發酵原料水解率對CSTR反應器產氣率影響的研究

王 欣，劉 偉，徐曉秋，趙 嫻，王玉鵬，秦國輝，劉旭丹

（ 黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090）

0 引 言

《中國畜牧業年鑒2010》(高鴻賓等)公布的統計資料顯示［1］，2009年末奶牛存欄1260萬頭，牛糞便產生總量約23億噸，大量的牛糞便未得到及時處理，造成了極大的危害，帶來較為嚴重的環境生態壓力。厭氧消化生產沼氣是牛糞綜合利用的途徑之一，如何提高沼氣產率是研究重點。美國的IRaja等［2］首先提出了污水堿預處理方法;林志高等［3］研究了加堿預處理對中溫厭氧消化的影響;Lin等［4］利用NaOH對ABSI業產生的高含氮污水污泥進行堿解處理;Weemaes等［5－8］針對生物質的晶體結構復雜，不易直接被利用問題，采用切碎處理方法，減小物料的體積，增加其與發酵菌群的單位接觸面積，提高利用效率。

文中在牛糞高溫厭氧消化工藝的基礎上，研究發酵原料水解率對提高CSTR(全混式厭氧發酵反應器continuous stirred tank reactor)反應器產氣率影響，解決目前存在的CSTR反應器不能正常運行的問題(不產氣或產氣不穩定)，并對影響因素進行優化，提高現有厭氧發酵處理效率［5－8］。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與材料

以泰康鎮奶牛廣場的新鮮奶牛糞便為原料，綜合分析發酵原料主要成分的水解過程，確定料液水解率影響CSTR反應器中厭氧發酵產氣率的關鍵參數。通過研究投料濃度等因素對原料水解率的影響，控制料液pH值，提高產氣效率，防止CSTR反應器過度酸化中毒。

實驗所采用的IMUS牛糞高溫厭氧消化中試試驗裝置如圖1所示，該系統含有兩個100LCSTR反應器，一個200LCSTR反應器，伴熱帶加熱，外置式攪拌器定時攪拌，反應器內裝80L物料，由進料斗混合進料，料液中不添加接種物。纖維素、半纖維素、木質素的含量測定采用范氏(Van Soest)的洗滌纖維分析法。中性纖維素酶(顆粒)購自綿陽禾本生物工程有限公司，酶活10000 U/g。

圖1 實驗裝置

1.2 試驗方法設計

1.2.1 單因素試驗

(1)加酶量對總產氣率的影響:將新鮮牛糞分別按照8%投料濃度，分析料液中的纖維素、半纖維素和木質素的含量后，加入到CSTR反應器中(消化溫度53℃、周期14 d)，加酶量梯度為:0、800和、1000和、1200和、1400和，分析消化液中的纖維素、半纖維素和木質素的含量，確定其水解率，研究加酶量與產氣率之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。

(2)投料濃度對總產氣率的影響:將新鮮牛糞分別按照6、7、8、9、10、11、12 的投料濃度，加酶量1000 U/g，加入到CSTR反應器中(消化溫度53℃、周期14 d)，研究投料濃度與產氣率之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。

(3)加酶時間對總產氣率的影響:將新鮮牛糞分別按照8%投料濃度，加酶量1000 U/g，加入到CSTR反應器中(消化溫度53℃、周期14d)，研究在不同時間0、6、12、18和24加入纖維素酶與產氣率之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。

(4)攪拌時間對總產氣率的影響:將新鮮牛糞分別按照8%投料濃度，加酶量1000 U/g，加入到 CSTR反應器中(消化溫度53℃、周期14 d)，研究不同攪拌時間0、2、4、6和8與產氣率之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。

1.2.2 正交試驗

根據單因素實驗結果，選定各因素的水平，對加酶量、投料濃度、加酶時間、攪拌時間四因素選用L9(34)表，進行正交實驗，全面考察各因素對產氣率效果的影響，并通過極差分析獲得較優組合。

2 結果與分析

泰康鎮奶牛廣場的新鮮奶牛糞便的性質見表1。

表1 牛糞基本性質

2.1 單因素結果與分析

2.1.1 加酶量對總產氣率的影響

圖2 加酶量對總產氣率的影響

由上圖可知，加酶量在0～1000 U/g區間內，總產氣率呈穩步提高趨勢，而pH值則穩定在7.6左右，加酶量達到1000 U/g時，得到產氣率的最大值17.2 L/kg。加酶量超過1000 U/g時，總產氣量急劇下降，pH值也明顯下降，在加酶量為1400 U/g時，pH值為5.0，這時CSTR反應器酸化中毒。通過對原料纖維素、半纖維素、木質素發酵前后的含量進行分析(見表2，圖2)，可知纖維素、半纖維素、木質素的水解率均呈上升趨勢，加酶量越多，水解率越大，pH值越低，這是由于其加快了厭氧消化的水解速率，產酸過多所致，因此，過度提高厭氧消化限速階段的水解率是不可行的。綜上所述，選取加酶量800、1000和1200三個水平進行正交試驗。

表2 牛糞木質纖維素水解率

續表2 牛糞木質纖維素水解率

圖3 牛糞木質纖維素水解率

2.1.2 投料濃度對總產氣率的影響

如圖3所示，固含量在7% ～12% 時，總產氣率維持在16 L/kg左右，固含量在8%時達到最大產氣率17 L/kg，而固含量對pH值的影響不大，故選取固含量7%、8%、9%三個水平進行正交試驗。

圖4 投料濃度對總產氣率的影響

2.1.3 加酶時間對總產氣率的影響

如圖2.4所示，加酶時間在0～6 h內，總產氣率越來越高，說明越早加酶越有利于牛糞木質纖維素的分解，使總產氣率提高。然而在6～24 h內牛糞木質纖維素的分解率雖然提高了，但是總產氣率相對減少，分析原因是由于木質纖維素分解過快，產酸過多，抑制了甲烷菌的生長，故選取0、6和12 h三個水平進行正交試驗。

圖5 加酶時間對總產氣率的影響

2.1.4 攪拌時間對總產氣率的影響

隨著每天攪拌時間的延長，總產氣率也隨之增加，而對pH的影響不大。但是在不攪拌的情況下，總產氣率較每天攪拌2 h的實驗組高，原因可能是在厭氧消化過程的初始階段，罐內還處于好氧階段，抑制了罐內液面處甲烷菌的生長，如果這時攪拌開啟，會使更多的甲烷菌受到抑制，所以在進料初期不宜攪拌，而在厭氧消化后期，則是攪拌時間越長越有利于甲烷菌與底物之間地作用面積，故選取4、6和8h三個水平進行正交試驗。

圖6 攪拌時間對總產氣率的影響

2.2 正交試驗結果及分析

以前述四項因子實驗分析結果為基礎，進行正交試驗，并進行極差分析。表3是正交試驗方案和結果。由極差分析可知，各因素對總產氣率影響的大小順序為B＞A＞C＞D，即投料濃度＞加酶量＞加酶時間＞攪拌時間。最佳的因素水平組合為A2B2C2D3，即投料濃度8%、加酶量1000 U/g、加酶時間6 h、攪拌時間8 h。以此結果進行驗證實驗，結果為Y=17.55，與Ymax相差不大，因此可以認為模型是可靠的，通過上式得到的最優工藝參數是準確的。

表3 正交實驗方案及結果

3 結論

文中利用畜禽糞便進行厭氧發酵生產沼氣，不僅可以從源頭上減少焚燒干牛糞所帶來的環境污染，并且可以產生大量的有機生態肥——沼渣，施用沼渣可很好的改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，減少使用化學肥料所帶來的環境污染，加快生態農業建設。另外，通過高溫厭氧發酵能殺死畜禽糞便中的病原蟲卵，避免畜禽糞便直接還田所產生的作物病蟲害等問題。本實驗通過研究發酵原料水解率對提高CSTR反應器產氣率的影響，得到最優工藝條件組合:加酶量1000 U/g;投料濃度8%;加酶時間6 h;攪拌時間8 h。為充分發揮現有工藝設施的潛力，進一步提高我國的畜禽糞便綜合處理效率，實現沼氣工程的工業化生產，特別是對牛糞作為發酵原料的大型沼氣工程提供基礎參考數據。

［1］高鴻賓.中國畜牧業年鑒［M］.北京:中國農業出版社，2010，11:1－2.

［2］Chen S，Liu J H，Pan J Y，et a1.Studies on utilizing the multi-strains cofermentation for biotransformation of coin straw［J］.Biotechnology 1999，9(4):15 －20.

［3］鄭曉芬，陳勝一，林志高.都市下水污泥應用于綠農地利用與資源化之可行性研究.第七屆海峽兩岸環境保護學術研討會，2001.

［4］劉艷慧，王靜，葉鳳芬，等.昆明市庭院排水管網雨污分流改造工程初探［J］.森林工程，2011，27(3):74－76.

［5］Barnett A.1978.Biogas technology in the third world:a multidisciplinary Review IDRC，Ottawa，Canada.51.

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