厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響

付善飛，許曉暉，師曉爽，趙玉中，王傳水，郭榮波

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厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響

付善飛1,2，許曉暉1，師曉爽1，趙玉中1,2，王傳水1，郭榮波1

（1中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東省沼氣工業化生產與利用工程實驗室，山東青島 266101；2中國科學院大學，北京100049）

基于厭氧發酵起始階段的氧供應量控制，研究了厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響。當氧氣供應量為10 ml·(g VS)-1時，甲烷產量達到最大為299.8 ml·(g VS)-1，相對于不做處理的樣品甲烷產量提高了8.4%。但是，氧氣供應量的繼續提高并沒有帶來甲烷產量的升高，當氧氣供應量大于40 ml·(g VS)-1時，甲烷產量相對于不做處理的秸稈樣品輕微下降。modified first order equation 模型擬合分析表明起始階段微好氧處理可以加快底物的水解速度，但氧氣供應量過大會延長厭氧發酵的延滯時間。另外，經過起始階段通氧處理，秸稈厭氧發酵的VS降解率也有所提高。

厭氧發酵；通氧；甲烷；modified first order equation 分析；VS降解率

引 言

玉米秸稈含有大量的纖維素、半纖維素、木質素等成分，是一種主要的農業廢棄物[1]。在中國，每年產生玉米秸稈21.6億噸，并且大約一半的玉米秸稈沒有充分利用[2]。厭氧發酵技術是處理玉米秸稈等農業廢棄物的理想手段，因為它在解決農業廢棄物的同時也產生有機肥、沼氣等附加品。但是玉米秸稈中纖維素、木質素和半纖維素成分相互纏繞形成致密的結構，阻礙了厭氧發酵過程中纖維素酶等對纖維素結構的水解[3]。因此，水解階段通常被認為是厭氧發酵的限速步驟[4]。纖維素類底物進行厭氧發酵前通常需要進行預處理，實驗室常見的預處理方法主要有物理預處理、化學預處理、生物預處理及多種預處理手段結合[5]。但是，這些傳統的預處理手段往往會需要額外的化學藥品或能量供應[6]。

有研究表明，纖維素類物質的水解速率在氧存在的情況下明顯加快，因此微好氧處理可作為一種處理手段加快纖維素類物質的厭氧發酵進程[7]。相對于其他的預處理手段，微好氧處理更加經濟環保，僅僅需要對反應體系引入少量的氧或空氣。有研究表明，微好氧預處理可以顯著提高厭氧發酵系統的甲烷產量：在研究波羅麻漿厭氧發酵時，Mshandete等[8]發現，在波羅麻漿液厭氧發酵前進行9 h的好氧預處理，其甲烷產量提高了26%；在研究微好氧預處理對淀粉厭氧發酵影響時，Botheju等[9]發現，微好氧預處理階段氧氣用量為0～16%（基于COD）時，甲烷產量提高了30%～55%；在處理餐廚垃圾時，Lim等[6]發現當氧氣用量為37.5 ml·L-1·d-1甲烷產量提高了10%～21%。有的研究表明微好氧預處理可以提高體系的水解效率，但對甲烷產量沒有明顯影響：在研究微好氧預處理對纖維素水解動力學影響時，Diaz等[10]發現對反應體系每天通入10 ml O2，甲烷產量基本沒有影響，但是纖維素的水解速度明顯提高。

當使用微好氧作為處理手段時，處理階段氧氣的供應量尤為重要，因為過量的氧氣會抑制產甲烷菌的活動，降低甲烷產量[11]。過量的氧氣會直接氧化一部分底物，降低甲烷產量。因此，需要進行微好氧處理階段氧氣供應量的優化。

在已有研究中，微好氧處理主要應用于污泥、餐廚垃圾、淀粉等易降解底物，對于玉米秸稈等纖維素類物質研究較少。本研究討論了厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響，并結合厭氧發酵過程中的pH、氨氮、SCOD及累計甲烷產量、VS降解率等參數變化研究了微好氧處理對玉米秸稈厭氧發酵的影響。以期為微好氧處理的應用提供研究基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗中所用的接種物為活性污泥，取自青島市團島污水處理廠。接種物的TS為6.64%，VS為70.62%（基于TS）。試驗中底物為自然風干的玉米秸稈，從青島平度市玉米地收集而得，并用粉碎機粉碎至粒徑0.5 cm左右，玉米秸稈的TS和VS分別為92.44%、93.44%；纖維素、半纖維素、木質素含量分別為45.43%、22.73%、10.79%（基于TS）；碳氮比、碳氫比分別為28.97、7.73（質量比）。

1.2 試驗裝置及運行方法

厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響試驗以300 ml點滴瓶為反應器，工作體積200 ml，每組試驗設置3個平行測試。試驗裝置如圖1所示。每組發酵瓶中加入秸稈5.77 g（濕重）、污泥40.2 g（濕重）。同時，為防止發酵過程中酸化，每個發酵瓶用營養液[12]補至體積200 ml。營養液組分為：每1 L體積中含有NH4Cl 1 g、NaCl 0.1 g、MgCl2·6H2O 0.1 g、CaCl2·2H2O 0.05 g、K2HPO4·3H2O 2 g、NaHCO32.6 g、L-半胱氨酸鹽酸鹽0.5 g。試驗開始前用純N2曝氣5 min，以保證體系的厭氧條件，然后壓蓋密封。厭氧發酵起始階段通氧處理在厭氧發酵開始的前4 d進行，每組反應瓶每天用針管注入0、12.5、50、100、150 ml 氧氣（標況下）以達到微好氧處理階段氧氣供應量分別為0、10、40、80、120 ml·(g VS)-1。發酵瓶置于恒溫水浴搖床內，發酵溫度為(37±1)℃，轉速為120 r·min-1。

1.3 試驗測定參數及方法

沼氣產量測定采用排水法，甲烷濃度測定采用SP-6890 型氣相色譜儀（山東魯南瑞虹化工儀器有限公司），熱導檢測器(TCD)，柱溫50℃，汽化室溫度100℃，檢測器溫度80℃，載氣為氬氣，進樣量0.4 ml，纖維素、半纖維素、木質素含量采用范氏(Van Soest) 纖維素方法測定[13]，TS、VS 采用標準方法測定[14]，C、H、N 和S 含量由元素分析儀測定（vario EL cubo），SCOD、氨氮測定采用分光光度法（721可見光分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司）。

2 結果與討論

2.1 對玉米秸稈累計甲烷產量的影響及數學模型分析

2.1.1 累計甲烷產量 累計甲烷產量是衡量秸稈厭氧發酵產沼氣效果的最重要指標，玉米秸稈厭氧發酵的累計甲烷產量如圖2所示。試驗中累計甲烷產量在256.6～299.8 ml·(g VS)-1之間，當氧氣供應量為10 ml·(g VS)-1時，累計甲烷產量達到最大，為299.8 ml·(g VS)-1。相對于不做處理的對照組，其甲烷產量提高了8.4%。但是，甲烷產量并不隨著氧氣供應量的增加而增大，當氧氣供應量超過40 ml·(g VS)-1時，厭氧發酵起始階段通氧反而會降低累計甲烷產量。本研究中，當氧氣供應量為120 ml·(g VS)-1時累計甲烷產量最低，為256.6 ml·(g VS)-1，相對于對照組其累計甲烷產量降低了7.2%。這與Botheju等[15]的發現一致：厭氧發酵起始階段通氧在一定的氧氣供應量范圍之內可以提高秸稈厭氧發酵的甲烷產量，當氧氣供應量超過一定范圍時，反而會降低甲烷產量，這是因為雖然某些產甲烷菌對氧氣有一定的耐受性，但氧氣濃度超過一定范圍會影響產甲烷菌的活性[16]，并且當氧氣供應過剩時，會將一部分的底物直接氧化生成二氧化碳[6]。

2.1.2 累計甲烷產量的modified first order equation分析 本研究選取modified first order equation來分析厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈厭氧發酵的累計甲烷產量、延滯期及水解常數的影響。modified first order equation經常被用于厭氧發酵過程中的累計甲烷產量、厭氧發酵的延滯期及水解常數的分析[10]。

修正后的modified first order equation為

()=∞exp{1-exp[-H(-p)]} (1)

式中，()表示厭氧發酵過程中的累計甲烷產量，ml·(g VS)-1；∞表示最大產甲烷潛力，ml·(g VS)-1，H表示水解常數，d-1；p表示厭氧發酵的延滯時間，d；表示體系運行時間，d。表1給出modified first order equation 模型擬合的各種參數值。從表1可以看出，modified first order equation模擬分析的相關系數2均大于0.99，這表示模擬的參數可以解釋厭氧發酵過程中99%以上的數據[17]。水解常數H表示厭氧發酵過程中底物的水解速率，從表1中可以看出，經過厭氧發酵起始階段通氧處理組的水解常數H均小于不做預處理的對照組，這表明厭氧發酵起始階段通氧可以加快底物的水解速率。p表示厭氧發酵的延滯時間，從表中可以看出M3和M4有明顯的延滯期，這是因為在氧氣供應過量的情況下，產甲烷菌的活性受到抑制從而阻礙了甲烷的產生。這與Diaz等[10]研究微好氧預處理對纖維素水解動力學時所得到的結果一致，厭氧發酵起始階段通氧可以加快底物的水解速度，但是過剩的氧氣供應會延長厭氧發酵的延滯時間。

表1 Modified first order equation模型擬合參數Table 1 Fitting parameters of modified first order equation

2.2 玉米秸稈厭氧發酵過程中的pH、SCOD及氨氮變化

2.2.1 厭氧發酵過程中pH變化 pH是厭氧發酵產沼氣過程中的重要控制參數，pH直接影響著厭氧微生物的物質代謝和生命活動。沼氣微生物的生長、繁殖要求發酵原料的酸堿度保持中性，或者微偏堿性，酸和堿性條件都會影響產氣。一般情況下，pH為6～8，均能正常產氣，以pH為6.5～7.5 產氣量最高，pH低于6或高于9 時均不利于沼氣的產生[18]。圖3表示厭氧發酵過程中pH變化曲線，從圖中可以看出，試驗中pH在6.9～8.3之間，始終處于一個合理的范圍。所有的pH在微好氧預處理結束時達到最低，pH的降低與預處理階段VFA的積累有關（圖4）。當氧氣供應量為120 ml·(g VS)-1時，其pH達到最低，這可能是因為氧氣供應量較大時，體系中好氧菌及兼性厭氧菌更加活躍產生更多的有機酸，氧氣抑制了甲烷生成菌等厭氧菌的活性造成了有機酸的積累。試驗組M1和M2的pH都大于對照組，可能是由于在極微量氧情況下，有機酸被消耗生成甲烷及二氧化碳造成了pH的升高（圖4）。

2.2.2 SCOD變化曲線 SCOD是表示體系中物質溶解程度的參數[8]。圖5表示厭氧發酵過程中SCOD的變化曲線。從圖中可以看出，微好氧處理結束后，AN、M1和M2的SCOD達到最大，然后快速下降。其中當氧氣供應量為10 ml·(g VS)-1時，SCOD達到最大，其相對于對照組提高了20%，這表明在微量氧存在的情況下，更多的底物被水解。試驗組M3和M4的SCOD值小于對照組，其可能因為在氧氣供應過量的情況下，一部分的SCOD在微好氧預處理過程中被好氧菌或兼性厭氧菌直接氧化[19]。

2.2.3 氨氮變化曲線 在厭氧發酵過程中，蛋白質可被轉化成銨根離子或者環狀化合物（如吡啶類、吡咯類）[20]。溶解的銨根離子會對厭氧發酵過程形成兩方面的影響：一方面，適量的銨根離子是厭氧發酵中菌生長的氮源并組成發酵體系的緩沖體系；另一方面，銨根離子是厭氧發酵過程的主要抑制因子[20-21]。圖6是厭氧發酵過程中氨氮濃度變化曲線。在微好氧預處理結束后，試驗組的氨氮濃度均高于對照組，并且隨著氧氣供應量提高氨氮濃度也相應提高。這可能是因為在有氧的情況下，更多的蛋白質被轉化成銨根離子。隨后氨氮濃度輕微下降，這可能是因為體系中厭氧發酵菌的生長消耗了一部分的銨根離子。隨著試驗的進行，更多的含氮有機物被分解轉化，銨根離子的濃度也隨之升高，但其始終維持在一個合適的范圍之內。

2.3 底物VS降解率、沼氣中平均甲烷含量與氧氣供應量的關系

圖7表示底物VS降解率、沼氣中平均甲烷含量與氧氣供應量之間變化關系。從圖中可以看出，隨著氧氣供應量的提高，底物的VS降解率隨之提高。當氧氣供應量最大達到120 ml·(g VS)-1時，底物的VS降解率也達到最大為61.3%，相對于對照組提高了8.3%。底物的VS降解率也是衡量厭氧發酵過程的一個重要參數，高的底物VS 降解率反映了更多的底物在厭氧發酵過程中被降解[1]。這將有利于厭氧發酵工程中，厭氧發酵殘留物的減量。當氧氣供應量為10 ml·(g VS)-1時，沼氣中平均甲烷含量達到最大為51.3%，隨著氧氣供應量的增加沼氣中平均甲烷含量出現降低。當氧氣供應量超過40 ml·(g VS)-1時，厭氧發酵初始階段通氧會降低沼氣中的平均甲烷含量，這可能與好氧菌及兼性厭氧菌的增殖，生成更多二氧化碳有關。

3 結 論

厭氧發酵起始階段通氧可以提高玉米秸稈累計甲烷產量：當玉米秸稈厭氧發酵的初始階段通氧的負荷量為10 ml·(g VS)-1時，其累計產甲烷量可達到299.8 ml·(g VS)-1，相對于不做處理的對照組，其甲烷產量提高了8.4%；但是當氧氣供應量超過40 ml·(g VS)-1時，厭氧發酵起始階段通氧會降低玉米秸稈厭氧發酵的累計甲烷產量。

厭氧發酵起始階段通氧可以加快玉米秸稈的水解速度，但過多的氧氣供應會延長厭氧發酵的延滯期。

厭氧發酵起始階段通氧可以提高玉米秸稈的VS降解率，在氧氣供應量10～120 ml·(g VS)-1范圍內，玉米秸稈VS降解率隨氧氣供應量的提高而升高。

符 號 說 明

COD——化學需氧量（chemical oxygen demand） SCOD——可溶性化學需氧量（soluble chemical oxygen demand） TS——總固體（total solids） VS——揮發性固體（volatile solids）

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Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw

FU Shanfei1,2，XUXiaohui1，SHI Xiaoshuang1，ZHAO Yuzhong1,2，WANG Chuanshui1，GUO Rongbo1

（Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess TechnologyChinese Academy of SciencesQingdaoShandongChina；University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina

In this study, the effect of oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw was investigated in batch-tests. Cumulative methane yields were between 256.6 and 299.8 ml·(g VS)-1. Maximum methane yield was obtained at oxygen load of 10 ml·(g VS)-1, which was 8.4% higher than that of the untreated sample. When oxygen loads exceeded 40 ml·(g VS)-1, slightly negative effect on methane yield was observed. The modified first order equation analysis indicated that oxygen supply treatment at the initial stage could accelerate hydrolysis of substrate. However, excessive oxygen supply during treatment might prolong the lag-phase time of anaerobic digestion.In addition, oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion could increase volatile solids degradation of corn straw.

anaerobic digestion; oxygen supply; methane; modified first order equationanalysis; volatile solids degradation

2014-09-24.

Prof.GUO Rongbo, guorb@qibebt.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141447

X 705

A

0438—1157（2015）03—1111—06

國家自然科學基金項目（31101918，21307143）；國家高技術研究發展計劃項目（2012AA052103）；國家科技支撐計劃課題（2013BAD22B03）；中國科學院重點部署項目（KGCX2-EW-317）；山東省沼氣工業化生產與利用工程實驗室項目。

2014-09-24收到初稿，2014-11-13收到修改稿。

聯系人：郭榮波。第一作者：付善飛（1989—），男，碩士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (31101918,21307143), the National High Technology Research and Development Program of China（2012AA052103）, the National Science and Technology Support Program(2013BAD22B03), the Chinese Academy of Sciences Key Deployment Project (KGCX2-EW-317) and the Shandong Industrial Engineering Laboratory of Biogas Production and Utilization.