有机溶剂预处理对麦秆厌氧发酵产气的影响

0 引言

随着城镇化的发展，以畜禽粪便为主要原料的沼气工程发展受到限制。我国秸秆资源丰富，秸秆产量近8 亿 t。其中，小麦秸秆产量为10 718．95 万 t，占全国秸秆总产量的 12． 73%。麦秆中含有纤维素35% ～ 40% ，半纤维素 20% ～ 30% ，木质素 8% ～15% 。秸秆是符合可持续发展要求的可再生资源，其处理后得到的纤维素、半纤维素、木质素片段有很多潜在的用途。纤维素可作为糖类来源为化工产品和生物燃料提供原料，半纤维素分解得到的糖能够作为厌氧发酵的基质。因此，利用小麦秸秆作为原料产沼气有良好的发展前景。但秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素形成了高结晶度和聚合度的晶体结构，在自然条件下晶体很难被打破，限制了微生物对秸秆的利用，导致秸秆发酵启动慢、产气率低等问题。针对其这一特性，在利用秸秆进行厌氧发酵之前有必要对秸秆进行预处理来打破其坚固的结构，使纤维素中的碳水化合物聚合物更容易被酶转换为可发酵的糖。预处理方法包括物理法、化学法和生物法:物理法操作简单，但降解速度及发酵速率不高，且能耗较大，成本较高;生物法反应温和、能耗较低、无污染，但目前所用的微生物大多处理周期较长，占地面积大，需要高效的生物菌剂;化学法因具有耗时短、效果好等特点而被广泛使用。宋籽霖用 8% 的 Ca(OH)2对水稻秸秆进行预处理，处理的秸秆进行厌氧发酵后产气量比对照高出 100． 91%。覃国栋用6 % 的 H2SO4处理水稻秸秆后，甲烷含量最高可达44． 3% ，单位总固体产气率为 150mg / L，比对照组高出99．8%。但发酵中的化学试剂易造成沼液沼渣的二次污染，且酸处理易造成设备腐蚀，碱处理后会使部分纤维素被溶解，致使原料易发酵成分损失太多，降低产气率。此外，酸碱处理还存在试剂的回收、中和及洗涤等问题，而采用有机溶剂处理则可避免上面的问题。
有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其水溶液对木质纤维素原料进行预处理的方法。其原理为:有机溶剂预处理可以脱除木质素和半纤维素，增加原料孔隙率及纤维素与纤维素酶的可接触面积，可以提高纤维素的酶解性能。同时，有机溶剂预处理具有容易蒸馏回收重复利用的特点，且可得到木质素及多聚木糖等化工原料。岳军等用乙醇处理木糖渣，在固液(质量/体积)比1:8、处理液中乙醇浓度50%(体积)、预处理温度210℃、预处理时间 60min 时，木素脱除率为53．26%，预处理后木糖渣在酶解 72h 时的纤维素转化率达到84． 42%。目前，有机溶剂预处理中使用的有机溶剂主要有甲醇、乙醇、丙酮、苯酚、甲酸、乙酸和甘油等。Araque 研究有机溶剂丙酮和水以体积比1:1 对松蓼进行预处理，得到最大乙醇产量为理论产量的 99． 5%。Sun 等用 70%(w/w)甘油有机溶剂预处理小麦秸秆，在温度 220℃ 条件下反应3h，然后可使纤维素的酶解率达到 90% ，且可回收70% 的甘油有机溶剂。根据厌氧发酵四阶段理论，在产氢产乙酸阶段、水解阶段的产物，除了甲烷菌可以直接利用甲酸、乙酸、甲醇、甲基氨类外，三碳及三碳以上的直链脂肪酸，以及二碳及二碳以上的醇、酮、芳香族有机酸都不能被直接利用，但其最终可被产氢产乙酸菌群分解成氢气和乙酸。这说明，在厌氧发酵过程完成中，有机溶剂会被微生物所利用，在提高产气率的同时可以缩短发酵周期，避免发酵后的二次处理，减少环境污染，但关于有机溶剂(甲醇、丙酮)预处理麦秆后发酵产沼气的研究还未深入。因此，本试验利用丙酮、甲醇对小麦秸秆进行预处理，研究丙酮、甲醇对麦秆进行预处理后对厌氧发酵产沼气的影响，以便为通过秸秆预处理来提高沼气产量及沼气工程研究的发展提供科学依据。

1 材料与方法

1． 1 试验材料
试验材料为风干的小麦秸秆，用切割机将麦秆切碎成2 ～3cm 的小段，取自西北农林科技大学试验田。取西北农林科技大学附近沼气示范村正常厌氧发酵池中的沼液作为接种物，原料和接种物基本性状如表1 所示。


1． 2 试验方法
1． 2． 1 试验装置和试验方案
试验所用装置为陕西省循环农业工程技术研究中心自行设计的可控型恒温厌氧发酵装置，如图 1 所示。其主要由发酵装置、集气装置及控温装置 3 部分组成，各装置间用玻璃管和橡胶管连接。控温装置以温控仪和继电器来显示和控制发酵温度，温度波动范围 ±1℃。发酵装置为橡胶塞密封的 1L 三角瓶，橡胶塞上带有导气孔。集气装置是由两个 1L 的三角瓶连接而成，一个作为集气瓶(用带有进气孔和导水孔的橡胶塞密封)，另一个作为集水瓶(图中 1 的量筒以三角瓶代替)。

将甲醇、丙酮分别配制成质量分数为 3%、4%、5% 的溶液。将小麦秸秆分成若干 300g 的小份，置于小塑料桶中，固液比为 1:10(g:ml)，秸秆拌匀后盖上塑料桶盖，在室温下预处理 7 天，每天搅拌一次。为阐述方便，将3%、4%、5% 甲醇预处理的样分别记为A、B、C，3% 、4% 、5% 丙酮预处理的样分别记为 D、E、F，未做预处理的样记为 CK。预处理后的秸秆在 35℃条件下进行厌氧发酵试验，在发酵瓶中装入预处理后的秸秆和水的混合物 500g，保持总的固体浓度为8% ，接种物 200g，每组试验设 3 个重复。以下试验所作分析均已减掉甲醇、丙酮作为直接底物单独发酵产沼气的量。
1． 2． 2 测定项目
1) 产气量:采用排水集气法，待所产气体点燃呈淡蓝色火焰后，每天早上10:00 测量水的体积。
2) 总碱度:溴甲酚绿一甲基红指示剂滴定法。
3) 挥发性脂肪酸( VFA) 含量:采用比色法测定。
4) pH:智能 pH 计( pHS － 3CT 型 ) 。
5) 氨态氮:蒸馏滴定法测定。
6) 甲 烷 成 分: 沼 气 分 析 仪 测 定 ( Gasboard －3200L) 。
7) 还原糖:DNS 比色法测定。
8) 干物质( TS) 、挥发性干物质( VS):TS 为烘干法，VS 为马弗炉焚烧法。
9) 总碳:K2Cr2O7—外热源法。
10) 总氮:凯氏定氮法。
1． 2． 3 测定项目所得数据采用 EXCEL2010 整理，SPSS17．0 分析。

2 结果与分析

2． 1 预处理后秸秆基本指标的变化
由表2 可知:各处理组中秸秆的 C、N 含量较 CK都降低;A、B、C、D、E、F 的碳含量分别较 CK 降低26% 、28% 、29% 、37% 、39% 、45% ，F 的 C 含量降低最多;各处理组碳含量和 CK 之间均有显著性差异(P＜ 0． 05 ) 。氮含量分别较 CK 降低 3% 、6% 、29% 、52% 、47% 、42% ，各处理组氮含量和 CK 之间也有显著性差异(P ＜0．05)。丙酮和甲醇预处理间有显著性差异(P ＜0．05);各处理组的TS 和对照间均有显著性差异(P ＜0．05)，但是各处理组内的差异性不显著(P＞ 0． 05) 。各处理组的 VS 除 B、C 和对照没有显著性差异以外，其余各组和对照间均有显著性差异，各处理组之间除 B 和 C、D 和 E、E 和 F 间没有显著性差异外，其余各组间均有显著性差异(P ＜0．05)。


2． 2 甲醇、丙酮不同浓度处理下的日产气量和累积产气量的变化
由图2 可知:不同浓度的甲醇对麦秆的厌氧发酵的影响不同。3 个处理均在第2 天到达第 1 个产气高峰，峰值分别为 440、620、690mL/d。其中，A 的产气量在产气高峰后迅速降低至 0;B 的日产气量最高，总体趋势呈现3 个产气高峰，分别为770、270mL/d;C 的日产气量不稳定，在第 3 天产气高峰后迅速下降，在第13 天才到达第 2 个产气高峰为 425mL/d，后期产气波动很大，产气极不稳定。因此，B 的处理效果为最好。

图 3 是不同丙酮浓度处理下的日产气量的变化趋势图。由图3 可知:D、E、F 分别在第 8 天、第 9 天、第7 天到达产气高峰，最大日产气量分别为 400、380、500mL / d;D、E、F 的产气规律大致相同，均在达到第 1个产气高峰后，产气量先是迅速下降，再经过一段缓冲期后达到第 2 个产气高峰期。方差分析表明:F 的产气效果较 D 和 E 有显著提高(P ＜0．05)。这说明，F 的处理效果最好。

如图 4 可知:在不同浓度甲醇处理下，秸秆的累积产气量顺序为 B ＞ C ＞ A;不同丙酮浓度处理下，秸秆的累积产气量顺序为 F ＞ D ＞ E。其中，在 3% 的处理浓度下，丙酮的产气量是6 293mL，甲醇第 3 天后停止产气;在4%的处理浓度下，甲醇的累积产气量是丙酮的1．2 倍，甲醇的产气量为 7 293mL;在 5%的处理浓度下，丙酮的累积产气量是甲醇的 1． 5 倍，丙酮的产气量为7 455mL。以上结果说明:不同的试剂在相同的浓度处理下的处理效果之间有差异(P ＜0．05)。
由图3 可知:F 的累积产气量最大，为 7 455mL，其后依次为 B、D、E、C、CK、A，累积产气量分别为7 293、6 293、6 220、5 080、1 373、580mL。A 累积产气量为580mL，较 CK 降低了 58%;B、C 累积产气量较CK 有显著提高( P ＜ 0． 05)，较 CK 分别提高了 81% 、73% ;丙酮处理组累积产气量均较 CK 有显著提高( P＜ 0． 05)，D、E、F 较 CK 分别提高了 78% 、77% 、97% 。由图3 可知:B 的 VS 产气量最大，为 144．94mL/g，其后依次为E、F、D、C、CK、A，VS 产气量分别为138．04、116． 92、116． 17、102． 03、27． 55、12． 21mL / g;甲醇处理组中，除 A 的 VS 产气量较 CK 减少56%外，B、C 均较CK 有显著性提高( P ＜ 0． 05)，B、C 较 CK 分别分别提高了81%、73%;丙酮处理组中的 VS 产气量均较 CK有显著性提高，D、E、F 较 CK 分别提高 76%、84%、80% 。

2． 3 不同预处理厌氧发酵中甲烷含量的变化
图5 为各处理组甲烷含量的变化图。由图 5 可知:各处理组甲烷含量在发酵初期均能有所提高;而CK 的甲烷含量一直处于较低水平，主要是由于对照组在发酵过程中产气较少，所以甲烷含量一直较低;除 A 到后期不产气以外，其余各处理组的甲烷含量均较 CK 有所增加;B 和 C 的甲烷含量峰值分别为60． 2% 、68% ;D、E 和 F 的甲烷含量峰值分别为 53． 2% 、67． 9% 和 67． 2% 。


2． 4 不同预处理厌氧发酵中 pH、VFA、碱度、还原糖的变化
2． 4． 1 不同预处理厌氧发酵中 pH、VFA 的变化
图6 为各处理组pH 值VFA 的变化图。由图6 可知:发酵初期，pH 值都在 9． 0 左右;经过 5 天的发酵，各处理的 pH 值迅速降低到6．5 ～7．5 之间，说明发酵的前5 天产生了大量的酸，使得 pH 值下降;在酸化阶段后，A 和 CK 的 pH 值一直低于 6．8，其余各组的 pH值均升高到8．0 左右。本试验发酵过程中，发酵前期pH 值过低，而 VFA 含量有所升高。这是由于甲烷菌活性被抑制，在沼气发酵前期，微生物厌氧发酵降解秸秆产生大量有机酸，发酵液 pH 值较低;随着氨化细菌逐渐增多，产生的氨中和了部分酸，更主要的是有机酸被转化，使得 pH 值回升。
整个发酵过程中，两种试剂处理组 VFA 含量呈下降趋势，主要是由于 VFA 是产甲烷的重要前体，发酵过程中甲烷的不断产生，使得 VFA 的量也有所下降。其中，B、C 和 D、E、F 在发酵过程中的 VFA 含量变化趋势大致相同;而 CK 和 A 的 VFA 和 pH 值一直变化不大，pH 值一直处在6． 8 以下，VFA 的含量变化也不大，这可能是由于大量有机酸的积累导致 pH 值过低，影响甲烷菌的活性，最终导致 A 和 CK 的产气效果不佳。

2． 4． 2 不同浓度下碱度的变化
碱度是指发酵液结合氢离子的能力，主要由碳酸盐、重碳酸盐及氢氧化物所组成。其对发酵过程中出现的过酸过碱物质，能起到一定的缓冲作用，碱度越高，发酵液的缓冲能力越强。图 7 为各处理碱度的变化。由图7 可知:在整个发酵过程中，除了 A 以外，其余各处理的总碱度都在 3 000mg/L 以上，且均在3 000 ～ 7 000mg / L 之间变化，在发酵前期和中期有较小的波动，随后趋于平稳;A 的碱度波动较大，且在 10～ 15d 期间碱度降至 3 000mg / L 以下，碱度处于较低水平，说明该处理下的发酵液的缓冲能力较弱，这可能是造成沼气产量较低的原因。
2． 4． 3 不同浓度下还原糖的变化
图8 为不同处理的还原糖变化。由图 8 可知:发酵过程中各处理组的还原糖含量变化总体幅度不大，各预处理的还原糖含量均在 0．1 ～0．2g/L 范围内，各处理组的还原糖含量均低于 CK。这是因为本试验的预处理时间是7d，处理过程中糖化作用在前期较短的时间内完成，后期则以发酵为主。高凤芹等利用化学试剂对 4 种牧草进行预处理，在 4 种牧草发酵液中，葡萄糖含量在24 h 时达到最高峰，48h 后较低，后期基本不变。即在发酵 24h 内以糖化作用为主，24h后以发酵作用为主，这与本实验的结果一致。CK 未经化学预处理，其还原糖含量高，而预处理样的还原糖含量在7d 后均有所下降。这说明:在预处理期间，部分还原糖被发酵细菌所利用转化成 VFA、醇类及有机酸等物质。



3 结论和讨论

3． 1 讨论
1) 厌氧发酵过程中 pH 值、VFA、碱度的变化。在整个发酵过程中，除 A 和 CK 以外，各处理组 pH 值均呈先下降后升高的趋势，而 CK 和 A 组的 pH 值在酸化阶段后一直在6．8 以下。钱玉婷等研究发现:有机溶剂预处理的前期的 pH 值在 6． 4 左右，是因为有机溶剂预处理去除了秸秆表层的蜡质;而蜡质的组成成分中含有显酸性的脂肪酸等，导致 pH 下降，但在96h 后 pH 最大会达到 9． 0。费辉盈等［18］研究发现:大部分纤维素降解后，可使 pH 稳定在 8． 5 左右。本试验的预处理时间是 7d，初始时的 pH 值在 9．0 左右与之前的研究一致。在发酵过程中，除 A 以外，其余各处理组的 pH 值均在7．0 以上;但在酸化阶段，可看到各处理组的 pH 值均明显下降，是因为初期发酵系统产生大量的有机酸，致使发酵液 pH 值较低，甲烷菌活性被抑制，产气量低;酸化阶段后，各处理组的 pH升高到8．0 左右后趋于稳定，因为中期有机酸被逐步转化，pH 值缓慢回升，产气量也随之升高;而 A 和 CK的pH 值在酸化阶段后一直低于6．5，这可能是因为在酸化阶段中大量的有机酸积累，导致 pH 值降低，甲烷菌活性受到抑制，使 A 和 CK 产气停止。
发酵过程中除 A 和 CK 外，各处理组的 VFA 均是呈先升高后降低的趋势。这是因为 VFA 是甲烷菌利用的主要中间产物，随发酵进行，VFA 被逐步消耗，其浓度总体呈降低趋势;而 A、CK 组 VFA 浓度始终较高，而 pH 值始终在 6． 5 以下，甲烷菌活性受到抑制，影响产气。以发酵效果最好的 F 为例，其 VFA 值呈下降趋势;与此同时，pH 值呈现上升趋势，产气量也迅速增加;随后 VFA 浓度缓慢下降最终趋于平稳，pH 值和产气量也呈现相应的变化趋势。利用 SPSS17． 0 对各处理组(由于 A 不产气，不对其做相关性分析)的pH 值、VFA、累积产气量做相关性分析发现:各处理组的 pH 值与累积产气量均呈正相关。其中，B 的累积产气量与 pH 值呈显著性正相关(r =0． 840*，P ＜0．05)，其余各处理的相关性不显著。各处理组的 VFA和累积产气量呈显著性负相关。其中，B 的 VFA 和累积产气量达到极显著水平(r = － 0． 905＊＊，P ＜ 0．01);各处理组的 pH 值和 VFA 均呈负相关，但相关性不显著。邢杰等研究了 35℃羊粪和麦秆不同配比的厌氧发酵特性，通过对 VFA、pH 值和日产气量作相关性分析，表明日产气量与 VFA 呈负相关，与 pH 值呈正相关。尹冬雪等研究了 35℃恒温条件下光照强度对猪粪、牛粪的厌氧发酵的影响，并对其 VFA、pH值与累积产气量的关系做了进一步探讨，同样得到累积产气量与 VFA 呈负相关、与 pH 值呈正相关的结论。
当总碱度为3 000 ～8 500mg/L 且与 VFA 含量之比在2:1 以上时，沼气发酵产气比较稳定，碱度可以预示发酵体系的稳定性和揭示厌氧发酵潜在失败的可能性。在整个发酵过程中，B、C、D、E、F 的总碱度与 VFA 之比均大于2:1，说明几个处理在发酵过程中的缓冲能力较强，能中和发酵过程中产生的 VFA，使得 pH 值保持平稳状态，产气也比较稳定。A 和 CK 的总碱度与 VFA 之比却低于2:1，说明其发酵液的缓冲能力较低，这可能也是造成 A 和 CK 产气量低的原因之一。同时，对各处理组的碱度和累积产气量进行相关性分析，发现二者呈负相关，且相关性均不显著(P＞ 0． 01) 。
2) 有机溶剂预处理对厌氧发酵的影响。根据预处理后所测 C、N 的数据可知:各处理组的碳、氮均较CK 有所降低，可能是因为试验中所测定的碳、氮含量均是预处理后的烘干样，预处理后麦秆中的有机质转化为可溶性物质，导致碳、氮含量的降低。其中，甲醇和丙酮各浓度处理组的碳、氮含量均较 CK 有显著性降低(P ＜0．05)。李碧琼等的研究表明:含水率是影响秸秆堆腐降解的重要物理因素，因为水是微生物的生长繁殖、有机物的分解不可缺少的条件。本试验预处理秸秆时的含水率为90%，水分可参与微生物的新陈代谢，所以秸秆的有机物更易于溶解，含水率可能是促进碳、氮含量的下降的因素之一。
孙麟等利用丙酮、乙醇、甲醇对高粱杆进行预处理效果都较好。其中，丙酮的效果最好，丙酮处理样在 30min 内每 0． 1g 秸秆粉末可以产生还原糖4． 373 6mg，而在处理过程中易被微生物降解的有机碳源主要是可溶性糖、有机酸及淀粉等。由于试验中碳、氮均较 CK 有显著性降低，可能是由于甲醇、丙酮预处理后水解得到的可溶性糖等物质被微生物降解，导致碳、氮含量的下降。另外，本试验所测定不同发酵时期的还原糖含量不高，且还原糖含量变化不大。高凤芹等利用化学试剂对 4 种牧草进行预处理，在4 种牧草发酵液中，葡萄糖含量在 24h 时达到最高峰，48h 后较低，后期基本不变。即在发酵 24h 内以糖化作用为主，24h 后以发酵作用为主，这与本试验的结果一致;而水解得到的还原糖在预处理过程中所转换成何种有机物质，还有待后面进行更深入的研究。同时，根据不同浓度的有机溶剂处理结果可知:A的效果最差，其累积产气量比对照低 58%，而 B 的累积产气量 CK 高出 81%。这说明，两个浓度处理下效果具有显著差异(P ＜0．05)。在后期的研究中有必要在3% ～4%浓度之间将处理浓度再细化，最终探究更为合理的甲醇预处理浓度。

3． 2 结论
1) 甲醇和丙酮对小麦秸秆的预处理组中，5% 的丙酮预处理效果最好，累积产气量达到 7 455mL，比对照高 97%;而经 3% 甲醇预处理的效果最差，累积产气量比对照低58%。
2) 通过对经甲醇、丙酮处理的各试验组在发酵过程中的 pH 值、VFA、碱度、累积产气量进行相关性分析得到:VFA 和累积产气量呈显著性负相关;pH 值与累积产气量呈正相关;pH 值与 VFA 呈负相关，累积产气量与碱度呈负相关，但相关性不显著。
3) 甲醇和丙酮预处理后的秸秆的碳、氮含量均有所降低，发酵过程中的还原糖含量一直在 0．1 ～0．2g/L 范围内变化。
参考文献（略）