pH值調控對秸稈兩階段厭氧發酵產沼氣的影響

陳廣銀，曹杰,，葉小梅，杜靜，常志州

1. 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，江蘇 南京 210014；2. 農業部南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014

pH值調控對秸稈兩階段厭氧發酵產沼氣的影響

陳廣銀1，曹杰1,2，葉小梅1，杜靜1，常志州1

1. 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，江蘇 南京 210014；2. 農業部南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014

兩階段厭氧發酵產沼氣是秸稈沼氣化利用的重要方式之一。秸稈厭氧發酵過程包括水解產酸和產甲烷兩個階段，水解產酸是秸稈沼氣化的限速步驟，也是目前的研究重點。pH值是影響物料水解產酸的重要因素，目前的研究多集中于酸性環境對物料水解產酸的影響，堿性環境對物料水解產酸的影響還未見研究報道。在實驗室條件下，每天調節水解產酸反應器發酵液pH值至8.0（T1）、9.5（T2）和11.0（T3），CK在實驗過程中不調節水解產酸反應器發酵液pH值，水解產酸反應器排出的水解酸化液直接用蠕動泵泵入產甲烷反應器內產甲烷，分析了發酵過程中水解產酸反應器日產氣量、甲烷含量、水解酸化液pH值、COD濃度以及產甲烷反應器產氣特性的變化。結果表明：在不調節水解產酸反應器水解酸化液pH值條件下，秸稈兩階段厭氧發酵可以正常進行，秸稈干物質（TS）產氣量為281.28 mL·g-1，平均甲烷含量為47.36%；T1水解產酸反應器內水解酸化液pH值穩定在7左右，系統累積產氣量、總產甲烷量和平均甲烷含量分別較CK大幅增加了24.51%、29.39%和2.5個百分點；T2和T3水解產酸反應器產氣明顯受到抑制，水解酸化液后續產甲烷亦受到明顯抑制，產甲烷反應器累積產氣量分別僅為CK的89.97%和17.48%，總產氣量僅為T1的67.67%和10.20%；維持水解產酸反應器至堿性條件促進了秸稈中半纖維素的溶出和木質素的破壞，但不利于纖維素的溶出，TS損失率的結果與產氣的結果一致。綜合以上結果，調節水解產酸反應器水解酸化液pH值至8.0對提高秸稈兩階段厭氧發酵產沼氣有明顯的促進作用。關鍵詞：農業秸稈；兩階段厭氧發酵；pH值；產氣量；水解液

將農作物秸稈厭氧發酵產沼氣不但可以產生數量可觀的清潔能源（沼氣），產生的沼液、沼渣還是優質的有機肥培肥土壤，是循環農業的重要支撐技術之一（張莉娟等，2013）。兩階段厭氧發酵工藝因實現了水解產酸和產甲烷的分離，最大程度提高了相應微生物的活性，對提高產氣效率和產氣中甲烷含量有很好的效果，受到廣泛關注（Jeihanipour等，2013；Vergara-Fernández等，2008），已被大量用于食品加工廢水、城市污泥等的厭氧處理（劉蕾等，2011；Jung等，2012；Shin等，2010）。近年來，將兩階段厭氧發酵工藝用于秸稈沼氣化已有研究報道（朱瑾等，2011；卞永存等，2009），主要集中于發酵過程調控、預處理、混合發酵等（朱瑾等，2011；高新星等，2011；劉廣青等，2007）。Vieitez（2000）和 Nopharatana（2003）等研究均表明，固體有機物的水解產酸速率低于產甲烷速率，是固體有機物厭氧發酵的限速步驟，故如何提高秸稈水解產酸速率是秸稈兩階段厭氧發酵的重點，研究者對秸稈的水解產酸特性及影響因素進行了初步研究，包括混合水解、水解液回流和水解液置換量等（呂利利等，2013；陳廣銀等，2013）。

水解產酸的本質是水解產酸微生物將秸稈中大分子有機物（纖維素、半纖維素、粗蛋白等）轉化為小分子有機物（有機酸、乙醇、乳酸等）的過程，水解產酸系統的pH環境對水解產酸微生物活性的影響較大。何品晶等（2006）比較了不同發酵液 pH值對易腐性有機垃圾水解和酸化速率的影響，結果表明，發酵液的pH值為5～7時有利于顆粒態有機物的水解，發酵液pH=7時最有利于微生物的合成代謝，從而促進碳水化合物和蛋白質的水解過程和酸化過程；pH=8時，會抑制酸化過程。然而，張波等（2005）研究發現，控制體系pH值為7時，廚余垃圾水解產酸效果最好，但調節體系pH值至11也可獲得較好的水解產酸效果，不同pH值下廚余垃圾水解率大小順序為：pH7>pH9≈pH5>pH11>>未調節pH的處理，水解酸化液中 VFAs含量大小順序為：pH7>pH11>pH5>pH9>>未調節pH的處理，這與何品晶等（2006）的研究結果不一致，與文獻報道的水解產酸菌的適宜pH值范圍（3.5～8.0）亦有較大出入（任南琪等；2005）。已有關于pH值調節對固體有機物水解產酸的研究大多集中于廚余垃圾、污泥等易腐性有機物，且基本集中于酸性環境，具體研究堿性環境對秸稈水解產酸及產甲烷的影響還未見報道。水解酸化的最終目的是為產甲烷階段提供發酵底物（有機酸），人為調節水解酸化液的 pH值對其后續產甲烷的影響如何并不十分清楚（厭氧發酵體系有一定的緩沖能力），故進行本研究。

本文以打捆麥秸為原料，采用兩階段厭氧發酵工藝，通過每天調節水解產酸反應器水解液至不同堿性條件，分析了水解產酸反應器和產甲烷反應器日產氣量、產氣中甲烷含量，水解產酸反應器出水pH值和COD濃度以及發酵前后秸稈物質損失的變化，研究控制水解產酸反應器水解液pH值至堿性條件對秸稈兩階段厭氧發酵產沼氣的影響，為秸稈兩階段厭氧發酵沼氣工程提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

麥秸取自江蘇省農業科學院小麥試驗田，風干，人工打成圓柱形捆（高約20 cm，直徑約16 cm，容重為53 kg·m-3），于干燥陰涼處備用，秸稈干物質（Total Solid, TS）質量分數為85.65%，揮發性固體（Volatile Solid, VS）質量分數為93.73%，總有機碳（Total Organic Carbon, TOC）質量分數為45.35%，總氮為0.86%，C/N為52.73；接種物為前批次秸稈厭氧發酵后的沼液在 37 ℃下經馴化培養后待用，其pH值為7.47，TS濃度為1.34%。

1.2 實驗裝置

實驗用兩階段厭氧發酵裝置由水解產酸反應器和產甲烷反應器構成，見圖 1。水解產酸反應器和產甲烷反應器均為總容積5 L的有機玻璃罐，有效容積4 L，內徑16 cm、高28 cm，采用水浴夾套加熱方式。用蠕動泵將調節pH值的自來水泵入水解產酸反應器，水解產酸反應器排出的水解液直接用蠕動泵泵入產甲烷反應器產沼氣。

圖1 厭氧消化裝置結構示意圖Fig. 1 Schematic of anaerobic digestion equipment

1.3 實驗方法

將TS質量265 g的打捆麥秸裝入水解產酸反應器內，用馴化后的接種物將反應器內秸稈初始 TS濃度調節至10%，密封后于37 ℃下進行實驗；向產甲烷反應器內一次性加入接種物4 L，通入氮氣2 min，密封后于37 ℃下進行實驗。實驗啟動后，每5 d從水解產酸反應器內排出1000 mL水解液，分5 d每天200 mL用蠕動泵一次性泵入產甲烷反應器，同時，用等量調節了pH值的自來水補充至水解產酸反應器內。實驗設4個處理，實驗過程中每天將水解產酸反應器內水解液全部排出，用20%的NaOH溶液將排出的水解液 pH值分別調至 8.0（T1）、9.5（T2）和11.0（T3），立即泵回至水解產酸反應器內繼續實驗。同時，設置不調節pH值的處理（CK），其他操作同上。水解產酸反應器每次排出水解液后，立即用等量的自來水補充，補充的自來水首先用20%的NaOH溶液調節至相應的pH值后，用蠕動泵泵至水解產酸反應器內。每個處理3個平行，取平均值進行分析。實驗共進行了45 d，每天測定產氣量、甲烷含量，每2 d測定水解產酸反應器出水pH值和COD濃度。試驗結束后取出水解產酸反應器內秸稈，測定秸稈的干物質損失率、纖維素、半纖維素和木質素含量。

1.4 測定指標及方法

以排水集氣法收集氣體，每日測定產氣量；采用GC-9890A氣相色譜儀分析產氣中甲烷含量，熱導檢測器 TCD，檢測器溫度 120 ℃，分析柱TDC-01Φ4 m×1 m，柱溫100 ℃，載氣H2，流量50 mL·min-1，定量管1 mL，TCD電流100 mA，標準氣體為 29.2%N2+42.4%CH4+28.4%CO2，采用外標法；TS的測定采用105 ℃烘24 h，差重法測定；VS的測定采用550 ℃灼燒4 h，差重法測定；pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法（鮑士旦，2000）；全氮采用H2SO4-H2O2消煮，蒸餾定氮法（國家環保局，1989）；COD的測定參照GB 1194—1989；采用范氏法（楊勝，1983）（Van Soest）測定麥秸纖維素、半纖維素和木質素（FIWE-6，Velp Scientifica）。

2 結果與分析

2.1 pH調控對水解產酸反應器運行過程的影響

2.1.1 日產氣量的變化

實驗過程中各處理水解產酸反應器日產氣量的變化見圖 2。可以看出，各處理日產氣量的變化趨勢相似，均為先增加后降低。實驗啟動后，各處理日產氣量均迅速增加，CK、T1-T3分別在實驗第5、3、7和1天達到峰值，分別在4750、4700、3570和1700 mL之后逐漸下降，實驗5 d后T1的日產氣量一直高于其他處理，12 d后T2與CK間相差不大；T3在實驗18 d后已不產氣。實驗結束時，CK、T1、T2和T3日產氣量分別為450、740、460和0 mL。從日產氣量的結果看，每天調節水解酸化液pH值至8.0不但對水解產酸反應器產氣沒有抑制，反而促進了反應器產氣，這與其較適宜的pH值環境有關（阮文權等，2005；任南琪等；2005）；堿性環境太強對秸稈水解產酸反應器產氣有明顯的抑制，且堿性環境越強，對產氣的抑制效果越明顯，這與甲烷菌對堿性環境較為敏感有關（陳廣銀等，2013）。

圖2 水解產酸反應器發酵過程中日產氣量的變化Fig. 2 Changes of daily biogas yield during the experiments

2.1.2 甲烷含量的變化

實驗過程中各處理水解產酸反應器產氣中甲烷含量的變化見圖3。可以看出，除T3外，各處理的變化趨勢相似，均為先迅速增加后保持相對穩定。CK、T1、T2分別在試驗第5、5、7天達到最大值，分別在 50.87%、51.30%、51.15%之后，T2穩定在55%左右，T1穩定在52%左右，CK最低。實驗啟動后，T3產氣中甲烷含量迅速增加，并在第3天達到最大，但僅為23.20%，之后迅速降低，第13天時僅為13.72%，之后穩定在15%左右。可以看出，維持水解產酸體系至弱堿性環境，對提高產氣中甲烷含量有一定促進作用，但強堿性環境（pH值為11）對產甲烷菌活性產生嚴重抑制，甲烷質量分數最高僅為23.20%。需要指出的是，調節水解酸化液pH值至9影響了其日產氣量，但對產氣中甲烷含量并未表現出抑制，這可能是因為較強的堿性環境對不同種類產甲烷細菌的影響程度相似，即不同種類產甲烷菌受到近乎同等程度的抑制。

圖3 水解產酸反應器實驗過程產氣中甲烷含量的變化Fig. 3 Changes of methane content during the experiments

圖4 實驗過程中水解液pH值的變化Fig. 4 Changes of pH values of hydrolysate during the experiment

2.1.3 水解液pH值的變化

實驗過程中各處理水解液pH值的變化見圖4。可以看出，除CK外，T1-T3變化趨勢相似，均隨水解液每5 d排出呈先增加后降低的周期性波形變化，變化幅度為T2>T3>T1；CK的變化趨勢為先緩慢降低后保持相對穩定。CK在實驗啟動后，由于秸稈有機物大量水解產酸，水解液pH值逐漸降低，pH值由實驗第0天的7.16降至第14天的6.40，之后穩定在6.40左右，這與陳廣銀等（2013）研究結果一致。pH值反映了秸稈水解產酸體系中秸稈有機物水解產酸與體系中堿性物質之間的動態變化過程，pH值降低表明體系中水解產酸占主導作用，pH值升高代表體系中酸性物質減少，而堿性物質相對增加。在本實驗中，水解產酸反應器每5 d排出1000 mL水解液，并用等量調節了pH值的自來水補充，故T1-T3水解液pH值隨水解液排出呈規律性波動。每次水解液排料后立即用等量調節了pH值的自來水補充，每次在加入自來水后，由于水解液COD濃度大幅降低，反饋抑制作用得到緩解，秸稈有機物大量水解產酸造成pH值較水解液出料前大幅降低，但由于每天人工調節水解液pH值至設定值，較強的堿性環境抑制了水解產酸菌活性（何品晶等，2006；任南琪等，2005），秸稈有機物水解產酸速率逐漸下降，水解液緩沖能力隨之降低，水解液 pH值逐漸升高，結果出現水解液 pH值呈波形變化的現象。

從實驗過程中各處理pH值的變化幅度看，大小順序為 T2>T3>T1，這是因為水解產酸微生物適宜的pH值范圍為3.5～8.0，過高的pH值對產酸微生物產生強烈抑制，T1每天將水解液pH值調節至8.0，仍處于水解產酸微生物適宜的范圍，秸稈水解產酸作用強烈，大量有機物及礦物質進入水解液，水解液基本穩定在7.0左右；T3每天將水解液pH值調節至11，已嚴重超出水解產酸微生物的承受范圍，對水解產酸微生物產生嚴重抑制，秸稈有機物水解產酸作用微弱，水解液的緩沖能力主要來自溶出的少量礦質元素，故pH值波動幅度逐漸降低；T2每天將水解液pH值調節至9.5，雖已超出水解產酸微生物的適宜范圍，但在水解液排料補充自來水后，由于秸稈有機物及礦物元素水解溶出，水解液的緩沖能力增加，pH值大幅降低，并低至8.0以下，再次回到水解產酸微生物的適宜范圍，造成實驗過程中T2的pH值波動幅度最大。需要指出的是，pH值對水解產酸微生物的影響只是抑制其活性，而不是殺死，且水解產酸體系內大量的礦質元素對pH值的變化有較強的緩沖能力，水解液的pH值可能并不代表水解產酸微生物微環境的酸堿環境，在環境條件恢復后，水解產酸微生物活性可以迅速恢復，故在系統pH值高達11條件下秸稈有機物仍有部分水解溶出。

2.1.4 水解液COD濃度的變化

實驗過程中各處理水解酸化液COD濃度的變化見圖5，可以看出，各處理COD濃度的變化趨勢相似，均為在實驗前5 d迅速增加，之后曲折波動降低。在實驗前 5 d，由于秸稈有機物大量水解溶出，水解液COD濃度迅速增加，之后由于產甲烷菌大量分解利用轉化為甲烷和二氧化碳以及5 d一次的水解液排料，導致水解液COD濃度逐漸降低。CK、T1-T3的COD質量濃度均在第5天達到最大值，分別為17921、19107、14061、15440 mg·L-1，可以看出，調節水解酸化液pH值至8.0對促進秸稈水解產酸有一定效果，但調節pH值至9.5和11對秸稈水解產酸有明顯抑制；7 d后，T3水解液COD濃度一直明顯高于其他處理，這與其較低的日產氣量一致，即水解產酸產生的有機物不能被產甲烷菌轉化為甲烷和二氧化碳，造成有機物（COD）的相對積累。在本實驗中，水解產酸反應器每5 d用自來水置換一次水解液，并在置換后第3天測定水解液COD濃度，水解液用水置換后，水解液COD濃度大幅降低，隨后由于秸稈有機物大量水解溶出，COD濃度迅速增加，但隨著實驗的進行，COD濃度增幅逐漸減小，故出現實驗過程中各處理 COD濃度呈鋸齒狀變化的結果。

圖5 實驗過程中水解液COD濃度的變化Fig. 5 Changes of COD content of hydrolysate during the experiment

圖6 產甲烷反應器發酵過程中日產氣量的變化Fig. 6 Changes of daily biogas yield during the experiments

2.2 pH值調控對產甲烷反應器厭氧發酵產氣的影響

2.2.1 日產氣量的變化

產甲烷反應器進水來自水解產酸反應器每 5 d一次的水解液出水。每天向產甲烷反應器加入水解液200 mL，產甲烷反應器水力停留時間（HRT）為20 d。實驗過程中各處理日產氣量的變化見圖 6。實驗啟動后，水解產酸反應器在實驗第5天進行第一次水解液排料，故產甲烷反應器第一次進水在實驗第5天，第一次測定到產氣在實驗第6天。從圖6可見，各處理日產氣量變化趨勢相似，均為先迅速增加后迅速降低，CK、T1-T3分別在實驗第7、7、9和6天產氣達到峰值，分別為390、485、410和170 mL，之后迅速降低，CK、T1-T3分別在實驗22、18、20和10 d后停止產氣，產甲烷反應器HRT過長是導致各處理日產氣量偏低的主要原因，進水COD濃度偏低則是產氣周期較短的主要原因，各處理水解液（T3除外）在實驗15 d后COD質量濃度已降至2500 mg·L-1以下。從產甲烷反應器日產氣量的結果可以看出，較強pH值的水解液進入產甲烷反應器后，對反應器產氣產生明顯抑制，盡管T3水解液的COD濃度在實驗12 d后明顯高于其他處理，但其他處理尚能正常產氣，T3已完全停止產氣。

2.2.2 甲烷含量的變化

實驗過程中各處理產氣中甲烷含量的變化見圖 7。可以看出，各處理變化趨勢均為先增加后保持相對穩定。由于產甲烷反應器實驗第5天才開始進水，故實驗前5 d基本不產氣，產氣中甲烷質量分數極低，均在5%以下；5 d后產氣中甲烷含量迅速增加，CK、T1-T3分別在實驗第14、14、15和11天達到峰值，分別為61.90%、68.94%、65.91%和27.43%，之后分別穩定在60%、68%、64%和25%左右，可以看出，適當提高水解酸化液pH值對提高產甲烷反應器產氣中甲烷含量有一定促進作用，但過強的堿性環境會抑制產甲烷反應器中甲烷菌活性，不利于水解液產甲烷。需要指出的是，每天向產甲烷反應器加入pH值為8.0～9.0（T2）的水解酸化液，反應器產氣中甲烷含量并未受到明顯影響，且高于對照，這與文獻已報到的產甲烷菌適宜的pH值范圍并不一致，具體原因尚需進一步研究。

圖7 產甲烷反應器實驗過程產氣中甲烷含量的變化Fig. 7 Changes of methane content during the experiments

2.3 各處理兩階段厭氧發酵產氣結果比較

經45 d厭氧發酵處理后，各處理產氣的結果見表 1。可以看出，維持水解酸化液在弱堿性環境可以促進水解產酸反應器產甲烷，但堿性過強對厭氧微生物產甲烷產生抑制，且堿性越強抑制作用越明顯。T1水解產酸反應器累積產氣量較 CK提高了24.51%，T2和T3水解產酸反應器累積產氣量分別僅為CK的82.67%和12.29%；調節水解酸化液pH值的處理產甲烷反應器累積產氣量均低于 CK，產氣量大小順序為CK>T2>T1>T3，這與T2水解產酸反應器出水COD濃度明顯高于其他處理有關；從總產氣量看，由大到小順序為 T1>CK>T2>T3，將水解酸化液pH值調節至8.0的處理累積產氣量較對照提高了22.63%，T2、T3分別僅為CK的82.98%和12.50%，總產甲烷量的結果與總產氣量的結果一致，T1總產甲烷量較CK提高了29.39%；CK秸稈TS產氣量為281.28 mL·g-1；平均甲烷含量大小順序為T1>T2>CK>>T3。控制水解酸化液至堿性環境對提高產氣中甲烷含量有一定效果，但過強的堿性對產甲烷菌產生強烈抑制，甲烷含量大幅降低。

表1 產氣結果匯總Table 1 Summary results of biogas yield

2.4 厭氧發酵前后麥秸理化特性的變化

厭氧發酵前后麥秸理化特性的結果見表2。經45 d厭氧發酵后，麥秸有機物被大量分解，CK、T1-T3麥秸TS損失率分別為 52.47%、55.56%、48.44%、40.61%，這與產氣的結果一致（表1）。纖維素、半纖維素和木質素是秸稈有機物的主要成分，秸稈厭氧發酵過程實際上是纖維素、半纖維素等有機物被厭氧微生物轉化為甲烷和二氧化碳的過程，木質素在厭氧發酵過程中幾乎不能被分解（Komilis和Ham，2003），故厭氧發酵后秸稈中纖維素、半纖維素相對含量降低，木質素相對含量增加。經45 d厭氧發酵后，CK、T1-T3麥秸半纖維素質量分數分別下降了11.90%、12.91%、20.92%、41.98%，纖維素質量分數分別下降了11.59%、9.60%、5.93%和-28.18%，木質素質量分數分別增加了56.95%、48.02%、6.4%和-7.41%。可以看出，水解產酸系統較強的堿性環境促進了秸稈半纖維素和木質素的溶出，但不利于纖維素的溶出，這與已有的研究報道一致（陳廣銀等，2011）。

表2 厭氧發酵前后麥秸理化特性的變化Table 2 Physico-chemical properties of wheat straw obtained before and after anaerobic digestion

2.5 pH值調控對秸稈兩階段厭氧發酵綜合評價

在本試驗中，從產氣的結果看，每天將水解液pH值調節至8.0促進了水解產酸反應器產沼氣，累積產氣量較CK增加了24.51%，水解液后續產甲烷甲烷含量也明顯高于CK；每天將水解液pH值調節至9.5和11抑制了水解產酸反應器產氣，水解產酸反應器累積產氣量分別為CK的82.67%和12.29%，水解液后續產甲烷同樣有明顯抑制，產甲烷反應器累積產氣量分別為CK的89.97%和17.48%。從各階段產氣量的分布看，CK、T1-T3水解產酸反應器累積產氣量占總產氣量的比例分別為 95.85%、97.32%、95.51%和 94.21%，表明在目前的秸稈兩階段厭氧發酵工藝中，水解產酸反應器仍是產沼氣的主要環節，通過pH值調節水解產酸體系至堿性環境并不能提高相分離效果，每天調節水解產酸反應器酸化液pH值值8.0（體系pH值基本穩定在7.0左右）還強化了水解產酸反應器產氣。每天調節水解產酸體系pH值至11雖然明顯抑制水解產酸反應器產氣，產氣中甲烷含量也大幅降低，水解液COD濃度明顯高于其它處理，但由于水解液過強的堿性，對后續產甲烷也有明顯抑制，產甲烷反應器產氣僅維持了5 d即停止產氣。

3 結論

（1）在本試驗條件下，秸稈兩階段厭氧發酵可以正常進行，秸稈TS產氣量為281.28 mL·g-1，平均甲烷含量為47.36%。

（2）每天調節水解產酸體系pH值至8.0可促進秸稈水解產酸和產甲烷，水解產酸反應器累積產氣量較 CK增加了 24.51%，平均甲烷含量提高了2.5個百分點，總產甲烷量提高了29.39%。

（3）控制水解產酸體系至過強的堿性環境，嚴重抑制了秸稈水解產酸和產甲烷，每天調節水解酸化液pH值至11，水解產酸反應器和產甲烷反應器累積產氣量分別僅為 CK的 12.28%和17.48%。

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Effect of pH Values Control on Biogas Production of Agricultural Straw with Two-phase Anaerobic Fermentation

CHENG Guangyin1, CAO Jie1,2, YE Xiaomei1, DU Jing1, CHANG Zhizhou1
1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China; 2. Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China

Two-stage anaerobic digestion of agricultural straw is an important way for biogas production in China. The anaerobic digestion process was divided into two stage, hydrolysis and acidification, and methanogenesis. Large literature search showed that hydrolysis and acidification is the limiting step of biogas production of biosolid wastes. How to improve the hydrolysis and acidification rate of biosolid wastes? Much work has been done, including pretreatment, co-digestion, high efficient microbial inoculants, fermentation process control, et al. PH value is an important factor to hydrolysis and acidification of biosolid wastes. Much work has been done on characteristics of hydrolysis and acidification of biosolid wastes in acidic environment, but there was little information on characteristics of hydrolysis and acidification of biosolid wastes in alkaline environment. In order to evaluate the effect of alkaline environment control on hydrolysis and acidification and subsequent biogas production of agricultural straw, changes of daily biogas yield, methane content, pH value, COD content of hydrolysis and acidogenic phase and characteristics of biogas production of methanogenic phase were studied. The results showed that two-phase anaerobic fermentation of agricultural straw could be operated normally and TS biogas yield and average methane content were 281.28mL/g TSaddedand 47.36%, respectively. Cumulative biogas yield of hydrolysis and acidogenic phase, average methane content and cumulative methane yield of treatment of adjusting pH value of hydrolysate to 8.0 daily was improved by 24.51%. 2.5 percent and 29.39%. Adjusting pH value of hydrolysate to 9.5 and 11.0 daily could inhibit biogas production of hydrolysis and acidogenic phase and increase COD content of hydrolysate, but it was bad for biogas production of hydrolysate and cumulative biogas yield of methanogenic phase were only 89.97% and 17.48% to that of CK. Maintaining hydrolysis and acidogenic phase in alkaline environment was beneficial for dissolving out of hemicellulose and lignin but bad to cellulose.

agricultural straw; two-phase anaerobic fermentation; pH value; biogas production; hydrolysate

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.024

X705

A

1674-5906（2015）02-0336-07

陳廣銀，曹杰，葉小梅，杜靜，常志州. pH值調控對秸稈兩階段厭氧發酵產沼氣的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(2): 336-342.

CHENG Guangyin, CAO Jie, YE Xiaomei, DU Jing, CHANG Zhizhou. Effect of pH Values Control on Biogas Production of Agricultural Straw with Two-phase Anaerobic Fermentation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 336-342.

國家科技支撐計劃項目（2012BAD15B03）；江蘇省農業科技自主創新項目（CX（12）1002）

陳廣銀（1981年生），男，副研究員，博士，主要從事農業固體廢棄物資源化研究。Email: xzcf2004@163.com *通信作者：常志州（1957年生），男，研究員，碩士，碩士生導師，主要從事農業廢棄物資源化利用。E-mail: czhizhou@hotmail.com

2014-12-01