向天勇，袁小利，程輝彩，張無敵，董仁杰，單勝道，張昌愛

(1.嘉興職業(yè)技術學院 農(nóng)業(yè)與環(huán)境學院，浙江 嘉興 314036；2.浙江科技學院 環(huán)境與資源學院，杭州 310023；3.河北省科學院 生物研究所，石家莊 050081；4.云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院，昆明 650500；5.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

厭氧發(fā)酵是秸稈無害化處理和循環(huán)利用的有效方式。由于秸稈原料流動性差，高濃度發(fā)酵過程中容易出現(xiàn)結殼現(xiàn)象，嚴重影響料液的傳質作用，從而影響產(chǎn)氣率。生產(chǎn)中主要通過機械攪拌的方式加以解決，但能耗較高、維修困難。超聲波的空化作用及機械傳質作用在生物工程中已得到廣泛應用[1-4]。低頻超聲波產(chǎn)生有規(guī)律而和緩的空化泡，并以非線性的方式在媒質中循環(huán)震蕩。這個過程主要發(fā)生在界面層、膜或細胞壁附近以及細胞液內(nèi)，促進反應底物進入酶生物催化劑的活性部位及產(chǎn)物進入介質中的傳質作用，還可以減少次生代謝產(chǎn)物積累對微生物代謝的抑制作用，促進代謝產(chǎn)物的合成，從而增強微生物的活性、加速細胞的生長和生物反應速率[1]15。同時，超聲波所形成的空化泡在破裂時產(chǎn)生強烈沖擊可有效提高固體中可溶物的溶出速度，并產(chǎn)生類似于“沸騰”的攪拌作用[2]。因此，超聲處理技術在秸稈厭氧發(fā)酵過程中具有良好的應用前景。

鄒書珍等[5]研究了超聲波預處理對牛糞與玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵的影響，結果顯示，超聲波預處理改變了發(fā)酵初始環(huán)境之間的相互關系和發(fā)酵過程環(huán)境的主要影響因素，使發(fā)酵系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而提高產(chǎn)氣量。趙楠等[6]研究了超聲波聯(lián)合NaOH預處理小麥秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵特性，結果顯示超聲波單獨預處理可提升產(chǎn)氣效果，當NaOH質量分數(shù)為6%，超聲處理時間為60 min，超聲波頻率為360 kHz，固液質量比為1∶12時，累積產(chǎn)氣量比稀堿法單獨預處理的最優(yōu)方案提高了31.9%。陳巖[7]研究了超聲波預處理和攪拌強度對秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結果表明，超聲波預處理能夠改變秸稈內(nèi)部微觀結構，提高產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣效率和沼氣中CH4含量，達到最大日產(chǎn)氣量的時間提前，發(fā)酵液的COD濃度降低。楊朝勇等[8]采用超聲波預處理污泥，并與牛糞按一定比例混合發(fā)酵，結果表明，超聲波預處理可以將產(chǎn)氣高峰提前，提升產(chǎn)氣速率，從而大幅提升了原料的產(chǎn)氣潛力。辛岳鳳等[9]利用單/雙頻以及稀堿預處理探討對玉米秸稈厭氧消化性能的影響，得出雙頻超聲波聯(lián)合稀堿預處理玉米秸稈厭氧發(fā)酵可提高沼氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量以及縮短厭氧消化時間。已有的報道主要集中在超聲波對原料預處理的影響方面，而在厭氧發(fā)酵過程中超聲處理對促進微生物生長和提高產(chǎn)氣速率的影響及規(guī)律研究還不夠深入。為了進一步探索超聲波在秸稈厭氧發(fā)酵過程中的作用和影響規(guī)律，筆者通過超聲處理強度和單次超聲處理時間對厭氧微生物生長發(fā)育、可溶物溶出度的影響進行研究，得出厭氧發(fā)酵過程中超聲波聲強、單次超聲處理時間的有效范圍。在此基礎上，利用正交試驗分析超聲處理強度、作用時間和時間間隔對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量的影響規(guī)律，以優(yōu)化超聲波處理工藝，并通過對比試驗加以驗證。

1 材料與方法

1.1 材 料

水稻秸稈采自嘉興市城郊，105 ℃烘干粉碎，過30目篩，密封保存。沼氣發(fā)酵菌種采自嘉興市植物園沼氣池，池齡4年，以羊糞、樹葉等為主要原料，產(chǎn)氣狀況良好。細菌生長培養(yǎng)基采用巰基乙酸酯培養(yǎng)基(PM1301)。

1.2 試驗裝置

1—取樣口；2—恒溫水出口；3—水浴夾層；4—厭氧發(fā)酵罐；5—超聲波發(fā)生器；6—恒溫水進口；7—沼氣集氣罐；8—水封。圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

試驗采用自制的恒溫厭氧發(fā)酵裝置，如圖1所示。厭氧罐容積5.2 L,采用夾層有機玻璃，可通入恒溫水以保證一定的發(fā)酵溫度；下部采用ZQ6-180GR超聲波清洗機(上海爭巧科學儀器有限公司，功率180 W，30%～100%可調；頻率40 kHz；超聲波工作時間0～99 min可調)，作為超聲波發(fā)生器；集氣罐采用水封的方式，可通過測量氣體高度計算產(chǎn)氣體積。

1.3 試驗方法

1.3.1 主要指標的選擇、控制及檢測方法

1.3.1.1 發(fā)酵溫度 解競和王芬等[10-11]利用超聲波對污泥進行處理，得出37 ℃中溫條件對發(fā)酵產(chǎn)酸是有利的。結合目前中溫發(fā)酵的實際，試驗采用的反應溫度為37 ℃。

1.3.1.2 超聲處理聲強 前期研究表明殺菌所用的聲強最低要大于1.0 W/cm2。根據(jù)孫悅等[12]的研究結果，試驗選取超聲處理聲強范圍在1.2 W/cm2以下。試驗中，單次超聲處理時間及時間間隔由電子延時開關控制。甲烷含量用ZS-2型沼氣氣體成分分析儀測定。

1.3.2 試驗設計

利用巰基乙酸酯培養(yǎng)基接種質量分數(shù)為1%沼液，37 ℃培養(yǎng)，其間調整超聲處理聲強為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 W/cm2，頻率40 kHz，每間隔50 min超聲處理10 min，24 h后以未接種菌體的液體培養(yǎng)基作為空白對照，在波長600 nm處測定吸光度值[12]，若出現(xiàn)吸光度值超出有效檢測范圍的情況，則用未接種菌體的液體培養(yǎng)基稀釋后測量。分析超聲處理聲強對厭氧微生物生長的影響，找出有利于微生物生長的適宜聲波強度。在該強度下，改變超聲處理時間，采用單次超聲處理時間為0、5、10、15、20、25、30 min，每次間隔50 min，37 ℃培養(yǎng)24 h后在波長600 nm處測定吸光度值，分析單次超聲處理時間對厭氧微生物生長的影響。

稱取10 g稻草粉，加入400 mL蒸餾水，利用500 mL玻璃燒杯，在上述試驗所得聲波強度下，分別超聲處理0、5、10、15、20、25、30 min，定量濾紙抽濾，用蒸餾水洗至無色，將濾紙連同稻草粉在105 ℃烘干稱重，減去濾紙重量得到溶出后稻草粉的重量，分析超聲處理時間對稻草溶出率的影響。

以稻草粉為碳源，尿素為氮源，調整碳氮比為25∶1，用新鮮沼液接種?？刂谱罱K發(fā)酵液中稻草粉的質量分數(shù)為6%，接種量為10%。在上述試驗基礎上，設計超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔三因素三水平組合，采用正交試驗法研究超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔組合對50 d產(chǎn)氣量和CH4平均含量的影響，得出超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔參數(shù)的優(yōu)化組合。

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合按上述方法進行秸稈發(fā)酵，以不加超聲處理為對照，每天測定產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量，對比分析低強度超聲間歇處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響。

2 結果及分析

2.1 超聲處理強度和單次超聲處理時間對厭氧微生物生長發(fā)育的影響

圖2 超聲處理聲強對厭氧微生物生長發(fā)育的影響Fig.2 Effects of ultrasound treatment intensity on growth and development of anaerobic microorganisms

厭氧微生物生長發(fā)育良好是高效率發(fā)酵的基礎。利用巰基乙酸酯培養(yǎng)基，采用超聲處理聲強為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 W/cm2，每間隔50 min超聲處理10 min，24 h后培養(yǎng)液在波長600 nm處測定的吸光度值如圖2所示。在1.2 W/cm2的聲強以下，隨著聲強的加大，培養(yǎng)液的吸光度值增加，尤其在0.4 W/cm2后增加明顯，在0.8 W/cm2時接近最大，這表明該強度范圍內(nèi)超聲波對厭氧微生物的生長發(fā)育具有促進作用。當聲強達到0.8 W/cm2后，超聲波對厭氧微生物生長的促進作用減弱，但在聲強達到1.2 W/cm2時，仍然未見到超聲波對厭氧微生物生長的抑制作用，這證明厭氧微生物對超聲波具有較強的耐受能力。

圖3 超聲處理時間對厭氧微生物生長發(fā)育的影響Fig.3 Effects of ultrasound treatment time on growth and development of anaerobic microorganisms

在0.8 W/cm2的超聲波強度下，單次超聲處理時間為0、5、10、15、20、25、30 min，每次間隔50 min，37 ℃培養(yǎng)24 h后在波長600 nm處測定的吸光度值如圖3所示。結果顯示，在20 min以內(nèi)，超聲處理時間越長，超聲波對厭氧菌的生長越有利；進一步延長超聲處理時間，指標逆轉。超聲處理時間達到15 min后，超聲處理對菌體生長的促進作用減弱。這與Huang等[13]的研究結果一致。

2.2 超聲處理時間對稻秸溶出率的影響

圖4 超聲處理時間對稻秸溶出率的影響Fig.4 Effect of ultrasound treatment time on rice straw dissolution rate

超聲波處理是目前促進生物提取的有效手段之一。在0.8 W/cm2的超聲波強度下，超聲處理稻草粉溶液0、5、10、15、20、25、30 min，通過溶出后稻草粉的重量計算稻草粉的溶出率，結果如圖4所示。結果顯示，隨著超聲處理時間的延長，稻草可溶物的溶出率從3.4%逐漸提高到16.9%，這證明超聲處理可加速稻草粉內(nèi)容物的溶出。當超聲處理時間達到15 min后，稻草粉的溶出率增加變緩，這可能與前期稻草粉可溶物被大量溶出有關。

2.3 超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔組合對50 d總產(chǎn)氣量和CH4含量的影響

根據(jù)上述研究結果，選取超聲處理聲強為0.6、0.8、1.0 W/cm2，單次超聲處理時間為10、15、20 min，超聲處理時間間隔為30、50、70 min，設計三因素三水平的正交試驗進行厭氧發(fā)酵試驗研究。經(jīng)過50 d的厭氧發(fā)酵，各試驗組的產(chǎn)氣量及CH4含量如表1所示。

表1 超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔組合對產(chǎn)氣量的影響Table 1 Effect of combination of ultrasound intensity, single ultrasound treatment time and time interval on gas production

對表1中各組試驗所得產(chǎn)氣量平均值(K)的分析顯示，對秸稈厭氧發(fā)酵的影響，超聲處理聲強>單次超聲處理時間>超聲處理時間間隔，超聲處理聲強對產(chǎn)氣量的影響達到了顯著的程度(P>0.5)，其他因素的影響未達到顯著性程度。超聲處理聲強在1.0 W/cm2以內(nèi)，隨著聲強的增加，平均產(chǎn)氣量顯著增加，這與聲強對厭氧微生物生長發(fā)育的影響一致，超聲波可通過促進厭氧微生物的生長提高產(chǎn)氣量；單次超聲處理時間也與上述結果基本上一致，但單次超聲處理20 min的試驗組平均產(chǎn)氣量低于15 min組，這可能與厭氧發(fā)酵持續(xù)時間更長有關(在細菌培養(yǎng)試驗中僅處理了24 h)；超聲處理時間間隔對產(chǎn)氣量的影響最小，在50 min達到最大，這證明保證適宜的超聲處理時間間隔對提高產(chǎn)氣量有利。

對表1中各組試驗所得CH4含量平均值(C)的分析顯示，超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的CH4含量影響不大，CH4含量保持在56%～57%左右變化。綜合上述分析，超聲處理聲強、單次超聲處理時間及時間間隔的最優(yōu)組合為超聲處理強度1.0 W/cm2、單次超聲處理時間15 min和超聲處理時間間隔50 min。

2.4 低強度間歇超聲處理對秸稈厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量的影響

采用超聲處理強度1.0 W/cm2、單次超聲處理時間15 min、超聲處理時間間隔50 min的優(yōu)化組合進行秸稈的厭氧發(fā)酵，以不加超聲處理為對照，統(tǒng)計日產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量，結果如圖5、圖6所示。圖5顯示處理組與對照組的秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程相似，都有兩個產(chǎn)氣高峰，但超聲處理組的產(chǎn)氣高峰比對照組提前4～5 d，這與鄒書珍等[5]的研究結果一致。

超聲處理對產(chǎn)氣的CH4含量影響不大(圖6)，這與前面正交試驗的結果一致。在第一個產(chǎn)氣高峰，CH4含量較低，在50%以下，這對生產(chǎn)意義不大。在發(fā)酵進行到10 d以后，CH4含量基本上維持在55%以上，直到第40 d，CH4含量開始逐漸降低。第二個產(chǎn)氣高峰的CH4含量和產(chǎn)氣量基本上同步增高，是主要的產(chǎn)CH4時期。統(tǒng)計總產(chǎn)氣量，500 g稻草粉超聲處理厭氧發(fā)酵50 d產(chǎn)氣量可達67 350 mL，比對照組提高24.48%?？紤]沼氣中CH4含量，比對照組提高25.92%。結合上述研究結果，超聲處理可通過促進厭氧菌的生長、加速秸稈養(yǎng)分的溶出、改善發(fā)酵液的傳質作用，從而提高產(chǎn)氣效率。這與鄒書珍[5]、孫慶瑤等[14-16]的研究結果一致。

圖5 低強度間歇超聲處理對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響Fig.5 Effect of low intensity intermittent ultrasound treatment on gas production of anaerobic fermentation of straw

圖6 低強度間歇超聲處理對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣CH4含量的影響Fig.6 Effect of low intensity intermittent ultrasound treatment on CH4 content in gas produced by anaerobic fermentation of straw

3 結 論

本文研究了超聲處理對厭氧微生物生長發(fā)育、可溶物溶出度的影響，以及超聲處理強度、單次超聲處理時間及時間間隔對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量的影響，得出以下主要結論：

1)1.2 W/cm2的聲強以下，增加超聲波聲強可促進厭氧微生物的生長發(fā)育，但當聲強達到0.8 W/cm2后，超聲波對厭氧微生物生長的促進作用減弱；適度的超聲處理時間對提高生物量的效果較好，但長時間的超聲處理會抑制細菌的生長；0.8 W/cm2、30 min的超聲處理，秸稈的溶出率可提高13.5%。

2)優(yōu)化的超聲處理工藝參數(shù)為超聲處理強度1.0 W/cm2、單次超聲處理時間15 min、超聲處理時間間隔50 min。從整個發(fā)酵過程來看，超聲處理未帶來CH4含量的顯著變化，但使產(chǎn)氣高峰提前4～5 d，同時可提高總產(chǎn)氣量24.48%，提高CH4產(chǎn)量25.92%。超聲處理可通過促進厭氧菌的生長、加速秸稈養(yǎng)分的溶出、改善發(fā)酵液的傳質作用來提高產(chǎn)氣效率。