劉 越， 袁海榮， Akiber Chufo Wachemo,2， 左曉宇， 李秀金

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029； 2.Department of Water Supply and Environmental Engineering, Arba Minch University, Arba Minch P O Box 21, Ethiopia)

全球面臨日益越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染，而將木質(zhì)纖維素通過厭氧消化技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物甲烷，可以有效地改善生態(tài)環(huán)境，緩解中國的能源危機(jī)[1]。玉米秸稈是一種主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，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[2]。水解酸化是秸稈厭氧消化過程中的限速步驟[3]，采用“水解產(chǎn)酸-產(chǎn)甲烷”兩相厭氧消化工藝可以將產(chǎn)酸過程和產(chǎn)甲烷過程分離開，提供產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷微生物各自生長所需的最佳條件，可避免產(chǎn)甲烷過程的揮發(fā)酸累積導(dǎo)致的抑制[4]。因此，對酸化相的影響因素和水平進(jìn)行優(yōu)化可以提高整個兩相厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能。

目前，不同物料的酸化相參數(shù)被優(yōu)化用以提高甲烷產(chǎn)率，如：餐廚垃圾[5]，畜禽糞便[6]和廢棄食用油脂[7]等。影響酸化相產(chǎn)酸效果的因素主要包括有機(jī)負(fù)荷、酸化時間和接種比等[8-9]。酸化時間對發(fā)酵液中VFAs含量有顯著影響，隨著酸化時間增加，產(chǎn)酸菌會將底物轉(zhuǎn)化為VFAs，VFAs產(chǎn)率隨著酸化時間增加而增加[10]。由于VFAs的累積，發(fā)酵液pH值持續(xù)下降，抑制了產(chǎn)酸菌的代謝，同時部分VFAs被轉(zhuǎn)化為甲烷，進(jìn)而影響了VFAs產(chǎn)率的增加[11]。當(dāng)接種比低時，發(fā)酵體系中的微生物數(shù)量不足，酸化反應(yīng)進(jìn)行緩慢；接種比高，發(fā)酵體系中的產(chǎn)酸微生物數(shù)量較多，有利于酸化反應(yīng)的進(jìn)行；但如果接種比過高，產(chǎn)酸菌的代謝產(chǎn)物很快被消化體系中的產(chǎn)甲烷菌利用，則不利于酸的積累[12]。Lim[13]等人研究有機(jī)負(fù)荷率(OLR)對餐廚垃圾酸化反應(yīng)的影響，當(dāng)OLR從5 g·L-1d-1增加到13 g·L-1d-1時，廚房垃圾中VFAs產(chǎn)量增加；而在高OLR時，基質(zhì)變得非常粘稠，導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)不穩(wěn)定。木質(zhì)纖維素細(xì)胞壁中的半纖維素和木素通過共價鍵連接、纖維素鑲嵌其中，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[14]。現(xiàn)有工藝主要針對的是易降解的有機(jī)廢棄物進(jìn)行處理，而針對玉米秸稈等木質(zhì)纖維素類原料的處理和以提高甲烷產(chǎn)率為目標(biāo)的酸化相水解工藝優(yōu)化研究鮮有報道。

因此，本文通過響應(yīng)面法對秸稈水解產(chǎn)揮發(fā)酸工藝條件做出優(yōu)化，建立了以VFAs濃度為響應(yīng)值的二次多項式，并且對試驗結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測，并檢驗了不同酸化程度的秸稈產(chǎn)甲烷效果。通過對兩相厭氧消化的產(chǎn)酸相VFAs產(chǎn)率和產(chǎn)甲烷相的甲烷產(chǎn)率進(jìn)行曲線模擬，可以為研究產(chǎn)酸及產(chǎn)甲烷關(guān)系提供有效的數(shù)據(jù)參考和較準(zhǔn)確的結(jié)果預(yù)測，以期為秸稈的“水解產(chǎn)酸-產(chǎn)甲烷”兩相工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

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。玉米秸稈在厭氧消化前，先用2%的NaOH溶液(NaOH與玉米秸稈干物質(zhì)比為2%，水的添加量為玉米秸稈干物質(zhì)的量的6倍)預(yù)處理，室溫浸泡3 d[10]。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，玉米秸稈和接種物的性質(zhì)如表1所示。

表1 玉米秸稈及接種物性質(zhì) (%)

1.2 實驗方法

1.2.1 酸化相單因素實驗

設(shè)定秸稈負(fù)荷70 gTS·L-1，接種比(基質(zhì)與接種物干物質(zhì)量的比值)6∶1條件下，酸化時間分別為1,2，3，4和5 d；秸稈負(fù)荷70 gTS·L-1，酸化時間為 5 d 條件下，接種比(秸稈和接種物單位TS比)分別為 4∶1，6∶1，8∶1，10∶1和12∶1；接種比為6∶1，酸化時間為5 d條件下，秸稈負(fù)荷分別為50，60，70，80和90 gTS·L-1。各反應(yīng)器放置在35℃±1℃下的恒溫培養(yǎng)箱，將秸稈、接種物和水按照試驗設(shè)計混合，向容積為1000 mL的酸化裝置加入總體積為800 mL的混合液進(jìn)行酸化實驗。每天對產(chǎn)氣和氣體組分變化規(guī)律進(jìn)行檢測，卸料后測定各反應(yīng)器出料中的VFAs濃度。

1.2.2 酸化相響應(yīng)面實驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以酸化時間(X1)、接種比(X2)和有機(jī)負(fù)荷(X3)為試驗因素，按照中心復(fù)合方法(CCD)設(shè)計試驗，考察了3個因素和 5個水平(見表2)，其中9和14處理組的酸化時間分別為2天8小時(2.32 d)和5天16小時(5.68)。

對3種重要因素通過響應(yīng)面分析模塊進(jìn)行優(yōu)化，建立酸化條件對揮發(fā)酸濃度的二次回歸模型，其模型為公式(1)：

(1)

式中:y為響應(yīng)值；β0為是常系數(shù)；βi是線性系數(shù);βii為二次項系數(shù)；βij為交互項系數(shù);xi和xj為試驗因素;ε為隨機(jī)誤差。

表2 實驗因素和水平編碼

1.2.3 甲烷相厭氧消化實驗

向采用響應(yīng)面優(yōu)化實驗后所得的酸化出料中加入?yún)捬踅臃N物，進(jìn)行批式甲烷化實驗。加入篩選出的最優(yōu)酸化條件，與未處理的實驗組進(jìn)行對照分析。在1 L甲烷化裝置中加入800 mL 酸化料液，按照15 gTS·L-1的厭氧污泥進(jìn)行接種，35℃±1℃發(fā)酵60 d，測定沼氣總產(chǎn)量和甲烷含量。發(fā)酵后分別取 30 mL 樣品測pH值，氨氮，堿度和VFAs含量。

1.3 分析方法

日產(chǎn)氣量通過排水法測定；氨氮、堿度、TS和VS采用水質(zhì)分析方法測定[15]；在分析秸稈酸化液的VFAs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VFAs的測定。VFAs 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)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

使用 Design Expert 8.0.1 軟件，試驗設(shè)計采用 CCD方法，對3種重要因素通過響應(yīng)面分析模塊進(jìn)行優(yōu)化，并建立酸化條件對揮發(fā)酸濃度的二次回歸模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸化相VFAs及產(chǎn)氣

2.1.1 VFAs組分及產(chǎn)量變化

圖1～圖3分析了酸化時間、接種量和有機(jī)負(fù)荷對VFAs產(chǎn)率的影響。由圖1所知，揮發(fā)酸產(chǎn)量隨酸化時間的增加顯示出先升高再下降的趨勢，當(dāng)酸化達(dá)到4 d時，負(fù)荷產(chǎn)酸率達(dá)到最高值232.3 mg·g-1TS。在酸化發(fā)酵過程中，乙酸和丁酸的含量占總酸含量的80%，為丁酸發(fā)酵型。接種比也是影響酸化發(fā)酵的重要參數(shù)。從圖2中可以看出接種比為2，4，6，8和10時，負(fù)荷產(chǎn)酸率先上升后下降，當(dāng)接種比為6時，秸稈的負(fù)荷產(chǎn)酸率最高，達(dá)到288 mg·g-1TS。在接種比為2和4時，乙酸含量高于丁酸，而在接種比為6，8和10時，丁酸含量高于乙酸。在接種比為2時，丙酸含量大于1000 mg·L-1,隨著接種比的增加丙酸含量逐漸減小，這可能與酸化發(fā)酵過程中的微生物群落和功能酶有關(guān)，Min[16]等人的研究結(jié)果也證明了總氮含量的增加會提高基質(zhì)底物中丙酸含量。由圖3可知，VFAs濃度會隨著有機(jī)負(fù)荷的增加逐漸增加。在適當(dāng)?shù)膒H值條件下，在碳水化合物的基質(zhì)中提高補充高蛋白物質(zhì)可以通過丙酸類發(fā)酵改善丙酸酯的生產(chǎn)，主要菌群以細(xì)菌類、梭狀芽和蛋白質(zhì)細(xì)菌為主[17]。在50，60，70，80和90 gTS·L-1時，VFAs濃度分別為14619.63，17997.62，20159.32，21718.44和24799.65 mg·L-1。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為60 gTS·L-1時，VFAs產(chǎn)量增加至300 mg·g-1TS，隨后逐漸降低。結(jié)果表明，高負(fù)荷時VFAs濃度較高，而在低負(fù)荷時VFAs產(chǎn)率較高。同時，增加有機(jī)負(fù)荷對VFAs中各組分含量影響較小。

圖1 酸化時間對玉米秸稈產(chǎn)揮發(fā)酸濃度的影響

圖2 接種比對玉米秸稈產(chǎn)揮發(fā)酸濃度的影響

圖3 有機(jī)負(fù)荷對玉米秸稈產(chǎn)揮發(fā)酸濃度的影響

2.1.2 產(chǎn)氣量及氣體成分變化

圖4～圖6分析了不同酸化條件下氣體組分含量的變化。如圖4所示，酸化第2天產(chǎn)氣量最高，隨著時間的增加，產(chǎn)氣量逐漸降低。其中，CO2和H2占?xì)怏w總量百分比較高，在44.73%～95.08%。在第2天H2產(chǎn)量最高，隨后逐漸降低。同時，VFAs產(chǎn)量增長率也在第2天最高，為45.99%；在第3天和第4天分別降低到6.30%和4.10%。從圖5中看出，接種比較小(接種量高)時，產(chǎn)氣量和CH4產(chǎn)量較高，分別為3330.00 mL和651.69 mL，產(chǎn)氣量和CH4產(chǎn)量隨著接種量的降低而降低。然而，H2在接種比為6時產(chǎn)量最高，為405.46 mL，與VFAs濃度趨勢相同。此結(jié)果與王剛[16]等以蔗糖廢水為原料研究接種量對產(chǎn)酸率的影響的結(jié)果一致，H2產(chǎn)量與VFAs產(chǎn)量在酸化過程中呈現(xiàn)正相關(guān)。圖6為不同負(fù)荷條件下氣體組分產(chǎn)量的變化，CH4，CO2和H2產(chǎn)量隨著負(fù)荷的增加而增加，與VFAs濃度變化一致。以上試驗結(jié)果表明酸化過程中總氣體產(chǎn)量與接種量、負(fù)荷和時間有關(guān)，與VFAs產(chǎn)量無關(guān)，而氫氣產(chǎn)量與VFAs濃度呈正相關(guān)。

圖4 不同酸化條件下氣體組分產(chǎn)量的變化

圖5 不同接種比條件下氣體組分產(chǎn)量的變化

圖6 不同有機(jī)負(fù)荷條件下氣體組分產(chǎn)量的變化

2.2 酸化相VFAs模型優(yōu)化

按照設(shè)計方案共進(jìn)行了20組試驗，測定樣品的VFAs產(chǎn)量，試驗設(shè)計和結(jié)果見表3。對表3的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元回歸擬合，并得出有機(jī)負(fù)荷、酸化時間和接種比與負(fù)荷產(chǎn)酸率之間的二次多項式回歸方程，如公式(2)所示：

Y=248.03+2.88X1-7.59X2-2.69X3-2.34X1X2+3.50X1X3+21.38X2X3-13.69X12-10.12X22-9.98X32

(2)

表3 試驗設(shè)計和結(jié)果

式中：Y為預(yù)測的VFAs產(chǎn)率；X1，X2，X3分別為酸化時間、接種比和有機(jī)負(fù)荷。

表4 方差分析結(jié)果

工藝條件優(yōu)化是為了尋找使響應(yīng)值最大化的反應(yīng)條件，采用Design Expert軟件，根據(jù)二次多項式回歸方程，求解得到玉米秸稈水解產(chǎn)生VFAs濃度的最大值，得到的優(yōu)化條件為接種比4，反應(yīng)時間4 d，原料負(fù)荷50 gTS·L-1。為了檢驗響應(yīng)面法所得結(jié)果，采用優(yōu)化方案進(jìn)行了3次重復(fù)性驗證試驗，實際秸稈水解產(chǎn)生VFAs產(chǎn)率平均值270.50 mg·g-1TS與預(yù)測值263.03 mg·g-1TS相近，比單因素最優(yōu)水平(酸化時間為4天、接種比為6和有機(jī)負(fù)荷60 gTS·L-1)提高了9.06%。

2.3 甲烷相產(chǎn)甲烷性能

在甲烷發(fā)酵過程中，代謝產(chǎn)物VFAs可以被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷，采用上述酸化條件進(jìn)行產(chǎn)甲烷試驗，并以未預(yù)處理為對照。如表5所示，最優(yōu)條件下的甲烷產(chǎn)率最高，為285.97 mL·g-1TS，比未處理組提高了81.52%。最優(yōu)組的堿度為9453.43 mg·L-1，比未預(yù)處理組提高了45.52%；氨氮和VFAs分別為519.00和52.30 mg·L-1，低于未預(yù)處理組，說明了酸化處理提高了系統(tǒng)的緩沖能力。結(jié)果表明酸化處理可以明顯提高玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，處理效果優(yōu)于沼液預(yù)處理[18]和沼液CaO聯(lián)合預(yù)處理[19]，兩種預(yù)處理方法可以將甲烷產(chǎn)率分別提高37.43%和57.56%。

經(jīng)過60 d的厭氧消化，所有處理組的VFAs濃度較低，在53.6～82.8 mg·L-1范圍內(nèi)，說明VFAs被完全轉(zhuǎn)化。pH值，氨氮和堿度分別為7.13～7.40，539.00～868.00 mg·L-1和5125.00～8475.00 mg·L-1，均在合理區(qū)間內(nèi)。酸化處理后各處理組的甲烷產(chǎn)率在191.29～248.12 mL·g-1TS范圍內(nèi)。將表5中甲烷產(chǎn)率和表3中VFAs產(chǎn)率進(jìn)行相關(guān)性分析。如圖7所示，甲烷產(chǎn)率與VFAs產(chǎn)率有較高的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)Mutiple R為0.88，p值<0.05，置信度為95%。并對其進(jìn)行線性擬合，R2為0.77，擬合效果較好。因此，酸化相的VFAs產(chǎn)率有益于提高甲烷產(chǎn)率，回歸線性方程為公式(3)：

ηVFAs=0.62ηMethane+73.25

(3)

圖7 VFAs產(chǎn)率與甲烷產(chǎn)率的相關(guān)性

3 結(jié)論

本文對酸化相的酸化條件進(jìn)行優(yōu)化，為秸稈的“水解產(chǎn)酸-產(chǎn)甲烷”兩相工藝提供一套完整酸化工藝參數(shù)，同時通過對VFAs產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量進(jìn)行回歸性分析，揭示了VFAs與甲烷產(chǎn)量的關(guān)系，有助于秸稈兩相厭氧消化工藝中甲烷相的預(yù)測分析。

表5 甲烷相甲烷產(chǎn)率和出料性質(zhì)

(1)采用單因素方法對玉米秸稈酸化過程中VFAs產(chǎn)率進(jìn)行優(yōu)化，在酸化時間為4天、接種比為6，有機(jī)負(fù)荷為60 gTS·L-1時VFAs產(chǎn)率最高，VFAs產(chǎn)率分別為299.96，287.99和232.31 mg·g-1TS。各因素對VFAs組分影響較小，發(fā)酵類型為丁酸發(fā)酵型，其中接種比可以影響丙酸在總VFAs的占比。酸化過程中總氣體產(chǎn)量與接種量、負(fù)荷和時間有關(guān)，而與VFAs產(chǎn)量無關(guān)；其中氫氣產(chǎn)量與VFAs濃度呈正相關(guān)。

(2)采用響應(yīng)面方法對反應(yīng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到生物法水解秸稈產(chǎn)揮發(fā)酸的最優(yōu)條件為接種比4∶1，反應(yīng)時間4 d，原料負(fù)荷50 gTS·L-1。在最優(yōu)條件下，VFAs產(chǎn)率可達(dá)到270.50 mg·g-1TS，響應(yīng)面模型中的影響因素顯著性順序為：接種比>負(fù)荷>酸化時間。

(3)將響應(yīng)面酸化處理后的料液進(jìn)行甲烷批式實驗，最優(yōu)條件下的甲烷產(chǎn)率最高，為285.97 mL·g-1TS，比未處理組提高了81.52%。對VFAs產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量進(jìn)行回歸性分析，結(jié)果表明甲烷產(chǎn)率與VFAs產(chǎn)率有較高的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)Mutiple R為0.88，并對其進(jìn)行線性擬合，R2為0.77，擬合效果較好。