl@163.com