劉 越，袁海榮，左曉宇，李秀金

(北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029)

中國是農(nóng)業(yè)大國，每年作物秸稈產(chǎn)生量約為10.4億噸，其中玉米是主要的種植作物。據(jù)2017年中國統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計，中國2016年玉米秸稈產(chǎn)量約為2.20億噸[1]。目前，對玉米秸稈的主要處置方法是堆放、焚燒等方式，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。利用厭氧消化技術(shù)處理玉米秸稈，不僅可以解決環(huán)境問題，還可得到清潔的沼氣能源[2-3]。厭氧消化過程可以簡單地劃分為兩個階段：水解酸化和甲烷化。在水解酸化階段，大分子物質(zhì)被水解菌轉(zhuǎn)化為中間代謝產(chǎn)物—揮發(fā)性脂肪酸，甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌將揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣和二氧化碳。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)可作為微生物在厭氧消化過程中產(chǎn)生沼氣的碳源，因此提高VFA產(chǎn)量在厭氧消化中是非常重要的，同時甲烷的產(chǎn)量取決于甲烷化過程中VFA的轉(zhuǎn)化。然而，秸稈的主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互纏繞結(jié)合形成“木質(zhì)素-碳水化合物”聯(lián)合體。由于纖維素和半纖維素被較難降解的木質(zhì)素所包裹，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)對生物降解具有一定的抑制作用，水解酸化過程被認(rèn)為是木質(zhì)纖維類生物質(zhì)的限速步驟[4]。一般來說，酸化菌的生長速率在0.05～1.79 h-1，明顯高于產(chǎn)甲烷菌的速率(0.008～0.173 h-1)[5]。因此，在厭氧消化的啟動階段，合適的接種比有利于增加有機(jī)物的水解產(chǎn)酸效率，減少酸化反應(yīng)時間[6]。

目前，關(guān)于接種比對水解酸化過程影響的研究主要集中在果蔬、餐廚垃圾、畜禽糞便和污泥等原料[7-8]，而對以秸稈為原料的接種比研究主要為單相厭氧產(chǎn)氣穩(wěn)定性方面[9-10]。F Raposo[11]等對玉米秸稈進(jìn)行了中溫厭氧消化發(fā)現(xiàn)，S/I分別為1/3，1/2，2/3和1時對甲烷產(chǎn)率影響不大，甲烷平均產(chǎn)率為211±6 mL·g-1。最適接種比因原料類型的不同而不同，以草、畜禽糞便和廚余廢棄物為原料酸化發(fā)酵的最適接種比I/S(以VS計)分別為1.0[12]，0.02[13]和0.13[14]。卓英蓮[15]等研究表明水解酸化污泥接種比最多(35%)時其產(chǎn)酸量最高，7 d后作用逐漸減弱，污泥濃度成為影響產(chǎn)酸的主要因素。

前期試驗研究顯示，采用兩相厭氧消化技術(shù)，將玉米秸稈先進(jìn)行水解酸化后產(chǎn)甲烷可以有效提高秸稈的產(chǎn)氣效率，而秸稈中由于富含纖維素，在厭氧條件下不容易被降解，這導(dǎo)致秸稈的水解成為整個厭氧消化過程的限速步驟[16-18]，通過一定途徑改善其水解速率具有重要的意義。本文目的是通過批式厭氧消化試驗，確定秸稈水解酸化的最佳接種比，使VFA濃度達(dá)到最大，并采用一級動力學(xué)模型對酸化相的 VFA總量進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)而對水解酸化過程中VFA濃度和產(chǎn)氣量進(jìn)行分析，以期為秸稈兩相厭氧消化工藝提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用自制的水解酸化裝置如圖1所示，由容積為1 L的三角瓶，1 L的廣口瓶和1 L燒杯用抗腐蝕膠管連接組成，廣口瓶連接燒杯作為排水集氣裝置。通過三角瓶下部的取樣口進(jìn)行液體取樣，廣口瓶記錄每日產(chǎn)氣量，燒杯收集從廣口瓶中排出的水。在培養(yǎng)期間采用人工方式每天搖動混勻兩次。

1.2 試驗材料

本試驗所用玉米秸稈取自北京順義郊區(qū)，自然風(fēng)干后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎過20目篩。所用厭氧接種物取自北京順義區(qū)某沼氣站的剩余沼液，經(jīng)自然沉降后存于4℃冰箱中備用，測定原料基本性質(zhì)如表 1所示。

表1 玉米秸稈和厭氧污泥的基本性質(zhì) (%)

1.3 試驗方法

試驗采用批式厭氧消化工藝，消化裝置為1 L錐形瓶，工作體積為800 mL，酸化時間為 10 d，酸化溫度為45℃±1℃，秸稈的有機(jī)負(fù)荷為 50 gTS·L-1，底物與接種物比值分別為2，4，6，8，10和不接種。試驗過程中每天測定產(chǎn)氣量、甲烷含量和VFA，同時測定酸化后的體系的pH值，VS和TS。

1.4 分析方法

日產(chǎn)氣量通過排水法測定；TS和VS采用重量法測定[19]；在分析秸稈酸化液的VFA前需要進(jìn)行預(yù)處理，即在10000 r·min-1下離心10 min后通過0.45 μm的微孔濾膜過濾,濾后水樣進(jìn)行VFA的測定。VFA 和乙醇含量用氣相色譜(GC-2014，日本島津公司)測定，F(xiàn)ID檢測器，進(jìn)樣器、檢測器和柱箱的溫度分別為250℃，250℃，階段升溫100℃～180℃，升溫速率 5℃·min-1，載氣為高純氮氣；測定氣體成分用氣相色譜(SP-2100，北京中科慧杰分析科技有限公司)測定，TCD 檢測器，進(jìn)樣器、檢測器和柱箱的溫度分別為 140℃，150℃，150℃，載氣為高純氬氣；C，N，H和S由北京化工大學(xué)分析測試中心測定。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素用纖維素測定儀(ANKOM，美國安康公司)。

第n天VFA增長率計算如下所示：

(1)

1.5 動力學(xué)研究

本研究假定水解速率對于顆粒態(tài)有機(jī)物的降解為一級反應(yīng)，則酸化產(chǎn)物變化的數(shù)學(xué)模型符合一級動力學(xué)方程,如公式(2)：

(2)

式中：Pt為t時刻產(chǎn)生的酸化產(chǎn)物的總量，g·L-1；k1為一級酸化產(chǎn)物生成的速率常數(shù)，d-1。

采用origin 2017 軟件對玉米秸稈酸化階段VFA 變化進(jìn)行動力學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 接種比對VFA濃度的影響

圖1～圖6為玉米秸稈以不同接種比進(jìn)行水解酸化過程中各組VFA濃度隨時間的變化趨勢。結(jié)果表明，厭氧污泥顯著提高秸稈酸化過程中的VFA濃度，出料VFA濃度隨著S/I呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)S/I=4時，出料VFA濃度在第9天達(dá)到最大值，為10799.3 mg·L-1；在無接種條件下時，其VFA濃度最低，為1957.5-2996.3 mg·L-1。各處理組在1～8 d內(nèi)VFA產(chǎn)生量最大，隨著反應(yīng)時間的延長，VFA的增加量均有所降低，第10天各組甚至出現(xiàn)負(fù)增長。分析其原因，可能由于反應(yīng)的最初階段加入了豐富的有機(jī)物，產(chǎn)酸細(xì)菌最先進(jìn)行分解代謝，利用了環(huán)境中的有機(jī)物質(zhì)，產(chǎn)生并積累大量的VFA。但隨著甲烷菌等利用揮發(fā)酸的細(xì)菌慢慢適應(yīng)新環(huán)境，開始進(jìn)行合成代謝，不斷消耗VFA。當(dāng)環(huán)境中微生物的分解代謝與合成代謝速率相近時，就出現(xiàn)了VFA濃度基本穩(wěn)定的現(xiàn)象，當(dāng)合成代謝大于分解代謝時，就會出現(xiàn)VFA濃度降低的現(xiàn)象。通過計算VFA的變化速率可得出S/I為2，4，6處理組的酸化反應(yīng)進(jìn)行到第8天時VFA增長率分別為206.0%，284.3%和259.8%，VFA的增長速率明顯高于其他組，其中乙醇、乙酸和丁酸的濃度最高。由此可見，低S/I比值(較高的污泥接種比)有利于提高 VFA產(chǎn)量和速率，增強(qiáng)產(chǎn)酸效果。

圖1 S/I為2時VFA濃度變化

圖2 S/I為4時VFA濃度變化

圖3 S/I為6時VFA濃度變化

圖4 S/I為8時VFA濃度變化

2.2 接種比對VFA組分的影響

酸化后出料pH值以及發(fā)酵液出料的VFA各組分濃度如表2所示。酸化后，VFA濃度隨著S/I呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在S/I為4時總VFA濃度最大；pH值則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，符合VFA的變化規(guī)律。在無接種的條件下，雖然pH值最低，僅為4.7，但其出料VFA濃度并沒有接種條件下高，為2777.9 mg·L-1，這主要是由于接種污泥自身的堿度對于整個系統(tǒng)的pH值具有一定的緩沖作用，而無接種的條件下系統(tǒng)緩沖作用較弱。同時，對不同S/I條件下VFA組分含量進(jìn)行分析可得，在S/I=2，4，6，8和10時，乙酸和丁酸是主要產(chǎn)物，為丁酸型發(fā)酵。在無接種條件下，乙醇和乙酸為主要產(chǎn)物，占總產(chǎn)酸量的97.3%，酸化階段主要為乙醇型發(fā)酵。同時隨著S/I值的增加，丙酸的含量顯著降低，由498.4 mg·L-1(S/I=2)降低到16.7 mg·L-1(無接種)，丙酸型發(fā)酵百分含量從84.0%降低到45.9%。以前的研究也表明，含氮量高的底物會增加丙酸的產(chǎn)量，可能與產(chǎn)酸過程中功能性酶和微生物群落有關(guān)。在適當(dāng)?shù)膒H值條件下提高發(fā)酵基質(zhì)的蛋白質(zhì)含量，可以提高丙酸產(chǎn)量，主要的優(yōu)勢細(xì)菌包括擬桿菌、梭狀芽孢桿菌和β-Proteo細(xì)菌[20]。

圖5 S/I為10時VFA濃度變化

圖6 無接種時VFA濃度變化

表2 酸化出料VFA組分含量表

注：①(乙醇+乙酸)濃度/酸化出料總VFA濃度×100%；②(丙酸+乙酸)濃度/酸化出料總VFA濃度×100%；③(丁酸+乙酸)濃度/酸化出料總VFA濃度×100%。

2.3 接種比對TS和VS去除率的影響

在厭氧消化過程中，底物會逐漸被消耗，可降解物質(zhì)首先在產(chǎn)酸菌的作用下生成揮發(fā)性脂肪酸，最終被轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，造成處理組TS和VS下降，而可生物降解的成分大多以揮發(fā)性固體的形式存在，故VS 去除率可以更好地反映原料被消耗的程度。如圖7所示，各處理組在酸化階段的TS和VS去除率小于15%，這主要是由于在酸化階段甲烷菌被抑制，無法將酸化階段累積的VFA轉(zhuǎn)化為沼氣，因此可生物降解的成分主要在產(chǎn)甲烷階段被消耗。TS和VS的去除率隨S/I的增加而增加，在S/I=4時取得最大值，分別為 14.9%和15.1%。然后隨著 S/I的增大，TS和VS去除率逐漸下降，然后趨于平穩(wěn)，在S/I=2和無接種的條件下，TS和VS去除率最低，分別為8.1%，5.9%，1.6%和0.8%，這與VFA 變化趨勢基本一致，說明體系內(nèi)TS和VS減小主要是由于在產(chǎn)酸菌的作用下底物被轉(zhuǎn)化生成揮發(fā)性脂肪酸所致。同時，S/I為4，6，8和10處理組的VS去除率高于TS去除率，結(jié)果表明微生物產(chǎn)酸過程主要利用秸稈中的可揮發(fā)性固體部分，與宋麗[21]等研究結(jié)論一致；而在S/I=2和無接種的條件下，TS去除率高于VS去除率，說明在此條件下微生物利用的揮發(fā)性固體較少，因此產(chǎn)VFA較少。

圖7 不同S/I條件下TS和VS去除率的變化

2.4 接種比對與產(chǎn)氣量的影響

酸化試驗的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量隨消化時間的變化情況如圖8和圖9所示。除了在無接種的條件下，其余S/I=2，4，6，8，10情況下的日產(chǎn)氣量在消化開始后的第1天達(dá)到最大值，產(chǎn)量較為接近，分別為800，880，1100，980和900 mL，然后隨著消化時間的延長而逐漸減少。無接種的情況下產(chǎn)氣量很少，只在前3天產(chǎn)氣。各處理組在酸化的第3～4天，日產(chǎn)氣量會出現(xiàn)第2個高峰，其中在S/I=2和4時日產(chǎn)氣量最大，分別為450和530 mL。各試驗組的產(chǎn)氣在第2～4天會出現(xiàn)明顯的累積效應(yīng)，S/I=2處理組第6天后仍持續(xù)產(chǎn)氣，而其他處理組6天以后產(chǎn)氣基本停止。隨著S/I的升高，累積產(chǎn)氣量逐漸減小，S/I=2時累積產(chǎn)氣量最高，為2800 mL；當(dāng)S/I=4時，累積產(chǎn)氣量有所下降；S/I=6，8，10的試驗組累積產(chǎn)氣量幾乎下降一半，維持在1500 mL左右，而接種比的減少使水解酸化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸不能夠被轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降。對于未接種的情況，在本試驗中也發(fā)生了水解酸化反應(yīng)，但其累積產(chǎn)氣量很低，為470 mL。

圖8 在不同S/I條件下日產(chǎn)氣量變化

圖9 在不同S/I條件下累積產(chǎn)氣量變化

圖10 在不同S/I條件下累積H2產(chǎn)量變化

圖11 在不同S/I條件下累積CH4產(chǎn)量變化

圖10和圖11分別為H2和CH4累積產(chǎn)量隨消化時間的變化。從圖10可以看出，在無接種和S/I=2的條件下，H2產(chǎn)量較低，分別為48和61 mL。在S/I=4，6，8和10條件下時，沼氣中H2的產(chǎn)量較高，為387～722 mL，在第4天達(dá)到最大值，并且隨著時間的延長H2產(chǎn)量不再增加，這說明隨著酸化時間的增加，一部分H2被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化生成 CH4。同時，S/I=4處理組H2產(chǎn)量最高，為722 mL，說明了微生物在產(chǎn)酸過程中增加了H2的釋放。在酸化過程中，由于pH值較低產(chǎn)甲烷菌處于抑制狀態(tài)，產(chǎn)甲烷菌不占優(yōu)勢地位，所以酸化過程中的甲烷產(chǎn)量相對較低。由圖11可知，其中在S/I=2和4的條件下累積產(chǎn)甲烷量最高，分別為847和298 mL。在S/I=2和4的條件下甲烷菌多于其他處理組，H2被嗜氫產(chǎn)甲烷菌有效轉(zhuǎn)化為CH4，因此，這兩組的累積CH4產(chǎn)量明顯高于其他處理組。

2.5 動力學(xué)評估不同接種比對酸化產(chǎn)量和速率的影響

表3 一級動力學(xué)方程對VFA模擬參數(shù)

一級動力學(xué)方程曲線擬合求得的底物降解動力學(xué)常數(shù)見表3。擬合結(jié)果表明，采用一級動力學(xué)方程對水解產(chǎn)物進(jìn)行曲線擬合，擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)均大于 0.90。由一級動力學(xué)模型可知，當(dāng)時間 t趨近于無窮時，Pt趨近于w，因此w 反映了不同接種比處理組的產(chǎn)酸能力，與實際產(chǎn)酸含量比較較為接近。其中，S/I=4條件下w值為11719.20 mg·L-1，與VFA濃度接近。同時，S/I分別在2，4，6，8，10和無接種的條件下酸化產(chǎn)物的一級速率常數(shù)k1分別為0.34，0.27，0.29，0.34，0.39和0.52 d-1，一級速率常數(shù)值-k1的大小可以直觀判斷出酸化產(chǎn)物的生成速度的順序為:S/I=4﹥S/I=6﹥S/I=8,2﹥S/I=10﹥無接種。由此可見，在接種比為4的條件下可以提高酸的產(chǎn)量和速率。

3 結(jié)論

以厭氧污泥為接種物研究底物與接種物比值(S/I)分別為2，4，6，8，10和無接種的情況下對玉米秸稈水解酸化的VFA和產(chǎn)氣量的影響，結(jié)果表明厭氧污泥可以加速秸稈的水解酸化速率。因此，在厭氧消化的啟動階段，合適的接種比有利于增加有機(jī)物的水解產(chǎn)酸效率，減少酸化反應(yīng)時間，為酸化相的快速啟動提供了支撐，為玉米秸稈兩相厭氧消化工藝提高甲烷產(chǎn)量進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

(1)隨著S/I的增加，反應(yīng)體系的VFA濃度先上升后逐漸降低，確定玉米秸稈酸化的最佳S/I為4，最佳酸化時間為8 d。

(2)VFA組分中乙醇含量隨著S/I的增加逐漸增加，丙酸含量明顯降低。在無接種條件下，乙醇和乙酸為主要產(chǎn)物，為乙醇型發(fā)酵。說明接種比主要影響產(chǎn)酸過程中乙酸和丙酸的產(chǎn)量。

(3)酸化過程中，S/I=2和4時累積產(chǎn)氣量最高，分別為2800和1940 mL。S/I=4時，H2產(chǎn)量較高，第4天后產(chǎn)量穩(wěn)定，而CH4產(chǎn)量逐漸增加。說明隨著酸化時間的增加，一部分H2被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化生成CH4。

(4)一級動力學(xué)模型可以較好地對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段 VFA產(chǎn)量進(jìn)行擬合，酸化產(chǎn)物生成速率的順序為:S/I=4﹥S/I=6﹥S/I=8,2﹥S/I=10﹥無接種。說明S/I為4時酸的產(chǎn)量和速率都明顯高于其他處理組。