蔣田華 王友保

摘要微生物在厭氧水解酸化過程中將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為可利用的清潔能源沼氣,但農(nóng)作物秸稈木質(zhì)纖維素含量較高,需對秸稈進行預處理以提高厭氧水解酸化效率,而在厭氧水解酸化過程中pH值是一個非常重要的指標。探討了通過物化組合預處理秸稈對厭氧水解酸化pH值的影響,這對更深刻地理解厭氧水解酸化過程具有重要意義。

關鍵詞物化組合;預處理;厭氧水解酸化;pH值

中圖分類號S712文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)14-0228-01

國內(nèi)外關于厭氧水解酸化的研究中,很多都把pH值作為一個重要的影響因素[1-3],在厭氧水解酸化過程中,厭氧微生物的生命活動、物質(zhì)代謝與pH值有密切的關系。因微生物體內(nèi)酶只有在最適宜的pH 值時才能發(fā)揮最大活性,不適宜的pH值使酶的活性降低,從而影響微生物細胞內(nèi)的生化反應過程。另外,過高或過低的pH值都降低微生物對高溫的抵抗能力[4-7]。一般在進行秸稈厭氧水解酸化試驗之前往往需要對秸稈進行預處理,因為比較合適的預處理手段可以提高厭氧水解酸化產(chǎn)沼氣的效率。本試驗針對不同物化組合預處理秸稈后厭氧水解酸化過程中的pH值進行了分析和討論。

1材料與方法

1.1試驗材料和接種物

選用稻草作為試驗原料。2008年3月從江西省宜春市采集稻草,在實驗室自然條件下風干,用切紙刀切成2～3cm小段用于厭氧酸化試驗。稻草干物質(zhì)(TS)重約為83%,木質(zhì)素約占稻草原料總干物質(zhì)(TS)的23.5%。

產(chǎn)酸的接種物是同濟大學生物質(zhì)能源研究中心富集和馴化的產(chǎn)酸微生物液。馴化方法:在一塑料桶中加入切碎2～3cm的稻草,然后用混合1%的城市污水處理廠消化污泥的溶液浸泡15d,上清液即為接種物質(zhì)。城市污水處理廠消化污泥取自上海市松江污水處理廠厭氧消化塔流出物經(jīng)脫水后的泥餅。

1.2主要儀器和設備

粗磨機、pH計、電子分析天平、電子稱、干燥箱、馬弗爐、溫控儀、水浴鍋、高壓鍋。

1.3試驗方法

采用4因素3水平正交試驗設計,共9組試驗(見表1),稱取當量為TS=200g×83%的稻草,按照試驗的工藝條件最后添加氨水和雙氧水,在100℃的水浴鍋中蒸煮1h。將進行上述預處理的稻草,添加1%尿素調(diào)節(jié)C/N比,并添加接種物700mL。分別裝入編號為1~9的反應罐中。打開溫控柜的加溫系統(tǒng),等溫度達到35℃時,將裝有原料的各發(fā)酵反應罐放置在里面,此時記為發(fā)酵開始時間。試驗進行過程中,對試驗酸液pH值指標進行監(jiān)測。液體樣品從反應器底部的取樣口取出的同時補充等體積的營養(yǎng)液,每次采樣10mL。其中pH值利用pH計進行測定。

2結(jié)果與分析

具體9組正交試驗的厭氧水解酸化過程中的pH值隨時間變化關系如圖1所示?？梢钥闯?經(jīng)不同物化組合預處理的秸稈,在其厭氧水解酸化過程中,pH值的變化總體趨勢趨向一致,都是先逐漸下降,最后pH值穩(wěn)定在一個適合的范圍。針對具體的某個時間段來說,經(jīng)過不同物化組合預處理秸稈之后,厭氧水解酸化過程中的pH值差別很大,尤其是處理1,它的pH值明顯不同于其他8個處理,它的pH值處于較高水平,一直高于6.5。而其他8組的pH值在200h以內(nèi)逐漸下降并略有波動,在 200h以后逐漸趨向穩(wěn)定,在600h后它們的pH值介于5.5~6.1之間。

在厭氧水解酸化初期,pH值逐漸下降并略有波動,而隨著時間的推移,pH值逐漸趨于穩(wěn)定,這是由于在沼氣發(fā)酵初期,非產(chǎn)甲烷細菌首先降解溶出液中的有機物質(zhì),產(chǎn)生大量的有機酸和碳酸鹽,使發(fā)酵液中pH值明顯下降[7]。同時非產(chǎn)甲烷細菌類群中還有一類氨化細菌,能夠迅速分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨,氨可中和部分酸,起到一定的緩沖作用。另一方面,產(chǎn)甲烷細菌可利用乙酸、氫和二氧化碳形成甲烷,從而避免了酸的積累,使pH值穩(wěn)定在一個適宜的范圍,不會使發(fā)酵液中pH值達到對產(chǎn)甲烷過程不利的程度[7]。每組物化組合預處理秸稈之后,厭氧水解酸化過程中的pH值隨時間變化規(guī)律總體趨于一致,但是他們之間對于具

體的某個時間段pH值差別卻很大,這是由于預處理對厭氧水解酸化的影響造成的。這說明物化組合預處理不僅可以改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu),提高厭氧水解酸化效率,同時從另一個角度來說,物化組合預處理可以調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值,使某些微生物處于適合的酸堿度,使之更加有利于參與厭氧水解酸化的過程。

3結(jié)論

(1)物化組合預處理秸稈之后,厭氧水解酸化過程中的pH值,隨時間的變化,總體趨勢趨于一致,都是先逐漸下降,最后pH值穩(wěn)定在一個適合的范圍。

(2)針對具體的某個時間段來說,經(jīng)過不同物化組合預處理秸稈之后,厭氧水解酸化過程中的pH值差別很大,這是由于物化組合預處理對其的影響。

由于本試驗僅僅從物化組合預處理角度來探討厭氧水解酸化過程中pH值的變化,若需要探討物化組合預處理之后COD、VFA等值的變化,以及對pH值具體變化的內(nèi)部關系,則需要進一步深入研究。

4參考文獻

[1] KESHTKAR A,GHAFORIAN H,ABOLHAND G. Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure[J].Biores.Technol.,2001(80):9-17.

[2] SIEGRIST H,VOGT D,GARCIA HERAS J L,et al. Mathematical model for meso and thermophilic anaerobic sewage sludge digestion[J].Environ. Sci.,2002(36):1113-1123.

[3] 吳振興,陳曉曄,朱建良. pH對水稻秸桿發(fā)酵產(chǎn)酸特性的影響[J].纖維素科學與技術,2007,15(2):13-16.

[4] 曾光明,喬瑋,袁興中,等.完全混合厭氧消化處理城市垃圾的特性研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2003,30(5):51-54.

[5] 吳江. 預處理對稻草厭氧消化的研究[D].重慶:重慶大學,2005.

[6] 李剛,楊立中,歐陽峰. 厭氧消化過程控制因素及pH和Eh的影響分析[J].西南交通大學學報,2001,36(5):518-521.

[7] 劉存芳.城市有機垃圾厭氧消化pH控制動力學研究[D].長沙:湖南大學,2006.