童 歡， Akiber Chufo Wachemo，2， 袁海榮， 李秀金

（1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029； 2.阿爾巴門奇大學(xué) 供水與環(huán)境工程系， 格穆戈法州 阿爾巴明奇4400）

0 引言

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2015-2017 年主要糧食作物的秸稈年產(chǎn)量約為8.1 億t，其中玉米秸稈年產(chǎn)量為3.3～3.4 億t[1]，[2]。 對(duì)于年產(chǎn)量巨大的農(nóng)作物秸稈，急需有效的處理處置方法。 厭氧發(fā)酵作為生物質(zhì)廢棄物資源化利用的有效技術(shù)手段之一，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物秸稈的處理過程[3]，[4]。厭氧發(fā)酵的基礎(chǔ)理論研究表明，厭氧發(fā)酵過程中參與反應(yīng)的微生物主要包括水解酸化菌和甲烷化菌，其中水解酸化菌參與的水解酸化過程是厭氧發(fā)酵的限速步驟。Ghosh S 提出的兩相厭氧發(fā)酵的處理方法， 使水解酸化和甲烷化在各自最佳的條件下運(yùn)行，具有提高容積負(fù)荷率以及增加系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[5]。

目前，有關(guān)水解酸化條件優(yōu)化的研究多以污泥、污水、畜禽糞便和餐廚為原料[6]，[7]。以玉米秸稈為原料的厭氧發(fā)酵研究多集中于玉米秸稈的預(yù)處理以及單相甲烷化的運(yùn)行工藝，關(guān)于玉米秸稈水解酸化條件優(yōu)化的研究較少[3]，[4]。可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）和揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)水解酸化的效果，其中，VFAs 作為水解酸化階段和甲烷化階段的紐帶，是評(píng)價(jià)水解酸化結(jié)果的重要指標(biāo)[8]。 為對(duì)酸化相進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，還須要考察酸化相的產(chǎn)氣情況以及pH 值的變化規(guī)律。本研究的目的是通過批式的厭氧酸化試驗(yàn)，以酸化相的產(chǎn)氣情況、SCOD，VFAs 濃度以及pH值等為考察指標(biāo)， 考察溫度對(duì)玉米秸稈水解酸化性能的影響，并篩選出最佳的酸化條件。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈取自北京市延慶區(qū)， 玉米秸稈經(jīng)晾曬風(fēng)干，用鍘刀切成5～10 cm 的小段，再用粉碎機(jī)粉碎并過20 目的標(biāo)準(zhǔn)篩后，裝袋后置于陰涼干燥處備用。 接種物取自北京市順義區(qū)某豬糞厭氧消化沼氣站，取回后靜置一周，倒掉上清液備用。 玉米秸稈和接種物的基本性質(zhì)見表1。

表1 玉米秸稈和接種物的基本性質(zhì)Table 1 Characteristic of corn straw and inoculum

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的批式試驗(yàn)裝置如圖1 所示。 從圖1 可以看出，批式試驗(yàn)裝置主要由反應(yīng)裝置（由恒溫水箱、500 mL 葡萄糖瓶以及丁基橡膠塞組成）和排氣裝置（由輸液針管、量筒和水槽組成）兩部分構(gòu)成。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米秸稈的有機(jī)負(fù)荷 （以TS 的質(zhì)量計(jì)，下同）為60 g/L，接種量為12 g/L，試驗(yàn)周期為7 d，恒溫水箱的溫度分別設(shè)置為35，40，45 ℃，每24 h取樣測(cè)定一次酸化相的各項(xiàng)參數(shù)， 每組設(shè)置3 個(gè)平行。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及分析方法

以排水集氣法收集氣體，每日測(cè)定產(chǎn)氣量；采用SP-2100 型氣相色譜儀測(cè)定氣體組分，色譜柱為TDX-02 分子篩填充柱（2 mm×4 mm），檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），載氣為高純氬氣，柱前壓為0.6～0.9 MPa，色譜條件：進(jìn)樣器溫度為150 ℃、檢測(cè)器溫度為150 ℃和柱箱溫度為140 ℃； 采用島津GC-2014 型氣相色譜儀測(cè)定VFAs 濃度和乙醇含量，色譜柱為DB-WAX 毛細(xì)色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）， 檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器 （FID）， 載氣為高純氮?dú)猓?柱前壓為0.6～0.9 MPa， 色譜條件： 進(jìn)樣口和檢測(cè)器溫度均為250℃，柱溫采用程序升溫，初始溫度為100 ℃，保持3 min， 再以10 ℃/min 的升溫速率逐漸升溫至180℃，并保持2 min；采用梅特勒-托利多FE-28 型酸度計(jì)測(cè)定pH 值；SCOD 的測(cè)定參考GB1194-1989；采用差重法測(cè)定TS（于105 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥器中烘干至恒重）和VS（于600 ℃的馬弗爐中灼燒3 h）的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸化溫度對(duì)產(chǎn)氣量及氣體組分的影響

2.1.1 氣體產(chǎn)量的變化

圖2 酸化溫度對(duì)產(chǎn)酸相日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響Fig.2 Influence of acidification temperature on daily and cumulative biogas yield

玉米秸稈水解酸化過程中日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的變化規(guī)律如圖2 所示。從圖2 可以看出，當(dāng)酸化溫度為35 ℃和40 ℃時(shí)， 產(chǎn)氣主要集中在水解酸化的第1，2 天， 第3～7 天只產(chǎn)生少量氣體，這與文獻(xiàn)[9]中的產(chǎn)氣趨勢(shì)相似。 這種產(chǎn)氣趨勢(shì)的形成可能是由于在酸化的第1，2 天， 各反應(yīng)器中產(chǎn)生大量的CO2和H2以及大量的VFAs， 并由此導(dǎo)致系統(tǒng)的pH 值下降，降低了微生物的活性，從而導(dǎo)致第3～7 天的產(chǎn)氣量減少。 當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)， 第1～4 天的產(chǎn)氣趨勢(shì)與酸化溫度為35℃和40 ℃時(shí)相同，第5～7 天的產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。 當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，累積產(chǎn)氣量?jī)H為酸化溫度為40 ℃和45 ℃時(shí)的1/3 左右，表明在此溫度下，微生物的活性比40 ℃和45 ℃時(shí)低。在7 d 的試驗(yàn)周期內(nèi)， 當(dāng)酸化溫度分別為35，40，45 ℃時(shí)， 系統(tǒng)的累積產(chǎn)氣量分別為5.0，10.6，13.8 mL/g。

2.1.2 氣體組分的變化

圖3 展示了酸化溫度對(duì)酸化相產(chǎn)生氣體的組分的影響。

圖3 酸化溫度對(duì)氣體組分的影響Fig.3 Effect of acidification temperature on biogas composition

從圖3 可以看出： 當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，H2含量在第1 天達(dá)到峰值（10.2%），在第7 天降低至0.2%；CO2含量的變化趨勢(shì)與H2相反，CO2含量由56.3%逐漸上升至87.3%； 在第1～6 天未檢出CH4，在第7 天CH4含量達(dá)到1.9%。當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)，H2含量在第2 天達(dá)到峰值（36.7%），在第3～7 天緩慢下降至12.3%；CO2含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)， 由48.2%上升至85.5%；CH4含量在第1，2 天分別為0.5%和0.7%， 在第3～7 天未檢出CH4。 當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)，H2含量在第1 天達(dá)到峰值（29.3%），在第2，3 天迅速下降至3.12%；CO2含量從第1 天的62.8%迅速上升至第4 天的88.1%，從第5 天起，CO2含量逐漸下降；CH4含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，第7 天時(shí)為20.4%，此時(shí)總產(chǎn)氣量也迅速上升， 這表明在此溫度下酸化相已開始出現(xiàn)甲烷化趨勢(shì)。當(dāng)酸化溫度為40 ℃和45 ℃時(shí)，酸化相產(chǎn)生的氣體以H2和CO2為主，且CO2含量始終大于50%。 此外，發(fā)酵周期內(nèi)的H2含量均有逐漸下降的趨勢(shì)，而此時(shí)的CH4含量沒有上升，表明H2可能被嗜氫產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)化為酸[11]。對(duì)比3種酸化溫度下的氣體組分變化可知， 在相同的氫分壓下（第3～7 天），45 ℃時(shí)的CH4含量逐漸增加至20.4%，表明產(chǎn)甲烷菌的活性在45 ℃時(shí)更高[12]。

2.2 酸化溫度對(duì)SCOD 的影響

水解過程是木質(zhì)纖維素等不可溶的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性糖類等物質(zhì)的過程， 是水解酸化的第一步。 酸化液中SCOD 可以表征水解產(chǎn)物的產(chǎn)量。 圖4 展示了不同溫度下玉米秸稈水解酸化液中SCOD 的變化情況。從圖4 可以看出：當(dāng)酸化溫度為35 ℃和40 ℃時(shí)，SCOD 在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)基本維持在相同的水平，這表明第2～7 天水解反應(yīng)幾乎不再進(jìn)行；當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，SCOD 呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，即在發(fā)酵周期內(nèi)水解反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；當(dāng)酸化溫度為40℃時(shí)，水解液的平均SCOD 最高（12 755 mg/L），當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，水解液的平均SCOD 最低（9 732 mg/L）； 當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)， 水解液的SCOD 比35 ℃時(shí)提高了26.2%～33.7%，比45 ℃時(shí)提高了31.6%～3.3%（第1～6 天）； 當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)，第7 天水解液的SCOD 為13 569 mg/L，比40 ℃時(shí)提高了7.95%，但結(jié)合產(chǎn)氣情況可知，此時(shí)的酸化相已進(jìn)入甲烷化階段，與試驗(yàn)?zāi)康南噙`背。綜上分析認(rèn)為，在本文的試驗(yàn)條件下，玉米秸稈的水解效率沒有隨著酸化溫度的升高而持續(xù)增長(zhǎng)，而是在酸化溫度為40 ℃時(shí)達(dá)到峰值，即酸化溫度為40 ℃時(shí)，玉米秸稈的水解產(chǎn)物最多。

圖4 酸化溫度對(duì)SCOD 的影響Fig.4 Effect of acidification temperature on SCOD

2.3 酸化溫度對(duì)玉米秸稈產(chǎn)酸特性的影響

2.3.1pH 值的變化

pH 值對(duì)水解酸化的進(jìn)程有較大的影響，主要包括對(duì)水解酸化菌代謝和生長(zhǎng)速率的影響以及對(duì)產(chǎn)酸類型的影響。 表2 比較了酸化溫度對(duì)pH 值變化規(guī)律的影響。 由表2 可知，水解酸化的第1 天，酸化溫度分別為35，40，45 ℃的酸化相的pH 值由初始的7.82±0.05 分別迅速下降至5.29，5.51，5.69，第2～7 天呈現(xiàn)出不同趨勢(shì)的緩慢下降。這是由于在酸化的第1，2 天， 各酸化相產(chǎn)生了大量的VFAs，導(dǎo)致系統(tǒng)的pH 值迅速下降，對(duì)產(chǎn)酸細(xì)菌的代謝活性產(chǎn)生了抑制， 從而使得各酸化相的pH值基本趨于穩(wěn)定，因此，可以基本確定玉米秸稈水解酸化的較佳時(shí)間為1，2 d[13]，[14]。

表2 酸化溫度對(duì)pH 值的影響Table 2 Effect of acidification temperature on pH values

2.3.2VFAs 濃度以及組成的變化

圖5 酸化溫度對(duì)VFAs 濃度的影響Fig.5 EffectofacidificationtemperatureonVFAsconcentration

VFAs 是玉米秸稈水解酸化的主要產(chǎn)物以及甲烷化的底物，VFAs 濃度關(guān)系到后續(xù)甲烷化的穩(wěn)定運(yùn)行以及甲烷產(chǎn)量的大小。 酸化溫度對(duì)VFAs濃度的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出，當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)，VFAs 濃度最高， 當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，VFAs 濃度最低，這與SCOD 的變化情況相似。在發(fā)酵周期內(nèi)，酸化溫度為40 ℃時(shí)的VFAs濃度比酸化溫度為35 ℃時(shí)的VFAs 濃度提高了29.9%～103.4%，比酸化溫度為45 ℃時(shí)的VFAs 濃度提高了7.8%～49.4%， 這表明在酸化溫度為40℃的條件下，VFAs 的產(chǎn)量高于其他兩個(gè)溫度條件。將VFAs 濃度通過系數(shù)轉(zhuǎn)換為COD 當(dāng)量， 記為CODVFAs，CODVFAs與SCOD 的比值定義為酸化相的酸化率，即VFAs 所貢獻(xiàn)的COD[15]。 當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)， 酸化相的酸化率由30.7%逐漸增加至66.5%；當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)，酸化相的酸化率由48.1%上升至70.2%；當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)，酸化相的酸化率由41.6%上升至60.7%。 這進(jìn)一步表明，在酸化溫度為40 ℃的條件下，玉米秸稈水解及酸化的效果均優(yōu)于酸化溫度為35 ℃和45 ℃時(shí)。 在3 個(gè)溫度條件下，VFAs 濃度均在發(fā)酵周期內(nèi)呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)， 但第2～7 天的VFAs 濃度日增長(zhǎng)量較低，第1 天的VFAs 濃度可達(dá)到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的45.8%～66.3%。 這可能是產(chǎn)酸速率過快以及系統(tǒng)pH 值的下降對(duì)產(chǎn)酸菌的活性產(chǎn)生了抑制所致[13]。 由于第2～7 天的VFAs 濃度日增長(zhǎng)量較低，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，日均VFAs產(chǎn)率逐漸降低， 即產(chǎn)酸效率隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。 此外，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，丙酸的濃度逐漸升高， 這進(jìn)一步表明較長(zhǎng)的酸化時(shí)間不利于酸化效率的提高。

乙酸和丁酸是更易被產(chǎn)甲烷菌所利用的中間產(chǎn)物， 丙酸是最不易被利用的揮發(fā)性脂肪酸，因此，VFAs 的組成也是評(píng)價(jià)酸化結(jié)果好壞的重要指標(biāo)[8]。 在本試驗(yàn)中，乙酸、丁酸和丙酸含量之和占VFAs 總量的85%～92%， 是VFAs 的主要組成部分。

圖6 酸化溫度對(duì)乙酸和丁酸含量之和以及丙酸含量的影響Fig.6 Influence of acidification temperature on the sum of acetic acid and butyric acid content，propionic acid content

圖6 展示了酸化溫度對(duì)乙酸和丁酸含量之和以及丙酸含量的影響。從圖6 可以看出，在3 個(gè)酸化溫度條件下， 乙酸和丁酸含量之和的變化均與丙酸含量的變化成反比； 當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，乙酸和丁酸含量之和最低，且隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而降低至57.8%，丙酸含量最高，且隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高至27.6%；當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)，乙酸和丁酸含量之和為85.2%～91.4%，丙酸含量為0.9%～4.2%；當(dāng)酸化溫度為45 ℃時(shí)，乙酸和丁酸含量之和為79.7%～85.4%，丙酸含量為6.3%～8.5%。 這表明，酸化溫度對(duì)VFAs 的組成以及產(chǎn)酸代謝類型有影響，當(dāng)酸化溫度為35 ℃時(shí)，產(chǎn)丙酸的微生物活性較高， 當(dāng)酸化溫度為40 ℃和45℃時(shí)，產(chǎn)乙酸和丁酸的微生物的活性更高。

3 結(jié)論

當(dāng)酸化溫度為40 ℃時(shí)，玉米秸稈厭氧水解酸化的效果優(yōu)于酸化溫度為35 ℃和45 ℃時(shí)的酸化效果，玉米秸稈水解酸化產(chǎn)生的氣體以H2和CO2為主，酸化相的pH 值為5.14～5.51，VFAs 中乙酸和丁酸含量之和占VFAs 總量的85.2%～91.4%，此時(shí)酸化相進(jìn)行的是有利于甲烷化的丁酸型發(fā)酵；在3 種酸化溫度下，乙酸和丁酸含量之和的變化均與丙酸含量的變化呈反比；當(dāng)酸化溫度為35℃時(shí)，產(chǎn)丙酸的微生物活性更高，丙酸含量最高可達(dá)到27.6%。