酸化處理提高玉米秸稈厭氧消化性能及其優化研究

劉 越， 袁海榮， Akiber Chufo Wachemo,2， 左曉宇， 李秀金

(1.北京化工大學 環境科學與工程系， 北京 100029； 2.Department of Water Supply and Environmental Engineering, Arba Minch University, Arba Minch P O Box 21, Ethiopia)

全球面臨日益越來越嚴重的能源危機和環境污染，而將木質纖維素通過厭氧消化技術轉化為生物甲烷，可以有效地改善生態環境，緩解中國的能源危機[1]。玉米秸稈是一種主要的農業廢棄物，據2017年中國統計年鑒統計，中國2016年玉米秸稈產量約為2.20億噸[2]。水解酸化是秸稈厭氧消化過程中的限速步驟[3]，采用“水解產酸-產甲烷”兩相厭氧消化工藝可以將產酸過程和產甲烷過程分離開，提供產酸和產甲烷微生物各自生長所需的最佳條件，可避免產甲烷過程的揮發酸累積導致的抑制[4]。因此，對酸化相的影響因素和水平進行優化可以提高整個兩相厭氧消化系統的產氣性能。

目前，不同物料的酸化相參數被優化用以提高甲烷產率，如：餐廚垃圾[5]，畜禽糞便[6]和廢棄食用油脂[7]等。影響酸化相產酸效果的因素主要包括有機負荷、酸化時間和接種比等[8-9]。酸化時間對發酵液中VFAs含量有顯著影響，隨著酸化時間增加，產酸菌會將底物轉化為VFAs，VFAs產率隨著酸化時間增加而增加[10]。由于VFAs的累積，發酵液pH值持續下降，抑制了產酸菌的代謝，同時部分VFAs被轉化為甲烷，進而影響了VFAs產率的增加[11]。當接種比低時，發酵體系中的微生物數量不足，酸化反應進行緩慢；接種比高，發酵體系中的產酸微生物數量較多，有利于酸化反應的進行；但如果接種比過高，產酸菌的代謝產物很快被消化體系中的產甲烷菌利用，則不利于酸的積累[12]。Lim[13]等人研究有機負荷率(OLR)對餐廚垃圾酸化反應的影響，當OLR從5 g·L-1d-1增加到13 g·L-1d-1時，廚房垃圾中VFAs產量增加；而在高OLR時，基質變得非常粘稠，導致厭氧系統不穩定。木質纖維素細胞壁中的半纖維素和木素通過共價鍵連接、纖維素鑲嵌其中，形成復雜的網狀結構[14]。現有工藝主要針對的是易降解的有機廢棄物進行處理，而針對玉米秸稈等木質纖維素類原料的處理和以提高甲烷產率為目標的酸化相水解工藝優化研究鮮有報道。

因此，本文通過響應面法對秸稈水解產揮發酸工藝條件做出優化，建立了以VFAs濃度為響應值的二次多項式，并且對試驗結果進行了預測，并檢驗了不同酸化程度的秸稈產甲烷效果。通過對兩相厭氧消化的產酸相VFAs產率和產甲烷相的甲烷產率進行曲線模擬，可以為研究產酸及產甲烷關系提供有效的數據參考和較準確的結果預測，以期為秸稈的“水解產酸-產甲烷”兩相工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗所用玉米秸稈取自北京順義郊區，自然風干后經粉碎機粉碎過20目篩。玉米秸稈在厭氧消化前，先用2%的NaOH溶液(NaOH與玉米秸稈干物質比為2%，水的添加量為玉米秸稈干物質的量的6倍)預處理，室溫浸泡3 d[10]。所用厭氧接種物取自北京順義區某沼氣站的剩余沼液，經自然沉降后存于4 ℃冰箱中備用，玉米秸稈和接種物的性質如表1所示。

表1 玉米秸稈及接種物性質 (%)

1.2 實驗方法

1.2.1 酸化相單因素實驗

設定秸稈負荷70 gTS·L-1，接種比(基質與接種物干物質量的比值)6∶1條件下，酸化時間分別為1,2，3，4和5 d；秸稈負荷70 gTS·L-1，酸化時間為 5 d 條件下，接種比(秸稈和接種物單位TS比)分別為 4∶1，6∶1，8∶1，10∶1和12∶1；接種比為6∶1，酸化時間為5 d條件下，秸稈負荷分別為50，60，70，80和90 gTS·L-1。各反應器放置在35℃±1℃下的恒溫培養箱，將秸稈、接種物和水按照試驗設計混合，向容積為1000 mL的酸化裝置加入總體積為800 mL的混合液進行酸化實驗。每天對產氣和氣體組分變化規律進行檢測，卸料后測定各反應器出料中的VFAs濃度。

1.2.2 酸化相響應面實驗

在單因素試驗的基礎上，以酸化時間(X1)、接種比(X2)和有機負荷(X3)為試驗因素，按照中心復合方法(CCD)設計試驗，考察了3個因素和 5個水平(見表2)，其中9和14處理組的酸化時間分別為2天8小時(2.32 d)和5天16小時(5.68)。

對3種重要因素通過響應面分析模塊進行優化，建立酸化條件對揮發酸濃度的二次回歸模型，其模型為公式(1)：

(1)

式中:y為響應值；β0為是常系數；βi是線性系數;βii為二次項系數；βij為交互項系數;xi和xj為試驗因素;ε為隨機誤差。

表2 實驗因素和水平編碼

1.2.3 甲烷相厭氧消化實驗

向采用響應面優化實驗后所得的酸化出料中加入厭氧接種物，進行批式甲烷化實驗。加入篩選出的最優酸化條件，與未處理的實驗組進行對照分析。在1 L甲烷化裝置中加入800 mL 酸化料液，按照15 gTS·L-1的厭氧污泥進行接種，35℃±1℃發酵60 d，測定沼氣總產量和甲烷含量。發酵后分別取 30 mL 樣品測pH值，氨氮，堿度和VFAs含量。

1.3 分析方法

日產氣量通過排水法測定；氨氮、堿度、TS和VS采用水質分析方法測定[15]；在分析秸稈酸化液的VFAs前需要進行預處理，即在10000 r·min-1下離心10 min后通過0.45 μm的微孔濾膜過濾, 濾后水樣進行VFAs的測定。VFAs 和乙醇含量用氣相色譜(GC-2014，日本島津公司) 測定，FID檢測器，進樣器、檢測器和柱箱的溫度分別為250℃，250℃，階段升溫100℃～180℃，升溫速率5℃·min-1，載氣為高純氮氣；測定氣體成分用氣相色譜(SP-2100，北京中科慧杰分析科技有限公司) 測定，TCD 檢測器，進樣器、檢測器和柱箱的溫度分別為 140℃，150℃，150℃，載氣為高純氬氣；C，N，H和S由北京化工大學分析測試中心測定。纖維素、半纖維素和木質素用纖維素測定儀(ANKOM，美國安康公司)。

1.4 數據統計分析方法

使用 Design Expert 8.0.1 軟件，試驗設計采用 CCD方法，對3種重要因素通過響應面分析模塊進行優化，并建立酸化條件對揮發酸濃度的二次回歸模型。

2 結果與討論

2.1 酸化相VFAs及產氣

2.1.1 VFAs組分及產量變化

圖1～圖3分析了酸化時間、接種量和有機負荷對VFAs產率的影響。由圖1所知，揮發酸產量隨酸化時間的增加顯示出先升高再下降的趨勢，當酸化達到4 d時，負荷產酸率達到最高值232.3 mg·g-1TS。在酸化發酵過程中，乙酸和丁酸的含量占總酸含量的80%，為丁酸發酵型。接種比也是影響酸化發酵的重要參數。從圖2中可以看出接種比為2，4，6，8和10時，負荷產酸率先上升后下降，當接種比為6時，秸稈的負荷產酸率最高，達到288 mg·g-1TS。在接種比為2和4時，乙酸含量高于丁酸，而在接種比為6，8和10時，丁酸含量高于乙酸。在接種比為2時，丙酸含量大于1000 mg·L-1,隨著接種比的增加丙酸含量逐漸減小，這可能與酸化發酵過程中的微生物群落和功能酶有關，Min[16]等人的研究結果也證明了總氮含量的增加會提高基質底物中丙酸含量。由圖3可知，VFAs濃度會隨著有機負荷的增加逐漸增加。在適當的pH值條件下，在碳水化合物的基質中提高補充高蛋白物質可以通過丙酸類發酵改善丙酸酯的生產，主要菌群以細菌類、梭狀芽和蛋白質細菌為主[17]。在50，60，70，80和90 gTS·L-1時，VFAs濃度分別為14619.63，17997.62，20159.32，21718.44和24799.65 mg·L-1。當有機負荷為60 gTS·L-1時，VFAs產量增加至300 mg·g-1TS，隨后逐漸降低。結果表明，高負荷時VFAs濃度較高，而在低負荷時VFAs產率較高。同時，增加有機負荷對VFAs中各組分含量影響較小。

圖1 酸化時間對玉米秸稈產揮發酸濃度的影響

圖2 接種比對玉米秸稈產揮發酸濃度的影響

圖3 有機負荷對玉米秸稈產揮發酸濃度的影響

2.1.2 產氣量及氣體成分變化

圖4～圖6分析了不同酸化條件下氣體組分含量的變化。如圖4所示，酸化第2天產氣量最高，隨著時間的增加，產氣量逐漸降低。其中，CO2和H2占氣體總量百分比較高，在44.73%～95.08%。在第2天H2產量最高，隨后逐漸降低。同時，VFAs產量增長率也在第2天最高，為45.99%；在第3天和第4天分別降低到6.30%和4.10%。從圖5中看出，接種比較小(接種量高)時，產氣量和CH4產量較高，分別為3330.00 mL和651.69 mL，產氣量和CH4產量隨著接種量的降低而降低。然而，H2在接種比為6時產量最高，為405.46 mL，與VFAs濃度趨勢相同。此結果與王剛[16]等以蔗糖廢水為原料研究接種量對產酸率的影響的結果一致，H2產量與VFAs產量在酸化過程中呈現正相關。圖6為不同負荷條件下氣體組分產量的變化，CH4，CO2和H2產量隨著負荷的增加而增加，與VFAs濃度變化一致。以上試驗結果表明酸化過程中總氣體產量與接種量、負荷和時間有關，與VFAs產量無關，而氫氣產量與VFAs濃度呈正相關。

圖4 不同酸化條件下氣體組分產量的變化

圖5 不同接種比條件下氣體組分產量的變化

圖6 不同有機負荷條件下氣體組分產量的變化

2.2 酸化相VFAs模型優化

按照設計方案共進行了20組試驗，測定樣品的VFAs產量，試驗設計和結果見表3。對表3的試驗數據進行了多元回歸擬合，并得出有機負荷、酸化時間和接種比與負荷產酸率之間的二次多項式回歸方程，如公式(2)所示：

Y=248.03+2.88X1-7.59X2-2.69X3-2.34X1X2+3.50X1X3+21.38X2X3-13.69X12-10.12X22-9.98X32

(2)

表3 試驗設計和結果

式中：Y為預測的VFAs產率；X1，X2，X3分別為酸化時間、接種比和有機負荷。

表4 方差分析結果

工藝條件優化是為了尋找使響應值最大化的反應條件，采用Design Expert軟件，根據二次多項式回歸方程，求解得到玉米秸稈水解產生VFAs濃度的最大值，得到的優化條件為接種比4，反應時間4 d，原料負荷50 gTS·L-1。為了檢驗響應面法所得結果，采用優化方案進行了3次重復性驗證試驗，實際秸稈水解產生VFAs產率平均值270.50 mg·g-1TS與預測值263.03 mg·g-1TS相近，比單因素最優水平(酸化時間為4天、接種比為6和有機負荷60 gTS·L-1)提高了9.06%。

2.3 甲烷相產甲烷性能

在甲烷發酵過程中，代謝產物VFAs可以被產甲烷菌轉化為甲烷，采用上述酸化條件進行產甲烷試驗，并以未預處理為對照。如表5所示，最優條件下的甲烷產率最高，為285.97 mL·g-1TS，比未處理組提高了81.52%。最優組的堿度為9453.43 mg·L-1，比未預處理組提高了45.52%；氨氮和VFAs分別為519.00和52.30 mg·L-1，低于未預處理組，說明了酸化處理提高了系統的緩沖能力。結果表明酸化處理可以明顯提高玉米秸稈的產甲烷性能和系統穩定性，處理效果優于沼液預處理[18]和沼液CaO聯合預處理[19]，兩種預處理方法可以將甲烷產率分別提高37.43%和57.56%。

經過60 d的厭氧消化，所有處理組的VFAs濃度較低，在53.6～82.8 mg·L-1范圍內，說明VFAs被完全轉化。pH值，氨氮和堿度分別為7.13～7.40，539.00～868.00 mg·L-1和5125.00～8475.00 mg·L-1，均在合理區間內。酸化處理后各處理組的甲烷產率在191.29～248.12 mL·g-1TS范圍內。將表5中甲烷產率和表3中VFAs產率進行相關性分析。如圖7所示，甲烷產率與VFAs產率有較高的相關性，相關性系數Mutiple R為0.88，p值<0.05，置信度為95%。并對其進行線性擬合，R2為0.77，擬合效果較好。因此，酸化相的VFAs產率有益于提高甲烷產率，回歸線性方程為公式(3)：

ηVFAs=0.62ηMethane+73.25

(3)

圖7 VFAs產率與甲烷產率的相關性

3 結論

本文對酸化相的酸化條件進行優化，為秸稈的“水解產酸-產甲烷”兩相工藝提供一套完整酸化工藝參數，同時通過對VFAs產量和甲烷產量進行回歸性分析，揭示了VFAs與甲烷產量的關系，有助于秸稈兩相厭氧消化工藝中甲烷相的預測分析。

表5 甲烷相甲烷產率和出料性質

(1)采用單因素方法對玉米秸稈酸化過程中VFAs產率進行優化，在酸化時間為4天、接種比為6，有機負荷為60 gTS·L-1時VFAs產率最高，VFAs產率分別為299.96，287.99和232.31 mg·g-1TS。各因素對VFAs組分影響較小，發酵類型為丁酸發酵型，其中接種比可以影響丙酸在總VFAs的占比。酸化過程中總氣體產量與接種量、負荷和時間有關，而與VFAs產量無關；其中氫氣產量與VFAs濃度呈正相關。

(2)采用響應面方法對反應工藝進行優化，得到生物法水解秸稈產揮發酸的最優條件為接種比4∶1，反應時間4 d，原料負荷50 gTS·L-1。在最優條件下，VFAs產率可達到270.50 mg·g-1TS，響應面模型中的影響因素顯著性順序為：接種比>負荷>酸化時間。

(3)將響應面酸化處理后的料液進行甲烷批式實驗，最優條件下的甲烷產率最高，為285.97 mL·g-1TS，比未處理組提高了81.52%。對VFAs產量和甲烷產量進行回歸性分析，結果表明甲烷產率與VFAs產率有較高的相關性，相關性系數Mutiple R為0.88，并對其進行線性擬合，R2為0.77，擬合效果較好。