尿素氨化預(yù)處理對稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

丁紹蘭，張敏娜，黃振俠，吁安，張咪，龔貴金

1. 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 江西省農(nóng)村能源管理站，江西 南昌 330000；3. 西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)應(yīng)用微生物研究所，江西 南昌 330200；4. 正合環(huán)保工程有限公司，江西 南昌 330030

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的副產(chǎn)物，種類豐富、分布廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國2016年生產(chǎn)的農(nóng)作物秸稈約7.9×108t（Li et al.，2016；Gu et al.，2015），農(nóng)作物秸稈的熱值大約相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的 1/2，其中稻類熱值約為 12560 KJ?kg-1；此外，秸稈中除了絕大部分碳之外，還含有氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅等多種可被利用的礦質(zhì)元素，具有較高的回收利用價值（曹穩(wěn)根等，2007；焦貴枝等，2003；王宜民等，2001）。然而，每年有多達(dá)33%的秸稈被直接燃燒或廢棄，這些不合理的處理方式不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，而且也造成了生物質(zhì)資源的浪費（嚴(yán)妍等，2010）。

近年來，將農(nóng)作物秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣（Li et al.，2010；Cui et al.，2011），已成為國內(nèi)外學(xué)者研究生物質(zhì)固廢處理的熱點之一，也是中國目前大力倡導(dǎo)發(fā)展的技術(shù)之一（吳楠等，2012；李步青等，2015；宋籽霖等，2013）。然而，秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三者相互纏繞，構(gòu)成致密的空間結(jié)構(gòu)，若不進(jìn)行預(yù)處理而直接投入沼氣池進(jìn)行厭氧發(fā)酵，會造成發(fā)酵效率低、產(chǎn)氣量少等問題，無法大面積推廣應(yīng)用。Zhang et al.（2015）指出預(yù)處理是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷的關(guān)鍵步驟。秸稈經(jīng)過預(yù)處理可以破壞其致密結(jié)構(gòu)，提高秸稈的降解率。目前普遍采用的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等（Demirbas，2001；Yang et al.，2003；Müller et al.，1986）。趙靜等（2016）采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素對水稻秸稈進(jìn)行氨化預(yù)處理，均不同程度地對水稻秸稈的組分造成了破壞，且提高了其厭氧消化產(chǎn)沼氣的潛力，使得厭氧消化時間相對縮短，發(fā)現(xiàn)在尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%時預(yù)處理效果最佳。楊懂艷等（2013）使用氨水在不同的含水率下對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)氨化預(yù)處理的麥秸纖維素、半纖維素均有所降低，秸稈厭氧消化時間比未處理的縮短了24%。羅立娜等（2015）利用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素對水稻秸稈進(jìn)行氨化預(yù)處理，預(yù)處理后稻秸的累計產(chǎn)氣量比對照組提高了20.67%～38.20%，尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時效果較好。Kim et al.（2001）等利用氨水浸泡預(yù)處理秸稈，發(fā)現(xiàn)在 60 ℃，w=15%的氨水，體積固液比為 1∶6情況下浸泡秸稈12 h，木質(zhì)素去除率達(dá)到62%。劉琪（2012）使用尿素對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，在尿素添加量為 4.5%，豬糞與秸稈的質(zhì)量比為 1∶2，污泥的接種量為發(fā)酵總量45%時，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率達(dá)到最佳。這些研究結(jié)果表明利用尿素對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，可以提高秸稈降解率和產(chǎn)氣率。雖然目前國內(nèi)外學(xué)者對秸稈預(yù)處理厭氧發(fā)酵的研究非常廣泛，但均集中于對預(yù)處理中單一因素的研究，對影響預(yù)處理的不同因素在何種組合下能夠達(dá)到最佳發(fā)酵效果的研究甚少，本研究選用尿素對稻稈進(jìn)行預(yù)處理，考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理對稻稈厭氧消化性能的影響，為后續(xù)研究不同因素組合下最優(yōu)條件的獲取提供理論和技術(shù)支撐，以期為實際沼氣工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

供試原料為水稻秸稈，取自江西省新余市羅坊。將自然風(fēng)干的稻稈經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，粉碎后粒徑為1～2 cm，過35目篩（0.5 mm）備用。接種物為沼液，取自江西省新余市羅坊沼氣站一期一級厭氧發(fā)酵灌。稻稈和接種沼液理化性質(zhì)如表1所示（各指標(biāo)均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）。

表1 稻稈和接種沼液的特性Table 1 Characteristics of rice straw and biogas slurry

1.2 實驗方法

1.2.1 氨化預(yù)處理

選用尿素對稻稈進(jìn)行預(yù)處理，試驗條件：預(yù)處理溫度為(20±1) ℃，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、4.5%、6%（相對于稻稈的干質(zhì)量）的添加量稱取尿素，配制成尿素溶液。將尿素水溶液加入到粉碎好的稻稈中，使之充分混合均勻，密封后預(yù)處理 7 d。同時用清水處理作為對照組。預(yù)處理后的稻稈留一部分樣品進(jìn)行分析，另一部分經(jīng)晾曬后與接種物混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗。

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗

厭氧發(fā)酵裝置如圖1所示。試驗裝置主要由錐形瓶、廣口瓶和量筒組成，各裝置間使用橡皮管與玻璃管連接。錐形瓶作為厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，廣口瓶和量筒是排水集氣裝置。將預(yù)處理后的稻稈添加到1 L錐形瓶中，進(jìn)料負(fù)荷為65 g?L-1，接種物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，各發(fā)酵瓶中固體濃度（TS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，將反應(yīng)器置于 35 ℃恒溫裝置中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并與對照組作對比試驗，每個處理做3次重復(fù)。

1.3 測定項目

試驗過程中記錄日產(chǎn)氣量，采用排水法測定，并計算相應(yīng)的累積產(chǎn)氣量；沼氣中甲烷含量用沼氣甲烷成分測量儀檢測；pH值測定使用pH數(shù)顯酸度計；采用碘量滴定法測定稻稈中纖維素，木質(zhì)素含量按照GB/T 2677.8—1994測定；分別采用烘干法和灼燒法測定TS和VS（揮發(fā)性固體）質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用FEI Q45型環(huán)境掃描電鏡觀察（SEM）稻稈的微觀結(jié)構(gòu)；采用視頻光學(xué)接觸角測量儀（OCA20）測定稻稈的接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 尿素氨化預(yù)處理對水稻秸稈主要組分及形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 尿素氨化預(yù)處理對水稻秸稈主要組分的影響

水稻秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三者相互纏繞構(gòu)成致密結(jié)構(gòu)，通過預(yù)處理能夠破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增加纖維素與微生物的接觸面積，從而提高稻稈的降解率。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理前后的稻稈成分變化如表2所示。由表2可知，氨化預(yù)處理后的稻稈纖維素的變化較小，主要歸因于纖維素分子具有高結(jié)晶度，難以降解。而隨著尿素添加量的增加，各預(yù)處理組的木質(zhì)素均呈下降趨勢，其降解率分別為 10.91%、

圖1 試驗裝置示意圖Fig. 1 Scheme of test device

表2 尿素氨化預(yù)處理對稻稈主要組分的影響Table 2 Effect of urea ammoniation pretreatment on main components of rice straw

17.19 %和27.02%。對預(yù)處理前后稻稈的色澤進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后的稻稈均失去光澤，由未處理時的亮黃色變?yōu)榘迭S色，未經(jīng)預(yù)處理的稻稈用手觸摸會有明顯的刺感，而處理后的稻稈均變得柔軟蓬松。這主要是由于尿素的氨化作用改變了稻稈表層的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得連接纖維素和木質(zhì)素的官能團(tuán)發(fā)生斷裂，稻稈中相互纏繞的木質(zhì)素與纖維素發(fā)生分離，稻稈中木質(zhì)素含量降低。木質(zhì)素含量的降低有利于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行（Zheng et al.，2008），從而提高稻稈后續(xù)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。

2.1.2 尿素氨化預(yù)處理對水稻秸稈形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

采用環(huán)境掃描電鏡對未處理與經(jīng)尿素預(yù)處理后稻稈的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，其縱切面電鏡掃描結(jié)果如圖2所示。稻稈的細(xì)胞壁是非水溶性三維立體木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，由纖維素、半纖維素和具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素大分子共同構(gòu)建（Kuijk et al.，2015）。圖2(a)是未經(jīng)處理的稻稈掃描電鏡圖，從圖中可看出，未經(jīng)尿素處理的稻稈結(jié)構(gòu)緊密，限制了微生物作用的比表面積，使得產(chǎn)氣效率難以提升；稻稈結(jié)構(gòu)變形為扁平狀，這主要是在粉碎剪切稻稈時，其表面組織受到圧縮力產(chǎn)生的。圖2(b～d)分別是經(jīng)3%、4.5%、6%尿素預(yù)處理后的稻稈縱切面掃描電鏡圖，從圖中可以看出，稻稈結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，稻稈細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)由原來的緊密狀變得較為疏松，形成許多孔洞。這是由于尿素水解后產(chǎn)生氨，電離出OH-和NH4+，OH-打破了纖維素和木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵，破壞了稻稈的致密結(jié)構(gòu)，使纖維素發(fā)生水解，繼而膨脹，增大了微生物作用的比表面積。同時，NH4+與稻稈中的有機(jī)物結(jié)合形成銨鹽，為后續(xù)的厭氧發(fā)酵提供了充足的氮源，從而提高了厭氧發(fā)酵的效率，保證了發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.1.3 尿素氨化預(yù)處理對稻稈表面親水性的影響

圖2 未處理與尿素預(yù)處理后稻稈結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig. 2 Morphological structure of rice straw before and after urea pretreatment

水稻秸稈表面存在蠟質(zhì)層，屬于疏水性物質(zhì)，在厭氧發(fā)酵過程中影響微生物對稻稈的降解利用，從而降低了產(chǎn)氣效率。通常采用接觸角對物質(zhì)的潤濕程度進(jìn)行度量，它是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角，以 θ表示，若 θ＜90°，則該物質(zhì)表面屬于親水性的，角度越小，表示潤濕性越好；若θ＞90°，則固體表面屬于疏水性的（馬興元等，2011）。采用視頻光學(xué)接觸角測量儀對預(yù)處理前后的稻稈進(jìn)行觀察，其表面接觸角的外形圖像如圖3所示。圖3(a)為未處理稻稈的接觸角，經(jīng)測定為96.5°，潤濕性相對較差，為疏水性表面；圖3(b～d)分別為3%、4.5%、6%尿素預(yù)處理后的稻稈接觸角，分別為 86.3°、79.2°、72.3°，潤濕性隨尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而變好，逐漸變?yōu)橛H水性表面，使得稻稈更易被微生物充分利用，有助于后續(xù)厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣效率。

2.2 氨化預(yù)處理對水稻稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

2.2.1 預(yù)處理對厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理稻稈后日產(chǎn)氣量變化如圖4所示。

由圖4可知，經(jīng)氨化預(yù)處理組的稻稈日產(chǎn)氣量明顯高于對照組。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素處理和對照組的稻稈均在反應(yīng)初期出現(xiàn)第一個高峰值，隨后出現(xiàn)下降，達(dá)到低谷后又逐漸上升，如此往復(fù)，整個厭氧發(fā)酵過程出現(xiàn)了3～4個產(chǎn)氣峰。其原因在于反應(yīng)初期，稻稈中的有機(jī)物易被厭氧菌利用，產(chǎn)氣量迅速增加，隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，稻稈中高分子有機(jī)物被降解利用的程度不同，使得產(chǎn)氣量出現(xiàn)波動。4.5%尿素氨化預(yù)處理產(chǎn)氣系統(tǒng)從第 10天開始進(jìn)入穩(wěn)定期，產(chǎn)氣量一直維持在630 mL左右，6%尿素氨化預(yù)處理發(fā)酵組達(dá)到厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定期的時間較4.5%尿素氨化預(yù)處理的晚，產(chǎn)氣量亦低于4.5%尿素氨化預(yù)處理發(fā)酵系統(tǒng)，這可能是由于較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素抑制了稻稈中脲酶的活性，不利于尿素的水解（羅立娜等，2015）。3%和6%尿素氨化預(yù)處理的水稻稻稈在第 10天時出現(xiàn)第二個產(chǎn)氣高峰，而對照組處理組的第二個高峰值出現(xiàn)在第 15天，說明尿素氨化預(yù)處理可以使厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰提前。與尿素氨化預(yù)處理組相比，對照組在出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰后，產(chǎn)氣量一直較低，這是由于厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸使發(fā)酵液pH不斷下降，產(chǎn)甲烷菌生長代謝受到抑制，產(chǎn)氣量較低，而氨化處理的發(fā)酵組因預(yù)處理中生成的游離態(tài)氨對發(fā)酵液起到了中和作用，防止了發(fā)酵系統(tǒng)酸化，使其能夠恢復(fù)產(chǎn)甲烷菌的活性，產(chǎn)氣量得以提高。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理對日產(chǎn)氣量的影響Fig. 4 Effect of urea pretreatment with different concentration on daily production n=3，下同

圖3 未處理與尿素預(yù)處理后稻稈接觸角Fig. 3 Contact angle of rice straw before and after urea pretreatment

2.2.2 預(yù)處理對累積產(chǎn)氣量以及產(chǎn)氣周期T90的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理稻稈累積產(chǎn)氣量如圖5所示。

由圖5可知，氨化預(yù)處理稻稈厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量均高于對照組。4.5%尿素氨化預(yù)處理稻稈厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量最高，達(dá)到了17053 mL，未進(jìn)行尿素氨化預(yù)處理的稻稈產(chǎn)氣速率增長較小，累積產(chǎn)氣量僅為8412 mL，尿素氨化預(yù)處理組比對照組提高了50.67%。其原因主要是氨化預(yù)處理破壞了稻稈表面纖維素、半纖維素和木質(zhì)素互相纏繞的致密結(jié)構(gòu)，使得微生物可有效利用稻稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵，從而不斷提高產(chǎn)氣量。通過計算各處理組的單位TS、VS產(chǎn)氣速率得知，尿素氨化預(yù)處理各組的TS、VS產(chǎn)氣速率均高于對照組，其中，4.5%尿素氨化預(yù)處理的TS、VS產(chǎn)氣速率最高，分別為427.25 mL?g-1、478.16 mL?g-1，對照組僅為 211.78 mL?g-1和 227.40 mL?g-1，分別比對照組高出50.43%和52.44%。沼氣由微生物降解纖維素等成分產(chǎn)生，單位TS、VS產(chǎn)氣速率是衡量厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率的重要參數(shù)（張亞甜，2013）。單位VS產(chǎn)氣率反映了稻稈的生物可降解性，單位VS產(chǎn)氣量越高，生物可降解性就越好，產(chǎn)氣效果越好。實際生產(chǎn)中，一般以產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的 90%作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣周期的標(biāo)準(zhǔn)，用 T90表示（劉榮厚等，2009）。4.5%尿素氨化預(yù)處理條件下的產(chǎn)氣周期最短，比其他預(yù)處理的稻稈更早結(jié)束產(chǎn)氣。可見，尿素氨化預(yù)處理破壞了稻稈的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高了生物可降解性，從而提高了產(chǎn)氣量，縮短了厭氧發(fā)酵周期。

2.2.3 預(yù)處理對甲烷含量的影響

氨化預(yù)處理水稻秸稈厭氧發(fā)酵的甲烷含量變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素預(yù)處理發(fā)酵系統(tǒng)中甲烷體積分?jǐn)?shù)變化趨勢相同，均為先上升后趨于平穩(wěn)。氨化預(yù)處理稻稈在厭氧發(fā)酵第 2～3天甲烷體積分?jǐn)?shù)迅速增加到 30%～40%以上，而對照組處理稻稈甲烷體積分?jǐn)?shù)到第7天才達(dá)到 30%以上，隨后其甲烷體積分?jǐn)?shù)一直維持在30%～46%之間，增長幅度不大。4.5%尿素預(yù)處理發(fā)酵組在第2天甲烷體積分?jǐn)?shù)就達(dá)到40%以上，并在隨后幾天內(nèi)穩(wěn)步增長到45%以上，第10天增長到60%以上，相比對照組增幅明顯。

圖6 不同預(yù)處理稻稈厭氧發(fā)酵的甲烷含量變化趨勢Fig. 6 The changing trend of methane content during anaerobic digestion with different pretreatments

3 結(jié)論

通過尿素氨化預(yù)處理能夠提高稻稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率，其結(jié)構(gòu)的變化是提高產(chǎn)氣效率的內(nèi)在原因。預(yù)處理后的稻稈木質(zhì)素含量降低，感官品質(zhì)得以改善，由亮黃色、有刺感變得更加柔軟蓬松。SEM及接觸角圖像表明，水稻秸稈纖維素、木質(zhì)素互相纏繞的致密結(jié)構(gòu)及其表面蠟質(zhì)層均被尿素破壞，表層由疏水性變?yōu)橛H水性，更容易被厭氧微生物利用。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素氨化預(yù)處理的產(chǎn)氣效率均比對照組高，最佳的尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%，其累積產(chǎn)氣量為17053 mL，比對照組提高了50.67%；TS、VS產(chǎn)氣速率比對照組分別高出50.43%和52.44%，并相對縮短了產(chǎn)氣周期。

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