羅立娜 丁清華 劉 鑫 公維佳 秦麗元 王宏燕

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.山東寶力生物質(zhì)能源股份有限公司， 東營 257000； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國各類農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量為8.9億t左右[1]，秸稈具有寶貴的利用價值，但目前秸稈的利用率較低，大部分被就地焚燒[2]，不僅破壞土壤結(jié)構(gòu)，還排放大量煙氣，造成霧霾等空氣污染[3]，對人體健康產(chǎn)生威脅。厭氧發(fā)酵是秸稈資源化利用的有效途徑，可以生產(chǎn)沼氣和沼肥兩個產(chǎn)品。但目前利用秸稈作為主要原料的沼氣工程較少，原因與秸稈的特性有關(guān)。秸稈的主要成分為木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)占秸稈質(zhì)量的70%以上，半纖維素和纖維素是厭氧發(fā)酵主要利用的物質(zhì)，但被木質(zhì)素包裹，阻止微生物與纖維素和半纖維素的接觸，因此出現(xiàn)水解酸化緩慢、產(chǎn)氣周期長、沼氣產(chǎn)量低、沼肥腐熟度不好等問題[4-5]。如何在水解發(fā)酵階段最大限度地破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，使纖維素及半纖維素充分暴露，是解決秸稈高效厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵問題。

目前針對秸稈木質(zhì)纖維素降解技術(shù)的研究主要集中在預(yù)處理技術(shù)方面。應(yīng)用的預(yù)處理技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物法等[6-7]。物理法主要有粉碎、研磨和蒸汽爆破法等。粉碎和研磨主要是通過減小粒徑，增加基質(zhì)與微生物的接觸面積達(dá)到預(yù)處理的目的，可以與其它的預(yù)處理方式聯(lián)用，以達(dá)到較好的預(yù)處理效果。蒸汽爆破法[8-10]使纖維素聚合度下降，半纖維素部分降解，可部分剝離木質(zhì)素，并將原料撕裂為細(xì)小纖維。蒸汽爆破法具有處理時間短、化學(xué)藥品用量少、無污染、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在設(shè)備成本較高、木質(zhì)素分離不完全等缺陷。蒸汽爆破法還可以提高纖維素和半纖維素的降解率，但木質(zhì)素的降解變化不大；化學(xué)法主要是稀酸預(yù)處理[11]和稀堿預(yù)處理[12]，無論是酸或堿處理，預(yù)處理后的秸稈如直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵，會影響厭氧發(fā)酵的效果和后續(xù)生產(chǎn)的肥料品質(zhì)，如進(jìn)行水洗處理后再進(jìn)行厭氧發(fā)酵，則產(chǎn)生大量的廢水，容易導(dǎo)致二次污染的問題；生物預(yù)處理具有環(huán)保無污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別是堆漚預(yù)處理被廣泛采用，堆漚預(yù)處理[13-15]能夠利用好氧菌更快地降解大分子有機(jī)物，從而有效地加快厭氧發(fā)酵的啟動速率，但耗時過長，且干物質(zhì)濃度高，容易堵塞管路，傳熱傳質(zhì)環(huán)境差，易造成局部溫度過高導(dǎo)致過度降解。目前針對秸稈木質(zhì)纖維素降解的研究取得了很大進(jìn)展，但仍缺少一種操作簡便、適用性強(qiáng)、處理效果好的預(yù)處理技術(shù)。

針對目前秸稈厭氧發(fā)酵工藝存在的問題，本文利用TRIZ理論分析優(yōu)化并改進(jìn)現(xiàn)有工藝，得出該工藝的基本參數(shù)，以期為秸稈厭氧發(fā)酵提供數(shù)據(jù)參考。

1 基于TRIZ理論的厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化

TRIZ是一套系統(tǒng)性的、基于知識的創(chuàng)新方法體系，囊括了創(chuàng)新的思維、分析工具以及基于知識的解題工具等[16]。TRIZ理論的應(yīng)用分為兩部分：

第一部分是系統(tǒng)分析，在此階段，主要用到系統(tǒng)完備性法則、因果分析法、九屏幕法分析和S-曲線分析。首先，通過系統(tǒng)完備性法則分析出系統(tǒng)必須具備的最基本要素，并確定出系統(tǒng)的各部分間物質(zhì)、能量、信息和功能的關(guān)系。技術(shù)系統(tǒng)從能量源獲得能量，并將能量轉(zhuǎn)換，傳遞到需要能量的部件，作用到對象上，即“能源—動力裝置—傳動裝置—執(zhí)行裝置—產(chǎn)品”的工作路線。通過因果分析法分析造成現(xiàn)有秸稈發(fā)酵工藝原料利用率低、產(chǎn)氣率低的主要原因是物理屏障阻礙了水解微生物胞外酶與纖維素的接觸致使木質(zhì)素降解困難，為提高沼氣的生產(chǎn)率就需為好氧微生物提供更好的環(huán)境，同時增加木質(zhì)纖維素與微生物的接觸面積。最終得出影響沼氣生產(chǎn)率的因素為水解木質(zhì)素的好氧微生物數(shù)量，增加溶氧量是使好氧微生物大量繁殖的必要條件。然后根據(jù)S-曲線法以橫軸為時間，縱軸為發(fā)酵的產(chǎn)氣率做出技術(shù)的成熟度預(yù)測曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前發(fā)酵工藝還存在缺陷，木質(zhì)素還未全部降解，產(chǎn)氣量也未達(dá)到最大值，故發(fā)酵工藝正處于成長期，有待進(jìn)一步改進(jìn)。最后使用九屏幕法把單相厭氧發(fā)酵工藝定義為當(dāng)前系統(tǒng)，系統(tǒng)的過去就是自發(fā)發(fā)酵，系統(tǒng)的將來是好氧-厭氧兩相發(fā)酵工藝；系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括產(chǎn)甲烷菌、秸稈、接種物、發(fā)酵罐等；系統(tǒng)的超系統(tǒng)為發(fā)酵工藝，尋求解決問題的途徑。

第二部分是運(yùn)用TRIZ工具解決問題，在此階段，首先利用最終理想解的分析方法找到問題的分析結(jié)果。問題1：設(shè)計(jì)最終目標(biāo)；分析結(jié)果：秸稈中木質(zhì)纖維素可以全部降解產(chǎn)生沼氣。問題2：理想化最終結(jié)果；分析結(jié)果：提高了纖維素、半纖維素分解率，增加了沼氣產(chǎn)氣量。問題3：確定達(dá)到理想解的障礙；分析結(jié)果：厭氧細(xì)菌只能利用纖維素和半纖維素，而木質(zhì)素、纖維素和半纖維素相互纏繞在植物細(xì)胞壁中形成一個致密的物理屏障。問題4：確定出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果；分析結(jié)果：屏障阻礙了水解微生物胞外酶與纖維素的接觸，纖維素與半纖維素分解率低。問題5：確定不出現(xiàn)這種障礙的條件；分析結(jié)果：最大限度地破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水解菌與纖維素及半纖維素的接觸。問題6：確定創(chuàng)造這些條件所用的資源；分析結(jié)果：空氣、好氧菌、溫度。第二步，利用矛盾沖突原理(包括物理矛盾和技術(shù)矛盾)解決問題。物理矛盾的解決步驟如下：①選取技術(shù)系統(tǒng)中的某一因果分析。把溶氧量對好氧和厭氧菌活性的影響作為問題的入手點(diǎn)。②從因果軸定義技術(shù)矛盾。系統(tǒng)中已有物質(zhì)資源為溶氧量，既要求溶氧量高，又要求溶氧量低；即既要保證在水解酸化階段，好氧微生物活性高，木質(zhì)纖維素分解快，又要保證在厭氧發(fā)酵階段容器內(nèi)的厭氧環(huán)境。③提取物理矛盾。上述要求溶氧量既要足夠高又要足夠低，這就是一對物理矛盾。④分離矛盾。分離方法分為4種基本類型，即空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)級別分離。當(dāng)進(jìn)行水解酸化時，需要溶氧量很高，促進(jìn)木質(zhì)纖維素分解；進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，需要溶氧量降低，加快厭氧菌繁殖速度，增大產(chǎn)氣量。那么，溶氧量的高低在空間內(nèi)不存在交叉，因此適用于空間分離方法。⑤方案描述?；诳臻g分離原理中的發(fā)明原理1：分割原理，考慮將發(fā)酵設(shè)置為兩相分別發(fā)酵，發(fā)酵初始溶氧量很高，隨著發(fā)酵的進(jìn)行溶氧量降低，最后厭氧發(fā)酵。這樣既增強(qiáng)了微生物的活性，又可使木質(zhì)纖維素分解率提高，大大增加了產(chǎn)氣量。技術(shù)矛盾主要是指：現(xiàn)有技術(shù)操作流程的方便性與能量損失之間的技術(shù)矛盾，可參考發(fā)明原理2、19、13進(jìn)行解決；傳熱傳質(zhì)條件差，降解不均勻，且秸稈過度降解導(dǎo)致纖維素和半纖維素的損失，構(gòu)成系統(tǒng)的復(fù)雜性與物質(zhì)損失之間的技術(shù)矛盾，可用發(fā)明原理28、10、35、29進(jìn)行解決；好氧厭氧發(fā)酵技術(shù)先水解后發(fā)酵，增加了秸桿產(chǎn)氣速率，但好氧微生物和厭氧微生物相互干擾，使兩階段不能持續(xù)穩(wěn)定反應(yīng)，降低穩(wěn)定性，構(gòu)成速度與穩(wěn)定性之間的技術(shù)矛盾及降解速度與穩(wěn)定性之間的技術(shù)矛盾，可參考發(fā)明原理28、33、1、18解決。然后通過物場分析法建立物-場模型，物質(zhì)S1是秸桿，物質(zhì)S2是促進(jìn)反應(yīng)的微生物，生物場F是S1與S2之間的相互作用。最后提出4種方案，經(jīng)過評估選定濕法好氧-厭氧聯(lián)合發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)出具體工藝流程，濕法好氧-厭氧聯(lián)合發(fā)酵工藝流程如圖1所示。

圖1 基于TRIZ理論優(yōu)化的好氧-厭氧聯(lián)合發(fā)酵工藝Fig.1 Aerobic-anaerobic combined digestion process based on TRIZ theory

該工藝主要包括好氧水解發(fā)酵相和厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵相兩部分，前期的水解相通過不同的供氣方式進(jìn)行好氧發(fā)酵，而產(chǎn)甲烷相采用嚴(yán)格厭氧的方式進(jìn)行發(fā)酵。在好氧水解發(fā)酵過程中采用曝氣和攪拌的供氧方式，并適當(dāng)加入好氧菌劑，控制水解酸化的效果，酸化好后進(jìn)入產(chǎn)甲烷相進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，產(chǎn)生的氣體和廢棄物可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行利用。濕法好氧水解和厭氧發(fā)酵是整個工藝的核心部分，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行穩(wěn)定性，后處理設(shè)備的尺寸和規(guī)模都要依據(jù)該工藝的效果進(jìn)行確定，因此需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 好氧-厭氧聯(lián)合厭氧發(fā)酵特性

濕法好氧水解發(fā)酵在液體中進(jìn)行，微生物供氧需要克服氧傳遞阻力，因此涉及氧傳遞速率的問題。發(fā)酵液中的氧傳遞方式與供氧方式有關(guān)，主要為分子擴(kuò)散。本文旨在研究曝氣及攪拌兩種供氧方式對發(fā)酵效果的影響，并研究添加不同種類的微生物對好氧產(chǎn)酸發(fā)酵效果及產(chǎn)氣特性的影響。

2.1 試驗(yàn)材料和方法

水稻秸稈取自哈爾濱市香坊農(nóng)場，風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎，取樣測定基本指標(biāo)，剩余部分待用。接種物取自實(shí)驗(yàn)室沼氣發(fā)酵中試系統(tǒng)，為牛糞原料厭氧發(fā)酵后的沼液。原料和接種物的基本特性如表1所示。

試驗(yàn)采用有效容積為2 500 mL的廣口瓶為反應(yīng)容器，采用中溫溫度進(jìn)行好氧水解和厭氧發(fā)酵。將80 g秸稈與1 040 g接種物進(jìn)行混合至好氧水解發(fā)酵底物的總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，在好氧水解發(fā)酵24 h后發(fā)酵底物的總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化可以忽略不計(jì)，之后加入520 g沼液重新接種，調(diào)節(jié)總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)至8%左右進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷發(fā)酵，好氧及厭氧發(fā)酵過程總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定依據(jù)李文哲等[17]的研究結(jié)果。試驗(yàn)過程中采用攪拌和曝氣的方式供氧，并加入木霉和黑曲霉進(jìn)行強(qiáng)化，菌種均來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)室，所用培養(yǎng)基為PDA培養(yǎng)基，菌種的添加量為1%，試驗(yàn)方案如表2所示。試驗(yàn)A～F組分別記為好氧敞口組、曝氣木霉組、曝氣黑曲霉組、曝氣混菌組、攪拌混菌組及直接厭氧組。用排水法收集產(chǎn)生的氣體，每24 h測一次氣體體積和氣體成分，發(fā)酵前后測定木質(zhì)纖維素含量。

表1 發(fā)酵原料的基本特性Tab.1 Basic characteristics of raw materials

2.2 測定指標(biāo)及方法

總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用(105±5)℃的干燥箱恒溫干燥法進(jìn)行測量；揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用550～600℃的馬弗爐灼燒法測定[18]；pH值采用上海雷磁酸度計(jì)進(jìn)行測定；總氮測定方法是將樣品經(jīng)過380℃、2 h消解后采用Kjeltec2300型凱氏定氮儀進(jìn)行測定；氨氮測定是直接將液樣離心后取5 mL上清液，用Kjeltec2300型凱氏定氮儀進(jìn)行測定；氣體成分采用安捷倫6890型氣相色譜進(jìn)行測定，柱型號TDX-01，柱溫150℃，總流量40.0 mL/min，運(yùn)行時間2 min，TCD檢測器溫度220℃，氮?dú)鉃槲泊禋猓瑲鍤鉃檩d氣，進(jìn)樣口溫度為室溫(20℃)，采用外標(biāo)法測定氣體的成分及含量，標(biāo)準(zhǔn)曲線包含5個不同的甲烷體積分?jǐn)?shù)，其范圍為9.85%～80.3%；揮發(fā)性脂肪酸含量用同一臺氣相色譜儀測定，樣品先以12 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的偏磷酸溶液按照質(zhì)量比10∶1的比例混合，然后再以12 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜后，取1 mL濾液進(jìn)行測定。色譜條件如下：載氣和尾吹氣均為氮?dú)?，載氣采用恒壓模式，壓強(qiáng)保持在187 kPa，尾吹氣流量為30 mL/min；進(jìn)樣口溫度為220℃，初始柱溫為60℃，然后以15℃/min的速度升至140℃并維持1.2 min，檢測器溫度為250℃。整個測定時間為6.53 min。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 Experimental design

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量采用ANKOM 200i型半自動纖維分析儀測定。酶活測定方法是將發(fā)酵液5 000 r/min離心5 min后，取上清液，得到粗酶液。以50 mg濾紙為底物測定總纖維素酶活性[19]，用檸檬酸緩沖液稀釋酶液，于50℃下反應(yīng)1 h，加3 mL的3,5-二硝基水楊酸，煮沸5 min，紫外分光光度計(jì)540 nm波長下測定吸光度并計(jì)算酶活。以每分鐘催化水解產(chǎn)生1 μg葡萄糖所需的酶量為1個酶活單位(U)[20]。

2.3 數(shù)學(xué)模型

2.3.1理論產(chǎn)氣量的計(jì)算

原料的理論產(chǎn)氣量為有機(jī)物完全降解時的最大產(chǎn)氣量，通過試驗(yàn)確定底物的元素組成(C、H、O、N)，根據(jù)巴斯維爾公式進(jìn)行計(jì)算[21]，即

(1)

(2)

式中YCH4,th——理論產(chǎn)甲烷量，mL/g

根據(jù)表1中稻秸的元素組成，由式(1)、(2)計(jì)算得到理論產(chǎn)甲烷量為424.7 mL/g。

2.3.2一級反應(yīng)方程

采用一級反應(yīng)方程對累積產(chǎn)甲烷量進(jìn)行擬合[22-23]，方程式為

P(t)=P∞[1-exp(-kt)]

(3)

式中P(t)——t時刻的累積產(chǎn)甲烷量，mL/g

P∞——沼氣最大生產(chǎn)潛力，mL/g

k——一級方程的速率常數(shù)，d-1

t——反應(yīng)時間，d

2.3.3修正的Gompertz方程

累積產(chǎn)氣量還可以用修正的Gompertz方程進(jìn)行擬合[24]，方程式為

(4)

式中Rm——最大日產(chǎn)甲烷量，mL/(g·d)

λ——延遲時間，d

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 pH值、揮發(fā)酸質(zhì)量濃度及酶活

圖2 好氧發(fā)酵過程pH值、揮發(fā)酸質(zhì)量濃度及酶活的變化Fig.2 Changes of pH value, VFA and enzyme activity in different aerobic hydrolysis groups

好氧發(fā)酵過程中pH值、揮發(fā)酸質(zhì)量濃度及酶活的變化可以反映木質(zhì)纖維素的降解情況及微生物的生長狀況，有利于判斷好氧水解酸化過程進(jìn)行的效果。有機(jī)物的生物分解可以由5個單獨(dú)的反應(yīng)過程組成：分解反應(yīng)、水解反應(yīng)、產(chǎn)酸反應(yīng)、乙酸生成反應(yīng)和甲烷生成反應(yīng)[25]。在好氧水解酸化的24 h內(nèi)，前3個過程為主要反應(yīng)。分解反應(yīng)為固形物強(qiáng)度降低轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)性、溶解性高分子的物理現(xiàn)象。水解反應(yīng)是通過微生物分泌的酶類將秸稈中的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪酸水解成簡單的單糖、氨基酸、丙酮酸、高級脂肪酸等物質(zhì)。產(chǎn)酸反應(yīng)則是將水解產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)酸發(fā)酵。發(fā)酵體系的pH值與揮發(fā)酸的含量及體系底物分解出的堿性物質(zhì)有關(guān)。pH值、揮發(fā)酸質(zhì)量濃度及酶活的變化如圖2所示。

好氧發(fā)酵過程24 h內(nèi)各組的揮發(fā)酸含量均呈現(xiàn)上升的趨勢，這是由于底物在好氧微生物的作用下迅速反應(yīng)不斷產(chǎn)生揮發(fā)酸的結(jié)果，24 h后各組揮發(fā)酸質(zhì)量濃度如圖2b所示，其中曝氣混菌組揮發(fā)酸質(zhì)量濃度最高，可達(dá)11 073.61 mg/L，好氧敞口組揮發(fā)酸質(zhì)量濃度較低，為8 799.37 mg/L,而直接厭氧發(fā)酵組揮發(fā)酸質(zhì)量濃度最低，為1 123.56 mg/L。有研究表明當(dāng)揮發(fā)酸質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L時，對產(chǎn)甲烷發(fā)酵體系產(chǎn)生抑制作用[27]，因此在好氧發(fā)酵過程主要進(jìn)行的是產(chǎn)酸發(fā)酵，而隨后的產(chǎn)甲烷過程在厭氧發(fā)酵過程進(jìn)行，有利于厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離，提高厭氧發(fā)酵效率。

木質(zhì)纖維素的降解主要是通過微生物分泌的多組分酶來完成的，因此通過酶活能夠反映微生物的活性。由圖2b可以看出，酶活與揮發(fā)酸質(zhì)量濃度的數(shù)值具有一定的相關(guān)性，酶活較高組的揮發(fā)酸質(zhì)量濃度也較高，說明微生物活性高。酶活由高到低的各組分別為：曝氣混菌組、攪拌混菌組、曝氣黑曲霉組、曝氣木霉組、好氧敞口組、直接厭氧組。曝氣混菌組的酶活最高，為73.33 U。加入菌種的各好氧組酶活顯著高于未加菌的好氧敞口組，混菌組的酶活高于單一菌種的酶活，直接發(fā)酵組的酶活最低，這是由于厭氧菌的生長繁殖速度要遠(yuǎn)低于好氧菌。因此在好氧水解過程中加入馴化后，且具有降解木質(zhì)纖維素作用的微生物能夠顯著提高水解酸化的效果。

3.2 累積產(chǎn)甲烷量

不同組累積產(chǎn)甲烷量隨發(fā)酵時間的變化如圖3所示。由圖3可知，先經(jīng)過好氧水解，隨后進(jìn)行厭氧發(fā)酵的各組累積產(chǎn)氣量均高于直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵組，可見好氧水解過程有利于破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，增加木質(zhì)纖維素與微生物接觸面積，提高產(chǎn)氣量。A、B、C、D、E各組最終的累積產(chǎn)氣量分別比直接厭氧組高11.00%、26.82%、23.76%、61.22%、36.83%。添加不同種類的菌劑對產(chǎn)甲烷過程均有不同程度的促進(jìn)作用。采用攪拌或曝氣供氧組的累積產(chǎn)氣量高于不供氧組，可見好氧發(fā)酵過程中溶氧量是影響其效果的關(guān)鍵因素，采用強(qiáng)制供氧能夠促進(jìn)好氧發(fā)酵過程的進(jìn)行，有利于好氧微生物的生長。比較采用曝氣供氧方式的3組，添加混菌的效果要高于添加單菌的效果，這說明在供氧充足的條件下，單一菌種的降解效果有限，不能分泌出所有分解木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的酶，而木霉和黑曲霉協(xié)同作用，具有良好的降解效果，改善了單菌降解過程的選擇單一性。對于添加同樣質(zhì)量混菌的D和E組，累積產(chǎn)氣量差異顯著，曝氣組的累積產(chǎn)氣量比攪拌組高17.82%，這主要是由于溶氧量的限制。曝氣組溶氧量可達(dá)2.91 mg/L，供氧充足，有利于微生物的生長和繁殖，而攪拌組的溶氧量低，木霉和黑曲霉容易發(fā)生競爭抑制作用，影響好氧發(fā)酵效果。

圖3 累積產(chǎn)甲烷量隨發(fā)酵時間的變化曲線Fig.3 Changing curves of cumulative methane production with changes of time

利用修正的Gompertz方程和一級反應(yīng)方程對累積產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。從擬合的結(jié)果可以看出，兩個模型的擬合結(jié)果良好，修正的Gompertz方程擬合的決定系數(shù)R2在0.982 17～0.996 82之間，而一級動力學(xué)模型擬合的決定系數(shù)R2在0.977 95～0.996 75之間變化。擬合得到的最大產(chǎn)甲烷潛力接近于試驗(yàn)值，試驗(yàn)中曝氣混菌組的最大產(chǎn)甲烷量為294.38 mL/g，而利用修正的

Gompertz方程和一級反應(yīng)方程分別可達(dá)279.58 mL/g和320.11 mL/g。直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵組的累積產(chǎn)甲烷量最低，為182.26 mL/g。CHEN等[28]利用雙螺桿擠壓對稻稈進(jìn)行預(yù)處理后厭氧發(fā)酵，累積產(chǎn)甲烷量可達(dá)227 mL/g，可見本試驗(yàn)的好氧水解產(chǎn)酸過程能夠達(dá)到良好的預(yù)處理效果。修正的Gompertz方程中的延遲時間代表產(chǎn)甲烷過程的啟動快慢，各組的延遲時間均較短，差別不顯著，可能主要是由于接種物的原因，當(dāng)接種物質(zhì)量較好，且底物與接種物的揮發(fā)性固體質(zhì)量比適當(dāng)時，厭氧發(fā)酵能夠快速啟動，而不會出現(xiàn)明顯的延遲現(xiàn)象。根據(jù)巴斯維爾公式計(jì)算得到理論產(chǎn)甲烷量為424.7 mL/g，而試驗(yàn)中曝氣混菌組實(shí)際的產(chǎn)甲烷量最高只能達(dá)到理論產(chǎn)甲烷量的69%左右，仍有31%左右的物質(zhì)沒有被降解，這主要是因?yàn)榻斩挼慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，非生物降解組分含量高，利用元素組成的計(jì)算方法將非生物降解成分包括在內(nèi)，致使理論計(jì)算結(jié)果偏高，因此巴斯維爾公式更適合于可被降解組分含量高的底物，而對于非生物降解組分高的底物參考價值較小。

表3 修正的Gompertz方程和一級反應(yīng)方程擬合累積產(chǎn)氣量的動力學(xué)參數(shù)Tab.3 Kinetic parameters of cumulative gas production in different groups fitted by modified Gompertz and first-order models

3.3 化學(xué)成分

有研究表明，在厭氧發(fā)酵過程中，木質(zhì)素幾乎不發(fā)生降解[17]，因此厭氧發(fā)酵前必須最大限度地破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，才能提高秸稈發(fā)酵底物的降解率。圖4為好氧發(fā)酵后及好氧-厭氧發(fā)酵過程結(jié)束后木質(zhì)纖維素降解率及好氧-厭氧發(fā)酵后總揮發(fā)性固體降解率。

圖4 木質(zhì)纖維素降解率及總揮發(fā)性固體降解率的變化Fig.4 Changes of lignocellulose degradation rate and total VS degradation rate

F組的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素降解率分別為33.2%、19.92%及0.13%。由圖4可知，經(jīng)過好氧發(fā)酵后的各組木質(zhì)纖維素均有不同程度的降解。其中好氧敞口組的木質(zhì)素降解率最低，為0.6%，但從最終厭氧發(fā)酵總揮發(fā)性固體降解率可以看出，雖然木質(zhì)素降解率提高較少，但揮發(fā)性固體降解率顯著提高，約為16%左右，推測木質(zhì)素雖然未降解成單體，但與半纖維素和纖維素連接的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，半纖維素和纖維素的降解率提高，導(dǎo)致最終總揮發(fā)性固體降解率提高。無論是攪拌還是供氣的方式，加入單菌和混菌組均能提高木質(zhì)纖維素的降解率，在好氧發(fā)酵結(jié)束后加菌各組的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分別降解34.1%～46.3%、15.6%～40.4%和7.3%～8.2%，對比曝氣供氧方式的3組，加入混菌的效果要好于加入單一菌種，曝氣混菌組木質(zhì)纖維素降解率最高，木質(zhì)素的降解主要發(fā)生在好氧階段。而經(jīng)過好氧發(fā)酵過程后再進(jìn)行厭氧發(fā)酵，半纖維素、纖維素的降解率分別達(dá)到50.08%～63.49%和39.81%～53.34%，與直接厭氧發(fā)酵組相比顯著提高。不經(jīng)過好氧發(fā)酵，直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵最終總揮發(fā)性固體降解率為44.53%，好氧敞口組、曝氣木霉組、曝氣黑曲霉組、曝氣混菌組及攪拌混菌組的揮發(fā)性固體降解率分別比直接厭氧發(fā)酵組高15.99%、35.47%、37.99%、54.68%和40.92%。

4 結(jié)論

(2)利用修正的Gompertz方程和一級反應(yīng)方程可以很好地擬合累積產(chǎn)甲烷量隨時間的變化，擬合得到的動力學(xué)參數(shù)可以作為產(chǎn)甲烷發(fā)酵過程的重要評價指標(biāo)，有利于理論分析物質(zhì)的產(chǎn)甲烷潛力。但對于秸稈類物質(zhì)，巴斯維爾公式計(jì)算出的理論產(chǎn)甲烷率過高，試驗(yàn)過程中曝氣混菌組的最大產(chǎn)甲烷量為294.38 mL/g，只能達(dá)到理論產(chǎn)甲烷量的69%左右，仍有31%左右的物質(zhì)沒有被降解。

(3)經(jīng)過好氧發(fā)酵過程有利于木質(zhì)纖維素的降解，好氧發(fā)酵結(jié)束后加菌各組的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分別降解34.1%～46.3%、15.6%～40.4%和7.3%～8.2%，最終的揮發(fā)性固體降解率也顯著提高，曝氣供氧方式的效果優(yōu)于攪拌供氧，曝氣供氧方式下添加混菌的效果優(yōu)于添加單一菌種。

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