郭博文，許國芹，柳靜，王昌梅，趙興玲，楊紅，吳凱，楊斌，梁承月，尹芳，張無敵

(1.云南師范大學，云南 昆明 650500；2.紅河學院，云南 蒙自 661100)

1 引言

厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是一種節(jié)能、清潔和高效處理有機廢物的重要手段[1]，有機廢物經(jīng)厭氧消化可以產(chǎn)生沼氣，消化后的剩余物——沼渣和沼液經(jīng)過處理可還田耕種，不僅能夠實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，還能減少環(huán)境污染[2].研究表明厭氧發(fā)酵所產(chǎn)氣體的甲烷含量受產(chǎn)甲烷菌的影響[3]，輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌中所特有的作為電子載體的輔酶[4]；吳唯民等[5]提出輔酶F420含量能間接表示產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量或產(chǎn)甲烷的能力；基于這一特性，許多學者進行研究和論證[6-9]，但都沒有仔細考察發(fā)酵過程中輔酶含量與產(chǎn)甲烷能力的關系.

我國是世界第三大燃料乙醇生產(chǎn)國，2019年用于生產(chǎn)燃料乙醇的玉米占總原料的57%[10]，利用玉米生產(chǎn)乙醇過程中會產(chǎn)生大量的廢棄物，其中的玉米酒精廢醪含有大量的淀粉、蛋白質和碳水化合物等有機質且酸度高[11-14]，適合用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，因此本實驗以玉米酒精廢醪為研究對象，設置兩個不同的溫度進行發(fā)酵，通過測定污泥發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量、甲烷含量和輔酶F420濃度，探究發(fā)酵體系中輔酶F420濃度與產(chǎn)甲烷能力間關系.

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

玉米酒精廢醪為玉米經(jīng)傳統(tǒng)“雙酶法”[15]發(fā)酵后進行固液分離所得的固態(tài)廢渣，總固體含量(TS)為37.48%，揮發(fā)性固體含量(VS)為97.05%；接種物為經(jīng)實驗室長期馴化的厭氧活性污泥，TS為11.97%，VS為56.77%.實驗裝置為實驗室自制的批量式發(fā)酵裝置[16].

2.2 實驗方法

2.2.1 發(fā)酵方法

設定發(fā)酵體系的TS為6%，計算得到接種物投量為310 g，玉米酒精廢醪投量為29.06 g，用沼液定容至800 mL.用批量式發(fā)酵法分別在27 ℃和37 ℃下發(fā)酵，每個發(fā)酵溫度進行3個平行.

2.2.2 測定項目

(1)采用常規(guī)法(烘干法)測定原料的TS和VS；VSS(揮發(fā)性懸浮物)含量按重量法測定[17].(2)日產(chǎn)氣量通過氣袋收集，利用針筒從取樣口抽取的方式測量.用GC-7900氣相色譜儀測定甲烷濃度.(3)利用紫外-可見光分光光度法測定輔酶F420濃度[18]，以每VSS濃度計算輔酶F420濃度.

3 結果與分析

3.1 實驗結果

3.1.1 日產(chǎn)氣量和甲烷含量

圖1為玉米酒精廢醪在不同溫度下發(fā)酵的日產(chǎn)氣量及甲烷含量隨時間的變化曲線；從圖中可以看出，產(chǎn)氣均正常進行，實驗開始至產(chǎn)氣有短暫的停滯期，停滯期結束后均開始快速產(chǎn)氣；37 ℃時日產(chǎn)氣量變化較大，第6天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰后產(chǎn)氣量開始快速下降；而27 ℃時日產(chǎn)氣量變化較小.產(chǎn)氣開始后，甲烷含量迅速增加，然后緩慢增長到最大值，在產(chǎn)氣后期緩慢下降.

3.1.2 累計產(chǎn)氣量和累計甲烷量

圖2為玉米酒精廢醪在不同溫度下發(fā)酵的累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量曲線；可以發(fā)現(xiàn)停滯期結束后曲線均快速上升，第15天左右由于大部分原料及中間產(chǎn)物被產(chǎn)甲烷菌所利用，沒有充足的原料繼續(xù)發(fā)酵，所以產(chǎn)氣速率開始下降并逐漸趨于0；37 ℃發(fā)酵組的累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量均高于27 ℃發(fā)酵組.

圖1 不同溫度下日產(chǎn)氣量和甲烷含量Fig.1 Daily gas production and methane content at different temperatures

圖2 不同溫度下累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量Fig.2 Cumulative production of gas and methane at different temperatures

3.1.3 輔酶F420濃度

圖3為不同溫度下發(fā)酵體系的污泥中輔酶F420濃度的變化曲線，37 ℃輔酶濃度明顯高于27 ℃，表明發(fā)酵溫度對輔酶F420濃度有著巨大影響.

圖3 發(fā)酵過程中輔酶F420濃度Fig.3 Coenzyme F420 concentration during the fermentation process

3.2 結果分析

3.2.1 不同溫度下產(chǎn)氣情況比較

對比不同溫度下的產(chǎn)氣情況可知，玉米酒精廢醪在37 ℃時日產(chǎn)氣量及甲烷含量較高，這是因為37 ℃更適于厭氧發(fā)酵微生物菌群的生長，厭氧分解和產(chǎn)甲烷的速度也較快，因而累計產(chǎn)氣量、累計甲烷產(chǎn)量和輔酶F420濃度也較高.

3.2.2 輔酶F420濃度與產(chǎn)甲烷能力關系

厭氧發(fā)酵體系的產(chǎn)甲烷能力可用甲烷產(chǎn)量進行衡量，它與體系中的有機質總量密切相關，因此每隔4 d測量一次發(fā)酵液的TS，并根據(jù)當天的甲烷產(chǎn)量計算出該天的甲烷產(chǎn)率(=甲烷產(chǎn)量/發(fā)酵體系TS質量).將甲烷產(chǎn)率與對應時期的輔酶F420濃度進行線性擬合，具體結果如圖4，可以看出甲烷產(chǎn)率與輔酶F420濃度之間存在良好的線性關系.

圖4 (a)27 ℃和(b)37 ℃下甲烷產(chǎn)率與輔酶F420濃度擬合曲線Fig.4 Fitting curves of methane yield and coenzyme F420 concentration at (a)27 ℃ and (b)37 ℃

4 結語

以玉米酒精廢醪為原料，探究在兩個不同溫度下的厭氧發(fā)酵情況以及輔酶F420含量，得到如下結果：

(1)實驗說明37 ℃下原料的厭氧消化產(chǎn)氣情況比27 ℃下好.

(2)通過對甲烷產(chǎn)率與輔酶F420濃度進行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間具有良好的線性關系，因此利用F420濃度判斷發(fā)酵體系產(chǎn)甲烷情況是可行的.