林春綿，俞　游，章祎瑪，葉媛媛

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

外源氫厭氧發(fā)酵原位合成甲烷的實驗研究

林春綿，俞游，章祎瑪，葉媛媛

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：降低沼氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)是提高沼氣利用效率的重要途徑.分別以營養(yǎng)液和水稻秸稈作為發(fā)酵底物，在發(fā)酵瓶(500 mL)中利用外源H2和CO2厭氧發(fā)酵原位合成CH4.實驗探索發(fā)酵溫度、外源氣體組成(H2與CO2體積比)對發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣規(guī)律和組成的影響，以確定適宜的反應(yīng)條件；根據(jù)不同條件下食氫產(chǎn)甲烷菌利用H2和CO2的發(fā)酵表現(xiàn)，解析沼氣中各組分的變化規(guī)律.沼氣中CH4的相對體積分?jǐn)?shù)隨著溫度、外源氣體組成(H2與CO2體積比)的升高而升高；以營養(yǎng)液為底物的厭氧發(fā)酵中，外源氫氣的引入能明顯提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量和CH4的體積分?jǐn)?shù)，外源氣體H2與CO2的體積比以5∶1為宜，發(fā)酵適宜的溫度在55～65 ℃之間.以秸稈為底物的厭氧發(fā)酵中，溫度以55 ℃為宜，以純H2作為外源氣為宜，流量為180 mL/(L·d)的條件下，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)達到75.5%.

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵；沼氣；氫氣；甲烷；二氧化碳；水稻秸稈

Research on the in-situsynthesis of methane from exogenous

hydrogen by anaerobic fermentation

LIN Chunmian, YU You, ZHANG Yima, YE Yuanyuan

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Reducing the content of carbon dioxide in biogas is an important way to promoting the utilization of biogas. The exogenous H2and CO2were used to synthesize CH4in-situ in a fermentation bottle(500 mL)based on taking nutrient solution or rice straw as a substrate respectively. The effects of parameters such as temperature and exogenous H2proportion(H2/CO2)on the biogas production and its components were investigated to determine the suitable technological conditions. The change laws of the biogas contents and production rate were discussed according to the performance of M. thermautotrophicus deltaH using H2and CO2under different conditions. With the increasing of temperature and H2proportion(H2/CO2), the content of methane increased. In the anaerobic fermentation process with nutrient solution as the substrate, the addition of exogenous gas can promote the content of methane and also the production of biogas. The optimum temperature was between 55-65 ℃ and exogenous gas ratio (H2/CO2)was 5∶1. Pure H2was suitable exogenous gas in the anaerobic fermentation with straw as a substrate. The appreciate temperature is 55 ℃ and H2flow is 180 mL/ (L·d) under which the relative methane content in biogas could reach 75.5%.

Key words:anaerobic fermentation; biogas; methane; carbon dioxide；exogenous hydrogen; rice straw

可再生能源緊缺和生物質(zhì)廢棄物資源化利用是當(dāng)今世界面臨的重大課題.以秸稈等農(nóng)作物廢棄物作為原料，改進傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究也成為了當(dāng)下研究的熱點.沼氣發(fā)酵是在厭氧發(fā)酵條件下，通過微生物的生物活動，將有機質(zhì)降解生成沼氣的過程[1].而作為產(chǎn)品的沼氣是一種混合氣體，一般由50%～70%的CH4和30%～50%的CO2組成[2]，還會有其他一些微量氣體，如CO2，NH3，H2S，H2，N2，CO等.鑒于沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)的高低，直接影響其能量密度低(或熱值)和利用效率，所以人們很早就進行了沼氣脫碳方面的研究，并對CO2進行資源化利用[3].起步較早、目前發(fā)展較成熟的方法主要有變壓吸附法、吸收法[4]和膜分離等，其他技術(shù)還處于實驗室研究階段[5，6].近年來有學(xué)者嘗試?yán)谜託獍l(fā)酵體系中的食氫產(chǎn)甲烷菌的生物活動，在原位或者離位條件下通過添加外源氫氣來消耗CO2，厭氧發(fā)酵合成CH4[7-9].雖然在合成CH4的過程中由于產(chǎn)生水而導(dǎo)致約22%的能量損失.但CH4的熱值高，相對穩(wěn)定,便于貯藏、運輸和使用.而且通過可再生能源電解水獲得H2，能使該技術(shù)的成本進一步降低[2].筆者選擇水稻秸稈作為發(fā)酵底物，實驗探索發(fā)酵溫度和外源氣體組成(H2與CO2體積比)對發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣規(guī)律和組成的影響，確定適宜的發(fā)酵條件；基于不同條件下食氫產(chǎn)甲烷菌利用H2和CO2的發(fā)酵表現(xiàn)，解析沼氣中各組分的變化規(guī)律[10].

1實驗部分

1.1實驗材料

本實驗選用的水稻秸桿取自浙江省紹興市柯橋區(qū)安昌鎮(zhèn)安華村，水稻秸稈的總固體(TS)為(88.1±2.8)%，揮發(fā)性固體(VS)為(83.2±2.0)%.配制的營養(yǎng)液每升含有2.1 g NH4Cl，6.8 g H3PO4，3.4 g Na2CO3，0.09 g EDTA，0.04 g MgCl2·6H2O，0.01 g FeCl2·4H2O，0.2 mg CoCl2·6H2O，1.2 mg NiCl2·6H2O，0.2 mg NaMoO4·2H2O.沼液取自杭州正興牧業(yè)有限公司浙江大學(xué)奶業(yè)科學(xué)研宄所實驗?zāi)翀?，總固體(TS)為(0.72±0.15)%，揮發(fā)性固體(VS)為(0.61±0.14)%.實驗中所用的藥品均為分析純試劑.

1.2實驗裝置及原理

實驗裝置如圖1所示，由一個沼氣發(fā)酵瓶、一個沼氣收集瓶和量筒組成.將200 mL營養(yǎng)液與200 mL沼液，或6 g攪碎的水稻秸稈與400 mL沼液一同放入沼氣發(fā)酵瓶(500 mL)，密封后用高純氮氣驅(qū)趕瓶內(nèi)空氣.發(fā)酵瓶置于恒溫水浴鍋(HH-4/HH-6)，發(fā)酵溫度分別控制在(35±1) ℃，(45±1) ℃，(55±1) ℃，(65±1) ℃.180 mL/(L·d)不同組分體積比(H2與CO2為3∶1，4∶1，5∶1)的混合氣體或純H2通過針筒直接通入發(fā)酵瓶底部.收集瓶中充滿pH約為3的水(以阻止CO2的吸收)，采用排水法集氣，每天計量排出的水量，即為沼氣產(chǎn)生量.并進行無外源氣體條件下的對照組實驗.

每隔5 d用氣相色譜(GC1650TF)測定沼氣中CH4，CO2和H2的體積分?jǐn)?shù).操作條件：填充柱為TDX-01和5A分子篩，檢測器為熱導(dǎo)檢測器(TCD)，柱箱溫度為90 ℃，進樣溫度為150 ℃，檢測器溫度為120 ℃，載氣為高純氬氣.

1—針筒；2—細(xì)鋼管；3—發(fā)酵瓶；4—恒溫水浴鍋；5—沼氣收集瓶；6—量筒圖1　間歇式厭氧發(fā)酵實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of batch fermentation device

為消除外源氣體殘留的影響，并忽略代謝產(chǎn)生的H2，發(fā)酵沼氣的實際產(chǎn)生量修正式為

(1)

式中：V*為修正后的沼氣產(chǎn)量，mL/(L·d)；V為修正前的沼氣產(chǎn)量，mL/(L·d)；V外為外源氣體量，mL/(L·d)；yH2為沼氣中H2的體積分?jǐn)?shù)；n為外源氣體中H2與CO2比值.

以純氫氣作為外源氣體時，修正式為

V*=(1-yH2)V

(2)

2結(jié)果與討論

2.1營養(yǎng)液為底物外源氫氣間歇厭氧發(fā)酵合成甲烷

圖2為55 ℃下營養(yǎng)液為發(fā)酵底物外源氣體組成(H2與CO2體積比)為5∶1沼氣中CH4，CO2，H2體積分?jǐn)?shù)變化圖.發(fā)酵初期主要表現(xiàn)為底物的水解和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)，加之外源氣體的稀釋作用，CH4體積分?jǐn)?shù)很低.10～25 d左右微生物處于穩(wěn)定期，是間歇發(fā)酵過程主要的產(chǎn)CH4階段，外源氫氣的引入明顯提高了食氫產(chǎn)甲烷菌的活性[9]，CH4體積分?jǐn)?shù)不斷上升.之后隨營養(yǎng)液消耗，產(chǎn)CH4能力逐漸減弱，外源氣體中帶入的H2和CO2開始積累，CH4相對體積分?jǐn)?shù)漸漸下降.

圖2　55 ℃下營養(yǎng)液為發(fā)酵底物沼氣中各組分變化圖Fig.2　Biogas contents with nutrient solution as substrate at 55 ℃

外源氣體組份體積比是影響沼氣的產(chǎn)量及組分的重要影響因素.由公式(3)可知：理論上外源氣體組分體積比(H2與CO2體積比)以4∶1為宜.但是厭氧發(fā)酵本身會代謝產(chǎn)生一定量H2和CO2，所以實際情況下適宜的外源氣體體積比還需要經(jīng)過實驗來確定.

4H2+CO2→CH4+2H2O

(3)

發(fā)酵溫度對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制是影響產(chǎn)物生成的重要因素之一，任何生物化學(xué)反應(yīng)都與溫度變化有關(guān).

表1為以營養(yǎng)液為底物，外源氫氣作用下間歇厭氧發(fā)酵穩(wěn)定期沼氣中各組分體積分?jǐn)?shù)及產(chǎn)氣量.在中溫(35 ℃)條件下，隨著外源氣體中CO2組分體積比的增加，殘留的CO2體積分?jǐn)?shù)也隨之增加，拉低CH4在沼氣中占有的比例，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)均低于對照組.以純H2作為外源氣體時，沼氣中CH4和CO2的體積分?jǐn)?shù)比對照組分別低了7.2%和4.7%，但CH4的相對體積分?jǐn)?shù)與對照組基本相當(dāng).對照組中，由于缺少有機質(zhì)作用，產(chǎn)甲烷菌整體的產(chǎn)沼氣能力很弱(這與文獻[11]的結(jié)果一致)，結(jié)果使得沼氣中N2(用于排除發(fā)酵瓶中空氣)占有的比例很大，CH4體積分?jǐn)?shù)很低.

表1　營養(yǎng)液為底物外源氫氣間歇厭氧發(fā)酵穩(wěn)定期沼氣中各組分體積分?jǐn)?shù)及產(chǎn)氣總量

注：1) 對照組實驗無外源氣體參與，以下同.

當(dāng)溫度上升到45 ℃時，在H2與CO2體積比為5∶1的外源氣體參與下，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)達到60.9%.說明微生物在溫度升高的情況下活性增加.此時隨著H2與CO2體積比的升高，CH4相對體積分?jǐn)?shù)也不斷升高，而CO2的相對體積分?jǐn)?shù)和H2的殘留量不斷下降.純H2作為外源氣體時，CH4相對體積分?jǐn)?shù)達到62.3%，但產(chǎn)氣量僅為混合氣體為外源氣體時的1/3左右.

在55 ℃，隨著外源氣體H2與CO2體積比的升高，沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)也隨之升高.外源氣體組分H2與CO2體積比為5∶1的條件比較合適，此時CH4的相對體積分?jǐn)?shù)可以達到76.5%，同時殘留的H2占24.4%.而以純H2為外源氣體時，由于受CO2體積分?jǐn)?shù)的限制，沼氣中相對體積分?jǐn)?shù)只增加到70.1%，沼氣產(chǎn)量也只有268 mL/L.在較高溫度條件下，發(fā)酵體系對外源氣體的利用能力得到加強，沼氣的產(chǎn)量明顯增加，受H2與CO2體積比的影響也更加明顯，在H2與CO2為4∶1時達到最佳.

當(dāng)溫度繼續(xù)上升至65 ℃，食乙酸產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量下降，所以發(fā)酵溫度55 ℃比較適宜.而以純H2作為外源氣體時，沼氣的產(chǎn)氣量在65 ℃后繼續(xù)升高，說明食氫產(chǎn)甲烷菌在65 ℃活性繼續(xù)加強，沼氣產(chǎn)量繼續(xù)上升.以營養(yǎng)液為底物，發(fā)酵微生物利用外源H2原位合成甲烷的反應(yīng)隨著溫度的升高而加強，適宜的溫度在55～65 ℃之間.外源氫氣的引入能明顯提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量和CH4的體積分?jǐn)?shù)，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)隨外源氣體中H2與CO2的體積比升高而升高，合適的H2與CO2體積比為5∶1，CH4相對體積分?jǐn)?shù)為76.5%；在H2與CO2體積比為4∶1條件下，沼氣產(chǎn)量達到1 064 mL/L.

2.2秸稈為底物外源氫氣間歇厭氧發(fā)酵合成甲烷

圖3為55 ℃下H2為外源氣體沼氣中各組分變化圖.在穩(wěn)定期內(nèi)CH4和CO2相對體積分?jǐn)?shù)可達到75.5%和24.5%.CH4相對體積分?jǐn)?shù)從反應(yīng)初期就保持很快的增長.此時厭氧發(fā)酵降解秸稈微生物活動本身產(chǎn)生的CO2濃度足以使得反應(yīng)進行，不需要在外源氣體中混入CO2.

圖4為55 ℃下不同外源氣體沼氣累計產(chǎn)氣量，外源氣體的引入使得沼氣產(chǎn)量略有增加.以純H2作為外源氣體時，沼氣的產(chǎn)氣高峰提前5 d來到，這是因為厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的CO2部分被消耗，促進了液相中乙酸的分解，進一步刺激了微生物分解秸稈的生物活動.而底物的提前消耗也使得在反應(yīng)后期產(chǎn)沼氣能力減弱.

圖3　55 ℃下秸稈為發(fā)酵底物、H2為外源氣體沼氣中各組分變化圖Fig.3　Biogas contents with straw as substrateand H2 as exogenous gas at 55 ℃

圖4　不同外源氣體在55 ℃時沼氣累計產(chǎn)氣量Fig.4　Biogas production with straw under different exogenous gas ratio at 55 ℃

表2是以秸稈為底物外源氫氣間歇厭氧發(fā)酵穩(wěn)定期沼氣中各組分體積分?jǐn)?shù)及產(chǎn)氣總量.在中溫(35 ℃)條件下，改變外源氣體組分對沼氣各組分和產(chǎn)量影響不大，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)保持在55%左右，產(chǎn)量也幾乎不變，與以營養(yǎng)液為底物的情況相似.當(dāng)溫度上升至45 ℃時，CH4相對體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)有比較明顯的提高，隨著H2比例的升高，CH4體積分?jǐn)?shù)也不斷升高.在通入純H2作為外源氣體時，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)能達到63.3%，超過了H2與CO2體積比為5∶1時CH4的相對體積分?jǐn)?shù).

在55 ℃時，隨著外源氣體中H2與CO2體積比的升高，沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)也隨之升高.以秸稈為底物發(fā)酵代謝產(chǎn)生的CO2較多，不需要額外補充碳源，純H2作為外源氣體沼氣中CH4的相對體積分?jǐn)?shù)增加到了75.5%，沼氣產(chǎn)氣量為6 436 mL/L.以提純沼氣為目的，外源氣體選用純H2比較合適；而H2與CO2體積比為5∶1條件下，CH4的相對體積分?jǐn)?shù)為73.6%，沼氣產(chǎn)量為6 880 mL/L，產(chǎn)沼氣能力較強.當(dāng)溫度繼續(xù)上升，由于食乙酸產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，沼氣產(chǎn)量和CH4相對體積分?jǐn)?shù)均隨之降低.可見：以秸稈為底物發(fā)酵微生物利用外源H2原位合成CH4的適宜溫度為55 ℃.

表2　秸稈為底物外源氫氣間歇厭氧發(fā)酵穩(wěn)定期沼氣中各組分體積分?jǐn)?shù)及產(chǎn)氣總量

注：1)對照組實驗無外源氣體參與，以下同.

3結(jié)論

以營養(yǎng)液為底物，發(fā)酵微生物利用外源H2原位合成甲烷的反應(yīng)隨著溫度的升高而加強，由于食酸產(chǎn)甲烷菌受到過高溫度的抑制，適宜的溫度在55～65 ℃之間.外源氫氣的引入能明顯提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量和CH4的體積分?jǐn)?shù)，沼氣中CH4相對體積分?jǐn)?shù)隨外源氣體中H2與CO2的體積比升高而升高，合適的H2與CO2體積比為5∶1，CH4相對體積分?jǐn)?shù)為76.5%；在H2與CO2體積比為4∶1條件下，沼氣產(chǎn)量達到1 063 mL/L.

以秸稈為底物發(fā)酵微生物利用外源H2原位合CH4的適宜溫度為55 ℃；以純H2作為外源氣體時，沼氣中CH4的相對體積分?jǐn)?shù)可達75.5%，此時沼氣產(chǎn)氣量為6 436 mL/L，對沼氣的提純有利；而H2與CO2體積比為5∶1條件下，沼氣產(chǎn)量可達6 880 mL/L，產(chǎn)沼氣能力較強，此時CH4的相對體積分?jǐn)?shù)為73.6%.

參考文獻：

[1]周宗茂，謝麗，羅剛，等.厭氧發(fā)酵沼氣提純技術(shù)研究進展[J].環(huán)境工程,2013,31(3)：46-50．

[2]LUO G, JOHANSSON S, BOE K, et al. Simultaneous hydrogen utilization and in situ biogas upgrading in an anaerobic reactor[J]. Biotechnology and Bioengineering,2012,109(4):1088-1094.

[3]林春綿，沈德平，俞游，等.一步法合成碳酸二甲酯中催化劑和脫水劑的研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,41(6):591-595.

[4]林春綿，于干，吳檬檬，等.DEA與無機堿水溶液吸收脫除沼氣中CO2的實驗研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,42(1):11-15.

[5]RYCKEBOSCH E, DROUILLON M, VERVAEREN H. Techniques for transformation of biogas to biomethane[J]. Biomass and Bioenergy,2011,35(5):1633-1645.

[6]歐陽啟，黃金，王普，等.離子液體對熱帶假絲酵母細(xì)胞生物相容性的研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,41(3):254-259.

[7]MARTIN M R, FORNERO J J, STARK R, et al. A single-culture bioprocess of Methanothermobacter thermautotrophicus to upgrade digester biogas by CO2-to-CH4conversion with H2[J]. Archaea-an International Microbiological Journal,2013(3):111-261.

[8]NORDBERG ?, EDSTR?M M, UUSI-PENTTILM, et al. Selective desorption of carbon dioxide from sewage sludge for in-situ methane enrichment: Enrichment experiments in pilot scale[J]. Biomass and Bioenergy,2012,37:196-204.

[9]LINDEBOOM R E, WEIJMA J, LIER J B V. High-calorific biogas production by selective CO2retention at autogenerated biogas pressures up to 20 bar[J]. Environmental Science & Technology,2012,46(3):1895-1902.

[10]LUO G, ANGELIDAKI I. Hollow fiber membrane based H2diffusion for efficient in situ biogas upgrading in an anaerobic reactor[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2013,97(8):3739-3744.

[11]LUO G, ANGELIDAKI I. Co-digestion of manure and whey for in situ biogas upgrading by the addition of H: process performance and microbial insights[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2013,97(3):1373-81.

(責(zé)任編輯：陳石平)

文章編號：1006-4303(2015)06-0595-05

中圖分類號：TQ920.6

文獻標(biāo)志碼：A

作者簡介：林春綿(1962—)，男，浙江溫州人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為工業(yè)污染控制和超臨界流體技術(shù)應(yīng)用，E-mail：lcm@zjut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目(51108416)；浙江省科技廳重大專項國際合作項目(2011C14023)

收稿日期：2015-04-28